三峡工程对长江下游感潮河段极值水位的影响

张景瑞，季小梅，张 蔚，郁夏琰，杨 琰

(1.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 210024；2.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061；3.河海大学 疏浚技术教育部工程研究中心，南京 210024；4.港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210029)

三峡工程作为世界上规模最大的水利工程，是集防洪、发电、航运和供水四大效益为一体的一项综合水利工程[1]。三峡工程通过洪季蓄水，枯季放水的方式对下游流量及水位进行合理的调控，对削减洪峰及保证枯季航运起着重要作用。而长江极值水位一直是学者们的研究对象，对于其变化趋势、涨落原因和重现期一直保持着重点关注。对于长江极值水位的研究进展，芮孝芳[2]分析了长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时期内可能的变化趋势。朱庆云[3]根据水文变异综合诊断方法，分析检验了南京站近百年高潮潮位变化的整体趋势，利用小波分析得到了年最高潮位的周期变化规律。殷瑞兰[4]通过资料分析，研究了洪水位增高机理，认为近代长江一些河段洪水位增高的主要原因是人类活动的影响。魏建苏[5]利用降水量和平均气温资料分析了其与南京和镇江段长江最高水位之间的关系,发现夏季6月和7月可利用降水量的不同分布类型对长江当月最高水位有直接的影响。陈沈良[6]等人应用韦伯分布方法计算了长江口极值水位的重现期。

综上所述，学者们对于极值水位的研究大多集中于极端值的情况，即直接使用年最大、最小的水位进行研究，没有排除某些影响水位的极端因素和随机因素。另外，除了上游流量以外，感潮河段潮汐增幅的变化对极值水位也有着调节作用。但由于受到陆地径流的影响，表现为非平稳的潮汐特征，近年来以NS_TIDE为代表的非平稳调和分析方法的发展，使得高径流影响下感潮河段内调和分析成为可能[7-11]。因此，本研究基于长周期的资料，采用一种新的方式定义极值水位[12]，用概率的定义排除极端情况的影响，更加合理的研究长江下游感潮河段极值水位的变化趋势，揭示三峡工程对长江下游感潮河段极值水位的影响，探讨潮汐振幅变化对极值水位的影响，对长江下游感潮河段极值水位的变化规律研究具有重要意义。

1 流域概况

长江是我国第一大河，长江口是世界第三大河口和我国第一大河口，是衔接长江和东中国海的入海通道。河口覆盖范围辽阔，全长约600 km，上至安徽大通，下到外海50 m等深线附近。根据一般河口区段划分，长江口可分为以下三段：近口段(约400 km)，范围从枯季潮区界所在地大通至洪季潮流界所在地江阴；河口段(约240 km)，范围从江阴往下至口门拦门沙滩顶附近；口外海滨段，范围从口门至外海30～50 m等深线附近。

长江下游流充沛，根据大通水文站1951～2019年间的统计流量可知，平均流量可达28 324 m3/s，且年均入海径流可达9 028.8×108m3，约占全国入海总径流量的50%以上[13]，且最大流量一般出现在7月或8月，而枯季(11～4月)径流量约占年径流量的30%以下，且最小流量一般出现在2月[14-15]。长江口是中等强度的潮汐河口，同时长江口潮波影响深远，枯季潮流界和潮区界分别可以到达距离口门约360 km的江苏镇江和约640 km的安徽大通。长江口外海同时存在东中国海前进潮波系统和黄海旋转潮波系统[16],传入河口的潮波主要表现为半日潮的特征，振幅较大的天文分潮主要包括K1、O1、M2、S2等分潮。在潮波进入河口向上游传播的过程中，由于受到岸线收缩、地形浅化和摩阻损耗等效应的影响，潮波能量重新分布，生成浅水分潮主要为M4。长江口航道是长江黄金水道的咽喉，是关系国民经济发展和国防建设全局的水上运输通道，战略地位非常重要[17]。

图1 数据站点分布Fig.1 The locations of hydrological stations

2 数据来源

长江下游的水文观测最早开始于20世纪初，本研究所用的水位数据从中华人民共和国水文年鉴上采集。如图1，本文以吴淞基面为水位基面，采集了分布于长江下游以及口门处的5个水文站点(芜湖、南京、镇江、江阴、高桥)长周期的水位数据，采集的数据为每日的高、低潮位各2个，1965～1985年和2003～2014年为三峡工程建成前后两个时间段。流量资料则为大通站对应年份的日均流量实测数据。

