沈倩穎, 季小梅, 張蔚, 徐龑文

1. 河海大學, 江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室, 江蘇 南京 210098;

2. 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室, 江蘇 南京 210029;

3. 河海大學, 疏浚技術教育部工程研究中心, 江蘇 南京 210098;

4. 上海灘涂海岸工程技術研究中心, 上海 200061

外海規(guī)則潮波進入三角洲內, 在地形和徑流等因素影響下, 生成淺水分潮, 潮波也發(fā)生變形, 使得漲、落潮在振幅、歷時、流速上不再對稱(Dronkers,1986)。潮汐和潮流這種變形在三角洲地區(qū)決定了泥沙的凈輸移趨勢, 影響河床穩(wěn)定性, 從而對三角洲的地貌演變方向產生重要影響(Speer et al, 1985;Aldridge, 1997; Wang et al, 2002)。三角洲內的潮汐特性與海洋和陸地邊界的改變密切相關(Vellinga et al, 2014), 目前研究集中在氣象條件改變下的海平面抬升(Woodworth et al, 2011)和長期人類活動, 如河道采砂疏浚(Zhang et al, 2018)導致的河床下切,上游大壩修建(Yu et al, 2020)對徑流的季節(jié)性調節(jié),對三角洲內的潮波特性產生的影響。

擋潮閘作為河口地區(qū)重要的防洪擋潮工程極大地改變了三角洲海洋邊界條件, 對三角洲內部潮汐動力和潮汐不對稱性有著重要影響。荷蘭三角洲大部分陸地低于海平面(低至-6m), 1953年特大洪水后,荷蘭在西南部海岸成功建設一系列三角洲擋潮閘工程, 抵御北海風暴潮。其中, 1970年哈靈河口擋潮閘壩對萊茵河-默茲河三角洲內部潮汐動力環(huán)境影響最為顯著。T?nis等(2002)利用多年長期測深數(shù)據(jù)研究哈靈河口關閉后口門外地形演變, 研究發(fā)現(xiàn)工程建設后擋潮閘外發(fā)生泥沙淤積, 且地形適應時間尺度約為11年。Vellinga等(2014)研究萊茵河-默茲河三角洲70年歷史水位數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)人類活動對河網(wǎng)內極端高、低水位的影響超過了平均海平面上升產生的影響。而工程建設對三角洲內部河網(wǎng)潮波特性的變化則沒有深入的研究討論。本文主要利用長時間水位數(shù)據(jù)研究河口擋潮閘修建對潮汐漲落潮歷時不對稱性的影響, 借助非平穩(wěn)潮汐調和分析方法分解萊茵河-默茲河三角洲內各站點潮位數(shù)據(jù), 并根據(jù)傳統(tǒng)潮汐不對稱方法定量分析整個潮汐河網(wǎng)的潮動力和潮汐不對稱特性在河口擋潮閘壩工程建設前后的時空演變規(guī)律, 從而了解局部的河口工程對潮汐河網(wǎng)整個動力體系產生的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

萊茵河-默茲河三角洲位于荷蘭西南部, 由萊茵河、默茲河的復雜支流組成, 萊克河和瓦爾河為萊茵河下游的兩條分汊支流(圖1)。兩大河流最終經兩條入海通道流入北海, 分別是北部新水道和南部哈靈水道, 擋潮閘建成后流入北海的平均流量分別為1960m3·s–1、230m3·s–1(Ysebaert et al,2016), 三角洲面積約7500km2。入?？陂T外平均潮差在2.4m左右, 潮型表現(xiàn)為正規(guī)半日潮特征(T?nis et al, 2002)。

圖1 萊茵河-默茲河三角洲及潮位站分布圖圖b中數(shù)字表示站點序號; 方形塊、圓形塊分別表示站點實測潮位數(shù)據(jù)時間長度為1961—2018年、1971—2018年。該圖基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2020)4390的標準地圖制作Fig. 1 Rhine–Meuse Delta and hydrological stations. The numbers in figure b represent the station number. The square blocks and round blocks indicate that the measured water level data of stations are from 1961—2018 and 1971—2018,respectively

