洪季長江口徑流量與近海海平面的響應關系

匡翠萍，陳 維，顧 杰，賀露露

（1.同濟大學 土木工程學院，上海200092；2.上海海洋大學 海洋科學學院，上海201306；3.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州310014）

長江口是我國第一大河口，其徑流量僅次于亞馬孫河和剛果河，位居世界第三，潮流亦強，在這兩股強勁動力的相互作用下構成了長江口有規(guī)律的分汊.長江口河段呈三級分汊和四口入海的河勢格局，有北支、北港、北槽和南槽4個入海通道.2012年中國海平面公報［1］顯示，1980～2012年東中國海的海平面上升速率為2.0～3.0mm·a-1，而根據(jù)2013年的IPCC（政府間氣候變化專業(yè)委員會）氣候變化評估報告，1901～2010年全球海平面上升速率為1.7mm·a-1［2］.東中國海平面上升速度高于全球平均水平，其機理尚不清楚.海平面上升將引起一系列的自然環(huán)境災害，對沿海地區(qū)人們的日常生活和生命安全構成威脅，其引起海平面上升的各種原因已經(jīng)引起了全球的高度關注.

從大的范圍講，全球平均海平面變化的機制可歸納為兩個主要因素：一個是海水質(zhì)量的變化，包括雪、冰的溶化和累積，以及通過降水、蒸發(fā)、徑流與大氣和陸地之間水的質(zhì)量交換；另一個因素是由海水的密度變化（包括溫度和鹽度的變化）引起的體積變化，稱之為比容效應.陳立奇等［3］研究了熱膨脹、冰川、冰帽、格陵蘭冰蓋以及南極冰蓋對海平面變化的貢獻量，研究結(jié)果表明格陵蘭冰蓋全部融化估計會使全球海平面上升7m；馮偉等［4］探討了海水比容變化和海水質(zhì)量變化對中國南海海平面變化的影響，研究結(jié)果表明海水質(zhì)量的變化會引起南海平均海平面的變化.除此之外，還有其他因素也可能導致海平面的變化，如楊春輝等［5］研究菲律賓以東太平洋海區(qū)Rossby（羅斯貝）波與海平面年際變化的關系，反映了海平面年際變化特征和低（高）異常信號由東側(cè)產(chǎn)生并向西傳播的過程；李艷芳等［6］研究了海面風的年際變化對海平面變化的影響，研究結(jié)果表明海平面的年際變化與赤道流相關系數(shù)達0.6，風主要是通過Ekman（艾克曼）作用影響海平面變化.

然而，大多數(shù)研究者對海平面貢獻的研究集中在冰蓋方面，忽略了河流徑流量對近海海平面上升的影響因素.河流徑流量對河口地區(qū)及近海將產(chǎn)生重要的影響，除了能引起河口及近海海平面的變化外，河流徑流量還對河口地區(qū)的鹽度［7-9］、渾濁帶［10］、環(huán)流［11］以及潮波傳播［12］等產(chǎn)生重要的影響.本文重點研究河流徑流量對近海海平面上升的影響，利用軟件MIKE 21建立長江口杭州灣二維潮流數(shù)學模型，分析長江洪季徑流量對長江口河口及近海海平面的響應關系（本文的海平面值指典型年5～10月的平均潮位）.

1 二維潮流數(shù)學模型

1.1 模型簡介

MIKE 21是丹麥水力學研究所（DHI）［13］研發(fā)的通用數(shù)學模擬系統(tǒng)，主要模擬河流、湖泊、河口、海洋及海岸的水流、波浪、泥沙及環(huán)境變化，為工程應用、海岸管理及規(guī)劃提供了完備、有效的設計環(huán)境.Mike 21Flow Model（FM）子模塊屬二維潮流模型，根據(jù)Boussinesq假設、靜水壓力假設、淺水條件和適定邊界條件，通過控制體積法求解由不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes概化的淺水方程.

1.2 模型計算范圍及網(wǎng)格

模型計算范圍北到江蘇泰州以北（北緯32.5°），南至浙江健跳以南（北緯29°），西至長江口江陰和杭州灣倉前，東至東經(jīng)124°.模型采用無結(jié)構三角形網(wǎng)格（見圖1），網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為29 424，網(wǎng)格單元數(shù)為55 325，空間步長在0.008°～0.160°的范圍內(nèi).

1.3 模型參數(shù)設置

模型糙率采用曼寧系數(shù)，數(shù)值范圍為0.012～0.014，時間步長由模型自動調(diào)節(jié)，為0.000 1～30s，模型計算采用冷啟動，科朗數(shù)限值為0.8，上邊界河流邊界采用流量控制，下邊界外海邊界條件采用東中國海大模型［14］計算得到的潮位時間序列控制.模型采用動邊界處理技術，模型中干點臨界水深取0.005m，濕點臨界水深取0.05m，干、濕點臨界水深之間保留0.1m的差值有利于提高模型的穩(wěn)定性.

