长江口Sa分潮数值模拟研究

杨 锋，谭 亚，王灶平，王志伟，蒋体孝

（1.91650部队，广州510320；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；3.91458部队，三亚572000）

长江口Sa分潮数值模拟研究

杨 锋1，谭 亚2，王灶平3，王志伟1，蒋体孝1

（1.91650部队，广州510320；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；3.91458部队，三亚572000）

为更好研究长江口Sa分潮的特性，建立了大通至长江口感潮河段的二维水动力数学模型，通过模拟径流与潮汐共同作用下的水动力过程，并设置上下游不同条件的对照组，分析了河口段Sa分潮的影响因子及响应规律。结果表明，长江河口段Sa分潮由上游径流变化和外海Sa潮波共同作用产生，径流对上游站点影响占优、外海潮波对下游影响占优。径流使得河道内分潮振幅产生了沿程衰减的趋势，这是河口的Sa分潮特征不同于外海的原因，也说明径流是其主要的影响因子；而外海的Sa潮波只给予了其一个沿程定值。Sa分潮振幅只受径流的年内变化大小和外海Sa潮波振幅大小影响，不受平均径流量和平均海面的影响。径流量的变化会导致沿程Sa分潮振幅发生响应变化，且上游比下游站点响应更敏感；外海Sa潮波振幅的变化会使沿程振幅发生大致等量的变幅。三峡建成后河口段Sa分潮振幅有所减小，年际变化减小。

长江河口；Sa分潮；数值模拟；三峡工程

长江口属于中等强度潮汐河口，潮位变化既受外海潮波影响，也受上游径流来水影响，由于长江径流巨大，且季节差异明显，加之河口地形复杂，使得长江河口段的潮汐特性较为复杂。笔者研究成果表明［1］，长江口潮位站的分潮组成以半日分潮为主，但按振幅大小排列，长周期气象分潮Sa处于第二或第三位，所占比重较大，且年际变化显著，不能像天文分潮一样作为定常量来使用，因此研究当地的Sa分潮调和常数特征对于提高当地潮汐预报精度以及防灾减灾具有重要意义。

方国洪［2］认为，除了引潮力之外，引起水位变化的另一个重要因素是气象条件，我国近海气象条件随季节变化，造成水位冬低夏高的周年变化，从而引入周期为一个回归年的分潮，记作Sa。郑文振［3］发现中国近海的长周期分潮中Sa分潮振幅最大，且比其他长周期分潮大的多，用沿海25个站的长期连续月平均海面资料计算出Sa分潮的振幅和迟角［4］，并详细分析了其在我国沿海的分布规律。前人对于Sa分潮调和常数在外海的分布已经做了很多研究，但对于其在河口地区的分布规律、影响因子及响应机制研究较少。杨锋［1］等人通过对实测潮位的调和分析发现长江河口段的Sa分潮振幅向上游递增、迟角向上游递减，与天文分潮刚好相反；且振幅年际变化与大通流量年最大日距平值变化趋势一致，并初步认为径流为其主要影响因子。

长江河口段西起江阴鹅鼻嘴，东至河口拦门沙，水动力条件受径流与潮流相互作用，此消彼长。本文以河口段为研究对象，建立二维水动力数学模型，在模型验证的基础上，模拟上游不同径流和外海不同潮位的情况下，长江河口段的涨落潮过程，通过调和分析［5］重点得到Sa分潮调和常数的沿程分布，并探讨它的影响因子及响应规律。

1数学模型

本文采用MIKE21软件的FM模块，建立了大通至长江口外海滨的平面二维水动力数学模型。上边界位于安徽大通；下游外边界取在长江口外-20 m等深线处附近［6］，如图1所示。本模型上游采用大通站实测逐日流量；连兴港位于长江口北支末端，其水文特性为潮汐作用远强于径流，因此本文模型视连兴港与口门外的海洋潮汐特征相同，并将其潮汐特征赋予下游边界，因此下游海上开边界潮位数据由东中国海潮波模型结合连兴港潮位提供。本文采用2000年潮位观测资料分别进行了短周期和长周期验证。验证站点有江阴、天生港、徐六泾、杨林、吴淞和共青圩共6个潮位站，站点位置如图1所示。模拟值与实测值误差较小，吻合良好，可以反应长江河口段的水动力过程。

图1 数学模型范围Fig.1 Range of mathematical model

表1 定性研究下的不同边界组合条件Tab.1 Combination condition of different upstream and downstream boundaries for qualitative research

