长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金长江水科学研究联合基金重点支持项目()河海大学中央高校基本科研业务费专项资金()作者简介:翟 玮()男广东深圳人硕士研究生主要从事河口海岸水动力学研究工作:.通信作者:张 蔚()男江苏南京人教授博士研究方向为河口海岸水流、泥沙运动及数值模拟技术:.:./.():长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化翟 玮张 蔚季小梅陈 婷(.河海大学 江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室南京 .上海滩涂海岸工程技术研究中心上海 .河海大学 疏浚技术教育部工程研究中心南京)摘 要:余水位即潮周期内的平均水位是河口径潮动力非线性作用的典型结果 为探究径流、潮汐及其相互作用对余水位的影响对摩阻项进行分解通过潮平均摩阻的各分量对余水位的变化展开研究 采用二维水动力数学模型模拟得到长江口余水位时空变化特征利用连续小波变换方法和摩阻计算公式分析长江口潮平均摩阻的主要来源建立线性回归模型通过潮平均摩阻各分量的变化解释余水位的变化 研究结果表明:长江口余水位具有明显的洪枯季变化和大小潮变化特征洪季余水位沿程增幅更大大潮时余水位较小潮时更高长江口潮平均摩阻以径流作用和径潮相互作用产生的摩阻为主因径流量巨大前者对潮平均摩阻的贡献始终更大潮平均摩阻控制余水位长江口余水位的变化由径流作用控制在下游站点径潮相互作用的影响不可忽视关键词:余水位径潮相互作用潮平均摩阻连续小波变换线性回归长江口中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():(.):.第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景河口是陆海交汇的过渡地带受到流域径流和海洋潮汐的共同作用水动力条件复杂 余水位即潮周期内的平均水位滤去了周期性变化的潮汐其时空变化反映了径潮动力间的非线性作用 根据一维动量守恒方程余水位梯度项基本与摩阻项相平衡 为探究径流、潮汐及其相互作用对余水位的影响多从动量方程的摩阻项入手将其分解为径流作用、径潮相互作用和潮不对称作用产生的摩阻项 近年来随着技术手段的发展学者们提出了新的方法来研究径潮间的非线性作用包括连续小波变换、短期调和分析、非稳态调和分析等 这些分析方法结合摩阻项的分解有助于解释评价径流、潮汐及其相互作用对余水位的相对重要性 如 等基于连续小波变换方法和对摩阻项中非线性流速乘积的一阶及三阶展开建立线性回归模型通过潮平均摩阻的变化预测余水位的变化长江口是世界第三大河口径流量巨大且季节性变化特征明显潮汐强度中等径潮相互作用显著深刻影响着此处的余水位 过去对长江口余水位的研究大多采用实测资料的统计分析方法 刘晓婉等发现崇明岛南部近岸水位主要由潮汐驱动形成 郭磊城等基于实测径流和潮位资料发现长江口洪季径流量的增大使得余水位显著抬高洪枯季差异从上游大通到下游牛皮礁逐渐减小 杨正东等发现长江口余水位的变化主要与径流量有关 此外宋永港等基于数值模拟对长江口北支潮位潮差时空变化展开研究发现 月份的月平均潮位逐渐增大而 月份逐渐减小该变化趋势由径流产生的余水位决定 综上而言针对径潮动力下余水位时空变化的研究仍有待深入 余水位影响着水位与水深同时作为径潮动力非线性的典型结果在长江河口动力格局变化的当下也成为分析径潮相互作用的有效切入点对防洪安全、水位预报、水资源管理等科学问题具有重要意义本文基于二维水动力数值模型获取长江口主要站点高频、长期的潮位和流速数据分析余水位时空变化特征利用连续小波变换分解流速信号通过摩阻公式计算潮平均摩阻的各分量结合简单线性回归模型分析径潮动力相互作用下余水位的变化机制 研究区域及研究方法.