孫正蘭，司存友，華 駿，王 江

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200； 2.江蘇省水文水資源勘測局，南京 210029)

1 工程概況

江都水利樞紐工程南瀕長江、北連淮河，既是江蘇江水北調(diào)的源頭，也是淮河洪水入江的控制性工程，主要由4座大型泵站和12座大中型節(jié)制閘組成。工程實現(xiàn)了江水北調(diào)、江淮互濟[1]。在淮北和里下河地區(qū)發(fā)生干旱時，大型泵站群與江都西閘、東閘等從長江干流三江營取水口分別抽引江水北送和自流引江水東送，國家南水北調(diào)東線工程正是在此基礎上的擴大規(guī)模和向北延伸而建立的[2]。當淮河發(fā)生洪水時，上中游河南省、安徽省等15.8×104km2的區(qū)域來水經(jīng)洪澤湖調(diào)蓄后，約70%以上的洪水由淮河下游最大泄洪河道——入江水道、經(jīng)歸江控制從三江營排入長江。江都水利樞紐工程區(qū)域位置見圖1。

圖1 江都水利樞紐工程位置示意圖

長江干流三江營潮位站距離江都水利樞紐約22 km，該站感潮河段處于潮流界末端，每天潮漲潮落2次，漲落潮時間不等，為非正規(guī)半日潮[3]。關于長江河口沿程潮波變化特征以及三江營特定時段潮位的分析研究較多。郭磊城等[4]基于2009—2010年大通、南京、徐六涇等4站潮位分析了潮波在長江河口以上沿程變化的特點。付桂[5]基于1996—2011年徐六涇以下潮位站資料分析了長江口潮位的基本特征。朱紅耕等[6]對1950—1999年三江營高潮及其平均潮位進行分析，認為不斷增高的潮位將對沿江灌排泵站機組安全運行產(chǎn)生影響。謝瑞等[7]通過模型試驗研究了長江與淮河在不同流量遭遇時沿程水位和局部流場的變化。錢睿智等[8]以連續(xù)3 d三江營潮位受區(qū)間來水和氣象因素影響大致相同為假設基礎，建立了三江營短期潮位預報模型。

上述針對長江河口潮波和三江營潮位在不同情勢下發(fā)展變化現(xiàn)象的研究，為水道航運、河口治理與防洪減災等提供了重要的技術依據(jù)，但以上多基于較短時段序列潮波在空間上變化特點的分析和較長序列特征潮位變化規(guī)律的探討。長江口至大通，長達600 km以上的潮區(qū)界，不同河段潮汐的影響因素和形成機理非常復雜；三江營感潮河段位于潮流界末端，本文由三江營站長系列資料揭示對工程調(diào)水和泄洪有直接影響的特征潮位、潮差、潮歷時、周期等典型要素的演變趨勢和變化規(guī)律，不僅為南水北調(diào)東線水資源科學優(yōu)化調(diào)配、水利樞紐工程效益充分發(fā)揮提供支撐，也為更好地掌握長江河口潮流界末端的潮流運動規(guī)律提供參考。

2 資料與方法

2.1 資料來源

三江營潮位站建于1915年8月。由于社會動蕩和歷史原因，1951年開始資料系列連續(xù)，但僅限于高、低潮位。1957年1月開始收集潮位、潮差、潮歷時等要素資料。本文即以1957—2019年逐日資料，針對水利樞紐工程調(diào)水和泄洪有直接影響的特征潮位、潮差、潮歷時等要素進行年內(nèi)、年際變化規(guī)律以及趨勢特征的研究。

文中分析數(shù)據(jù)來自《中華人民共和國水文年鑒(1957—2019)》第5卷第4冊[9]，潮位為廢黃河口基面高程。

2.2 分析方法

(1)趨勢分析。采用非參數(shù)統(tǒng)計Mann-Kendall(簡稱M-K)方法進行顯著性檢驗，置信度95%時臨界值為±1.96，即潮位等要素序列M-K檢驗值|Z|>1.96時變化趨勢顯著，否則變化不顯著[10]。運用累積距平法直觀判斷潮位等要素多年顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化[11]。

