楊 鋒，譚 亞，王灶平，王志偉，蔣體孝

（1.91650部隊，廣州510320；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；3.91458部隊，三亞572000）

長江口Sa分潮數(shù)值模擬研究

楊 鋒1，譚 亞2，王灶平3，王志偉1，蔣體孝1

（1.91650部隊，廣州510320；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098；3.91458部隊，三亞572000）

為更好研究長江口Sa分潮的特性，建立了大通至長江口感潮河段的二維水動力數(shù)學模型，通過模擬徑流與潮汐共同作用下的水動力過程，并設置上下游不同條件的對照組，分析了河口段Sa分潮的影響因子及響應規(guī)律。結果表明，長江河口段Sa分潮由上游徑流變化和外海Sa潮波共同作用產生，徑流對上游站點影響占優(yōu)、外海潮波對下游影響占優(yōu)。徑流使得河道內分潮振幅產生了沿程衰減的趨勢，這是河口的Sa分潮特征不同于外海的原因，也說明徑流是其主要的影響因子；而外海的Sa潮波只給予了其一個沿程定值。Sa分潮振幅只受徑流的年內變化大小和外海Sa潮波振幅大小影響，不受平均徑流量和平均海面的影響。徑流量的變化會導致沿程Sa分潮振幅發(fā)生響應變化，且上游比下游站點響應更敏感；外海Sa潮波振幅的變化會使沿程振幅發(fā)生大致等量的變幅。三峽建成后河口段Sa分潮振幅有所減小，年際變化減小。

長江河口；Sa分潮；數(shù)值模擬；三峽工程

長江口屬于中等強度潮汐河口，潮位變化既受外海潮波影響，也受上游徑流來水影響，由于長江徑流巨大，且季節(jié)差異明顯，加之河口地形復雜，使得長江河口段的潮汐特性較為復雜。筆者研究成果表明［1］，長江口潮位站的分潮組成以半日分潮為主，但按振幅大小排列，長周期氣象分潮Sa處于第二或第三位，所占比重較大，且年際變化顯著，不能像天文分潮一樣作為定常量來使用，因此研究當?shù)氐腟a分潮調和常數(shù)特征對于提高當?shù)爻毕A報精度以及防災減災具有重要意義。

方國洪［2］認為，除了引潮力之外，引起水位變化的另一個重要因素是氣象條件，我國近海氣象條件隨季節(jié)變化，造成水位冬低夏高的周年變化，從而引入周期為一個回歸年的分潮，記作Sa。鄭文振［3］發(fā)現(xiàn)中國近海的長周期分潮中Sa分潮振幅最大，且比其他長周期分潮大的多，用沿海25個站的長期連續(xù)月平均海面資料計算出Sa分潮的振幅和遲角［4］，并詳細分析了其在我國沿海的分布規(guī)律。前人對于Sa分潮調和常數(shù)在外海的分布已經做了很多研究，但對于其在河口地區(qū)的分布規(guī)律、影響因子及響應機制研究較少。楊鋒［1］等人通過對實測潮位的調和分析發(fā)現(xiàn)長江河口段的Sa分潮振幅向上游遞增、遲角向上游遞減，與天文分潮剛好相反；且振幅年際變化與大通流量年最大日距平值變化趨勢一致，并初步認為徑流為其主要影響因子。

長江河口段西起江陰鵝鼻嘴，東至河口攔門沙，水動力條件受徑流與潮流相互作用，此消彼長。本文以河口段為研究對象，建立二維水動力數(shù)學模型，在模型驗證的基礎上，模擬上游不同徑流和外海不同潮位的情況下，長江河口段的漲落潮過程，通過調和分析［5］重點得到Sa分潮調和常數(shù)的沿程分布，并探討它的影響因子及響應規(guī)律。

