潮区界和潮流界位置的经验曲线

潮区界和潮流界位置的经验曲线

潮区界和潮流界之间的内在关系潮区和潮流界不仅反映了朝流动力对河流及其负荷的阻塞和阻塞，而且形成了朝流趋势中可适应的河床堆积形式。它也反映了朝流动态和朝流动态的空间边界，是潮汐动态的重要参考指标。近年来国内学者对入海江河口界面变化进行大量研究,文献对界面潮区界和潮流界研究方法进行系统总结,潮区界位置采用潮差近于零位置界定,潮流界采用流速和盐度来判定,长江口以流速法判定为主。前人通过不同手段对两界面进行研究,实测资料建立了界面位置与大通流量和江阴潮差之间关系图表,研究了界面的年内特征值位置,潮流界年均位置在江阴。但随着潮流和径流的不同,界面位置将发生变化,固定在江阴的说法不确切。数学模型研究了径流、潮差及海平面的响应过程,也模拟了沿江抽饮水工程对潮流界的影响,物理模型研究了河口整治工程实施潮流界和潮区界的响应过程。数学模型和物理模型成果未能统一,应用受到限制。工程影响定量计算上主要为南水北调工程实施会减小入海径流量,使得年均潮流界位置上溯约3.0km。学者也对其它江河口界面进行研究,如东江河口、闽江河口,研究认为河道采砂使得河床下切是多年来潮流界不断上溯的主要影响因素。已有研究对两界面之间关系涉及较少,且界面对工程的响应也以定性为主,定量变化难于统一;长江口大范围流速资料难以获取,也是使得潮流界过程变化的研究受到限制的原因之一。因此,能否找到潮区界和潮流界之间的内在关系是开展定量研究工程影响下界面变化过程的关键。本研究以潮区界和潮流界为研究对象,从实测资料角度探求两界面的内在关系,研究潮区界和潮流界月均、年内极值的位置,年内和年际间的变化过程,文末讨论了水库设计调度方案下对潮流界位置变化的定量影响。1潮径比和年尺度资料来源:1958-1979年数据来自长江流域水文年鉴,1989-1990年及2004-2005年均为实测资料数据。潮流界和潮区界的主要影响因素年内主要为径流和潮流,多年尺度受地貌变化和海平面等因素的影响。河口区进潮量和潮差有较好的关系,为反映径流和潮流水动力变化过程,引入潮径比概念。潮径比定义为:江阴站潮差(m)乘以10000系数与大通站流量(m3/s)的比值。测点和断面的布置图如图1所示。计算潮流界和潮区界时采用的距离为岸线之间的距离,若无分汊则为河槽两侧岸线,分汊河段则为主槽岸线长度。图1中标注为江阴-石化下1989-1990年和2004-2005年数据测量断面,其中列举了沿程水位站和水文站点的位置,在这些位置获取潮差数据,潮位站里程见表1所示。1.1潮区界曲线的建立潮区界定义:潮汐水位波动影响的上边界位置,即潮差沿程减小到近于零位置为潮区位置。长江口潮波在入口门向上游逐渐衰减,参考理论潮波衰减模式可知,潮波沿程衰减曲线为指数型曲线(图2)。在潮区界附近水位受径流流量不恒定性的影响,同时也受下游潮汐水位存在周期性波动的影响,水位存在变幅,在潮差较小时难以区分水位变化是径流还是潮汐引起的,本文选取潮差衰减到10cm位置代表潮区界位置,依此方法建立多年潮区界曲线(图3)。潮区界位置随径流和潮流的变化规律为:在潮差一定时,潮区界位置随径流增加而下移;径流一定时,潮区界随潮差增加而上溯。潮区界相对于50#灯塔,上溯的最远距离为900km附近,其下端位置为400km附近,活动范围约500km。由图3可知,不同年份潮区界数据变化范围一致,各年份间相同潮径组合下虽存在上溯或下移,但变化距离相对于年内活动范围相对较小,图3中的数据拟合潮区界经验曲线如下其中L为上溯距离,是距河口50#灯塔距离,km;x为潮径比,下同。1.2潮径和潮流边界潮流界位置可由盐度和流速方法判定,长江口盐度测量集中于徐六泾断面以下,故采用流速判定。流速法具体步骤:通过实测资料得到各测量断面涨潮负向最大流速,若无涨潮流速时,即涨潮负向水流未上溯到该断面,此时流速采用同时间段落潮流速代替。绘制不同潮径组合下该流速沿程变化(图4),可见涨潮流速为零的位置并非固定不变,与潮径比相关。拾取流速为零位置建立1989-1990年和2004-2005年潮流界变化曲线(图5),潮流界位置随径流和潮流的变化规律与潮区界相同。潮流界相对于50#灯塔,上溯的上端位置约450km,此时潮径比为2.0,并未达到最大,潮流界界面位置仍可上溯,下端位置为100km附近,在极值水文组合下潮流界仍可下移,堡镇站无潮汐水位波动的情况也有出现,故潮流界的下端位置可更靠下,可达口门附近,活动范围约500km。由图5可知,1989-1990年与2004-2005年潮流界变化趋势和范围一致,两年份时间段潮流界位置虽存在一定的上溯或下移,但相对于潮流界活动范围而言相对较小。