1970年在哈靈水道入?？陂T處建成哈靈水道擋潮閘壩, 長4.5km, 有17孔泄水閘, 是荷蘭三角洲工程的第六座建筑物。該工程一方面抵御北海的風暴潮, 另一方面隨著潮位和上游徑流量變化開閉排水閘門, 保證北部新水道徑流穩(wěn)定、航運安全。南部哈靈水道和荷蘭深河在工程建設后由潮汐通道變?yōu)榕c北海隔離的淡水盆地, 通過連接北部入海通道的中部支流傳播潮動力(Hoitink et al, 2017), 潮差由閉合前的2m減小到最大僅20cm (Antheunisse et al,2007)。此外擋潮閘壩改變了三角洲河網(wǎng)上游徑流分配, 北部和中部通道內徑流量增大(Vellinga et al,2014), 所以擋潮閘建立對三角洲內河網(wǎng)系統(tǒng)的徑潮動力產生了很大影響, 進而造成了河口動力地形大范圍、長時間適應變化, 主要表現(xiàn)為在連接南北通道的中部支流內發(fā)生沖刷, 在南部通道發(fā)生淤積。但地形的變化主要還是由長期疏浚活動主導(Sloff et al, 2013; Vellinga et al, 2014), 且相較于擋潮閘建立導致三角洲動力的突然變化, 地形變化產生的影響較緩慢。

1.2 數(shù)據(jù)

潮位站點實測水位數(shù)據(jù)和上游控制站點流量數(shù)據(jù)從荷蘭基礎設施和環(huán)境部網(wǎng)站(Rijkswaterataat)下載(https://www.rijkswaterstaat.nl)。從20世紀開始荷蘭開展高精度水位測量工作, 本文收集萊茵河-默茲河三角洲河網(wǎng)13個潮位站點的50～60年長期水位數(shù)據(jù), 實測水位數(shù)據(jù)1970年前為間隔3h數(shù)據(jù), 1970年后為間隔1h數(shù)據(jù), 水位基面為阿姆斯特丹高程基準面(Normaal Amsterdams Peil)。流量數(shù)據(jù)選取三角洲上游3個控制站點流量, 圖2表示從北至南萊克河、瓦爾河及默茲河上游1961—2018年月均徑流量。和徑流動力, 與海洋中規(guī)則潮汐有很大不同, 呈現(xiàn)顯著的非線性變形和不對稱性特征。傳統(tǒng)的調和分析工具T_TIDE (Pawlowicz et al, 2002)基于潮位不包含徑流等非穩(wěn)態(tài)信號的假設, 在河口上游地區(qū)反演潮動力誤差較大。本文選用Matte等(2013)年提出的非平穩(wěn)潮汐調和分析NS_TIDE方法, 能夠在保存調和分析優(yōu)勢的基礎上, 很好地解決徑流影響下非平穩(wěn)潮汐信號中主要分潮信息的分解問題(Matte et al, 2014)。圖3a顯示了13號站點的T_TIDE和NS_TIDE兩種方法預測得到的逐時潮位數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比, 圖3b顯示了這兩種方法預測得到的潮位時間序列相對于實測潮位時間序列的均方根誤差的沿程變化。結果表明, 對于三角洲下游站點, 兩種方法的計算誤差相當, 都在0.16m左右, 但對于上游站點T_TIDE方法誤差達到0.3m左右, NS_TIDE方法計算誤差沿程變化不大, 說明NS_TIDE方法能較好反演潮位受徑流影響明顯的站點。因此本文采用非平穩(wěn)調和分析方法, 以一年數(shù)據(jù)長度為窗口,計算13個水文站點的6個分潮K1、O1、M2、S2、M4、M6調和常數(shù)。

圖2 三角洲上游3條通道月均流量圖Fig. 2 Time series of monthly mean river discharges at three upstream channels of the delta

圖3 T_TIDE和NS_TIDE預測得到潮位時間序列(a)和兩種方法預測潮位的均方根誤差(b)Fig. 3 Results of T_TIDE and NS_TIDE for the time series of water level hindcasts (a) and root-mean-square errors of water level hindcasts obtained from the two methods (b)