1數(shù)學模型

本文采用MIKE21軟件的FM模塊，建立了大通至長江口外海濱的平面二維水動力數(shù)學模型。上邊界位于安徽大通；下游外邊界取在長江口外-20 m等深線處附近［6］，如圖1所示。本模型上游采用大通站實測逐日流量；連興港位于長江口北支末端，其水文特性為潮汐作用遠強于徑流，因此本文模型視連興港與口門外的海洋潮汐特征相同，并將其潮汐特征賦予下游邊界，因此下游海上開邊界潮位數(shù)據(jù)由東中國海潮波模型結合連興港潮位提供。本文采用2000年潮位觀測資料分別進行了短周期和長周期驗證。驗證站點有江陰、天生港、徐六涇、楊林、吳淞和共青圩共6個潮位站，站點位置如圖1所示。模擬值與實測值誤差較小，吻合良好，可以反應長江河口段的水動力過程。

圖1 數(shù)學模型范圍Fig.1 Range of mathematical model

表1 定性研究下的不同邊界組合條件Tab.1 Combination condition of different upstream and downstream boundaries for qualitative research

2動力變化對Sa分潮調和常數(shù)的影響

大通站作為長江口的潮區(qū)界，一直被用作研究長江感潮河段的流量控制節(jié)點。連興港位于長江口北支末端，本文模型視連興港與口門外的海洋潮汐特征相同，并將其潮汐特征賦予下游邊界。本文在只考慮徑流和潮流動力的情況下（圖1），通過改變上游大通流量值和外海（連興港）潮位值來設置不同的上下游動力邊界組合，每個組合計算時間長度為1 a。

圖2 定性研究下的Sa分潮振幅沿程分布Fig.2 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach for qualitative research

表2 定性研究下的主要站點Sa分潮振幅（cm）Tab.2 Amplitude of Sa partial tide in major station for qualitative research

圖3 定性研究下的Sa分潮遲角沿程分布Fig.3 Distribution of Sa partial tide epoch along studied river reach for qualitative research

表3 定性研究下的主要站點Sa分潮遲角（°）Tab.3 Epoch of Sa partial tide in major station for qualitative research

為了更直觀地觀察和分析Sa分潮調和常數(shù)在長江河口段的沿程變化趨勢，現(xiàn)以各潮位站距離上游大通站的距離，即河長長度作為橫坐標，將江陰、天生港、徐六涇、楊林、吳淞和共青圩共6個測站的結果著重標示出來，這六站距離大通河長分別約為412 km、462 km、497 km、534 km、568 km和590 km。

2.1動力變化對Sa分潮的定性影響

為了確認河口段Sa分潮是否是受上游徑流下泄和外海Sa潮波向口門內上溯的共同影響，現(xiàn)以2000年數(shù)據(jù)為基礎來設置上下游邊界條件（表1）。

表1說明：實測逐時潮位減去25 h平均值可以過濾掉大部分長周期低頻潮波的影響，條件2中的下游邊界即分離掉了Sa潮波，使水位在年平均海面29.3 cm上下振動；條件2.1的下游邊界為水位在0 cm上下振動。2000年大通平均流量為29 351 m3/s；連興港站平均海面高度為29.3 cm。

條件1、2、3的對比是為了探明河口段Sa分潮是受徑流和外海Sa潮波的單一作用還是共同影響；條件2.1和3.1則是條件2和3的極端情況，目的是研究上下游邊界平均值的變化對其是否有影響。

由圖2可見，條件2與條件1相比，當消除下游Sa潮波后，徑流單獨產生的Sa分潮振幅在長江河口段依然保持著相同的衰減趨勢和衰減幅度，但各站振幅值都比原來減小了16 cm左右。當上游徑流無變化時，條件3中的外海Sa潮波向口內上溯，但在河口段的沿程振幅數(shù)值卻基本保持不變，向上游呈現(xiàn)的趨勢并未衰減。從表2中的數(shù)據(jù)可知，各個站點條件1的Sa振幅值基本等于條件2與條件3之和，且上游站點中徑流產生的振幅所占比重大，下游站點中外海潮波產生的振幅占總振幅值的比重更大。

