太湖典型風場作用下的水位特征研究

趙金簫，徐世凱，丁文浩，阮世平，王 勇

（南京水利科學研究院，江蘇 南京 211100）

0 引言

太湖是我國第三大淡水湖泊，地處長江三角洲平原，是長三角一體化發(fā)展國家戰(zhàn)略的核心地區(qū)。水位是太湖水動力特征的重要組成部分，直接關系到流域內的防洪、供水和水生態(tài)等各項水安全問題[1～3]。由于太湖地勢平坦，重力流作用微弱，太湖湖流形式主要以風生流為主，因此風場是決定太湖水位的核心影響因子[4～6]。所以研究典型風場作用下的太湖水位特征分布，闡明太湖水位對風場的響應規(guī)律對保證流域供水安全、指導流域防洪規(guī)劃具有重要意義。

對于太湖水位的研究眾多，王磊之[7]等基于1954～2013年的太湖逐日水位資料，系統(tǒng)分析和比較了太湖3種水位特征要素的年際變化規(guī)律，揭示了導致三者發(fā)生階段性變化的控制性因素；張運林等[8]分析了太湖40年內水位變化對水環(huán)境與水生態(tài)的影響，揭示了水位的生態(tài)環(huán)境意義；章杭惠和劉曙光[9]分析了太湖及太浦河的水位變化對兩岸地區(qū)洪澇的風險及對策，提出了相應的調度方案；馬農樂[10]等研究了太湖水位對新孟河防洪調度的影響，提出了對應的特征水位。截止目前，對于太湖水位的研究多局限于其防洪和水生態(tài)等方面的效應，鮮有太湖水位與風場關系的相關研究[11～13]。

因此，本文基于2017年9月9日～10月31日太湖風場與水位的原型觀測結果，研究了太湖典型風向下水位的分布規(guī)律，總結了太湖水位與風速的相關關系，該研究可為揭示太湖風生流特性提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 原型觀測地點

本文兩個風場原型觀測地點，分別為位于西山島北側的 SQ1（31.205°N，120.265°E） 和竺山湖南側的 SQ2（31.925°N，120.512°E），兩地相距約 30km，可分別代表湖東區(qū)和湖西區(qū)的風場特征（見圖1）。原型觀測開始于2017年9月9日，結束于2017年10月31日，觀測共持續(xù)53天。

本文水位原型觀測依托于6個太湖環(huán)湖水位站點，分別為犢山閘站、大浦口站、夾浦站、洞庭西山站、小梅口站和吳溇站（圖1）。所有站點沿太湖自西北向東南依次分布，可較為全面的反應太湖湖區(qū)的水位分布特征。6個站點的地理位置坐標詳見表1。

表1 太湖環(huán)湖水位站點地理坐標

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

風場原型觀測采用WXT520便攜式氣象站。該氣象站體積小巧，結構緊湊，安裝簡單，可方便布置于野外站點，能夠對風速、風向、氣溫、濕度等多項氣象參數(shù)進行實時監(jiān)測。WXT520便攜式氣象站的風速量程為0～60m/s，測量精度為±30%，記錄間隔為 1min，一次記錄持續(xù)5min，儀器輸出的風場數(shù)據(jù)為5min內的平均風場結果。

水位的原型觀測依靠環(huán)湖站點的水位觀測結果，各站的觀測間隔為1天，為了方便比較，文中6個環(huán)湖水位站的觀測水位結果均已統(tǒng)一換算至1985國家高程基準。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

（1）風場數(shù)據(jù)處理

原型觀測時的氣象站架設于水面以上5m，本文后續(xù)分析使用的風速均為轉化至水面10m處的標準風速w10，其轉化方法為：

圖1 風場與環(huán)湖水位測點位置示意圖

式中：w10代表水面以上10m處的風速，m/s；wmeasured代表儀器實際觀測的風速，m/s；z0是水體表面粗糙度，本文取z0=0.001m；z是儀器架設高度，本文取z=5m。

（2）相關性分析

本文中的相關性分析均采用最大互信息系數(shù)（MIC），該方法由Reshef et al[14]（2011）于科學雜志上提出。相比傳統(tǒng)的皮爾遜相關性系數(shù)r，MIC不受數(shù)據(jù)分布類型的限制，可表征數(shù)據(jù)間線性或非線性的相關性關系，且精度高于傳統(tǒng)的相關性系數(shù)方法。MIC的計算方法如下：