1.3.2 潮汐不對稱量化方法

1.3 研究方法

1.3.1 潮汐調和分析方法

三角洲內的潮波運動由于受制于河口特殊地形

式中,A表示振幅比;G表示相位差(單位: °);aM2和aM4分別為M2和M4分潮的振幅(單位: m);gM2和gM4分別為M2和M4分潮的相位(單位: °)。A＞0.01表明潮波發(fā)生較為顯著的變形;G則反映潮汐不對稱漲潮和落潮之間的優(yōu)勢關系, 當0＜G＜π時為“漲潮主導”, 即漲潮歷時更短; 當π＜G＜2π時為“落潮主導”, 即落潮歷時更短。

2 結果

2.1 擋潮閘壩建立前后潮汐分潮變化特征

2.1.1 潮汐分潮空間分布特征

本文使用NS_TIDE調和分析方法計算出6個主要分潮K1、O1、M2、S2、M4、M6振幅和相位, 分析了1970年河口擋潮閘建立前后三角洲內部潮汐振幅、相位空間分布特征(圖4, 圖5)。萊茵河-默茲河三角洲河網(wǎng)空間上被分成三部分, 分別為北部通道站點(1, 2, 3, 4, 5, 6)、南部通道站點(10, 11, 12, 13)以及連接南北主通道的中部支流站點(7, 8, 9)。對比圖4和圖5, 天文分潮M2在擋潮閘建立前后都是最主要的分潮, 其振幅是其他分潮振幅的4～10倍。1970年擋潮閘建立前, M2分潮在進入河口后沒有立即衰減, 站點1到站點8, 站點10到站點11, M2分潮振幅都增加了12cm左右, 且三角洲下游南北通道內的潮汐振幅大小相當, M2分潮振幅都在80cm左右。

圖4 1961—1970年主要分潮(M2、S2、M4、K1、O1、M6)的平均振幅(a、b)和相位(c、d)空間分布圖中數(shù)字為站位號Fig. 4 Mean tidal amplitudes (a, b) and phases (c, d) for the main constituents (M2, S2, M4, K1, O1, M6) during 1961—1970.The number is the station number

圖5 1971—2018年主要分潮(M2、S2、M4、K1、O1、M6)的平均振幅(a、b)和相位(c、d)空間分布圖中數(shù)字為站位號Fig. 5 Mean tidal amplitudes (a, b) and phases (c, d) for the main constituents (M2, S2, M4, K1, O1, M6) during 1971—2018.The number is the station number

南部河口擋潮閘建立后, 天文分潮K1、O1、M2、S2進入河口后分潮振幅向陸逐漸衰減, 且M2分潮作為主要分潮其沿程衰減幅度大于其他分潮。淺水分潮M4、M6的振幅在北部通道內因為河口收縮, 在非線性作用下產生并向陸增強, 接著在摩擦阻力作用下衰減, 但因為淺水分潮振幅較小, 沿程變化不顯著。南北縱向對比, 主要分潮振幅由北向南減小,且分潮振幅沿程衰減幅度也由北向南減小。以M2分潮為例, 北部通道由80cm衰減至49cm, 南部通道由13cm衰減至10cm。擋潮閘建立前后, 分潮相位始終由海向陸沿程逐漸增加, O1分潮上下游相位差最小, 為43°, M6分潮上下游相位差最大, 為232°,M6分潮相位沿程增加最快, 符合頻率越高的分潮在河道內衰減得越快的規(guī)律(Godin, 1999)。

