近40年长江河口潮汐动力变化特征

发布时间：2020-06-28 03:12

【摘要】：长江河口潮汐运动源自西北太平洋,进入河口区后与下泄的径流产生相互作用,成为河口泥沙输移、营养盐运输、滩地演变及生态循环等过程的基础动力,同时也是河口涉水工程建设的基础条件。自20世纪50年代,长江流域内开始兴建一系列水库工程,60年代后以三峡水库为首的水库群调控下泄径流量,同时导致泥沙在水库内淤积,随径流下泄的泥沙量骤减,下游发生大量冲刷。此外,航道工程、围垦工程以及采砂等人类活动改变了潮汐传播的边界条件,与气候变化、海平面上升叠加,导致河口潮汐特征值发生改变。研究河口潮汐动力变化特征及其趋势对河口资源的开发利用和河口工程的维护治理具有重要的科学意义和应用价值。因此,本文基于长江河口近口段内大通至南京河段以及河口段两个研究区域共11个水文站2008-2016年间潮位资料,通过极值分析、调和分析和小波分析等方法,计算极值潮位、潮差、分潮振幅、潮汐特征系数等潮汐特征值及其变化周期,并与1965-2007年间的潮汐特征值进行对比,总结、归纳近40年来长江河口潮汐动力变化特征;同时,利用大通站1965-2016年间径流资料和1986-2016年间长江河口水下地形资料,分析径流、地形和海平面等因素对潮汐特征值的影响,获得如下主要结果。(1)极值潮位的时空变化特征。近40年来,近口段年最高潮位增大0.28-0.35m,下段增加幅度大于上段;年最低潮位增大0.19-0.56 m,下段增加幅度小于上段;潮位-流量相关系数达到0.98,相同径流条件下,河槽冲刷对潮汐上溯能力的增强使近口段最高潮位增大。河口段年最高潮位减小0.14-0.37 m,下段减小幅度小于上段;年最低潮位增大0.02-0.37 m,下段增大幅度大于上段;潮位-流量相关系数小于0.50,地形束窄使相近流量下的最低潮位增大。(2)潮差的时空变化特征。近40年来,近口段月均潮差增大5-24 cm,10-11月月均潮差增幅明显,可达20 cm;月均潮差枯季大、洪季小,峰值出现在1-2月;相同径流条件下,月均潮差平均增大10 cm;月均潮差上段增幅小于下段。河口段月均潮差总体增大0.12-0.28 m,局部减小0.26 m;月均潮差洪季大、枯季小,峰值出现在8-9月;月均潮差南港以上变幅较小,南港以下沿程增幅增大;年均潮差变化与河槽平面和断面形态变化在时间上具有一致性,当河槽刷深、河宽缩窄、断面面积增大时,年均潮差增大;当河槽淤积、断面面积减小时,年均潮差减小。(3)分潮振幅的时空变化特征。近40年来,河口段半日分潮振幅增大,其中,M_2分潮振幅由96.10-119.00 cm增大至99.17-122.94 cm,增幅1-12%,S_2分潮振幅增大4-32%;全日分潮和浅水分潮振幅减小,其中,MS_4分潮振幅减小最显著,减幅16-32%。但在此变化过程中,近10年来河口段M_2分潮振幅在南港以下发生减小,减小值为2.34-7.05 cm。而近口段半日分潮M_2、S_2和浅水分潮M_4、MS_4振幅呈增大趋势,全日分潮K_1、O_1振幅呈减小趋势。(4)潮汐特征系数的时空变化特征。近40年来,由于半日分潮、全日分潮和浅水分潮振幅的变化,三者间的比值随之改变,即河口段日潮不等现象减弱,由地形引起的浅水变形减小,具体表现为:潮汐形态系数F在南港以上由0.39-0.42减小至0.36-0.37,南港以下由0.35减小至0.34;潮汐变形系数A值均减小,减小量在0.02以内。而近10年来,河口段潮汐特征系数基本稳定,F值为0.30-0.37,A值为0.10-0.20。潮汐传播至近口段后,由于流域内水库工程和桥梁工程等建设,近口段地形整体冲刷,可能导致日潮不等现象减弱,浅水变形增大。