江都水利枢纽下游潮水位变化规律及影响分析

孙正兰，司存友，华 骏，王 江

(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200； 2.江苏省水文水资源勘测局，南京 210029)

1 工程概况

江都水利枢纽工程南濒长江、北连淮河，既是江苏江水北调的源头，也是淮河洪水入江的控制性工程，主要由4座大型泵站和12座大中型节制闸组成。工程实现了江水北调、江淮互济[1]。在淮北和里下河地区发生干旱时，大型泵站群与江都西闸、东闸等从长江干流三江营取水口分别抽引江水北送和自流引江水东送，国家南水北调东线工程正是在此基础上的扩大规模和向北延伸而建立的[2]。当淮河发生洪水时，上中游河南省、安徽省等15.8×104km2的区域来水经洪泽湖调蓄后，约70%以上的洪水由淮河下游最大泄洪河道——入江水道、经归江控制从三江营排入长江。江都水利枢纽工程区域位置见图1。

图1 江都水利枢纽工程位置示意图

长江干流三江营潮位站距离江都水利枢纽约22 km，该站感潮河段处于潮流界末端，每天潮涨潮落2次，涨落潮时间不等，为非正规半日潮[3]。关于长江河口沿程潮波变化特征以及三江营特定时段潮位的分析研究较多。郭磊城等[4]基于2009—2010年大通、南京、徐六泾等4站潮位分析了潮波在长江河口以上沿程变化的特点。付桂[5]基于1996—2011年徐六泾以下潮位站资料分析了长江口潮位的基本特征。朱红耕等[6]对1950—1999年三江营高潮及其平均潮位进行分析，认为不断增高的潮位将对沿江灌排泵站机组安全运行产生影响。谢瑞等[7]通过模型试验研究了长江与淮河在不同流量遭遇时沿程水位和局部流场的变化。钱睿智等[8]以连续3 d三江营潮位受区间来水和气象因素影响大致相同为假设基础，建立了三江营短期潮位预报模型。

上述针对长江河口潮波和三江营潮位在不同情势下发展变化现象的研究，为水道航运、河口治理与防洪减灾等提供了重要的技术依据，但以上多基于较短时段序列潮波在空间上变化特点的分析和较长序列特征潮位变化规律的探讨。长江口至大通，长达600 km以上的潮区界，不同河段潮汐的影响因素和形成机理非常复杂；三江营感潮河段位于潮流界末端，本文由三江营站长系列资料揭示对工程调水和泄洪有直接影响的特征潮位、潮差、潮历时、周期等典型要素的演变趋势和变化规律，不仅为南水北调东线水资源科学优化调配、水利枢纽工程效益充分发挥提供支撑，也为更好地掌握长江河口潮流界末端的潮流运动规律提供参考。

2 资料与方法

2.1 资料来源

三江营潮位站建于1915年8月。由于社会动荡和历史原因，1951年开始资料系列连续，但仅限于高、低潮位。1957年1月开始收集潮位、潮差、潮历时等要素资料。本文即以1957—2019年逐日资料，针对水利枢纽工程调水和泄洪有直接影响的特征潮位、潮差、潮历时等要素进行年内、年际变化规律以及趋势特征的研究。

文中分析数据来自《中华人民共和国水文年鉴(1957—2019)》第5卷第4册[9]，潮位为废黄河口基面高程。

2.2 分析方法

(1)趋势分析。采用非参数统计Mann-Kendall(简称M-K)方法进行显著性检验，置信度95%时临界值为±1.96，即潮位等要素序列M-K检验值|Z|>1.96时变化趋势显著，否则变化不显著[10]。运用累积距平法直观判断潮位等要素多年显著的演变趋势及持续性变化[11]。

(2)周期分析。采用Morlet连续复小波为基函数进行小波运算变换，得到小波系数与不同时间尺度上的小波方差，由序列时频变化特征确定潮位等要素的主、次周期[12]，为预测感潮河段潮汐未来发展趋势提供依据。

3 结果与分析

3.1 年内变化

3.1.1 特征潮位

三江营高高潮、低低潮、平均高潮、平均低潮等特征潮位年内变化趋势一致，潮位1—7月份逐渐增大，7月份为年内最高；8—12月份逐渐减小，1月份为年内最低。特征潮位、潮差、潮历时要素年内变化趋势见图2。

图2 1957—2019年特征潮位、潮差、潮历时多年平均年内变化趋势

表1为特征潮位各月多年变化趋势特征，线性增率与M-K趋势检验结果基本一致。夏季6—8月份特征潮位多年均呈增大趋势，其中6月份、8月份均呈不显著增大趋势，7月份呈显著增大趋势、且线性增率最大，8月份特征潮位线性增率仅次于7月份。夏季是长江、淮河洪水多发季节，潮位增大趋势对洪水的安全下泄极为不利。12月—次年3月份特征潮位多年均呈显著增大趋势，其中又以1月份增大趋势最显著，枯水期潮位增大对水利工程自流引水极为有利。