2.1.2 潮汐分潮時間變化特征利用實測潮位1961—2018年的6個站點主要分潮振幅差(Δa=a1971-2018-a1961-1970,其中a為分潮振幅,a1961-1970、a1971-2018分別表示擋潮閘建設前后的分潮平均振幅)和相位差(Δg=g1971-2018-g1961-1970, 其中g為分潮相位,g1961-1970、g1971-2018分別表示擋潮閘建設前后的分潮平均相位)衡量河口擋潮閘對三角洲內分潮振幅和相位的影響。如圖6所示, 1970年河口擋潮閘壩建設對中部、南部站點潮動力影響最為劇烈, 6種主要分潮振幅明顯減弱, 其中M2分潮作為主要分潮, 其減小幅度大于其他分潮。擋潮閘建設后, 南部站點M2分潮振幅普遍減小了80%左右, 中部8號站點M2分潮振幅減小了60%。淺水分潮M4由M2分潮非線性作用產生的, 所以M2分潮振幅的明顯減小也會導致M4分潮產生相應的變化, 在南部和中部通道分別減小了70%和20%左右。因為1970年哈靈河口擋潮閘壩的建立, 一方面減弱了北海潮動力對南部通道的直接影響, 潮汐僅通過北部新水道進入三角洲流域, 另一方面河網(wǎng)流量的再分配, 北部新水道以及中部支流排放的流量比例大幅度增加, 徑流量增大會加大天文分潮能量損失, 所以中部站點分潮振幅明顯減小, 但北部站點仍受潮動力主導, 分潮振幅變化不大。此外圖6b顯示在1970年工程建設后, 南部站點主要天文分潮相位明顯增大, 其他站點略微減小,反映潮波在南部通道內傳播速度下降。

圖6 1970年前后主要分潮的振幅差(a)和相位差(b)1和4是北部站點, 8是中部站點, 10、11和13是南部站點Fig. 6 Differences in tidal amplitudes (a) and phases (b) for the main constituents before and after 1970. Northern stations (1,4), central station (8), southern stations (10, 11, 13)

2.2 擋潮閘壩建立前后潮汐不對稱變化特征

2.2.1 潮汐不對稱空間分布特征

基于分潮振幅比A(M4/M2)和相位差G(2M2-M4)研究三角洲的潮汐不對稱特性。圖7a為三角洲內各站點振幅比空間分布, 潮汐不對稱在三角洲北部通道內向上游沿程先增強, 并在5號站點附近潮波變形最大, 接著向上游略微減弱, 這與M2、M4分潮在上游地區(qū)受到較大徑流作用同時發(fā)生衰減有關。潮汐不對稱在中部和南部總體向上游增強,A分別由0.24增大至0.30, 0.11增大至0.13, 除了南部口門處站點位于擋潮閘附近, 可能受泄水閘開閉影響, 潮汐不對稱較上游站點偏大。中部通道潮汐不對稱現(xiàn)象最為顯著, 南部通道潮汐不對稱現(xiàn)象較弱, 因為河口擋潮閘建立后南部通道潮動力較三角洲其他地區(qū)小, 而連接南北主通道的中部支流中通過的徑流量較大, 對潮動力的非線性作用增大, 潮汐不對稱現(xiàn)象更加顯著。圖7b為三角洲內各站點相位差參數(shù)G, 均在0～180°范圍內, 表明漲潮時間要短于落潮時間, 所以萊茵河-默茲河三角洲是漲潮主導型潮汐不對稱。Speer等(1985)研究表明, 對于不同的淺水分潮, 其與產生它的兩個半日分潮之間的相對相位基本相同, 說明用G判斷三角洲潮汐不對稱的方向是可靠的。并且研究發(fā)現(xiàn)相位差參數(shù)G向陸沿程增加,站點1到站點6從9°增大到56°, 站點7到站點9從23°增大到77°, 站點10到站點13從32°增大到137°,相位差在三角洲內向上游沿程逐漸增加也可能是潮汐不對稱向上游增強的一個重要原因。

圖7 1971—2018年M2、M4分潮平均振幅比(a)和相位差(b)空間分布圖中數(shù)字為站位號Fig. 7 Mean tidal amplitude ratio (a) and relative phase (b) of the constituents M2 and M4 during 1971—2018. The number is the station number