這說明河口段Sa分潮由上游徑流變化和外海Sa潮波共同作用產生，徑流對上游站點的Sa分潮影響更大、外海潮波對下游站點影響更大。在量值上，長江河口段的沿程分潮振幅由兩者單獨產生的振幅值疊加而成；在趨勢上，外海的Sa潮波給予了河口段分潮振幅一個沿程定值，而徑流使得其產生了沿程衰減的趨勢，這是河口段Sa分潮特征不同于外海的原因，也說明徑流是其主要的影響因子。

結合長江下游河道形態(tài)，本文初步認為，徑流使得Sa分潮振幅產生沿程衰減趨勢的原因在于，長江河段自大通以下，河面寬度逐漸展寬、河床斷面面積擴大，河道寬深比［7］逐漸增大，徑流量變化對沿程水位高低變化的影響逐步降低，從而導致徑流年內變化對河口段Sa分潮的貢獻也呈現(xiàn)出沿程逐步降低的趨勢。

在圖2和表2中，條件2.1和條件2的振幅沿程趨勢線幾乎重合、數(shù)值也幾近相同，條件3.1和條件3同樣趨勢線幾乎重合、數(shù)值相近。這說明長江河口段Sa分潮振幅只受徑流的年內變化大小和外海Sa潮波振幅大小影響，而幾乎不受平均徑流量和平均水位的影響。

從圖3和表3可以看出，當條件2中消除了外海Sa潮波后，徑流單獨產生的Sa分潮遲角向下游沿程緩慢減小，即上游比下游迎來高潮位的時間更晚；條件3由外海單獨產生的Sa分潮遲角向下游沿程緩慢增大，即上游迎來高潮位的時間更早。兩條件下遲角沿程由江陰至共青圩站的變化幅度分別為-1.3°和2.6°，遠小于條件1中6.9°的變化幅度。條件2.1和條件2的沿程遲角趨勢線幾乎重合，但條件3.1中的遲角沿程變幅更小，與條件3的趨勢線略有差異。

2.2動力變化對Sa分潮的定量影響

為了研究長江河口段Sa分潮振幅對徑流變化和外海Sa潮波振幅變化響應的具體數(shù)值，現(xiàn)設置兩組對照組與條件1進行對比分析。

“距平法”在判斷流量隨時間變化上是一種較常用的方法［8］，針對現(xiàn)有的1997～2003年大通逐日流量數(shù)據(jù)資料，此處使用大通的每年最大日距平流量值x^來與Sa分潮逐年振幅進行比較。某一年的最大日距平流量值可表示為

圖4和表4說明：據(jù)1997～2003年實測數(shù)據(jù)顯示，大通最大日距平流量的最小值為2001年的20 826 m3/s，最大值為1999年的51 397 m3/s。2000年大通最大日距平流量為24 249 m3/s，放大1.5倍后值為36 373 m3/s，仍在往年數(shù)值范圍內。大通站各年流量值的不同主要體現(xiàn)在夏季，而冬季流量值一般都在10 000 m3/s左右，因此，為了設置更符合實際的流量條件，本文將條件4的大通流量值在10 000 m3/s基礎上放大1.5倍，即每日流量值為

圖4 大通不同條件的流量過程線Fig.4 Process line of different discharges at Datong station

表4 定量研究下的不同邊界組合條件Tab.4 Combination condition of different upstream anddownstream boundaries for quantitative research

據(jù)1989～2009年實測數(shù)據(jù)顯示，連興港站Sa分潮振幅最小值為1998年的13.04 cm，最大值為2002年的20.73 cm。2000年連興港站Sa分潮振幅為14.93 cm，放大1.3倍后值為19.4 cm，仍在往年數(shù)值范圍內，符合實際情況。由于只使用25 h平均值可以過濾掉大部分短周期高頻潮波，所以將Sa振幅放大體現(xiàn)在25 h日均水位的放大，因此，條件5的連興港逐時潮位值為

