三峽工程對(duì)長江下游感潮河段極值水位的影響

張景瑞，季小梅，張 蔚，郁夏琰，楊 琰

(1.河海大學(xué) 江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024；2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061；3.河海大學(xué) 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，南京 210024；4.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

三峽工程作為世界上規(guī)模最大的水利工程，是集防洪、發(fā)電、航運(yùn)和供水四大效益為一體的一項(xiàng)綜合水利工程[1]。三峽工程通過洪季蓄水，枯季放水的方式對(duì)下游流量及水位進(jìn)行合理的調(diào)控，對(duì)削減洪峰及保證枯季航運(yùn)起著重要作用。而長江極值水位一直是學(xué)者們的研究對(duì)象，對(duì)于其變化趨勢、漲落原因和重現(xiàn)期一直保持著重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于長江極值水位的研究進(jìn)展，芮孝芳[2]分析了長江下游感潮河段大洪水和特大洪水高水位形成的水文因素, 揭示了年最高水位今后一段時(shí)期內(nèi)可能的變化趨勢。朱慶云[3]根據(jù)水文變異綜合診斷方法，分析檢驗(yàn)了南京站近百年高潮潮位變化的整體趨勢，利用小波分析得到了年最高潮位的周期變化規(guī)律。殷瑞蘭[4]通過資料分析，研究了洪水位增高機(jī)理，認(rèn)為近代長江一些河段洪水位增高的主要原因是人類活動(dòng)的影響。魏建蘇[5]利用降水量和平均氣溫資料分析了其與南京和鎮(zhèn)江段長江最高水位之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)夏季6月和7月可利用降水量的不同分布類型對(duì)長江當(dāng)月最高水位有直接的影響。陳沈良[6]等人應(yīng)用韋伯分布方法計(jì)算了長江口極值水位的重現(xiàn)期。

綜上所述，學(xué)者們對(duì)于極值水位的研究大多集中于極端值的情況，即直接使用年最大、最小的水位進(jìn)行研究，沒有排除某些影響水位的極端因素和隨機(jī)因素。另外，除了上游流量以外，感潮河段潮汐增幅的變化對(duì)極值水位也有著調(diào)節(jié)作用。但由于受到陸地徑流的影響，表現(xiàn)為非平穩(wěn)的潮汐特征，近年來以NS_TIDE為代表的非平穩(wěn)調(diào)和分析方法的發(fā)展，使得高徑流影響下感潮河段內(nèi)調(diào)和分析成為可能[7-11]。因此，本研究基于長周期的資料，采用一種新的方式定義極值水位[12]，用概率的定義排除極端情況的影響，更加合理的研究長江下游感潮河段極值水位的變化趨勢，揭示三峽工程對(duì)長江下游感潮河段極值水位的影響，探討潮汐振幅變化對(duì)極值水位的影響，對(duì)長江下游感潮河段極值水位的變化規(guī)律研究具有重要意義。

1 流域概況

長江是我國第一大河，長江口是世界第三大河口和我國第一大河口，是銜接長江和東中國海的入海通道。河口覆蓋范圍遼闊，全長約600 km，上至安徽大通，下到外海50 m等深線附近。根據(jù)一般河口區(qū)段劃分，長江口可分為以下三段：近口段(約400 km)，范圍從枯季潮區(qū)界所在地大通至洪季潮流界所在地江陰；河口段(約240 km)，范圍從江陰往下至口門攔門沙灘頂附近；口外海濱段，范圍從口門至外海30～50 m等深線附近。

長江下游流充沛，根據(jù)大通水文站1951～2019年間的統(tǒng)計(jì)流量可知，平均流量可達(dá)28 324 m3/s，且年均入海徑流可達(dá)9 028.8×108m3，約占全國入?？倧搅髁康?0%以上[13]，且最大流量一般出現(xiàn)在7月或8月，而枯季(11～4月)徑流量約占年徑流量的30%以下，且最小流量一般出現(xiàn)在2月[14-15]。長江口是中等強(qiáng)度的潮汐河口，同時(shí)長江口潮波影響深遠(yuǎn)，枯季潮流界和潮區(qū)界分別可以到達(dá)距離口門約360 km的江蘇鎮(zhèn)江和約640 km的安徽大通。長江口外海同時(shí)存在東中國海前進(jìn)潮波系統(tǒng)和黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)[16],傳入河口的潮波主要表現(xiàn)為半日潮的特征，振幅較大的天文分潮主要包括K1、O1、M2、S2等分潮。在潮波進(jìn)入河口向上游傳播的過程中，由于受到岸線收縮、地形淺化和摩阻損耗等效應(yīng)的影響，潮波能量重新分布，生成淺水分潮主要為M4。長江口航道是長江黃金水道的咽喉，是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)全局的水上運(yùn)輸通道，戰(zhàn)略地位非常重要[17]。

