吳小靖，柳子豪，鐘 栗，吳心藝，秦 灝

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215006）

在沿江沿海地區(qū)，當(dāng)遭遇極端降雨事件，將地區(qū)洪澇水向外排入江海，是防洪排澇的首要選擇［1］。然而，當(dāng)區(qū)域極端降雨事件，又遭遇風(fēng)暴潮、天文大潮，出現(xiàn)“兩碰頭”或“三碰頭”不利情形時(shí)，外部高潮位會對內(nèi)部河道形成頂托，增加區(qū)域防洪排澇的風(fēng)險(xiǎn)［2］。因此，在太湖流域下游、珠江流域下游等感潮地區(qū)，進(jìn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，會著重考慮潮位變化的影響［3］。其中，在《太湖流域防洪規(guī)劃》（2008年）中，上海市范圍內(nèi)黃浦江干流及主要支流按1000年一遇高潮位設(shè)防，城市則按200 年一遇高潮位加12 級風(fēng)設(shè)防。

在江蘇省太湖地區(qū)防洪總體布局中，北排長江是重要的洪澇水出路安排［4］。但在湖西區(qū)等分區(qū)現(xiàn)狀防洪規(guī)劃中，仍是按照區(qū)域設(shè)計(jì)暴雨和產(chǎn)匯流計(jì)算推求分區(qū)產(chǎn)水量及產(chǎn)生過程，進(jìn)而設(shè)定防洪標(biāo)準(zhǔn)，并未考慮外江潮位變化可能對區(qū)域防洪排澇造成的影響。一直以來，海平面上升是影響長江感潮河段的潮位變化的重要因素，根據(jù)自然資源部發(fā)布的數(shù)據(jù)，1980—2020 年我國海平面上升速率達(dá)到3.4 mm/a，高于同時(shí)段全球平均水平［5］。此外，21世紀(jì)以來長江流域興建的大型水庫工程，也在一定程度影響了長江整體的水位變化，相關(guān)研究表明，僅三峽工程在枯洪季的蓄水作用就能大幅改變長江徑流量進(jìn)而產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的潮汐水位影響［6］。極端徑流、天文大潮、海平面上升及極端風(fēng)浪事件等多類型因素的共同作用，使得沿海及感潮地區(qū)外江潮位不斷抬升，這無疑會增加地區(qū)洪澇壓力，也暴露出這些地區(qū)存在的防洪薄弱環(huán)節(jié)。

在本文中，根據(jù)江蘇省太湖地區(qū)沿江潮位代表站長系列實(shí)測潮位資料，開展沿江地區(qū)潮位變化特征分析，以代表“最不利條件”的年內(nèi)最高潮位和防潮標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)的排澇設(shè)計(jì)潮位為指標(biāo)，查明區(qū)域沿江潮位變化特征，相關(guān)成果可以為后續(xù)江蘇省太湖地區(qū)制定防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

江蘇省太湖流域北濱長江、南抱太湖，西南以茅山、宜溧山區(qū)為界，東南與上海、浙江為鄰，總面積1.94 萬km2，約占太湖流域面積的52%。從水利分區(qū)來看，江蘇省太湖流域涉及湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)和浦南區(qū)（屬杭嘉湖區(qū)）。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水系分為沿江水系、南河水系、洮滆水系以及陽澄淀泖水系，其中沿江水系主要由北部沿長江河道組成，大都呈南北向。

長江入?？跒橹械葟?qiáng)度潮汐河口，沿長江口往上游地區(qū)，大通是潮汐能影響的最遠(yuǎn)端。在大通以下河段，受上游徑流和下游潮汐的共同影響，越往下游潮汐影響程度越大，反之則徑流影響越大。根據(jù)多年月平均潮位年變幅/多年平均潮差的比值可知，長江沿線南京以上區(qū)域是全年徑流段，江陰以下區(qū)域?yàn)槿瓿绷鞫?，南京至江陰區(qū)域?yàn)檫^渡潮流段。受天體運(yùn)行和月潮消長變化規(guī)律支配，江蘇省沿江地區(qū)均屬非正規(guī)半日周期潮，每日兩漲兩落，潮位變化大。

1.2 研究數(shù)據(jù)

江蘇省太湖地區(qū)沿江潮位觀測站包括鎮(zhèn)江（二）站、江陰站和滸浦閘（閘下游）站，分別代表湖西區(qū)、武澄錫虞區(qū)、陽澄淀泖區(qū)沿江潮位變化情況。在本輪太湖流域防洪規(guī)劃修養(yǎng)中，搜集整理了各潮位站長時(shí)間系列的逐日實(shí)際觀測潮位資料，作為半日周期潮特征的感潮地區(qū)，觀測資料包括每天兩次漲、落潮過程的高、低潮位觀測值。各潮位站基本情況見表1，地理位置分布情況見圖1所示。