表1 特征潮位各月多年变化趋势特征

3.1.2 最大潮差与最大历时

对涨落潮最大潮差和最大历时的研究反映了潮汐波幅和时长的变化规律。由图2可以看出，涨落潮最大潮差、最大历时年内变化趋势基本一致，涨潮最大潮差略大于落潮最大潮差，多年平均偏大0.1 m；涨潮最大历时远小于落潮最大历时，多年平均偏小3.8 h。一年中，7月份涨落潮最大潮差均最小，多年平均分别为1.78 m和1.66 m；涨潮最大潮差出现在12月—次年1月份，落潮最大潮差出现在3月份。涨落潮最大历时均在3月份最大，9月份次之；5—6月份和12月—次年1月份均处于全年较小状态。

各月最大潮差与潮历时多年变化趋势特征见表2。夏季6—8月份涨落潮最大潮差多年呈不显著减小趋势，而最大历时呈不显著增大趋势；枯水期10月—次年1月份涨落潮最大潮差多年呈不显著增大趋势，而最大历时呈不显著减小趋势。夏季潮差减小却历时增大、枯水期潮差增大却历时减小，这对丰水期淮河洪水充分利用低潮排入长江、枯水季节灌溉工程利用较高潮位自流引水都较不利。

3.2 年际变化

3.2.1 潮 位

特征潮位年际累积距平曲线、以高高潮为例绘制的距平曲线见图3。由图3累积距平曲线和表1中年际特征潮位M-K趋势检验结果表明：多年高高潮、低低潮、平均高潮、平均低潮变化趋势一致，均呈显著增大趋势。其中高高潮线性增率最大，为0.82 cm/a；平均低潮线性增率最小，为0.37 cm/a。以高高潮为例，1968年前潮位远小于多年平均值，1968—1976年与1977—1984年分别以微弱减小和微弱增大趋势在多年平均值附近波动；1985—1994年与1995—2003年潮位以微弱增大和显著增大趋势变化；2004—2011年与2012—2019年又分别以微弱减小和微弱增大趋势波动变化。

表2 各月最大潮差与最大历时多年变化趋势特征

图3 特征潮位累积距平曲线和高高潮距平曲线

特征潮位相对多年平均值变化程度见表3，表中的变化率是相对多年平均的变化率。由于低低潮多年平均值接近于0，故未做计算比较，但以上分析均表明低低潮与其它特征潮位变化情况一致。由表3可见，在1995年前各时段中，潮位从远低于多年平均值逐渐增大到远大于多年平均值，且1995—2003年潮位增幅为各年代中最大；1968—1976年与1977—1984年、2004—2011年与2012—2019年潮位相对多年平均值分别呈明显减小、增大变化。1985—1994年潮位相对多年平均值呈增大变化，但与1995—2003年最大增幅相比，1985—1994年潮位、1995—2003年潮位则分别呈相对减小、增大变化。

表3 特征潮位相对多年平均值的变化程度

3.2.2 最大潮差

表2中M-K检验结果表明：涨落潮年最大潮差多年呈不显著增大趋势。由图4累积距平曲线可见，涨落潮最大潮差多年变化趋势基本一致，1957—1967年、1977—1984年、2012—2019年涨落潮最大潮差均呈明显增大趋势变化；1968—1976年、2004—2011年呈明显减小趋势变化。经计算，在1985—1994年与1995—2003年，涨潮最大潮差在多年平均值附近平稳变化，相对多年平均值分别呈微弱减小、增大变化；而落潮最大潮差均呈波动下降趋势，即落潮年最大潮差在1985—1994年与1995—2003年均小于多年平均值，呈平稳下降状态。上述变化趋势与表4中涨落潮最大潮差相对多年平均值变化程度的定量分析结果一致。

图4 涨落潮最大潮差和最大历时累积距平曲线

表4 涨落潮最大潮差相对多年平均值的变化程度

3.2.3 最大历时

表2中M-K检验结果表明：多年涨落潮年最大历时呈不显著减小趋势。由图4(b)累积距平曲线可见，涨落潮最大历时多年变化趋势基本一致，但涨潮最大历时变化剧烈程度大于落潮最大历时，在1983—1992年尤其明显。1957—1963年、1972—1982年、1993—1999年、2011—2019年涨落潮最大历时均呈明显减小趋势；1964—1971年、1983—1992年、2000—2010年均呈明显增大趋势。

涨落潮最大历时相对多年平均值变化程度见表5。由表5可见，涨落潮最大历时呈明显增大、减小周期性变化，且涨潮最大历时的增、减变幅均大于同期落潮最大历时，在1983—1992年涨潮最大历时变幅为各时段中最大，高于多年平均值17.1%。