式中：a和b是x和y方向的網(wǎng)格數(shù)；B是樣本尺寸，本文取B=n0.6，其中n是樣本數(shù)。

2 結果與討論

2.1 觀測期間風場特征

圖2 SQ1和SQ2點觀測期間風玫瑰圖

表2給出SQ1和SQ2兩處氣象站點的風速統(tǒng)計結果。從表2中可以看出，SQ1的風速平均值略小于SQ2，但差別僅有0.1m/s，可認為兩處的平均風速基本相同。由于太湖風場變化頻率快，因此討論5min平均的最大值與最小值研究意義較小，所以表2給出了SQ1和SQ2天平均風速的最大值與最小值。比較兩處的天平均結果可以看出，SQ1的天平均最大值為8.5m/s，低于SQ2的天平均最大值9.2m/s，但天平均最小值略高于SQ2。SQ1和SQ2天平均風速最大值均發(fā)生于10月11日，且使用式（2）計算得到SQ1風速和SQ2風速間的MIC=0.80，說明兩者間具有較強的相關關系。

表2 SQ1和SQ2處風速統(tǒng)計結果

圖3 典型風場隨時間變化圖

圖2給出了SQ1和SQ2的風場玫瑰圖，從玫瑰圖中可以看出，SQ1處的常風向為NE，出現(xiàn)頻率為17%，次常風向為N和SE，出現(xiàn)頻率均為13%，此外其四級風、三級風、二級風和五級風出現(xiàn)的頻率分別為30.1%、38.5%、14.7%和8.6%。SQ2處的常風向為N，出現(xiàn)頻率為14%，其他風向出現(xiàn)的概率較為接近，NNW、NNE、NE、ENE和SE方向垂線的頻率分別為10%、12%、11%、10%和10%。四級風、三級風、二級風和五級風出現(xiàn)的頻率分別為30.7%、27.4%、17.0%和11.1%。該結果與已有的太湖原型結果相近，觀測數(shù)據(jù)較為合理[15，16]。

在討論風場與水位間的關系時，考慮到太湖湖區(qū)內形成穩(wěn)定的水位需要一定時長恒定風場的持續(xù)作用，因此本文選取了原型觀測期間2017年9月24日、9月30日、10月09日3組代表SE方向的風場和9月14日、9月15日、10月03日3組代表NE方向的風場。圖3給出了這6日風場的日變化圖，該圖同時佐證了SQ1和SQ2風場相關性較高的結論。從圖3中可以看出，這6日的風場較為穩(wěn)定，風向持續(xù)時間可達24小時，足以形成較為穩(wěn)定的太湖流場。表3給出了這6日風場的統(tǒng)計結果。

表3 典型風場日統(tǒng)計結果

2.2 觀測期間水位特征

觀測期間環(huán)湖6站水位的變化情況見圖4。觀測開始至9月底期間，表內6站的水位總體隨時間推移不斷增高，至10月初到達頂峰，之后水位平穩(wěn)下降，期間略有反復。北部大浦口站和犢山閘站率先到達最高水位，其余四站到達最高水位的時間略有滯后。

觀測期間環(huán)湖6站水位的統(tǒng)計值見表4。表內6個水位站點觀測期間平均水位最高為小梅口站，夾浦站次之，兩者僅相差0.01m，犢山閘站平均水位最低，平均僅為1.49m，與小梅口站相差0.15m。最高與最低水位的趨勢與此相近，同樣為小梅口站與夾浦站水位最高，犢山閘站水位最低。但是，從圖4中可以看出，觀測期間6個水位站點水位的高低順序也不斷改變，9月29日犢山閘站水位也曾到達6站中前三。

表4 環(huán)湖水位站水位統(tǒng)計結果（換算至1985高程）m

圖4 環(huán)湖水位站點觀測期水位變化圖

表5列出了太湖站點水位間相關性系數(shù)MIC的統(tǒng)計結果，從表內的結果可以看出，太湖水位站點間的相關性受地理位置影響較大。對于犢山閘站和大浦口站兩個偏北的水位站點，其相關性系數(shù)較高，可達0.94。但是，他們與南部洞庭西山站、小梅口站和吳溇站的相關性較低，僅為0.75左右。此外，大浦口站與夾浦站間的距離短于犢山閘站與夾浦站，因此前兩者的相關系數(shù)要明顯高于后兩者。類似的，太湖南部洞庭西山站、小梅口站和吳溇站間的相關系數(shù)較高，均在0.80以上，且洞庭西山站與小梅口站的相關性高達0.99，表明兩者間的水位具有極強的相關性關系。