由圖5和表5可知，在大通流量每日距平值放大1.5倍后，長江河口段各站點Sa分潮振幅放大倍數(shù)不盡相同，上游站點增大較多，如江陰站振幅增大為原振幅的1.39倍，下游站點增大幅度較小，如共青圩站振幅只增大為原振幅的1.11倍。說明越靠近上游，站點的Sa分潮振幅對徑流量的變化愈加敏感。

在只有外海Sa潮波振幅放大1.3倍的情況下，長江河口段各站點Sa分潮振幅放大倍數(shù)不盡相同，但從圖5和表5中可以發(fā)現(xiàn)，各站振幅均增大了相近的數(shù)量值，即在外海Sa潮波振幅增大4.47 cm后，沿程各站點振幅均增大了4.7 cm左右，且兩者數(shù)值相近。這說明河口段站點Sa分潮振幅對外海Sa潮波振幅變化響應的敏感度幾乎相同。

圖5 定量研究下的Sa分潮振幅沿程分布Fig.5 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach for quantitative research

表5 定量研究下的主要站點Sa分潮振幅（cm）及變化量Tab.5 Amplitude of Sa partial tide and its variation in major station for quantitative research

圖6 定量研究下的Sa分潮遲角沿程分布Fig.6 Distribution of Sa partial tide epoch along studied river reach for quantitative research

表6 定量研究下的主要站點Sa分潮遲角（°）及變化量Tab.6 Epoch of Sa partial tide and its variation in major station for quantitative research

雖然條件4和條件5在設置中并未改變大通最大日距平所在日期，即洪峰到來的時間，也未改變外海Sa潮波的遲角值，但通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，在改變了流量距平值和外海Sa振幅值之后，河口段Sa分潮遲角也相應發(fā)生了變化，且遲角沿程變化數(shù)值基本相同。當上游流量距平值增大后，對比條件4和1，遲角沿程均減小了1°左右；當外海Sa分潮振幅增大后，對比條件5和1，遲角沿程均增大了1.5°左右。

2.3三峽工程對Sa分潮的影響

2.3.1實測資料分析

長江上游三峽工程自1993年開始建立，2003年開始蓄水［9］，蓄水后，通過流量年內調節(jié)會使中下游的洪、枯季徑流量變化差值降低。圖7是1993～2009年長江大通站逐日流量過程，從流量過程線來看，2000年之前各年內流量的逐日過程都是單峰的，且峰值較大，2000年之后，由于受其建設和蓄水對徑流調配的影響，各年內流量的逐日過程表現(xiàn)為多峰現(xiàn)象，其中一個為主峰值，最大流量值下降了近一倍。

三峽工程洪季蓄水枯季放水的結果導致大通流量年內最大日距平值的減小，本文將1993～2002年視為三峽建成前，將2003～2009視為建成后的年份。從圖8中可以看出，三峽蓄水后2003～2009年最大日距平值流量的平均值為25 687.27 m3/s，比蓄水前的1993～2002年的平均值36 517.79 m3/s減小近30％，這必然導致在三峽建成后的年份里，長江河口段潮位站的Sa分潮振幅有所降低。

針對已有的徐六涇站多年潮位數(shù)據(jù)，將三峽建成前后的該站Sa分潮調和常數(shù)平均值和標準差進行對比。從表7中的平均值可以看出，Sa分潮振幅減小了6.2％，遲角減小了5.45°。標準差在概率統(tǒng)計中通常用來反映組內個體間的離散程度，本文統(tǒng)計出標準差來反映它們多年的變化幅度，即標準差越大，說明年際變化越大，越不能看做常量，標準差越小，說明年際變化小。表7顯示，在三峽建成后，徐六涇站Sa分潮振幅標準差減小了43％，說明在三峽建成之后，Sa分潮振幅年際變化減小，不再像之前那樣波動劇烈。