2动力变化对Sa分潮调和常数的影响

大通站作为长江口的潮区界，一直被用作研究长江感潮河段的流量控制节点。连兴港位于长江口北支末端，本文模型视连兴港与口门外的海洋潮汐特征相同，并将其潮汐特征赋予下游边界。本文在只考虑径流和潮流动力的情况下（图1），通过改变上游大通流量值和外海（连兴港）潮位值来设置不同的上下游动力边界组合，每个组合计算时间长度为1 a。

图2 定性研究下的Sa分潮振幅沿程分布Fig.2 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach for qualitative research

表2 定性研究下的主要站点Sa分潮振幅（cm）Tab.2 Amplitude of Sa partial tide in major station for qualitative research

图3 定性研究下的Sa分潮迟角沿程分布Fig.3 Distribution of Sa partial tide epoch along studied river reach for qualitative research

表3 定性研究下的主要站点Sa分潮迟角（°）Tab.3 Epoch of Sa partial tide in major station for qualitative research

为了更直观地观察和分析Sa分潮调和常数在长江河口段的沿程变化趋势，现以各潮位站距离上游大通站的距离，即河长长度作为横坐标，将江阴、天生港、徐六泾、杨林、吴淞和共青圩共6个测站的结果着重标示出来，这六站距离大通河长分别约为412 km、462 km、497 km、534 km、568 km和590 km。

2.1动力变化对Sa分潮的定性影响

为了确认河口段Sa分潮是否是受上游径流下泄和外海Sa潮波向口门内上溯的共同影响，现以2000年数据为基础来设置上下游边界条件（表1）。

表1说明：实测逐时潮位减去25 h平均值可以过滤掉大部分长周期低频潮波的影响，条件2中的下游边界即分离掉了Sa潮波，使水位在年平均海面29.3 cm上下振动；条件2.1的下游边界为水位在0 cm上下振动。2000年大通平均流量为29 351 m3/s；连兴港站平均海面高度为29.3 cm。

条件1、2、3的对比是为了探明河口段Sa分潮是受径流和外海Sa潮波的单一作用还是共同影响；条件2.1和3.1则是条件2和3的极端情况，目的是研究上下游边界平均值的变化对其是否有影响。

由图2可见，条件2与条件1相比，当消除下游Sa潮波后，径流单独产生的Sa分潮振幅在长江河口段依然保持着相同的衰减趋势和衰减幅度，但各站振幅值都比原来减小了16 cm左右。当上游径流无变化时，条件3中的外海Sa潮波向口内上溯，但在河口段的沿程振幅数值却基本保持不变，向上游呈现的趋势并未衰减。从表2中的数据可知，各个站点条件1的Sa振幅值基本等于条件2与条件3之和，且上游站点中径流产生的振幅所占比重大，下游站点中外海潮波产生的振幅占总振幅值的比重更大。

这说明河口段Sa分潮由上游径流变化和外海Sa潮波共同作用产生，径流对上游站点的Sa分潮影响更大、外海潮波对下游站点影响更大。在量值上，长江河口段的沿程分潮振幅由两者单独产生的振幅值叠加而成；在趋势上，外海的Sa潮波给予了河口段分潮振幅一个沿程定值，而径流使得其产生了沿程衰减的趋势，这是河口段Sa分潮特征不同于外海的原因，也说明径流是其主要的影响因子。

结合长江下游河道形态，本文初步认为，径流使得Sa分潮振幅产生沿程衰减趋势的原因在于，长江河段自大通以下，河面宽度逐渐展宽、河床断面面积扩大，河道宽深比［7］逐渐增大，径流量变化对沿程水位高低变化的影响逐步降低，从而导致径流年内变化对河口段Sa分潮的贡献也呈现出沿程逐步降低的趋势。

在图2和表2中，条件2.1和条件2的振幅沿程趋势线几乎重合、数值也几近相同，条件3.1和条件3同样趋势线几乎重合、数值相近。这说明长江河口段Sa分潮振幅只受径流的年内变化大小和外海Sa潮波振幅大小影响，而几乎不受平均径流量和平均水位的影响。

从图3和表3可以看出，当条件2中消除了外海Sa潮波后，径流单独产生的Sa分潮迟角向下游沿程缓慢减小，即上游比下游迎来高潮位的时间更晚；条件3由外海单独产生的Sa分潮迟角向下游沿程缓慢增大，即上游迎来高潮位的时间更早。两条件下迟角沿程由江阴至共青圩站的变化幅度分别为-1.3°和2.6°，远小于条件1中6.9°的变化幅度。条件2.1和条件2的沿程迟角趋势线几乎重合，但条件3.1中的迟角沿程变幅更小，与条件3的趋势线略有差异。