圖1 江蘇省太湖地區(qū)沿江潮位站點(diǎn)分布示意

表1 江蘇省太湖地區(qū)沿江潮位站基本情況

本文所選潮位代表站都具有設(shè)站年代久遠(yuǎn)、實(shí)測資料系列長、數(shù)據(jù)完整、質(zhì)量可靠等特點(diǎn)，對潮位資料均進(jìn)行基面統(tǒng)一和沉降修正處理。

2 研究方法

在本文中，采用特征值分析法，對各潮位代表站在長系列變化中最高潮位（即高高潮）、最低潮位（低低潮）、最高低潮位（高低潮）等特征值進(jìn)行年際統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用滑動t檢驗(yàn)法、Mann-kendall趨勢檢驗(yàn)法判斷潮位趨勢變化與不同類型潮位特征值在長時(shí)間序列變化上是否存在突變現(xiàn)象，對其潮位趨勢變化特征進(jìn)行分析。其中，滑動t檢驗(yàn)法是通過考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變的發(fā)生［7］；Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)則可以有效區(qū)分某一自然過程是處于自然波動還是存在確定的變化趨勢，常用于氣候變化影響下的降水、干旱頻次趨勢檢測。兩種突變檢測的方法之間具有互補(bǔ)性，可作為本次針對沿江潮位長時(shí)間序列變化趨勢的分析工具來應(yīng)用。

在本文中，均采用Visual Basic編程手段進(jìn)行滑動t檢驗(yàn)法和Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)法的算法編制，其中滑動t檢驗(yàn)法前、后子序列長度n1=n2=10。

3 潮位分析

3.1 年內(nèi)最高潮位變化分析

最高潮位代表著沿江地區(qū)向外江行洪排澇時(shí)的最不利條件，通常出現(xiàn)在臺風(fēng)、天文潮和大徑流三者或兩者“碰頭”遭遇之時(shí)，其中臺風(fēng)對最高潮位的出現(xiàn)往往影響較大。

在本文中，以10 年為間隔，對各站不同年最高潮位平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明各潮位站最高潮位平均值在上世紀(jì)各年代間變化上整體呈上升趨勢，并在90年代達(dá)到峰值。其中，在1991—2000年期間，鎮(zhèn)江（二）、江陰、滸浦閘（閘下游）三站年最高潮位平均值較1960 年以前分別抬升了1.00 m、0.54 m 和0.55 m（表2）。進(jìn)入21 世紀(jì)之后，鎮(zhèn)江站最高潮位平均值出現(xiàn)先下降后抬升的變化趨勢，江陰站最高潮位平均值則出現(xiàn)逐步下降趨勢，滸浦閘潮位變化相對穩(wěn)定。

表2 各潮位代表站年最高潮位不同年代平均值統(tǒng)計(jì) 單位：m

通過對鎮(zhèn)江（二）、江陰、滸浦閘（閘下游）三站的年內(nèi)最高潮位變化進(jìn)行MK趨勢分析，計(jì)算結(jié)果Z分別為3.569、2.606 和3.255，給定顯著性水平α=0.001 及μ0.001=±3.090。其中，Z鎮(zhèn)江（二）與Z滸浦閘（閘下游）均大于3.090，表明鎮(zhèn)江（二）站與滸浦閘（閘下游）站的年內(nèi)最高潮位在年際變化上趨勢整體向上，且通過了99.9%的顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)出明顯升高的趨勢；而由于0＜Z江陰＜3.090，表明江陰站年內(nèi)最高潮位雖然在年際變化上趨勢整體向上，但并未通過99.9%的顯著性檢驗(yàn)，升高趨勢并不顯著。

在本文中，對各潮位代表站的年內(nèi)最高潮位進(jìn)行了滑動t統(tǒng)計(jì)量變化分析（圖2）。其中，在1950年以來，鎮(zhèn)江（二）站t統(tǒng)計(jì)量有3處超過0.001顯著性水平（t0.001=±5.04），兩處為負(fù)值（分別出現(xiàn)在1967 年、1988—1989 年），1 處為正值（出現(xiàn)在1999—2005年），這說明鎮(zhèn)江（二）站年內(nèi)最高潮位，在近70年來出現(xiàn)了3次明顯的突變。雖然鎮(zhèn)江站年內(nèi)最高潮位在年際變化上整體呈遞增的趨勢，但在20世紀(jì)70年代中期和20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)了降低的趨勢，并在21世紀(jì)初期出現(xiàn)明顯升高的趨勢。