(2)周期分析。采用Morlet連續(xù)復小波為基函數(shù)進行小波運算變換，得到小波系數(shù)與不同時間尺度上的小波方差，由序列時頻變化特征確定潮位等要素的主、次周期[12]，為預測感潮河段潮汐未來發(fā)展趨勢提供依據(jù)。

3 結果與分析

3.1 年內(nèi)變化

3.1.1 特征潮位

三江營高高潮、低低潮、平均高潮、平均低潮等特征潮位年內(nèi)變化趨勢一致，潮位1—7月份逐漸增大，7月份為年內(nèi)最高；8—12月份逐漸減小，1月份為年內(nèi)最低。特征潮位、潮差、潮歷時要素年內(nèi)變化趨勢見圖2。

圖2 1957—2019年特征潮位、潮差、潮歷時多年平均年內(nèi)變化趨勢

表1為特征潮位各月多年變化趨勢特征，線性增率與M-K趨勢檢驗結果基本一致。夏季6—8月份特征潮位多年均呈增大趨勢，其中6月份、8月份均呈不顯著增大趨勢，7月份呈顯著增大趨勢、且線性增率最大，8月份特征潮位線性增率僅次于7月份。夏季是長江、淮河洪水多發(fā)季節(jié)，潮位增大趨勢對洪水的安全下泄極為不利。12月—次年3月份特征潮位多年均呈顯著增大趨勢，其中又以1月份增大趨勢最顯著，枯水期潮位增大對水利工程自流引水極為有利。

表1 特征潮位各月多年變化趨勢特征

3.1.2 最大潮差與最大歷時

對漲落潮最大潮差和最大歷時的研究反映了潮汐波幅和時長的變化規(guī)律。由圖2可以看出，漲落潮最大潮差、最大歷時年內(nèi)變化趨勢基本一致，漲潮最大潮差略大于落潮最大潮差，多年平均偏大0.1 m；漲潮最大歷時遠小于落潮最大歷時，多年平均偏小3.8 h。一年中，7月份漲落潮最大潮差均最小，多年平均分別為1.78 m和1.66 m；漲潮最大潮差出現(xiàn)在12月—次年1月份，落潮最大潮差出現(xiàn)在3月份。漲落潮最大歷時均在3月份最大，9月份次之；5—6月份和12月—次年1月份均處于全年較小狀態(tài)。

各月最大潮差與潮歷時多年變化趨勢特征見表2。夏季6—8月份漲落潮最大潮差多年呈不顯著減小趨勢，而最大歷時呈不顯著增大趨勢；枯水期10月—次年1月份漲落潮最大潮差多年呈不顯著增大趨勢，而最大歷時呈不顯著減小趨勢。夏季潮差減小卻歷時增大、枯水期潮差增大卻歷時減小，這對豐水期淮河洪水充分利用低潮排入長江、枯水季節(jié)灌溉工程利用較高潮位自流引水都較不利。

3.2 年際變化

3.2.1 潮 位

特征潮位年際累積距平曲線、以高高潮為例繪制的距平曲線見圖3。由圖3累積距平曲線和表1中年際特征潮位M-K趨勢檢驗結果表明：多年高高潮、低低潮、平均高潮、平均低潮變化趨勢一致，均呈顯著增大趨勢。其中高高潮線性增率最大，為0.82 cm/a；平均低潮線性增率最小，為0.37 cm/a。以高高潮為例，1968年前潮位遠小于多年平均值，1968—1976年與1977—1984年分別以微弱減小和微弱增大趨勢在多年平均值附近波動；1985—1994年與1995—2003年潮位以微弱增大和顯著增大趨勢變化；2004—2011年與2012—2019年又分別以微弱減小和微弱增大趨勢波動變化。