2.2动力变化对Sa分潮的定量影响

为了研究长江河口段Sa分潮振幅对径流变化和外海Sa潮波振幅变化响应的具体数值，现设置两组对照组与条件1进行对比分析。

“距平法”在判断流量随时间变化上是一种较常用的方法［8］，针对现有的1997～2003年大通逐日流量数据资料，此处使用大通的每年最大日距平流量值x^来与Sa分潮逐年振幅进行比较。某一年的最大日距平流量值可表示为

图4和表4说明：据1997～2003年实测数据显示，大通最大日距平流量的最小值为2001年的20 826 m3/s，最大值为1999年的51 397 m3/s。2000年大通最大日距平流量为24 249 m3/s，放大1.5倍后值为36 373 m3/s，仍在往年数值范围内。大通站各年流量值的不同主要体现在夏季，而冬季流量值一般都在10 000 m3/s左右，因此，为了设置更符合实际的流量条件，本文将条件4的大通流量值在10 000 m3/s基础上放大1.5倍，即每日流量值为

图4 大通不同条件的流量过程线Fig.4 Process line of different discharges at Datong station

表4 定量研究下的不同边界组合条件Tab.4 Combination condition of different upstream anddownstream boundaries for quantitative research

据1989～2009年实测数据显示，连兴港站Sa分潮振幅最小值为1998年的13.04 cm，最大值为2002年的20.73 cm。2000年连兴港站Sa分潮振幅为14.93 cm，放大1.3倍后值为19.4 cm，仍在往年数值范围内，符合实际情况。由于只使用25 h平均值可以过滤掉大部分短周期高频潮波，所以将Sa振幅放大体现在25 h日均水位的放大，因此，条件5的连兴港逐时潮位值为

由图5和表5可知，在大通流量每日距平值放大1.5倍后，长江河口段各站点Sa分潮振幅放大倍数不尽相同，上游站点增大较多，如江阴站振幅增大为原振幅的1.39倍，下游站点增大幅度较小，如共青圩站振幅只增大为原振幅的1.11倍。说明越靠近上游，站点的Sa分潮振幅对径流量的变化愈加敏感。

在只有外海Sa潮波振幅放大1.3倍的情况下，长江河口段各站点Sa分潮振幅放大倍数不尽相同，但从图5和表5中可以发现，各站振幅均增大了相近的数量值，即在外海Sa潮波振幅增大4.47 cm后，沿程各站点振幅均增大了4.7 cm左右，且两者数值相近。这说明河口段站点Sa分潮振幅对外海Sa潮波振幅变化响应的敏感度几乎相同。

图5 定量研究下的Sa分潮振幅沿程分布Fig.5 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach for quantitative research

表5 定量研究下的主要站点Sa分潮振幅（cm）及变化量Tab.5 Amplitude of Sa partial tide and its variation in major station for quantitative research

图6 定量研究下的Sa分潮迟角沿程分布Fig.6 Distribution of Sa partial tide epoch along studied river reach for quantitative research

表6 定量研究下的主要站点Sa分潮迟角（°）及变化量Tab.6 Epoch of Sa partial tide and its variation in major station for quantitative research

虽然条件4和条件5在设置中并未改变大通最大日距平所在日期，即洪峰到来的时间，也未改变外海Sa潮波的迟角值，但通过图6可以发现，在改变了流量距平值和外海Sa振幅值之后，河口段Sa分潮迟角也相应发生了变化，且迟角沿程变化数值基本相同。当上游流量距平值增大后，对比条件4和1，迟角沿程均减小了1°左右；当外海Sa分潮振幅增大后，对比条件5和1，迟角沿程均增大了1.5°左右。

2.3三峡工程对Sa分潮的影响

2.3.1实测资料分析

长江上游三峡工程自1993年开始建立，2003年开始蓄水［9］，蓄水后，通过流量年内调节会使中下游的洪、枯季径流量变化差值降低。图7是1993～2009年长江大通站逐日流量过程，从流量过程线来看，2000年之前各年内流量的逐日过程都是单峰的，且峰值较大，2000年之后，由于受其建设和蓄水对径流调配的影响，各年内流量的逐日过程表现为多峰现象，其中一个为主峰值，最大流量值下降了近一倍。