圖1 數(shù)據(jù)站點(diǎn)分布Fig.1 The locations of hydrological stations

2 數(shù)據(jù)來源

長江下游的水文觀測最早開始于20世紀(jì)初，本研究所用的水位數(shù)據(jù)從中華人民共和國水文年鑒上采集。如圖1，本文以吳淞基面為水位基面，采集了分布于長江下游以及口門處的5個(gè)水文站點(diǎn)(蕪湖、南京、鎮(zhèn)江、江陰、高橋)長周期的水位數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)為每日的高、低潮位各2個(gè)，1965～1985年和2003～2014年為三峽工程建成前后兩個(gè)時(shí)間段。流量資料則為大通站對(duì)應(yīng)年份的日均流量實(shí)測數(shù)據(jù)。

3 概率密度函數(shù)法的極值水位演變

3.1 概率密度函數(shù)法(Probability density functions)

圖2 單峰情況 圖3 雙峰情況Fig.2 Unimodal caseFig.3 Bimodal case

以往對(duì)于極值水位的研究，都是直接使用年最高、最低水位進(jìn)行分析，從而得出結(jié)論。但是極值高、低水位受到多個(gè)方面因素的影響，因此當(dāng)某因素出現(xiàn)極端情況時(shí)，會(huì)很大程度影響極端水位的變化。因?yàn)樾「怕适录陌l(fā)生不能完全代表站點(diǎn)高低水位的總體趨勢，而本研究著重研究三峽工程流量調(diào)節(jié)對(duì)于下游感潮河段極值水位的影響，因此要排除這些小概率事件對(duì)于水位的影響。綜上，本文將采用一種新的方法對(duì)高低水位進(jìn)行定義，即概率密度函數(shù)法，從概率的角度去掉小概率事件的影響，更合理的揭示極值水位的變化。

如圖2所示，以一年為計(jì)算時(shí)間窗口，對(duì)每日高低潮潮位及其出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。橫坐標(biāo)為水位，縱坐標(biāo)為水位出現(xiàn)的次數(shù)。如果沒有潮汐的影響，僅在洪枯季流量的影響下，圖像則呈一個(gè)單峰的表達(dá)形式。高流量時(shí)為高水位，低流量時(shí)為低水位。高水位與低水位出現(xiàn)的次數(shù)較少，中間水位出現(xiàn)的次數(shù)則較多。

圖4 三峽工程前后大通站日均流量圖Fig.4 Discharge at the Datong station before and after the completion of the Three Gorges Project

而在加入潮汐的影響后，如圖3，水位受高低潮的影響，單峰將變?yōu)殡p峰形式，出現(xiàn)次數(shù)最多的水位不再是中間水位。而在這里，以這兩個(gè)峰頂與這一個(gè)谷底為界，把整個(gè)區(qū)域分為4塊。C1為低水位區(qū)，C4為高水位區(qū)。對(duì)于C1即低水位區(qū)，通過計(jì)算可以得到此塊區(qū)域的質(zhì)心位置，則質(zhì)心所處的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水位即定義為概率密度函數(shù)法的低水位；同理，可以得到C4區(qū)域內(nèi)的概率密度函數(shù)法的高水位。

如圖4是三峽工程前后兩段時(shí)間內(nèi)，大通站日均流量示意圖。可以發(fā)現(xiàn)，在三峽工程建成后，大通站夏季的流量有一個(gè)明顯的削峰作用，三峽工程洪季蓄水，使得流向下游的流量變小。而在枯季，三峽工程則通過放水，使得流量比三峽工程前變大。通過概率密度函數(shù)法得到排除極端情況影響的高低水位，從而更合理的揭示三峽工程建成前后高低水位的變化趨勢，進(jìn)而分析三峽工程流量調(diào)節(jié)對(duì)極值水位的影響情況。

