长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化.pdf
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1、收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金长江水科学研究联合基金重点支持项目()河海大学中央高校基本科研业务费专项资金()作者简介:翟 玮()男广东深圳人硕士研究生主要从事河口海岸水动力学研究工作:.通信作者:张 蔚()男江苏南京人教授博士研究方向为河口海岸水流、泥沙运动及数值模拟技术:.:./.():长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化翟 玮张 蔚季小梅陈 婷(.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 .上海滩涂海岸工程技术研究中心上海 .河海大学 疏浚技术教育部工程研究中心南京)摘 要:余水位即潮周期内的平均水位是河口径潮动力非线性作用的典型结果 为探究径流、潮汐及其
2、相互作用对余水位的影响对摩阻项进行分解通过潮平均摩阻的各分量对余水位的变化展开研究 采用二维水动力数学模型模拟得到长江口余水位时空变化特征利用连续小波变换方法和摩阻计算公式分析长江口潮平均摩阻的主要来源建立线性回归模型通过潮平均摩阻各分量的变化解释余水位的变化 研究结果表明:长江口余水位具有明显的洪枯季变化和大小潮变化特征洪季余水位沿程增幅更大大潮时余水位较小潮时更高长江口潮平均摩阻以径流作用和径潮相互作用产生的摩阻为主因径流量巨大前者对潮平均摩阻的贡献始终更大潮平均摩阻控制余水位长江口余水位的变化由径流作用控制在下游站点径潮相互作用的影响不可忽视关键词:余水位径潮相互作用潮平均摩阻连续小波变
3、换线性回归长江口中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标识码():(.):.第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .:研究背景河口是陆海交汇的过渡地带受到流域径流和海洋潮汐的共同作用水动力条件复杂 余水位即潮周期内的平均水位滤去了周期性变化的潮汐其时空变化反映了径潮动力间的非线性作用 根据一维动量守恒方程余水位梯度项基本与摩阻项相平衡 为探究径流、潮汐及其相互作用对余水位的影响多从动量方程的摩阻项入手将其分解为径流作用、径潮相互作用和潮不对称作用产生的摩阻项 近年来随着技术手段的发展学者们提出了新的方法来研究径潮间的非线性作用包括连续小波变换、短期调和分析、非稳
4、态调和分析等 这些分析方法结合摩阻项的分解有助于解释评价径流、潮汐及其相互作用对余水位的相对重要性 如 等基于连续小波变换方法和对摩阻项中非线性流速乘积的一阶及三阶展开建立线性回归模型通过潮平均摩阻的变化预测余水位的变化长江口是世界第三大河口径流量巨大且季节性变化特征明显潮汐强度中等径潮相互作用显著深刻影响着此处的余水位 过去对长江口余水位的研究大多采用实测资料的统计分析方法 刘晓婉等发现崇明岛南部近岸水位主要由潮汐驱动形成 郭磊城等基于实测径流和潮位资料发现长江口洪季径流量的增大使得余水位显著抬高洪枯季差异从上游大通到下游牛皮礁逐渐减小 杨正东等发现长江口余水位的变化主要与径流量有关 此外宋
5、永港等基于数值模拟对长江口北支潮位潮差时空变化展开研究发现 月份的月平均潮位逐渐增大而 月份逐渐减小该变化趋势由径流产生的余水位决定 综上而言针对径潮动力下余水位时空变化的研究仍有待深入 余水位影响着水位与水深同时作为径潮动力非线性的典型结果在长江河口动力格局变化的当下也成为分析径潮相互作用的有效切入点对防洪安全、水位预报、水资源管理等科学问题具有重要意义本文基于二维水动力数值模型获取长江口主要站点高频、长期的潮位和流速数据分析余水位时空变化特征利用连续小波变换分解流速信号通过摩阻公式计算潮平均摩阻的各分量结合简单线性回归模型分析径潮动力相互作用下余水位的变化机制 研究区域及研究方法.研究区域
6、长江口是衔接了长江和东中国海的主要通道全长约 上至安徽大通下至外海 等深线附近 长江口整体平面形态呈现为“三级分汊、四口入海”的复杂格局河口呈典型喇叭型上游宽度 外海口门处宽度 其地形及主要站点位置如图 所示 由于属亚热带季风气候河口径流季节性变化显著 月份径流量占年径流量.月份至次年 月份径流占.全日分潮和半日分潮是进入河口的主要分潮其振幅比/约为.河口内潮汐类型属于非正规半日潮图 长江口地形及主要站点位置.研究方法.水动力模型本文采用课题组已建立的长江口整体平面二维水动力数学模型对径潮动力相互作用下余水位时空变化展开研究 模型采用非正交的三角形网格覆盖整个长江口区域陆地边界能较好地贴合实际
7、岸线模型网格总数为 网格节点数为 网格大小在 之间变化精度满足需要 模型地形资料采用长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局测得的长江口水下实测地形并通过 个潮位站点和 个流速站点的实测数据进行率定与验证 长江科学院院报 年 大多数测站水位和流速数据误差均在 以内结果良好因此可认为模型模拟结果能较好地反映长江口的水动力条件 具体率定与验证过程见文献本文模型参数设置如表 所示表 模型参数设置 参数设置单位上边界大通实测流量/下边界分潮调和潮位时间步长地形条件河道及外海边界 年测图曼宁系数/初始条件水位为 流速为、/为了充分消除潮汐的影响模型上边界设置在枯季的潮区界大通并将 年大通实测径流量作为上边
8、界条件外海边界则设置在径流作用完全消失的.处分潮潮位由东中国海潮波数学模型提供 模型采用冷启动方式对 年长江口的潮位和流速开展模拟.连续小波变换及潮波分解作为非稳态调和分析的重点方法之一连续小波变换()通过对母小波进行缩放和平移对潮波信号进行了多尺度的细化分析利用小波变换在一个带通滤波器上对潮波信号进行处理得到信号随着时间和频率的变化过程 方法的特点在于它可以比较准确地得到不同周期分潮簇的振幅与相位非常适应潮汐频带非几何变化间隔的特性其缺点是不能较好地区分同一分潮簇内的不同分潮且对小波的选择具有较强的依赖性在径潮动力相互作用的背景下 方法可以显露潮波对变化的径流量近乎瞬时的响应 利用 方法处理
9、流速数据可将原始流速时间序列分解为不同时频域信息将同一周期的分潮簇结果归类合并从而得到主要的全日潮簇、半日潮簇以及四分之一日潮簇 流速的振幅(、及)和初相位(、及).摩阻效应根据 等提出的针对余水位变化的新的分析方法可将动量方程中的摩阻项按照其来源分解为径流作用、径潮相互作用和潮不对称作用产生的 个不同分量、及 该方法的核心在于利用切比雪夫多项式对摩阻项中的非线性乘积 进行一阶和三阶展开并将流速时间序列分解后经无量纲化处理代入即:()()()()()()对摩阻项在一个全日潮周期内进行积分整理后得到公式如下:()()()()()()式中:、为计算所得的系数取值分别为.和.为流速的最大值 为经无量
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