三峡工程洪季蓄水枯季放水的结果导致大通流量年内最大日距平值的减小，本文将1993～2002年视为三峡建成前，将2003～2009视为建成后的年份。从图8中可以看出，三峡蓄水后2003～2009年最大日距平值流量的平均值为25 687.27 m3/s，比蓄水前的1993～2002年的平均值36 517.79 m3/s减小近30％，这必然导致在三峡建成后的年份里，长江河口段潮位站的Sa分潮振幅有所降低。

针对已有的徐六泾站多年潮位数据，将三峡建成前后的该站Sa分潮调和常数平均值和标准差进行对比。从表7中的平均值可以看出，Sa分潮振幅减小了6.2％，迟角减小了5.45°。标准差在概率统计中通常用来反映组内个体间的离散程度，本文统计出标准差来反映它们多年的变化幅度，即标准差越大，说明年际变化越大，越不能看做常量，标准差越小，说明年际变化小。表7显示，在三峡建成后，徐六泾站Sa分潮振幅标准差减小了43％，说明在三峡建成之后，Sa分潮振幅年际变化减小，不再像之前那样波动剧烈。

在图8中同时可以看到连兴港的Sa分潮振幅与大通最大日距平流量变化趋势的相关性很差，这也说明连兴港基本不受大通流量影响，其可以代表外海潮汐特性。

图7 1993～2009年大通逐日流量过程线Fig.7 Daily discharge hydrograph at Datong station from 1993 to 2009

表7 三峡建成前后徐六泾站Sa分潮调和常数特征值对比Tab.7 The harmonic constants of Sa partial tide at Xuliujing station before and after the completion of the Three Gorges

图8 1993～2009年大通最大日距平流量与连兴港Sa分潮振幅Fig.8 The maximum daily flow anomaly at Datong and amplitude of Sa partial tide at Lianxinggang from 1993 to 2009

图9 多年Sa分潮振幅沿程分布Fig.9 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach in 3 years

因河口段各站实测潮位数据时间不一，为完整展现沿程数据趋势，故选择1997、2001和2002三年各站共有的数据作折线图分析。对比图8和图9可以发现，在大通最大日距平流量较大的年份，Sa分潮振幅沿程变化就剧烈；越小时，Sa分潮振幅沿程变化就平缓。其中大通最大日距平流量在2002年较大，这一年的Sa分潮振幅由江阴站到共青圩站沿程减小了58.62 cm，在值最小的2001年，Sa分潮振幅沿程只减小了30.03 cm，这说明大通流量的变化直接影响着河口段Sa分潮振幅沿程变化。同时由图9可知，上游站点比下游的Sa分潮振幅年际变化剧烈，例如上游江阴站Sa分潮振幅在这3 a里最大值与最小值之差为31.25 cm，而下游共青圩站的差仅值为4.9 cm，这说明上游Sa分潮振幅对大通流量的变化更敏感。

2.3.2数值模拟分析

为了对比三峡建成前后长江河口段Sa分潮振幅的沿程变化，本文选取几个特征年份利用模型进行复演。1997年大通最大日距平流量为35 750 m3/s，与1993～2002年的平均值最为接近，故将上游边界设为大通1997年实测流量过程、下游边界设为连兴港1997年实测潮位过程，将其作为三峡建成前的特征年份对其进行复演；三峡水库建成之后在2003年、2006年、2008年、2009年和2010年共进行了5次蓄水过程，其中2008年蓄水分两阶段进行，第一阶段9月28日开始，起蓄水位145 m，蓄至10月5日156 m结束，第二阶段10月17日起蓄，蓄至11月4日172.8 m结束，并在10月底为下游放水，同时2008年大通最大日距平流量为22 245 m3/s，与2003～2009年的平均值较为接近，故本文将2008年作为三峡建成后的特征年份进行复演；1999年的年平均流量虽然没有1998年大，但其最大日距平流量却远超其他年份，因此本文同时对当年进行复演。