表2 各月最大潮差與最大歷時多年變化趨勢特征

圖3 特征潮位累積距平曲線和高高潮距平曲線

特征潮位相對多年平均值變化程度見表3，表中的變化率是相對多年平均的變化率。由于低低潮多年平均值接近于0，故未做計算比較，但以上分析均表明低低潮與其它特征潮位變化情況一致。由表3可見，在1995年前各時段中，潮位從遠低于多年平均值逐漸增大到遠大于多年平均值，且1995—2003年潮位增幅為各年代中最大；1968—1976年與1977—1984年、2004—2011年與2012—2019年潮位相對多年平均值分別呈明顯減小、增大變化。1985—1994年潮位相對多年平均值呈增大變化，但與1995—2003年最大增幅相比，1985—1994年潮位、1995—2003年潮位則分別呈相對減小、增大變化。

表3 特征潮位相對多年平均值的變化程度

3.2.2 最大潮差

表2中M-K檢驗結果表明：漲落潮年最大潮差多年呈不顯著增大趨勢。由圖4累積距平曲線可見，漲落潮最大潮差多年變化趨勢基本一致，1957—1967年、1977—1984年、2012—2019年漲落潮最大潮差均呈明顯增大趨勢變化；1968—1976年、2004—2011年呈明顯減小趨勢變化。經(jīng)計算，在1985—1994年與1995—2003年，漲潮最大潮差在多年平均值附近平穩(wěn)變化，相對多年平均值分別呈微弱減小、增大變化；而落潮最大潮差均呈波動下降趨勢，即落潮年最大潮差在1985—1994年與1995—2003年均小于多年平均值，呈平穩(wěn)下降狀態(tài)。上述變化趨勢與表4中漲落潮最大潮差相對多年平均值變化程度的定量分析結果一致。

圖4 漲落潮最大潮差和最大歷時累積距平曲線

表4 漲落潮最大潮差相對多年平均值的變化程度

3.2.3 最大歷時

表2中M-K檢驗結果表明：多年漲落潮年最大歷時呈不顯著減小趨勢。由圖4(b)累積距平曲線可見，漲落潮最大歷時多年變化趨勢基本一致，但漲潮最大歷時變化劇烈程度大于落潮最大歷時，在1983—1992年尤其明顯。1957—1963年、1972—1982年、1993—1999年、2011—2019年漲落潮最大歷時均呈明顯減小趨勢；1964—1971年、1983—1992年、2000—2010年均呈明顯增大趨勢。

漲落潮最大歷時相對多年平均值變化程度見表5。由表5可見，漲落潮最大歷時呈明顯增大、減小周期性變化，且漲潮最大歷時的增、減變幅均大于同期落潮最大歷時，在1983—1992年漲潮最大歷時變幅為各時段中最大，高于多年平均值17.1%。

表5 漲落潮最大歷時相對多年平均值的變化程度

以上特征潮位、潮差和潮歷時等要素多年的變化特點與長江河口南京站至徐六涇站潮波的時空變化特征基本一致[4]。

3.3 周期分析

Morlet小波分析結果表明，特征潮位、潮差、潮歷時具有較明顯的周期性。特征潮位與漲落潮最大潮差的主周期一致，均為28 a左右特征時間尺度，次周期有一定差異；漲落潮最大歷時第一主周期為22 a左右特征時間尺度，小波方差圖顯示更大的主周期在此序列下不能完全顯示。

以高高潮、落潮最大潮差和最大歷時為例繪制小波方差隨時間尺度的變化過程，見圖5。小波方差隨時間尺度的變化表征了信號擾動的能量隨時間尺度分布情況，由圖中不同尺度信號波動相對強度和存在主要時間尺度確定特征潮位、潮差、潮歷時的主周期。

圖5 高高潮、落潮最大潮差和落潮最大歷時小波方差

根據(jù)小波方差主周期轉(zhuǎn)換得到小波系數(shù)曲線圖，分析在不同時間尺度下特征潮位、潮差、潮歷時存在的平均周期以及增大、減小變化特征；小波系數(shù)正值表示要素處于增長期，負值表示處于減小期。因特征潮位與最大潮差主周期相同、漲落潮最大歷時主周期相同，即以特征潮位中高高潮和落潮最大歷時為例進行分析。