3.2 高低水位變化趨勢

由概率密度函數(shù)法得到每年的高低水位數(shù)據(jù)，可以通過線性回歸方程計(jì)算得到三峽工程建成前后水位的變化趨勢，結(jié)果如圖5所示。

5-a 建成前 5-b 建成后圖5 三峽工程建成前后極值水位的變化趨勢Fig.5 Changes in extreme water levels before and after the completion of the Three Gorges Project

如圖5-a，由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)三峽工程建成前，即1965～1985年高低水位都呈上升趨勢。較上游的蕪湖、南京、鎮(zhèn)江三站高水位增長趨勢較為明顯，低水位則呈現(xiàn)較慢增長，其中蕪湖站的高水位年均增長超過了5 cm/a，南京站的高水位年均增長也超過了2 cm/a，表明了高水位的增長速度較快。較下游的江陰、高橋兩站水位年均增長速度較慢，高低水位的年增長均未超過1 cm/a。因?yàn)槿龒{工程建成前，長江上游來流流量變化并不大，所以高低水位都呈增長趨勢的主要原因，由資料歸結(jié)為：工程因素。主要是干支流堤防標(biāo)準(zhǔn)提升、湖泊洼地圍墾等工程，其使得河道斷面面積減小，從而使得洪期高水位有著明顯的抬升[2]。

如圖5-b，在三峽工程建成后，即2003～2014年，在三峽工程的流量調(diào)控下，長江下游站點(diǎn)高水位都呈下降趨勢，低水位在蕪湖、南京、鎮(zhèn)江成上升趨勢，而在江陰、高橋成較小的下降趨勢，前后的反差，可以體現(xiàn)出三峽工程的流量調(diào)控對(duì)于下游站點(diǎn)極值水位產(chǎn)生了重要影響。其中，高水位全部由上升趨勢變?yōu)橄陆第厔?，較上游的南京站高水位年均減小到達(dá)了6 cm/a，蕪湖站與鎮(zhèn)江站高水位年均減小也超過了3 cm/a，而較下游的江陰、高橋兩站也受到流量調(diào)控的影響，高水位也呈一定的下降趨勢，江陰達(dá)到年均2 cm/a，高橋則接近年均1 cm/a。低水位在較上游的三站變化較小，在江陰、高橋兩站則變?yōu)橄陆第厔?，但幅度較小。三峽工程建成前后時(shí)間，高低水位的趨勢差異，可以認(rèn)為三峽工程的調(diào)蓄功能對(duì)下游產(chǎn)生了一定影響，主要為降低了高水位，對(duì)低水位的影響則偏小。產(chǎn)生這種差異的主要原因，即為三峽工程洪季進(jìn)行蓄水，減小了洪季下游的流量，因此使下游站點(diǎn)洪季的高水位呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢。

4 潮汐分析

除了流量之外，潮汐也是影響水位變化的重要因素之一。三峽工程通過對(duì)流量的調(diào)控，也使得長江下游潮汐發(fā)生變化，從而使極值水位也發(fā)生變化。所以，探究分潮振幅的變化，對(duì)于極值水位的影響，也具有重要意義。傳統(tǒng)的調(diào)和分析方法因?yàn)槭艿綇搅鞯确欠€(wěn)態(tài)因素的影響，不能準(zhǔn)確反映徑流影響下的潮汐動(dòng)力過程。而NS_TIDE調(diào)和分析方法可以較好的捕捉水位時(shí)間序列中的波動(dòng)信號(hào)，無論是在低流量的枯季還是高流量的洪季， NS_TIDE非穩(wěn)態(tài)調(diào)和分析方法可以更好地剝離到實(shí)測水位中徑流等非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的干擾，其在長江口的應(yīng)用具有著更好的準(zhǔn)確性和適用性。本研究采用NS_TIDE非穩(wěn)態(tài)調(diào)和分析方法來分析長江口中的非穩(wěn)態(tài)潮汐信號(hào)，分別對(duì)長江流域主要分潮K1、O1、M2、S2、M4進(jìn)行計(jì)算，由NS_TIDE計(jì)算得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6 K1,O1,M2,S2,M4振幅變化Fig.6 Changes in the amplitudes of K1,O1,M2,S2,M4