圖2 潮位代表站年內(nèi)最高高潮位滑動t統(tǒng)計(jì)量曲線

通過對鎮(zhèn)江（二）站年內(nèi)最高潮位變化進(jìn)行M-K突變分析，進(jìn)一步明確年內(nèi)最高潮位在年際間的變化趨勢（圖3）。由UF 曲線可見，自20 世紀(jì)80 年代以來，鎮(zhèn)江（二）站年內(nèi)最高潮位整體就表現(xiàn)出升高的趨勢，其中在20 世紀(jì)末期，這種升高的趨勢已大大超過顯著性水平為0.001 的臨界線，這表明該時(shí)期鎮(zhèn)江（二）站外江年內(nèi)最高潮位的升高趨勢是十分顯著的。根據(jù)UF和UB 曲線交點(diǎn)的位置，進(jìn)一步明確了鎮(zhèn)江（二）站年內(nèi)最高潮位在20世紀(jì)70年代初的變化是一突變現(xiàn)象，具體是從1970年開始的。

圖3 鎮(zhèn)江（二）站年內(nèi)最高高潮位曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線（直線為α=0.001顯著性水平臨界值）

結(jié)合滑動t統(tǒng)計(jì)量變化與MK突變分析表明，在1950 年以來，江陰站t統(tǒng)計(jì)量僅有1 處正值超過0.001 顯著性水平（t0.001=±5.04），出現(xiàn)在2005—2007 年，這說明江陰站年內(nèi)最高潮位在近70 年來只出現(xiàn)了一次明顯的突變，表現(xiàn)為在20世紀(jì)初時(shí)期升高的趨勢（圖2）。通過對江陰站年內(nèi)最高潮位變化的M-K突變分析結(jié)果表明，根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，指示了在20 世紀(jì)80 年代末期江陰站年內(nèi)最高潮位表現(xiàn)出的升高趨勢，同樣是一次突變現(xiàn)象，具體是從1974年開始（圖4）。

圖4 江陰站年內(nèi)最高高潮位曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線（直線為α=0.001顯著性水平臨界值）

滸浦閘（閘下游）站的滑動t統(tǒng)計(jì)量變化與M-K突變分析結(jié)果解釋了該站年內(nèi)最高高潮位的突變變化情況（圖2）。結(jié)果表明，滸浦閘（閘下游）年內(nèi)最高潮位在近70 年來出現(xiàn)過兩次明顯的突變（圖5）。其中在20世紀(jì)80年代初，經(jīng)歷了一次有升高轉(zhuǎn)為降低的轉(zhuǎn)變；在21 世紀(jì)初，則經(jīng)歷了由降低轉(zhuǎn)為升高的明顯突變。其中在21世紀(jì)初，這種升高的趨勢同樣超過顯著性水平為0.001 的臨界線，這表明該時(shí)期滸浦閘（閘下游）年內(nèi)最高潮位升高趨勢十分顯著。

圖5 滸浦閘（閘下游）年內(nèi)最高高潮位曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線（直線為α=0.001顯著性水平臨界值）

3.2 汛期排澇設(shè)計(jì)潮位變化分析

排澇設(shè)計(jì)潮位，是感潮地區(qū)制定防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)，通常選擇對地區(qū)排澇較為不利，但又有可能發(fā)生（P=50%）的潮位作為排澇潮位［8］。其中，沿江地面一般地勢較低，排澇控制在最高的低潮位（即高低潮）。在江蘇省排澇設(shè)計(jì)潮位的確定中，排澇天數(shù)根據(jù)日雨2 天排出和3 日雨型雨后一天排出兩種情況，都確定為4天［9］。

在本文中，根據(jù)各代表站歷年汛期時(shí)（5-9 月）實(shí)測潮位資料中，分別摘取連續(xù)4 天的4 個高低潮潮位進(jìn)行滑動統(tǒng)計(jì)，求出各代表站連續(xù)4 天的高低潮潮位平均值，并從中挑選出每年最大值組成樣本系列數(shù)據(jù)進(jìn)行變化分析，為后續(xù)沿江地區(qū)考慮潮位變化對區(qū)域防洪排澇影響時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)參考。

通過對鎮(zhèn)江（二）、江陰、滸浦閘（閘下游）3站的汛期排澇設(shè)計(jì)潮位的變化進(jìn)行M-K趨勢分析，計(jì)算結(jié)果Z分別為3.484、1.668和2.610。其中，Z鎮(zhèn)江（二）大于3.090，表明鎮(zhèn)江（二）站的汛期排澇設(shè)計(jì)潮位在年際變化上趨勢整體向上，且通過了99.9%的顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)出明顯升高的趨勢；而Z江陰與Z滸浦閘（閘下游）均小于3.090，未通過99.9%的顯著性檢驗(yàn)，表明該2站汛期排澇設(shè)計(jì)潮位的升高趨勢并不顯著。