图5数据拟合潮流界经验曲线为2由于潮区界面和趋势的关系和变化过程2.1潮流界变化的原因潮区界和潮流界位置随径流、潮流具有相同的迁移规律,潮区界位置确定仅需要沿程的潮水位资料,长江下游潮水位测站较多,能清楚地反应潮区界多年变化过程。潮流界需要流速和潮水位资料,长江口长河段水文测量数据较少,收集难度大,给研究潮流界变化过程带来不便。上文得到的潮区界和潮流界变化曲线形式和系数均相近,即相同潮径组合下潮区界位置较潮流界位置靠上,均值约为384km。同时将通过文献[5,6]部分实测资料换算得到的潮流界位置与本文计算得到的潮流界位置比较,如图6所示,本文计算成果和文献结果基本吻合,即相同潮径组合下潮区界与潮流界相差距离约384km,为多年平均值是可信的。虽然潮流界、潮区界两界面位置在多年尺度上受地貌和海平面变化的影响,但是从图3和图5可知,多年来界面数据点较为集中,仍在同一曲线上,即认为多年潮区界和潮流界变化曲线变化不大。综上,相同潮径组合下潮区界和潮流界界面位置相差的距离为定值,约为384km,即由历年潮区界变化推求出潮流界变化过程。2.2潮区和潮流界的区域分布以2004年洪季资料为例建立潮区界变化过程,减去384km得到潮流界变化过程,如图7所示,其它年份类推得到逐日潮流界变化过程。多年来潮流界最上位置为501km,出现在1979年1月,该月枯水期小流量持续时间长,潮差较大,潮径比大,潮流界位置可上溯较远。年内潮流界最下端位置为口门附近,甚至可达口外。主要原因为:洪季下泄径流量大,外海适逢小潮,潮径比较小,同时口门即外海区域的涨潮受口外热带气旋及大洋环流的影响,使得涨潮流方向偏离长江口落潮流主流方向,河口区域未出现涨潮流,故潮流界下界面可达口外。由历年潮区界位置(图8)推求与之相对应的潮流界月均位置、洪、枯季及年均位置(图9)。图8和图9表明:月均潮区界和潮流界位置随潮径比不同而略有差异,潮区界月均最上位置817km,处于安庆水文站上游40km,出现在1979年1月,此时潮流界月均位置为433km,处于南京八卦洲附近;月均潮区界最小位置为172km,徐六泾断面附近,出现在1998年7月,该月大部分时间河口无涨潮负向水流产生,故潮流界位置靠下,可能已达口门。潮区界多年年均位置、洪季平均位置、枯季平均位置分别为673km、617km、728km,距大通水文站距离(上为+,下为-)分别为-15km、-82km、+30km。故潮流界多年年均位置、洪季平均位置、枯季平均位置分别为289km、233km、344km,距江阴水文站距离(上为+,下为-)分别为+38km、-18km、+93km。4个时段径流和潮流过程不同,即潮区界和潮流界位置年内和年际特征位置并非固定不变。3水库调节和储存对流势面过程的影响3.1流量过程变化三峡水库及上游梯级水库的相继蓄水利用,势必对长江河口入海水、沙过程产生影响。90系列调蓄前后大通站流量变化(图10),12月至次年3月流量增加,5月和6月增加,10月和11月流量减少,流量最大增量约1750m3/s,最大减量约6000m3/s。流量过程改变势必改变河口潮汐上溯的动力和过程,江阴站在调蓄前后潮差发生一定变化(图11),1月、2月、5月和6月潮差减小,10月和11月潮差增加明显,潮差增加和减小的最大值均为8cm。结合潮径比概念,即调蓄后流量和潮差均存在一定变化,即潮径比将发生相应的变化。3.2水库调节和储存对趋势变化过程的影响4潮流界和流界通过建立潮区界和潮流界位置的关系曲线,在相同潮径组合下两界面多年相隔距离约为384km,即通过潮区界变化过程研究潮流界年内变化过程。潮流界位置最上端为501km,最下端可达口门附近,潮流界月均位置最上为434km,月均最下位置为155km,最大变幅为280km。潮区界年均位置、洪季平均及枯季平均位置分别为673km、617km、728km,潮流界多年洪季平均、枯季平均及年均位置分别为233km、344km、289km。采用90系列设计水库调蓄下潮流界位置10月和11月月均上溯最大值约28km,12月至次年3月潮流界位置下移距离月均最大值约15km,洪季界面变化不大,枯季界面均值位置下移约3.2km,年均位置下移约1.8km。依据潮区界和潮流界位置的关系曲线,得到调蓄前后潮流界变化过程(图12)。10月和11月潮流界位置上溯明显,月均上溯最大距离约28km左右,12月至次年3月和4月、5月潮流界位置下移,月均下移最大约15km,其余月份变化不明显,可见三峡水库调蓄对潮流界过程有一定影响。调蓄改变年内洪季和枯季流量分配过程,对入海径流总量并未改变,调蓄前后