2.2.2 潮汐不對稱時間變化特征

根據(jù)6個站點振幅比A(M4/M2)在1961—2018年期間年平均變化(圖8), 分析得到1970年擋潮閘建成前后三角洲內的潮汐不對稱現(xiàn)象的變化情況。1970年哈靈水道擋潮閘壩建立沒有改變三角洲漲潮主導的潮汐不對稱特征, 但在三角洲河網(wǎng)不同區(qū)域都發(fā)生了不同程度不同性質的變化。北部上游4號和中部8號站點的振幅比在1970年明顯增大, 4號站點由0.14增大至0.22, 8號站點由0.15增大至0.30,中部站點潮汐不對稱現(xiàn)象在擋潮閘建成后顯著增強。南部站點的潮汐不對稱變化較復雜, 下游10號、11號站點潮汐不對稱明顯增強, 雖然在后期由于河道淤積的影響, 潮汐不對稱有個緩慢減弱并趨于穩(wěn)定的過程; 上游13號站點分潮振幅比由0.16減小為0.13, 潮汐不對稱因為M4分潮的顯著減小而減弱。北部入海口1號站點徑潮動力環(huán)境受南部擋潮閘影響較小, 潮汐不對稱變化不顯著。因為站點分布有限, 對于三角洲其他區(qū)域潮汐不對稱特性是否發(fā)生不同變化無法進一步分析, 已有站點潮汐不對稱的變化情況只能反映局部變化情況。

圖8 1961—2018年期間6個水文站點年平均振幅比A (M4/M2)逐年變化圖中藍色站點表示北部站點(a、b), 紅色表示中部站點(c), 綠色表示南部站點(d、e、f)Fig. 8 The mean tidal amplitude ratio (M4/M2) of six hydrological stations during 1961—2018

3 分析與討論

3.1 分潮振幅變化對潮汐不對稱的影響

根據(jù)公式(1), 衡量潮汐不對稱的指標振幅比A隨天文潮M2振幅沿程的減小和淺水分潮M4振幅的增大而增大, 這解釋了外海潮波進入河口后, 在地形摩擦阻力和徑流動力等非線性作用下潮波變形程度隨著M2分潮振幅的向陸衰減和M4分潮的向陸增加增強。在上游地區(qū), 徑流量作用增大, 摩擦阻力進一步增加, M2和M4分潮共同衰減導致潮汐不對稱減弱(童朝鋒 等, 2020)。這一規(guī)律在加拿大圣勞倫斯河口(Godin, 1999)、荷蘭西斯凱爾特河口(Wang et al, 2002)、中國長江三角洲(Yu et al, 2020)等潮汐河口都得到驗證。而擋潮閘建成導致潮汐振幅都發(fā)生劇烈變化, M2分潮在中部、南部下游站點的減小幅度大于M4分潮的衰減幅度, 最終相應位置處潮汐不對稱增強。

3.2 徑流量和潮動力變化對潮汐不對稱的影響

擋潮閘建成導致萊茵河-默茲河三角洲內的徑潮動力環(huán)境產生了短時間強烈的響應。為了研究三角洲內擋潮閘建設前的各個站點對于上游徑流量變化和外海潮動力變化的響應, 借助NS_TIDE方法,通過將輸入的上游徑流量和外海潮差時間序列分別乘以一定倍數(shù)(0.8,0.9,1.0,1.1,1.2)來評估三角洲內的潮波對變化的徑流和潮差的響應?？傮w上, 上游徑流和外海潮差增大后, 三角洲內各站點平均水位是逐漸上升的。在變化的上游徑流影響下, 主要分潮M2、M4振幅、相位和潮汐不對稱指標變化情況如圖9所示。上游徑流的增加, 削弱了下游站點M2、M4分潮振幅, 增加了分潮相位, 但對于上游地區(qū)的8號和13號站點, M4分潮振幅隨著徑流量增加而增大。三角洲大部分站點潮汐不對稱隨著徑流量的增大逐漸增強, 且上游地區(qū)變化更為顯著, 說明徑流量增大促進了M2分潮能量向M4分潮轉移(圖9c)。擋潮閘建成之后, 如果北部和中部站點處只考慮徑流量增加, 其潮汐不對稱也相應增強, 且中部上游站點變化顯著。

圖9 M2 、M4分潮振幅、相位和兩者振幅比(A)、相位差(G)對不同量級徑流量的敏感性a. M2分潮振幅; b. M4分潮振幅; c. 振幅比(M4/M2); d. M2分潮相位; e. M4分潮相位; f. 相位差(2M2-M4)。Q為上游徑流量Fig. 9 Sensitivity of tidal amplitudes and phases of the constituents M2 and M4 and tidal amplitude ratio and relative phase of the constituents M2 and M4 to variations in river discharge. (a) M2 tidal amplitude; (b) M4 tidal amplitude; (c) tidal amplitude ratio (M4/M2); (d) M2 tidal phase; (e) M4 tidal phase; (f) relative phase (2M2-M4). Q is river discharge