2.3 典型風場與太湖水位分布的關系

表6列出了SE與NE兩種典型風向作用下6處水位站點的水位數(shù)據(jù)。對于SE風向，在平均風速9.0m/s的風場作用下太湖6處水位站點的水位自高至低順序為大浦口站=夾浦站>犢山閘站>小梅口站>洞庭西山站>吳溇站，這一排序基本呈現(xiàn)了水位沿風向逐漸增加的規(guī)律，符合風生流理論中水位隨吹程增加不斷雍高的觀點（圖5）。此外，值得注意的是，依據(jù)風生流理論，水位不會沿吹程無限增長，在一定吹程后便較為穩(wěn)定。但是夾浦站與大浦口站水位相同并不能完全得出SE風向下吹程至夾浦站時即已穩(wěn)定的結論，一則數(shù)據(jù)樣本過小，二則尚需考慮入湖河流等多種因素的影響。在平均風速5.7m/s的風場作用下，太湖6處水位站點的水位自高至低順序為夾浦站>小梅口站>大浦口站>犢山閘站>吳溇站>洞庭西山站。此時6處站點的水位并不完全隨風吹程增加而增加，雖然吹程最短的吳溇站與洞庭西山站水位仍是最低，但吹程最長的大浦口站的水位卻低于夾浦站和小梅口站，說明即使風場穩(wěn)定的情況下，吹程也并不是決定太湖水位分布的唯一要素。在平均風速5.3m/s的風場作用下，6處站點的水位規(guī)律同樣并不完全與吹程正相關，夾浦站水位仍最高，小梅口站與大浦口站水位相近，僅次于夾浦站，吳溇站水位最低。

表5 環(huán)湖水位站水位相關性結果（MIC）

表6 典型風場作用下太湖水位表 m

圖5 SE風向下太湖風場與水位關系

對于NE風向，在平均風速同為7.2m/s的風場作用下，太湖6處水位站點的水位自高至低順序相同，均為小梅口站＞夾浦站＞吳溇站＞洞庭西山站≥大浦口站＞犢山閘站。這一結果說明，在該風向下，太湖水位分布特征較為統(tǒng)一，符合隨吹程不斷增加的規(guī)律，其中吹程最長的小梅口站水位最高，吹程其次的夾浦站略小于小梅口，吹程最短的犢山閘站水位最低（圖6）。在風速從7.2m/s（9月 14日）降低至 6.5m/s（9月 15日）時，各點位的水位均有所降低。此外，9月14日、9月15日和10月03日中，環(huán)湖水位站點最低值與最高值間的差值分為0.28m，0.24m，0.26m。對比3種結果可以看出，在平靜水位相近情況下，風速越低，環(huán)湖水位差越小，這是因為，在水位相近情況下，較低的風速攜帶能量較少，因此引起的水體勢能增加較小。在風速相同情況下，水深越深，環(huán)湖水位差越小，這是因為水深越深，水體的質量越大，在風能相同的情況下，其水位雍高越困難。

圖6 NE風向下太湖風場與水位關系

3 結論

水位是太湖的核心水動力參數(shù)之一，直接關系到流域防洪、供水和水環(huán)境、水生態(tài)等各類水安全問題。本文以原型觀測數(shù)據(jù)為基礎，分析了持續(xù)24h穩(wěn)定SE和NE風場作用下，太湖6處水位站點的水位分布特征，總結了典型風場與太湖水位分布的相關關系，主要結論如下：

（1）太湖水位站點間的相關性受地理位置影響較大。湖區(qū)北部犢山閘站和大浦口站兩個水位站點間的水位相關性較高，湖區(qū)南部洞庭西山站、小梅口站和吳溇站間的相關性較高。

（2）SE風向作用下，太湖水位分布特征與風速有關；9m/s風速作用下，太湖水位隨風程增加而增加；5m/s左右風速作用下，太湖水位分布特征并不完全符合這一規(guī)律。

（3）NE風向作用下，太湖水位分布基本符合隨吹程增加而增加的規(guī)律。水位相近情況下，風速越小，太湖環(huán)湖水位差越小。風速相同情況下，水深越深，太湖環(huán)湖水位差越小。