在圖8中同時可以看到連興港的Sa分潮振幅與大通最大日距平流量變化趨勢的相關性很差，這也說明連興港基本不受大通流量影響，其可以代表外海潮汐特性。

圖7 1993～2009年大通逐日流量過程線Fig.7 Daily discharge hydrograph at Datong station from 1993 to 2009

表7 三峽建成前后徐六涇站Sa分潮調和常數(shù)特征值對比Tab.7 The harmonic constants of Sa partial tide at Xuliujing station before and after the completion of the Three Gorges

圖8 1993～2009年大通最大日距平流量與連興港Sa分潮振幅Fig.8 The maximum daily flow anomaly at Datong and amplitude of Sa partial tide at Lianxinggang from 1993 to 2009

圖9 多年Sa分潮振幅沿程分布Fig.9 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach in 3 years

因河口段各站實測潮位數(shù)據(jù)時間不一，為完整展現(xiàn)沿程數(shù)據(jù)趨勢，故選擇1997、2001和2002三年各站共有的數(shù)據(jù)作折線圖分析。對比圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，在大通最大日距平流量較大的年份，Sa分潮振幅沿程變化就劇烈；越小時，Sa分潮振幅沿程變化就平緩。其中大通最大日距平流量在2002年較大，這一年的Sa分潮振幅由江陰站到共青圩站沿程減小了58.62 cm，在值最小的2001年，Sa分潮振幅沿程只減小了30.03 cm，這說明大通流量的變化直接影響著河口段Sa分潮振幅沿程變化。同時由圖9可知，上游站點比下游的Sa分潮振幅年際變化劇烈，例如上游江陰站Sa分潮振幅在這3 a里最大值與最小值之差為31.25 cm，而下游共青圩站的差僅值為4.9 cm，這說明上游Sa分潮振幅對大通流量的變化更敏感。

2.3.2數(shù)值模擬分析

為了對比三峽建成前后長江河口段Sa分潮振幅的沿程變化，本文選取幾個特征年份利用模型進行復演。1997年大通最大日距平流量為35 750 m3/s，與1993～2002年的平均值最為接近，故將上游邊界設為大通1997年實測流量過程、下游邊界設為連興港1997年實測潮位過程，將其作為三峽建成前的特征年份對其進行復演；三峽水庫建成之后在2003年、2006年、2008年、2009年和2010年共進行了5次蓄水過程，其中2008年蓄水分兩階段進行，第一階段9月28日開始，起蓄水位145 m，蓄至10月5日156 m結束，第二階段10月17日起蓄，蓄至11月4日172.8 m結束，并在10月底為下游放水，同時2008年大通最大日距平流量為22 245 m3/s，與2003～2009年的平均值較為接近，故本文將2008年作為三峽建成后的特征年份進行復演；1999年的年平均流量雖然沒有1998年大，但其最大日距平流量卻遠超其他年份，因此本文同時對當年進行復演。

對比圖9和圖10中共有的1997年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，各主要站點實測與模擬結果誤差較小，沿程趨勢相同，因此該模型可以反應實際水動力過程，并可對各年進行復演。

從圖10和表8中可以看出，1999年Sa分潮沿程振幅斜率遠大于其他年份，且越靠近上游振幅差值越大；三峽建成后的2008年Sa分潮沿程振幅斜率比建成前的1997年略小，上游的江陰站振幅在2008年比1997年減小了7.2％，遠小于兩年大通最大日距平30％的差別，同時下游共青圩站的振幅在2008年比1997年反而增大了4 cm，由圖10可知，這可能是由于代表外海的連興港Sa振幅在2008年比1997年增大了2.96 cm，從而導致河口段站點Sa振幅沿程均勻增大。同時說明長江河口段各站點Sa分潮振幅因三峽工程的建成所造成的減小并不十分明顯，需同時對外海的Sa潮波和其他因素進行綜合考慮。