鎮(zhèn)江（二）站汛期排澇設(shè)計(jì)潮位的滑動t統(tǒng)計(jì)量變化分析與最高潮位變化相似，在1950年以來，t統(tǒng)計(jì)量同樣有3處超過0.001顯著性水平（t0.001=±5.04）的情況，變化時(shí)間也基本吻合（圖6）。相似的變化趨勢說明在21世紀(jì)以來，伴隨著代表最不利條件的年內(nèi)最高潮位的升高，排澇設(shè)計(jì)潮位的明顯升高，也指示了湖西區(qū)沿江地區(qū)排江環(huán)境的愈加惡劣。MK 突變分析的結(jié)果則表明，自20 世紀(jì)80 年代以來，鎮(zhèn)江（二）站汛期排澇設(shè)計(jì)潮位整體也表現(xiàn)出升高的趨勢，但在21世紀(jì)20年代以后，統(tǒng)計(jì)值開始低于μ0.001的臨界線值（3.090），指示該時(shí)期排澇設(shè)計(jì)潮位的升高趨勢不再顯著，趨于平緩（圖7）。

圖6 潮位代表站汛期時(shí)排澇設(shè)計(jì)潮位滑動t統(tǒng)計(jì)量曲線

圖7 鎮(zhèn)江（二）站汛期時(shí)排澇設(shè)計(jì)潮位曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線（直線為α=0.001顯著性水平臨界值）

江陰站汛期排澇設(shè)計(jì)潮位的滑動t統(tǒng)計(jì)量變化中，與最高潮位變化不同的是，在1950年以來，t統(tǒng)計(jì)量僅有一處負(fù)值超過0.001顯著性水平（t0.001=±5.04）的情況，出現(xiàn)在1968 年，表明在20 世紀(jì)70 年代末，相對于最高潮位的抬高，武澄錫虞區(qū)最高低潮位在該時(shí)期出現(xiàn)了降低的趨勢（圖6）。同時(shí)，M-K 突變分析結(jié)果表明，雖然UF 與UB 曲線在20 世紀(jì)90 年代和21世紀(jì)以來存在多次重合的情況，但均未超過0.001的顯著性水平臨界線，這都指示了武澄錫虞區(qū)沿江地區(qū)汛期時(shí)排澇設(shè)計(jì)潮位在年際變化上相對穩(wěn)定，不存在明顯的突變現(xiàn)象（圖8）。

圖8 江陰站汛期時(shí)排澇設(shè)計(jì)潮位曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線（直線為α=0.001顯著性水平臨界值）

滸浦閘（閘下游）汛期排澇設(shè)計(jì)潮位的滑動t統(tǒng)計(jì)量變化結(jié)果表明，在1953年以來，t統(tǒng)計(jì)量僅有一處負(fù)值超過0.001 顯著性水平（t0.001=±5.04）的情況，出現(xiàn)在1967—1976 年，表明在20 世紀(jì)70 年代末到80年代初期，滸浦閘（閘下游）最高低潮位出現(xiàn)明顯降低的突變（圖6）。M-K突變分析結(jié)果也佐證了滸浦閘（閘下游）排澇設(shè)計(jì)潮位在20世紀(jì)80年代前后出現(xiàn)降低的突變現(xiàn)象，其中UF與UB曲線在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)交點(diǎn)（圖9）。

圖9 滸浦閘（閘下游）汛期時(shí)排澇設(shè)計(jì)潮位曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線

4 結(jié)論與建議

（1）對各潮位代表站年內(nèi)最高潮位變化分析表明，沿江地區(qū)年內(nèi)最高潮位均表現(xiàn)出整體升高的趨勢，其中鎮(zhèn)江（二）站、滸浦閘（閘下游）最高潮位變化較為顯著，江陰站變化相對平緩。

（2）對各潮位代表站汛期排澇潮位變化分析表明，沿江地區(qū)汛期排澇設(shè)計(jì)潮位同樣表現(xiàn)出整體升高的趨勢，其中鎮(zhèn)江（二）站變化較為顯著，江陰站、滸浦閘（閘下游）變化相對平緩。在20 世紀(jì)80 年代，各代表站排澇設(shè)計(jì)潮位均出現(xiàn)由升高轉(zhuǎn)為降低的突變現(xiàn)象；而自21 世紀(jì)以來，除鎮(zhèn)江（二）站排澇設(shè)計(jì)潮位表現(xiàn)出由降低轉(zhuǎn)為升高的突變現(xiàn)象之外，江陰站、滸浦閘（閘下游）排澇設(shè)計(jì)潮位變化均相對穩(wěn)定。

（3）沿江代表站排澇設(shè)計(jì)潮位整體升高的趨勢，表明了應(yīng)重視潮位變化對地區(qū)防洪形勢可能造成的影響。特別是近年來潮位升高趨勢顯著的湖西區(qū)，應(yīng)考慮使用暴雨+潮位的組合進(jìn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)制定，以確保防洪規(guī)劃方案與布局能夠符合地區(qū)實(shí)際。