3 概率密度函数法的极值水位演变

3.1 概率密度函数法(Probability density functions)

图2 单峰情况 图3 双峰情况Fig.2 Unimodal caseFig.3 Bimodal case

以往对于极值水位的研究，都是直接使用年最高、最低水位进行分析，从而得出结论。但是极值高、低水位受到多个方面因素的影响，因此当某因素出现极端情况时，会很大程度影响极端水位的变化。因为小概率事件的发生不能完全代表站点高低水位的总体趋势，而本研究着重研究三峡工程流量调节对于下游感潮河段极值水位的影响，因此要排除这些小概率事件对于水位的影响。综上，本文将采用一种新的方法对高低水位进行定义，即概率密度函数法，从概率的角度去掉小概率事件的影响，更合理的揭示极值水位的变化。

如图2所示，以一年为计算时间窗口，对每日高低潮潮位及其出现次数进行统计。横坐标为水位，纵坐标为水位出现的次数。如果没有潮汐的影响，仅在洪枯季流量的影响下，图像则呈一个单峰的表达形式。高流量时为高水位，低流量时为低水位。高水位与低水位出现的次数较少，中间水位出现的次数则较多。

图4 三峡工程前后大通站日均流量图Fig.4 Discharge at the Datong station before and after the completion of the Three Gorges Project

而在加入潮汐的影响后，如图3，水位受高低潮的影响，单峰将变为双峰形式，出现次数最多的水位不再是中间水位。而在这里，以这两个峰顶与这一个谷底为界，把整个区域分为4块。C1为低水位区，C4为高水位区。对于C1即低水位区，通过计算可以得到此块区域的质心位置，则质心所处的点对应的水位即定义为概率密度函数法的低水位；同理，可以得到C4区域内的概率密度函数法的高水位。

如图4是三峡工程前后两段时间内，大通站日均流量示意图。可以发现，在三峡工程建成后，大通站夏季的流量有一个明显的削峰作用，三峡工程洪季蓄水，使得流向下游的流量变小。而在枯季，三峡工程则通过放水，使得流量比三峡工程前变大。通过概率密度函数法得到排除极端情况影响的高低水位，从而更合理的揭示三峡工程建成前后高低水位的变化趋势，进而分析三峡工程流量调节对极值水位的影响情况。

3.2 高低水位变化趋势

由概率密度函数法得到每年的高低水位数据，可以通过线性回归方程计算得到三峡工程建成前后水位的变化趋势，结果如图5所示。

5-a 建成前 5-b 建成后图5 三峡工程建成前后极值水位的变化趋势Fig.5 Changes in extreme water levels before and after the completion of the Three Gorges Project

如图5-a，由结果可以发现三峡工程建成前，即1965～1985年高低水位都呈上升趋势。较上游的芜湖、南京、镇江三站高水位增长趋势较为明显，低水位则呈现较慢增长，其中芜湖站的高水位年均增长超过了5 cm/a，南京站的高水位年均增长也超过了2 cm/a，表明了高水位的增长速度较快。较下游的江阴、高桥两站水位年均增长速度较慢，高低水位的年增长均未超过1 cm/a。因为三峡工程建成前，长江上游来流流量变化并不大，所以高低水位都呈增长趋势的主要原因，由资料归结为：工程因素。主要是干支流堤防标准提升、湖泊洼地围垦等工程，其使得河道断面面积减小，从而使得洪期高水位有着明显的抬升[2]。

如图5-b，在三峡工程建成后，即2003～2014年，在三峡工程的流量调控下，长江下游站点高水位都呈下降趋势，低水位在芜湖、南京、镇江成上升趋势，而在江阴、高桥成较小的下降趋势，前后的反差，可以体现出三峡工程的流量调控对于下游站点极值水位产生了重要影响。其中，高水位全部由上升趋势变为下降趋势，较上游的南京站高水位年均减小到达了6 cm/a，芜湖站与镇江站高水位年均减小也超过了3 cm/a，而较下游的江阴、高桥两站也受到流量调控的影响，高水位也呈一定的下降趋势，江阴达到年均2 cm/a，高桥则接近年均1 cm/a。低水位在较上游的三站变化较小，在江阴、高桥两站则变为下降趋势，但幅度较小。三峡工程建成前后时间，高低水位的趋势差异，可以认为三峡工程的调蓄功能对下游产生了一定影响，主要为降低了高水位，对低水位的影响则偏小。产生这种差异的主要原因，即为三峡工程洪季进行蓄水，减小了洪季下游的流量，因此使下游站点洪季的高水位呈现一个下降的趋势。