表5 涨落潮最大历时相对多年平均值的变化程度

以上特征潮位、潮差和潮历时等要素多年的变化特点与长江河口南京站至徐六泾站潮波的时空变化特征基本一致[4]。

3.3 周期分析

Morlet小波分析结果表明，特征潮位、潮差、潮历时具有较明显的周期性。特征潮位与涨落潮最大潮差的主周期一致，均为28 a左右特征时间尺度，次周期有一定差异；涨落潮最大历时第一主周期为22 a左右特征时间尺度，小波方差图显示更大的主周期在此序列下不能完全显示。

以高高潮、落潮最大潮差和最大历时为例绘制小波方差随时间尺度的变化过程，见图5。小波方差随时间尺度的变化表征了信号扰动的能量随时间尺度分布情况，由图中不同尺度信号波动相对强度和存在主要时间尺度确定特征潮位、潮差、潮历时的主周期。

图5 高高潮、落潮最大潮差和落潮最大历时小波方差

根据小波方差主周期转换得到小波系数曲线图，分析在不同时间尺度下特征潮位、潮差、潮历时存在的平均周期以及增大、减小变化特征；小波系数正值表示要素处于增长期，负值表示处于减小期。因特征潮位与最大潮差主周期相同、涨落潮最大历时主周期相同，即以特征潮位中高高潮和落潮最大历时为例进行分析。

图6为高高潮和落潮最大历时主周期小波系数曲线。在28 a特征时间尺度下，特征潮位和涨落潮最大潮差平均周期为18～19 a，在1957—2019年大约经历了3.5个周期增大、减小变化；在22 a特征时间尺度下，涨落潮最大历时平均周期为14～15 a，大约经历了4个周期增大、减小变化。潮位、潮差和潮历时等要素周期性增大、减小交替变化发生时间与前述累积距平趋势变化的时段基本一致。

图6 高高潮和落潮最大历时主周期小波系数曲线

由图6可推算出特征潮位、涨落潮最大潮差于2011—2020年左右处于增大期、预测2020—2029年左右处于减小期；涨落潮最大历时于2014—2021左右年处于增大期，预测2021—2028年左右处于减小期。特征潮位、潮差、潮历时目前均处于增大期，将于2020—2021年结束，进入7～9 a左右的减小期。

3.4 典型要素影响分析

20世纪90年代末兴建的三峡水库在蓄水运用后由于年内削峰补枯作用，导致长江下游干流年内径流分配发生改变，加之淮河入江水道来流量不确定，径流对潮汐振幅的衰减作用以及对高低潮相位的改变均产生直接影响。中国海平面公报统计近30 a来中国沿海海平面呈波动变化且上升趋势明显[13]，由全球气候变暖导致沿海海平面上升也引起了潮位整体性改变；加之近年来长江河口不断修建的河道以及航道整治工程也改变了河道的边界条件，对于河口潮波的向上游传播势必造成影响。因此，三江营长系列特征潮位、潮差、潮历时多年呈现的变化规律和局部时段的异常变化是以上多种因素综合作用的结果。

以上分析结果表明，尽管特征潮位、潮差和潮历时有其明显的局部变化特性，但总趋势仍基本遵循内在的周期性变化规律。特征潮位、潮差和潮历时在1985—2003年前、后不同时段期间均呈现较明显的增大、减小周期性交替变化，但在1985—1994年与1995—2003年减小、增大变化相对不明显，如特征潮位在减小期(1985—1994年)相对多年平均值仍呈增大变化，然而与1995—2003年最大增幅相比要小得多，即特征潮位在1985—1994年、1995—2003年仍有相对减小、增大变化。

近年来三江营潮位的显著增大变化不仅给淮河洪水快速、安全泄入长江产生较大影响，同样对江都水利枢纽供水工程最大程度调引长江水量、满足不断增长的水资源调配供给带来新问题。如江都大型泵站群设计扬程均基于三江营站20世纪90年代之前的水文资料设计，近年来海平面加速上升导致潮汐要素发生明显变化，尤其是潮位的整体抬高，这将对大型泵站群能否在高效区安全运行、经济社会效益充分发挥带来新挑战。

4 结 论

(1)夏季6—8月份潮位最高且呈增大趋势，其中7月份为显著增大变化。夏季是长江、淮河洪水多发季节，潮位的整体抬升、显著增高，对洪水的安全顺利下泄、较大设计扬程泵站机组的高效运用较为不利。枯水期特征潮位多年呈显著增大趋势，对枯水期灌溉工程充裕自流引水和内陆河湖生态环境改善非常有利。

(2)涨落潮最大潮差多年呈不显著增大趋势、最大历时呈不显著减小趋势变化。夏季潮差减小历时却增大，枯水期潮差增大历时却减小，这对丰水期淮河洪水尽可能在较低潮位下泄洪和枯水季节能够较长时间在高潮位引水均较不利。

(3)处于潮流界末端的三江营站感潮河段尽管

受到众多复杂因素影响，但长系列资料分析表明特征潮位、潮差和潮历时均具有增大、减小交替变化的周期性规律。目前特征潮位、潮差和潮历时均处于增大期，将于2020—2021年结束，进入为期7～9 a的减小期。