具体表现为:近口段上段洪、枯季F均大于0.50,呈减小趋势;洪、枯季A大于0.10,呈增大趋势;下段洪季F值大于0.50,呈减小趋势,枯季F值由0.61减小至0.50以下;洪、枯季A值基本保持不变,分别为0.22和0.28。(5)潮汐特征值变化影响因素。径流是近口段洪、枯季极值潮位、月均潮差、分潮振幅差异的主要影响因素,枯季月均潮差为洪季的3-5倍,枯季分潮振幅为洪季的2-3倍。但相同径流条件下,地形改变可能是潮汐动力增强的主要影响因素。大通至南京河段1998-2013年间河槽最大刷深5-8 m,相同径流条件下,月均潮差增大10 cm。同样地,地形变化对河口段年均潮差的影响显著,主要表现为当河槽刷深、河宽缩窄、断面面积增大时,年均潮差增大;南槽1978-2011年间河宽显著缩窄,南汇边滩面积减小91.8-95.5%,中浚站年均潮差增大0.15 m,月均潮差增大约0.12 m;河口段上海北港上段2008-2016年间河槽最大刷深5-15m,堡镇站年均潮差增大0.25 m。此外,年均潮差小波分析结果显示有18-19 a、12 a、7-8 a、4a等周期,其可能与月球赤纬角回归周期(18.6 a)、太阳黑子活动周期(11 a)和厄尔尼诺周期(3-7 a)影响有关。而且,海平面上升导致外海潮波同潮时线发生逆时针偏转,传入河口区的潮波向口内深入,且北侧较南侧明显。综上所述,随着流域工程对来水来沙的再分配、局部工程对河道地形的改变以及海平面上升对外海潮波系统的改变,长江河口潮汐动力总体增强。其中,三峡工程是近口段潮汐动力增强最重要的影响因素,其对洪、枯季径流的再分配过程使洪季径流量减小,从而导致潮汐动力相对增强;而清水下泄导致的中下游河床整体冲刷是河口潮汐动力增强的主要因素,导致相同径流条件下潮汐特征值增大。而河口段在围垦工程、深水航道工程和青草沙水库工程等影响下,河宽缩窄、河槽刷深、潮间带面积减小,是河口段尤其是口门附近潮汐动力增强的主要因素。此外,在40年时间尺度上,海平面上升对潮波系统的改变也成为不可忽视的因素之一。当增强的潮汐动力与极端水文条件相互叠加时(如特枯水情、特洪水情、风暴潮等),将对河口航运安全与岸坡稳定产生不利影响。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P731.23
【图文】：

技术路线图

大通站,年输沙量,年径流量

着太阳净辐射下降导致蒸发量下降和水库修建、水土保持等引起蒸发量上升两方面影响，在近 60 年内长江入海径流量减小 1%（张晓娅和杨世伦，2014）。受三峡蓄水影响，泄水期（1-3 月）月均流量增幅 20%以上，蓄水期（9-11 月）减少19%以上（张智伟等，2017）。此外，由于大通以下大量抽引水工程的建设，枯水期径流量减少达到 1000 m3/s 以上，导致入海流量进一步减少（张二凤和陈西庆，2003）。随着全球气候变化，预测至 2099 年大通站 1-6 月径流量增幅达到13.8%，而 7-12 月径流量减幅-11%（鞠琴等，2011）。大通站输沙量具有 16 a、7-8 a、3 a 左右的年际变化，与径流量在长时间尺度上具有一致的变化周期（张瑞等，2008；Kuang et al.，2014）。根据泥沙公报报道，1985 年后径流量相对稳定，但输沙量显著下降（图 2.1）。2001-2013 年较 1985-2000 年输沙量下降的 83.1%是由水库拦沙造成的，而水土保持工程贡献了输沙量下降的 18.0%（武旭同等，2018）。

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