研究区域长江口是衔接了长江和东中国海的主要通道全长约 上至安徽大通下至外海 等深线附近 长江口整体平面形态呈现为“三级分汊、四口入海”的复杂格局河口呈典型喇叭型上游宽度 外海口门处宽度 其地形及主要站点位置如图 所示 由于属亚热带季风气候河口径流季节性变化显著 月份径流量占年径流量.月份至次年 月份径流占.全日分潮和半日分潮是进入河口的主要分潮其振幅比/约为.河口内潮汐类型属于非正规半日潮图 长江口地形及主要站点位置.研究方法.水动力模型本文采用课题组已建立的长江口整体平面二维水动力数学模型对径潮动力相互作用下余水位时空变化展开研究 模型采用非正交的三角形网格覆盖整个长江口区域陆地边界能较好地贴合实际岸线模型网格总数为 网格节点数为 网格大小在 之间变化精度满足需要 模型地形资料采用长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局测得的长江口水下实测地形并通过 个潮位站点和 个流速站点的实测数据进行率定与验证 长江科学院院报 年 大多数测站水位和流速数据误差均在 以内结果良好因此可认为模型模拟结果能较好地反映长江口的水动力条件 具体率定与验证过程见文献本文模型参数设置如表 所示表 模型参数设置 参数设置单位上边界大通实测流量/下边界分潮调和潮位时间步长地形条件河道及外海边界 年测图曼宁系数/初始条件水位为 流速为、/为了充分消除潮汐的影响模型上边界设置在枯季的潮区界大通并将 年大通实测径流量作为上边界条件外海边界则设置在径流作用完全消失的.处分潮潮位由东中国海潮波数学模型提供 模型采用冷启动方式对 年长江口的潮位和流速开展模拟.连续小波变换及潮波分解作为非稳态调和分析的重点方法之一连续小波变换()通过对母小波进行缩放和平移对潮波信号进行了多尺度的细化分析利用小波变换在一个带通滤波器上对潮波信号进行处理得到信号随着时间和频率的变化过程 方法的特点在于它可以比较准确地得到不同周期分潮簇的振幅与相位非常适应潮汐频带非几何变化间隔的特性其缺点是不能较好地区分同一分潮簇内的不同分潮且对小波的选择具有较强的依赖性在径潮动力相互作用的背景下 方法可以显露潮波对变化的径流量近乎瞬时的响应 利用 方法处理流速数据可将原始流速时间序列分解为不同时频域信息将同一周期的分潮簇结果归类合并从而得到主要的全日潮簇、半日潮簇以及四分之一日潮簇 流速的振幅(、及)和初相位(、及).摩阻效应根据 等提出的针对余水位变化的新的分析方法可将动量方程中的摩阻项按照其来源分解为径流作用、径潮相互作用和潮不对称作用产生的 个不同分量、及 该方法的核心在于利用切比雪夫多项式对摩阻项中的非线性乘积 进行一阶和三阶展开并将流速时间序列分解后经无量纲化处理代入即:()()()()()()对摩阻项在一个全日潮周期内进行积分整理后得到公式如下:()()()()()()式中:、为计算所得的系数取值分别为.和.