圖1 模型計算網(wǎng)格、分析點以及潮位站位置Fig.1 Computational mesh，locations of tidal level survey and representing stations

根據(jù)大通徑流量和江陰徑流量的相關性分析［15］，江陰徑流量和大通徑流量基本相等，故本模型的江陰邊界流量條件采用大通徑流量，錢塘江倉前邊界徑流量取1 000m3·s-1.

2 模型的驗證

模型驗證采用長江口長時間序列的實測潮位資料，江陰邊界采用大通水文站實測流量過程控制.模型計算時間從2005年8月1日1：00開始，到2005年8月19日23：00結(jié)束，計算19d.模型驗證時間為2005年8月15日0：00到8月19日9：00［15］.潮位站位置如圖1所示.驗證結(jié)果見圖2.

圖2 潮位驗證Fig.2 Verification of tidal level

為了定量評價潮流模型模擬結(jié)果的優(yōu)劣，需要尋求一個評價標準來進行衡量.Allen等［16］提出了一個評估模型好壞的方法，定義如下式：

式中：E是模型效率系數(shù)；Xmod是模型計算值；Xobs是實測值；X-obs是實測值的均值；N為實測值的個數(shù).根據(jù)E的大小，確定模型的優(yōu)劣：E＞0.65時，模型效率極好；0.50＜E≤0.65時，模型效率較好；0.20＜E≤0.50，模型效率好；E≤0.20時，模型效率較差.應用該式計算本模型的E值，得到中浚和北槽中潮位驗證點的E值分別為0.92和0.87，因此本模型的模型效率是極好的.河口近岸區(qū)域的潮位受很多因素的影響，如潮汐、徑流量、風、河口形狀以及人類活動等，而潮流模型模擬結(jié)果不可能完全能與實測值吻合，經(jīng)評估模型的評價，模型的誤差是在可接受的范圍內(nèi)，可以用于計算分析長江口徑流量對長江口河口及近海海平面上升的貢獻.

3 海平面變化分析

3.1 徑流量變化引起的潮位過程變化分析

基于1950～2011年大通站月均徑流量資料，洪季考慮5～10月，分別統(tǒng)計多年平均徑流量以及洪季頻率為25%，50%和75%的徑流量.經(jīng)統(tǒng)計計算分析，洪季頻率為25%，50%和75%的徑流量分別為43 800，39 600和35 400m3·s-1，多年平均流量為23 800m3·s-1.

分別 采 用 徑 流 量 23 800，35 400，39 600 和43 800m3·s-1作為模型的江陰邊界條件，通過計算得到SB1，SB2，NB1，NB2，NC1，SC1以及 T1～T8共14個分析點的潮位變化過程；其中，SB1位于南北支分流口以上，SB2位于南支下段，NB1和NB2分別位于北支上段和下段，NC1位于北港中段，SC1位于南港下段，T1～T8均勻分布在近海（見圖1）.圖3為不同徑流量下部分分析點的潮位變化過程.由圖可知，南北支上段潮位上升非常明顯，其他位置潮位增長相對較小.

圖3 不同徑流量下部分分析點的潮位變化過程Fig.3 Variation of tidal level at different discharges

表1為不同徑流量下長江口北支分析點的計算平均潮位.從表中可以看出，從北支上段到北支下段及近海，隨著徑流量的增加，其平均潮位都有一定幅度的增加，且北支上段的增幅大于北支下段及近海的增幅.特別地，近海T1分析點的潮位增幅大于北支下段NB2分析點的潮位增幅，這是由于NB2主要受北支徑流的影響，而北支分流比較?。ǎ?%［17］），而T1潮位的增幅除了受北支徑流影響外，還受到南支徑流的影響.

表2為不同徑流量下長江口南支分析點的平均潮位及增幅.從表中可以看出，隨著徑流量的增加，南支各分析點的平均潮位都有較大幅度的增長，且潮位增幅大于北支的平均潮位的增幅.從南支上游分析點SB1和SB2至北港NC1及南港SC1分析點，平均潮位增幅沿程減小.根據(jù)長江口近岸流場圖［18］可知，T3受北港徑流影響較明顯，而T5和T7受南槽徑流的影響較為明顯.此外，近海T3，T5和T7平均潮位增幅分別大于較遠的T4，T6和T8的平均潮位增幅，說明各分析點平均潮位增幅跟徑流作用存在很好的響應關系.

表1 不同徑流量下北支分析點的平均潮位Tab.1 Mean tidal level of North Branch at different discharges

表2 不同徑流量下南支分析點的平均潮位Tab.2 Mean tidal level of South Branch at different discharges

3.2 平均潮位與徑流量的響應關系

圖4為長江口及近海分析點徑流量與平均潮位的相關性.從圖上可以看出，徑流量與平均潮位呈線性正相關關系，且相關性良好，相關系數(shù)在0.987 8～1.000 0的范圍內(nèi).此外，斜率的大小反映了徑流量對平均潮位影響程度的大小.在南支上口處，SB1分析點的斜率是2×10-5，斜率最大，說明徑流量對SB1平均潮位影響最大.北支上口處NB1和南支下口處SB2分析點的斜率分別是9×10-6和1×10-5，比較接近，這兩點相距較遠，說明徑流對平均潮位的影響與分流比的大小及與近海的距離都有關系.北港NC1點和南港SC1點幾乎處在同一條垂直線上，北港NC1點和南港SC1點的斜率都是6×10-6，這說明徑流量對北港和南港平均潮位的影響差不多.北支下口NB2點斜率最小，為8×10-8，與北支分流比較?。ǎ?%［17］）及北支主要為落潮通道是一致的.在近海區(qū)域，T3點的斜率最大，為3×10-6.T3點在北港下面，受北港徑流影響較大.T2點的斜率最小，為1×10-8，T2點在北支口以下，北支較小的分流比對北支口外近海區(qū)域的平均潮位的影響就很小.