圖6為高高潮和落潮最大歷時主周期小波系數(shù)曲線。在28 a特征時間尺度下，特征潮位和漲落潮最大潮差平均周期為18～19 a，在1957—2019年大約經(jīng)歷了3.5個周期增大、減小變化；在22 a特征時間尺度下，漲落潮最大歷時平均周期為14～15 a，大約經(jīng)歷了4個周期增大、減小變化。潮位、潮差和潮歷時等要素周期性增大、減小交替變化發(fā)生時間與前述累積距平趨勢變化的時段基本一致。

圖6 高高潮和落潮最大歷時主周期小波系數(shù)曲線

由圖6可推算出特征潮位、漲落潮最大潮差于2011—2020年左右處于增大期、預測2020—2029年左右處于減小期；漲落潮最大歷時于2014—2021左右年處于增大期，預測2021—2028年左右處于減小期。特征潮位、潮差、潮歷時目前均處于增大期，將于2020—2021年結束，進入7～9 a左右的減小期。

3.4 典型要素影響分析

20世紀90年代末興建的三峽水庫在蓄水運用后由于年內(nèi)削峰補枯作用，導致長江下游干流年內(nèi)徑流分配發(fā)生改變，加之淮河入江水道來流量不確定，徑流對潮汐振幅的衰減作用以及對高低潮相位的改變均產(chǎn)生直接影響。中國海平面公報統(tǒng)計近30 a來中國沿海海平面呈波動變化且上升趨勢明顯[13]，由全球氣候變暖導致沿海海平面上升也引起了潮位整體性改變；加之近年來長江河口不斷修建的河道以及航道整治工程也改變了河道的邊界條件，對于河口潮波的向上游傳播勢必造成影響。因此，三江營長系列特征潮位、潮差、潮歷時多年呈現(xiàn)的變化規(guī)律和局部時段的異常變化是以上多種因素綜合作用的結果。

以上分析結果表明，盡管特征潮位、潮差和潮歷時有其明顯的局部變化特性，但總趨勢仍基本遵循內(nèi)在的周期性變化規(guī)律。特征潮位、潮差和潮歷時在1985—2003年前、后不同時段期間均呈現(xiàn)較明顯的增大、減小周期性交替變化，但在1985—1994年與1995—2003年減小、增大變化相對不明顯，如特征潮位在減小期(1985—1994年)相對多年平均值仍呈增大變化，然而與1995—2003年最大增幅相比要小得多，即特征潮位在1985—1994年、1995—2003年仍有相對減小、增大變化。

近年來三江營潮位的顯著增大變化不僅給淮河洪水快速、安全泄入長江產(chǎn)生較大影響，同樣對江都水利樞紐供水工程最大程度調(diào)引長江水量、滿足不斷增長的水資源調(diào)配供給帶來新問題。如江都大型泵站群設計揚程均基于三江營站20世紀90年代之前的水文資料設計，近年來海平面加速上升導致潮汐要素發(fā)生明顯變化，尤其是潮位的整體抬高，這將對大型泵站群能否在高效區(qū)安全運行、經(jīng)濟社會效益充分發(fā)揮帶來新挑戰(zhàn)。

4 結 論

(1)夏季6—8月份潮位最高且呈增大趨勢，其中7月份為顯著增大變化。夏季是長江、淮河洪水多發(fā)季節(jié)，潮位的整體抬升、顯著增高，對洪水的安全順利下泄、較大設計揚程泵站機組的高效運用較為不利?？菟谔卣鞒蔽欢嗄瓿曙@著增大趨勢，對枯水期灌溉工程充裕自流引水和內(nèi)陸河湖生態(tài)環(huán)境改善非常有利。

(2)漲落潮最大潮差多年呈不顯著增大趨勢、最大歷時呈不顯著減小趨勢變化。夏季潮差減小歷時卻增大，枯水期潮差增大歷時卻減小，這對豐水期淮河洪水盡可能在較低潮位下泄洪和枯水季節(jié)能夠較長時間在高潮位引水均較不利。

(3)處于潮流界末端的三江營站感潮河段盡管

受到眾多復雜因素影響，但長系列資料分析表明特征潮位、潮差和潮歷時均具有增大、減小交替變化的周期性規(guī)律。目前特征潮位、潮差和潮歷時均處于增大期，將于2020—2021年結束，進入為期7～9 a的減小期。