为流速的最大值 为经无量纲化后一个全日潮周期内的平均流速、及 分别为全日潮簇、半日潮簇和四分之一日潮簇在对应全日潮周期内的无量纲化流速振幅、及 分别表示全日潮簇、半日潮簇和四分之一日潮簇流速的初相位 为全日潮的潮汐频率日均流速和分潮簇流速振幅在经过无量纲化处理后均结合式()式()分析可知、和 大致范围在 范围内反映各项作用对潮平均摩阻的贡献 其中只与日均流速有关因而表达的是径流作用对潮平均摩阻的贡献与平均流速和各分潮簇流速振幅的乘积相关反映径潮相互作用对潮平均摩阻的贡献而 则与分潮簇流速振幅和相位有关反映潮不对称作用对潮平均摩阻的贡献 余水位时空变化特征根据二维水动力模型模拟结果对长江口主要站点的模拟水位取日均值从而滤去全日潮簇及更高频分潮簇潮位对水位周期性的影响得到余水位 图 为 年大通站的日均径流量及主要站点的余水位从图()可以看出长江口的径流量季节性变化明显洪季(月份)流量明显大于枯季(月份及 月份)流量日均径流量最大可达 /根据图()可知长江口余水位从下游吴淞向上游南京逐渐抬升具有稳定的梯度 在枯季余水位沿程增幅较小以两周为周期的大小潮变化始终明显大潮时余水位要高于小潮时在洪季余水位沿程增幅较大在上游站点其变化与径流量的变化十分相似往下游余水位大小潮变化逐渐明显 上述长江口余水位的时空变化体现了径潮动 第 期翟 玮 等 长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化2 0 1 6-0 1-0 1 2 0 1 6-0 4-0 1 2 0 1 6-0 7-0 1 2 0 1 6-1 0-0 1 2 0 1 7-0 1-0 10123456780123456789日期南京镇江江阴徐六泾吴淞径流量/(1 04 m3s-1)(a)大通日均径流量2 0 1 6-0 1-0 1 2 0 1 6-0 4-0 1 2 0 1 6-0 7-0 1 2 0 1 6-1 0-0 1 2 0 1 7-0 1-0 1日期(b)主要站点余水位余水位/m图 年大通站日均径流量及主要站点余水位.力的共同作用但其变化原因还需通过理论方法作出解释具体见本文.节末尾 分潮簇流速振幅时空变化基于二维水动力模型的模拟结果和连续小波变换方法对各站点流速时间序列进行调和分析得到全日潮簇()、半日潮簇()和四分之一日潮簇()流速的调和常数 图 为各分潮簇流速振幅的洪枯季沿程分布南京 镇江 江阴 徐六泾吴淞00.20.40.60.81.0D1D4振幅/(m s-1)(a)枯季00.20.40.60.81.0振幅/(m s-1)南京 镇江 江阴 徐六泾吴淞(b)洪季站点站点图 各周期分潮簇流速振幅洪枯季沿程分布.由图 可知长江口内半日潮簇 流速振幅最大枯季在吴淞处可达./全日潮簇 和四分之一日潮簇 流速振幅大致相当均说明在长江高径流的背景下径流作用对潮平均摩阻的贡献始终更大 在江阴及以上站点占据主导而在下游的徐六泾和吴淞站点对潮平均摩阻的贡献也较大不可忽略 长江科学院院报 年.摩阻分量对余水位的拟合在一维动量守恒方程中余水位梯度项基本与潮平均摩阻项相平衡摩阻分量与余水位梯度间大致呈线性关系因此通过摩阻分量的线性回归可以预测拟合余水位的变化 由.节可知 较小因而选取潮平均摩阻中主要的 和 两项建立二元线性回归模型在各站点根据二者的日均值预测拟合对应的余水位结果见图 051 00360240122 0 1 6-0 1-0 12 0 1 6-0 4-0 12 0 1 6-0 7-0 12 0 1 6-1 0-0 12 0 1 7-0 1-0 101.0南京回归模型预测数值模型模拟镇江江阴余水位/m徐六泾吴淞日期1.50.5-0.5余水位/m余水位/m余水位/m余水位/m图 二元线性回归模型预测的余水位和数值模型模拟的余水位对比.