4 潮汐分析

除了流量之外，潮汐也是影响水位变化的重要因素之一。三峡工程通过对流量的调控，也使得长江下游潮汐发生变化，从而使极值水位也发生变化。所以，探究分潮振幅的变化，对于极值水位的影响，也具有重要意义。传统的调和分析方法因为受到径流等非稳态因素的影响，不能准确反映径流影响下的潮汐动力过程。而NS_TIDE调和分析方法可以较好的捕捉水位时间序列中的波动信号，无论是在低流量的枯季还是高流量的洪季， NS_TIDE非稳态调和分析方法可以更好地剥离到实测水位中径流等非稳态信号的干扰，其在长江口的应用具有着更好的准确性和适用性。本研究采用NS_TIDE非稳态调和分析方法来分析长江口中的非稳态潮汐信号，分别对长江流域主要分潮K1、O1、M2、S2、M4进行计算，由NS_TIDE计算得到的结果如图6所示。

图6 K1,O1,M2,S2,M4振幅变化Fig.6 Changes in the amplitudes of K1,O1,M2,S2,M4

7-a 1965～1985年 7-b 2003～2014年图7 三峡工程建成前后洪季分潮振幅变化趋势Fig.7 The trends of tidal amplitudes before and after the completion of the Three Gorges Project during the flood season

由计算得到的潮汐调和常数数据，可以计算三峡工程建成前后潮汐振幅的变化趋势。为了体现三峡流量调节的作用，下面对调和常数分洪枯季进行分析。如图7为三峡工程建成前后洪季分潮振幅变化趋势，可以明显的发现，洪季几乎所有分潮在三峡工程建成后皆变成了增加趋势，最大变化值为南京站的M2，洪季年均增加量超过了0.4 cm/a。分析原因则为径流减小，减弱了径流对分潮的削弱作用，体现了三峡工程洪季蓄水，减少了洪峰流量的影响。虽然分潮振幅增加使得极值水位在一定程度上会增加，但流量的调控对于水位的影响更大，因此极值水位在三峡工程的影响下总体上仍呈现下降趋势。

8-a 1965～1985年 8-b 2003～2014年图8 三峡工程建成前后枯季分潮振幅变化趋势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，如图8，在两个时间段内，对于S2振幅的影响较大，各站前4站点S2皆由减小变成了增加。而与洪季不同的是，三峡工程建成后对于芜湖站的影响并不大。较洪季相比，除南京站的分潮振幅及其他站S2分潮振幅外，枯季的变化较洪季小。除芜湖站外，总体上分潮振幅呈增加趋势，与洪季得到的结果相同，均在三峡工程流量调控的影响下增加了极值水位，但影响相对流量较小。芜湖站位置最靠近上游，分潮振幅到达此处时已削减到一定程度，是5个站点中最小的站点，所以导致其受流量变化的影响不是很明显。在枯季，三峡工程流量调节的量相比洪季较小，因此前后对于分潮振幅的影响也偏小。

5 结论

(1)三峡工程建成前，长江下游感潮河段极值水位呈上升趋势，主要因素受人为影响，如干支流堤防标准提升、湖泊洼地围垦等；三峡工程建成后，对长江下游高水位有着明显的影响，高水位的趋势皆变为下降,主要原因为三峡工程对长江下游的流量调控，体现了三峡工程洪季蓄水的调蓄功能；对于低水位的影响较小。在空间上，流量对水位的影响自上游向下游逐渐减弱，因此对于长江感潮河段的中上游的芜湖、南京、镇江站影响较大，对于较下游的江阴、高桥站影响较小。

(2)通过观察洪季分潮振幅变化趋势，可以明显地发现，洪季几乎所有分潮在三峡工程建成后皆由下降转变为增加趋势。原因则为三峡工程的修建，通过洪季蓄水调控流量，使得洪季流量减小，流量对潮波的摩阻作用相应减弱，因此分潮振幅增加，从而对极值水位有着增加的作用。但由于流量减小，所以整体上极值水位仍然呈下降趋势。而在枯季，三峡工程则对南京站的分潮及其他站S2分潮有较大影响，而因为流量调控的影响相对于洪季较小，对于其余分潮影响则较小。