3.3 長江口杭州灣海平面空間分布變化

圖5為洪季不同流量下平均潮位與多年平均流量（23 800m3·s-1）下平均潮位的差值.流量越大，河口內(nèi)的平均潮位增加越明顯，口外的影響相對較小.在流量增加的情況下，各增幅線（0.3，0.2，0.1，0.05m）均有不同程度的向外擴張.由于長江口與杭州灣水體交換比較劇烈，受長江徑流增加的影響，杭州灣平均潮位也有一定幅度的增長，尤其當徑流量增加20 000m3·s-1時，杭州灣灣內(nèi)平均潮位增加0.005～0.010m（即43 800m3·s-1流量與23 800 m3·s-1流量下平均潮位之差）.

圖4 長江口及近海分析點徑流量與海平面的相關性Fig.4 Correlation between discharges and sea levels in the Yangtze estuary and offshore

圖5 洪季不同流量與多年平均流量（23 800m3·s-1）下長江口海平面的差值Fig.5 Difference of sea level between different discharges and multi-year discharge in flood season

表3為洪季不同流量與多年平均流量23 800 m3·s-1進行比較得到的平均潮位增幅線位置（將各增幅線中間位置經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為西安80大地坐標，并以橫坐標衡量）.隨著徑流量的增加，增加0.3 m的平均潮位線由徐六涇附近逐漸向徐六涇以下移動，至南支扁擔沙以上河段內(nèi)，移動距離約為29.56 km；增加0.2m的平均潮位線在扁擔沙至青草沙之間的河段內(nèi)移動，移動距離約為33.08km；增加0.1 m的平均潮位線在青草沙至橫沙東灘之間的河段內(nèi)移動，移動距離約為22.40km；而增加0.05m的平均潮位線在橫沙東灘以下近海區(qū)域內(nèi)移動，移動距離約為7.78km.

圖6是長江口河勢.從圖上可以看出，南支河勢特別是淺灘和沙島的阻水作用對平均潮位增幅線的移動起了很重要的作用.首先，由南支而下的徑流，在徐六涇下面遇到白茆沙和扁擔沙等幾個沙體的阻水作用，水流不夠順暢，這個區(qū)間內(nèi)平均潮位增幅最大，為0.3m；水流繼續(xù)向下，再遇中央沙、青草沙等沙體的阻擋作用，平均潮位增幅次之，為0.2m，且這段河段內(nèi)沙體較多，水流形勢復雜，橫向移動距離最大；水流由中央沙體及長興島分兩支水流分別進入南港北港，而南港北港河勢較順暢，從青草沙至橫沙東灘平均潮位增幅較小，為0.1m；橫沙東灘以下因是寬闊的近海，水面面積更大，水流更加順暢，平均潮位的增幅更小，為0.05m，橫向移動范圍也最小.因此，徑流量對長江口及其近海平均潮位的影響與河勢存在著一定的關系.

圖6 長江口河勢Fig.6 River regime of the Yangtze estuary

表3 洪季不同流量時相對于23 800m3·s-1流量下各個增幅線的位置Tab.3 Location of different amplification line at different discharges compared to the discharge of 23 800m3·s-1

4 結(jié)論

利用1950～2011年大通站實測徑流量資料，統(tǒng)計分析出大通站洪季頻率為25%，50%及75%時對應的徑流量，結(jié)合長江口杭州灣二維潮流數(shù)學模型，分析了徑流量變化對長江口及近海海平面的影響，結(jié)果表明：

（1）在長江口河口及近海區(qū)域，隨著徑流量的增加，其平均潮位將呈線性增長.河口內(nèi)，徑流量對平均潮位的影響是由上游到下游沿程逐漸減小的；在近海區(qū)域，徑流量對海平面的影響是南部大于北部.

（2）長江口口內(nèi)及近海分析點的平均潮位與徑流量呈線性關系，相關系數(shù)在0.987 8～1.000 0的范圍內(nèi).河口內(nèi)，SB1點的斜率系數(shù)最大，為2×10-5；北支下口NB2點斜率最小，為8×10-8；與北支分流比較小及北支主要為落潮通道有關.在近海區(qū)域，受北港徑流的影響，T3點的斜率最大，為3×10-6；受北支分流比較小的影響，T2點的斜率最小，為1×10-8.

（3）隨著徑流量的增加，海平面增幅線均不同程度地向外擴張，且增幅線與長江口河勢存在一定的關系.在徑流量為43 800m3·s-1的情況下，杭州灣灣內(nèi)大部分區(qū)域海平面增加0.005～0.010m.

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