在變化的外海潮差情況下, 主要分潮M2、M4振幅、相位和潮汐不對稱指標變化情況如圖10所示。外海潮差的緩慢增加會導致M2分潮振幅減小,相位增大, 從而導致M2分潮的衰減。在三角洲下游地區(qū), 隨著潮差的增加, M4分潮振幅減小、相位增加; 在上游地區(qū), 隨著潮差增加, M4分潮相位卻減小, 這可能與小潮期間較強的底摩阻使其衰減有關(Matte et al, 2014)。隨著潮動力增強, 在三角洲下游地區(qū), 潮汐不對稱減弱, 而上游地區(qū)潮汐不對稱則增強(圖10c)。實際上擋潮閘建成后三角洲河網(wǎng)各個區(qū)域同時受到徑流量和外海潮差變化的影響, 而且其影響是短時間且變化劇烈。綜合兩個因素來看,南部站點外海潮差的突然減小是其潮汐不對稱變化的主導因素, 而北部和中部站點潮汐不對稱的變化則主要受徑流量的變化主導。

圖10 M2 、M4分潮振幅、相位和兩者振幅比(A)、相位差(G)對不同量級潮差的敏感性a. M2分潮振幅; b. M4分潮振幅; c. 振幅比(M4/M2); d. M2分潮相位; e. M4分潮相位; f. 相位差(2M2-M4)。R為外海潮差Fig. 10 Sensitivity of tidal amplitudes and phases of the constituents M2 and M4 and tidal amplitude ratio and relative phase of the constituents M2 and M4 to variation in tidal range. (a) M2 tidal amplitude; (b) M4 tidal amplitude; (c) tidal amplitude ratio (M4/M2); (d) M2 tidal phase; (e) M4 tidal phase; (f) relative phase (2M2-M4). R is tidal range

4 結論

本文以河口擋潮閘修建影響下的荷蘭萊茵河-默茲河三角洲為研究對象, 通過分析三角洲內多個站點1960—2018年逐時潮位數(shù)據(jù), 研究了在河口擋潮閘建立后三角洲內的潮汐動力和潮汐不對稱特性的時空變化規(guī)律, 得出以下結論:

1) 荷蘭萊茵河-默茲河三角洲主要分潮振幅、相位時空變化顯著。1970年以前, 潮波進入河口后,南北通道內振幅大小相當, 且主要天文分潮M2振幅由于河岸收縮匯聚效應先略微增大后衰減。南部河口擋潮閘建設后, 北部和中部通道徑流量增大,摩擦阻力增加, 主要天文分潮振幅由河口向上游沿程衰減。時間上, 南部擋潮閘建設導致三角洲中部、南部站點分潮振幅明顯減小。

2) 荷蘭萊茵河-默茲河三角洲內的潮波為漲潮主導型不對稱, 即漲潮時間短于落潮時間。三角洲是正規(guī)半日潮, 主要天文分潮M2與其對應的淺水分潮M4之間相互作用是三角洲潮汐不對稱的主要來源, 潮波變形程度總體向陸逐漸增強, 到達某一點后由于受到徑流作用較大, 潮汐能量明顯削弱, 潮汐不對稱反而減弱。

3) 短時間高強度的擋潮閘工程對萊茵河-默茲河三角洲潮動力和徑流的傳播產生了較大影響。北部、中部站點潮汐不對稱在南部擋潮閘建立后增強,中部站點主要因為通道徑流量增加, 潮汐能量由M2分潮向M4分潮轉變, 潮汐不對稱性顯著增強。而南部通道主要受潮動力變化影響, 下游站點因為M2分潮振幅的劇烈下降導致潮汐不對稱增強, 上游站點潮汐不對稱減弱則是因為M4分潮振幅的衰減程度超過了M2分潮振幅的衰減程度。