7-a 1965～1985年 7-b 2003～2014年圖7 三峽工程建成前后洪季分潮振幅變化趨勢Fig.7 The trends of tidal amplitudes before and after the completion of the Three Gorges Project during the flood season

由計(jì)算得到的潮汐調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算三峽工程建成前后潮汐振幅的變化趨勢。為了體現(xiàn)三峽流量調(diào)節(jié)的作用，下面對(duì)調(diào)和常數(shù)分洪枯季進(jìn)行分析。如圖7為三峽工程建成前后洪季分潮振幅變化趨勢，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，洪季幾乎所有分潮在三峽工程建成后皆變成了增加趨勢，最大變化值為南京站的M2，洪季年均增加量超過了0.4 cm/a。分析原因則為徑流減小，減弱了徑流對(duì)分潮的削弱作用，體現(xiàn)了三峽工程洪季蓄水，減少了洪峰流量的影響。雖然分潮振幅增加使得極值水位在一定程度上會(huì)增加，但流量的調(diào)控對(duì)于水位的影響更大，因此極值水位在三峽工程的影響下總體上仍呈現(xiàn)下降趨勢。

8-a 1965～1985年 8-b 2003～2014年圖8 三峽工程建成前后枯季分潮振幅變化趨勢Fig.8 The trends of tidal amplitudes before and after the completion of the Three Gorges Project during the dry season

而在枯季，如圖8，在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，對(duì)于S2振幅的影響較大，各站前4站點(diǎn)S2皆由減小變成了增加。而與洪季不同的是，三峽工程建成后對(duì)于蕪湖站的影響并不大。較洪季相比，除南京站的分潮振幅及其他站S2分潮振幅外，枯季的變化較洪季小。除蕪湖站外，總體上分潮振幅呈增加趨勢，與洪季得到的結(jié)果相同，均在三峽工程流量調(diào)控的影響下增加了極值水位，但影響相對(duì)流量較小。蕪湖站位置最靠近上游，分潮振幅到達(dá)此處時(shí)已削減到一定程度，是5個(gè)站點(diǎn)中最小的站點(diǎn)，所以導(dǎo)致其受流量變化的影響不是很明顯。在枯季，三峽工程流量調(diào)節(jié)的量相比洪季較小，因此前后對(duì)于分潮振幅的影響也偏小。

5 結(jié)論

(1)三峽工程建成前，長江下游感潮河段極值水位呈上升趨勢，主要因素受人為影響，如干支流堤防標(biāo)準(zhǔn)提升、湖泊洼地圍墾等；三峽工程建成后，對(duì)長江下游高水位有著明顯的影響，高水位的趨勢皆變?yōu)橄陆?主要原因?yàn)槿龒{工程對(duì)長江下游的流量調(diào)控，體現(xiàn)了三峽工程洪季蓄水的調(diào)蓄功能；對(duì)于低水位的影響較小。在空間上，流量對(duì)水位的影響自上游向下游逐漸減弱，因此對(duì)于長江感潮河段的中上游的蕪湖、南京、鎮(zhèn)江站影響較大，對(duì)于較下游的江陰、高橋站影響較小。

(2)通過觀察洪季分潮振幅變化趨勢，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，洪季幾乎所有分潮在三峽工程建成后皆由下降轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾于厔荨Ｔ騽t為三峽工程的修建，通過洪季蓄水調(diào)控流量，使得洪季流量減小，流量對(duì)潮波的摩阻作用相應(yīng)減弱，因此分潮振幅增加，從而對(duì)極值水位有著增加的作用。但由于流量減小，所以整體上極值水位仍然呈下降趨勢。而在枯季，三峽工程則對(duì)南京站的分潮及其他站S2分潮有較大影響，而因?yàn)榱髁空{(diào)控的影響相對(duì)于洪季較小，對(duì)于其余分潮影響則較小。