圖10 三峽蓄水前后河口段Sa分潮振幅沿程分布Fig.10 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach before and after the completion of the Three Gorges

表8 三峽蓄水前后主要站點Sa分潮振幅（cm）Tab.8 Amplitude of Sa partial tide in major station before and after the completion of the Three Gorges

3結論

通過設置上下游不同條件的對照組，發(fā)現(xiàn)長江河口段Sa分潮由上游徑流變化和外海Sa潮波共同作用產生，徑流對上游站點的Sa分潮影響更大、外海潮波對下游站點影響更大。外海的Sa潮波給予了河道內分潮振幅一個沿程定值，而徑流使得其產生了沿程衰減的趨勢，這是河口的Sa分潮特征不同于外海的原因，也說明徑流是其主要的影響因子。且Sa分潮振幅只受徑流的年內變化大小和外海Sa潮波振幅大小影響，不受平均徑流量和平均海面高度的影響。徑流量的變化會導致沿程Sa分潮振幅發(fā)生響應變化，且上游比下游站點響應更敏感；外海Sa潮波振幅的變化會使沿程振幅發(fā)生大致等量的變幅。三峽建成后河口段Sa分潮振幅有所減小，但減幅大小由上下游及其他綜合條件決定；其年際變化減幅較大。

上游徑流量的變化或外海潮波振幅的變化都會導致河口段Sa分潮遲角沿程發(fā)生變化，但規(guī)律和原因仍不明確。相比與長江河口段Sa分潮振幅，其遲角缺乏類似的影響因子及響應規(guī)律，有待進一步研究。

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Numerical simulation study on Sa partial tide in Yangtze estuary

YANG Feng1,TAN Ya2,WANG Zao?ping3,WANG Zhi?wei1,JIANG Ti?xiao1
(1.PLA Navy 91650 Troops,Guangzhou 510320,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China;3.PLA Navy 91458 Troops,Sanya 572000,China)

In order to study the characteristics of Sa partial tide in Yangtze estuary,a two?dimensional hydrody?namic model for the tidal reach of the Datong?Yangtze River estuary was established.By simulating the hydrodynam?ics in response to runoff and tides and setting different upstream and downstream boundaries,the influence factors and responses of Sa at Yangtze River estuary reach were analyzed.The results show that the Sa partial tide at Yang?tze estuary is co?produced by runoff and tidal action.The influence on upstream sites comes mainly from runoff,and the influence on downstream is mainly from the offshore tide.The change during a year of runoff produces the decay trend along the way to the amplitude of Sa along the estuary reach;meanwhile,the offshore Sa partial tide gives a constant value to it,it′s the reason why the characteristic of the Sa along the estuary reach is different from in off?shore area,and it proves that the runoff is the main influence factor.The amplitude of Sa in estuary is only affected by the runoff and offshore Sa,but not by the average level in offshore and the average discharge of runoff.The change of the runoff′s variation during a year will affect the amplitude of Sa,and the upstream sites are more sensi?tive than downstream;the change of offshore Sa will produce a similar amount of change to it.After the completion of the Three Gorges project,the interannual variability and the average value of Sa′s amplitude reduced slightly.

Yangtze estuary;Sa partial tide;numerical simulation;the Three Gorges project

TV 131.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）04-0362-07

2015-06-24；

2015-11-18

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）課題：長江口海域水動力過程與生態(tài)系統(tǒng)演變機制（2010CB429001）；國家科技支撐計劃（所屬項目名稱：水沙變異條件下荊江與長江口北支河道治理關鍵技術研究）課題：長江口北支建閘技術研究（2013BAB12B05）;江蘇省水利科技項目：風暴潮耦合影響下長江鎮(zhèn)揚河段水位預報技術研究（2012036）

楊鋒（1986-），男，河南省新鄉(xiāng)人，助理工程師，主要從事驗潮及水動力模擬分析工作。

Biography：YANF Feng(1986-),male,assistant engineer.