对比图9和图10中共有的1997年数据发现，各主要站点实测与模拟结果误差较小，沿程趋势相同，因此该模型可以反应实际水动力过程，并可对各年进行复演。

从图10和表8中可以看出，1999年Sa分潮沿程振幅斜率远大于其他年份，且越靠近上游振幅差值越大；三峡建成后的2008年Sa分潮沿程振幅斜率比建成前的1997年略小，上游的江阴站振幅在2008年比1997年减小了7.2％，远小于两年大通最大日距平30％的差别，同时下游共青圩站的振幅在2008年比1997年反而增大了4 cm，由图10可知，这可能是由于代表外海的连兴港Sa振幅在2008年比1997年增大了2.96 cm，从而导致河口段站点Sa振幅沿程均匀增大。同时说明长江河口段各站点Sa分潮振幅因三峡工程的建成所造成的减小并不十分明显，需同时对外海的Sa潮波和其他因素进行综合考虑。

图10 三峡蓄水前后河口段Sa分潮振幅沿程分布Fig.10 Amplitude distribution of Sa partial tide along studied river reach before and after the completion of the Three Gorges

表8 三峡蓄水前后主要站点Sa分潮振幅（cm）Tab.8 Amplitude of Sa partial tide in major station before and after the completion of the Three Gorges

3结论

通过设置上下游不同条件的对照组，发现长江河口段Sa分潮由上游径流变化和外海Sa潮波共同作用产生，径流对上游站点的Sa分潮影响更大、外海潮波对下游站点影响更大。外海的Sa潮波给予了河道内分潮振幅一个沿程定值，而径流使得其产生了沿程衰减的趋势，这是河口的Sa分潮特征不同于外海的原因，也说明径流是其主要的影响因子。且Sa分潮振幅只受径流的年内变化大小和外海Sa潮波振幅大小影响，不受平均径流量和平均海面高度的影响。径流量的变化会导致沿程Sa分潮振幅发生响应变化，且上游比下游站点响应更敏感；外海Sa潮波振幅的变化会使沿程振幅发生大致等量的变幅。三峡建成后河口段Sa分潮振幅有所减小，但减幅大小由上下游及其他综合条件决定；其年际变化减幅较大。

上游径流量的变化或外海潮波振幅的变化都会导致河口段Sa分潮迟角沿程发生变化，但规律和原因仍不明确。相比与长江河口段Sa分潮振幅，其迟角缺乏类似的影响因子及响应规律，有待进一步研究。

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Numerical simulation study on Sa partial tide in Yangtze estuary

YANG Feng1,TAN Ya2,WANG Zao⁃ping3,WANG Zhi⁃wei1,JIANG Ti⁃xiao1
(1.PLA Navy 91650 Troops,Guangzhou 510320,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China;3.PLA Navy 91458 Troops,Sanya 572000,China)

In order to study the characteristics of Sa partial tide in Yangtze estuary,a two⁃dimensional hydrody⁃namic model for the tidal reach of the Datong⁃Yangtze River estuary was established.By simulating the hydrodynam⁃ics in response to runoff and tides and setting different upstream and downstream boundaries,the influence factors and responses of Sa at Yangtze River estuary reach were analyzed.The results show that the Sa partial tide at Yang⁃tze estuary is co⁃produced by runoff and tidal action.The influence on upstream sites comes mainly from runoff,and the influence on downstream is mainly from the offshore tide.The change during a year of runoff produces the decay trend along the way to the amplitude of Sa along the estuary reach;meanwhile,the offshore Sa partial tide gives a constant value to it,it′s the reason why the characteristic of the Sa along the estuary reach is different from in off⁃shore area,and it proves that the runoff is the main influence factor.The amplitude of Sa in estuary is only affected by the runoff and offshore Sa,but not by the average level in offshore and the average discharge of runoff.The change of the runoff′s variation during a year will affect the amplitude of Sa,and the upstream sites are more sensi⁃tive than downstream;the change of offshore Sa will produce a similar amount of change to it.After the completion of the Three Gorges project,the interannual variability and the average value of Sa′s amplitude reduced slightly.

Yangtze estuary;Sa partial tide;numerical simulation;the Three Gorges project

TV 131.2；O 242.1

A

1005-8443（2016）04-0362-07

2015-06-24；

2015-11-18

国家重点基础研究发展计划（973计划）课题：长江口海域水动力过程与生态系统演变机制（2010CB429001）；国家科技支撑计划（所属项目名称：水沙变异条件下荆江与长江口北支河道治理关键技术研究）课题：长江口北支建闸技术研究（2013BAB12B05）;江苏省水利科技项目：风暴潮耦合影响下长江镇扬河段水位预报技术研究（2012036）

杨锋（1986-），男，河南省新乡人，助理工程师，主要从事验潮及水动力模拟分析工作。

Biography：YANF Feng(1986-),male,assistant engineer.