在线性回归方程中 值反映检验的显著性水平而决定系数 反映自变量对于因变量变化的解释程度本文中即余水位变化被摩阻分量变化定性解释的程度计算表明所选取的 个站点二元线性回归模型的 值均因此前者的一元线性拟合结果更优 在江阴以下站点对总摩阻的贡献变大因此考虑了 变化的二元线性回归的拟合结果较一元线性回归有一定提升根据上述分析对图 所示长江口余水位时空变化进行解释 由于潮平均摩阻一直存在平衡着余水位梯度因此自吴淞向上游余水位一直增大 洪季径流量巨大径流作用产生的摩阻占据主导且远大于枯季使得洪季余水位梯度更大余水位向上游增幅明显 枯季径流量变化不大余水位的大小潮变化来源于潮平均摩阻的大小潮变化归根到底是外海潮差变化所引起 结 论本文基于长江口二维水动力模型获得主要站点一年的潮位和流速数据分析余水位时空变化特征利用连续小波变换方法对流速进行分解得到主要分潮簇流速的调和常数通过摩阻公式计算径流作用、径潮相互作用和潮不对称作用对潮平均摩阻的贡献并结合简单线性回归模型分析径潮动力相互作用下余水位的时空变化 得到的主要结论如下:()在径潮动力相互作用下长江口余水位自下游向上游逐渐抬升表现出明显的洪枯季变化和大小潮变化洪季余水位沿程增幅较大枯季余水位沿程增幅较小大潮时余水位比小潮时更高()长江口的潮平均摩阻以径流作用和径潮相互作用产生的摩阻为主潮不对称项的贡献可忽略且洪季的摩阻大于枯季因径流量巨大各站点径流作用对潮平均摩阻的贡献始终超过径潮相互作用()潮平均摩阻控制余水位通过建立线性回 第 期翟 玮 等 长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化归模型用摩阻的变化较好地解释说明了余水位的变化所采用的回归模型包括一元与二元决定系数多达到.以上长江余水位的变化主要由径流作用控制在下游站点考虑了径潮相互作用的二元回归模型较一元模型拟合效果有一定提升径潮相互作用的影响不可忽视参考文献:黄竞争 张先毅 吴峥 等.长江感潮河段潮波传播变化特征及影响因素分析.海洋学报():.():.():.():.:():.:():.:.:():.():.:.:():.():.刘晓婉 夏玉强 李海龙 等.径流与潮汐对崇明岛南部近岸水位影响机制研究.工程勘察():.郭磊城 朱春燕 何 青 等.长江河口潮波时空特征再分析.海洋通报 ():.杨正东 朱建荣 宋云平 等.长江口余水位时空变化及其成因.华东师范大学学报(自然科学版)():.宋永港 朱建荣 吴辉.长江河口北支潮位与潮差的时空变化和机理.华东师范大学学报(自然科学版)():.徐宇程 朱首贤 张文静 等.长江大通站径流量的丰平枯水年划分探讨.长江科学院院报():.:.章卫胜.中国近海潮波运动数值模拟.南京:河海大学.():.():.(编辑:王 慰)(上接第 页)游清徽 王 硕 孙晨松 等.基于大型底栖无脊椎动物的鄱阳湖湿地水质评价.应用与环境生物学报():.耿世伟渠晓东张 远等.大型底栖动物生物评价指数比较与应用.环境科学():.谭 颖 郑训皓 陈 慈 等.流溪河大型底栖动物群落的时空分布及其影响因子.生态学报():.吴东浩 于海燕 吴海燕 等.基于大型底栖无脊椎动物确定河流营养盐浓度阈值:以西苕溪上游流域为例.应用生态学报 ():.渠晓东.香溪河大型底栖动物时空动态、生物完整性及小水电站的影响研究.武汉:中国科学院研究生院(水生生物研究所).陈 丽 王东波 君珊.拉萨河流域大型底栖动物群落结构及其与环境因子的关系.生态学报():.殷旭旺 徐宗学 高 欣 等.渭河流域大型底栖动物群落结构及其与环境因子的关系.应用生态学报():.高 欣 牛翠娟 胡忠军.太湖流域大型底栖动物群落结构及其与环境因子的关系.应用生态学报():.洪 源 罗 勇 王钟.安徽省宿松县龙感湖和黄大湖枯水期水质现状分析.安徽农业科学():.(编辑:黄 玲)长江科学院院报 年