劉秋興，李鋮

（1.國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081；2.上海市水文總站，上海200232）

上游洪水對臺風風暴潮過程期間長江口水位的影響研究

劉秋興1，李鋮2

（1.國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081；2.上海市水文總站，上海200232）

河口地區(qū)是河流與海洋相互作用的集中交匯區(qū)，也是上游洪水、天文潮和風暴潮等各種動力要素的綜合作用區(qū)，該區(qū)域的水動力研究尤為復雜。長江作為我國第一大河，上游洪水對河口地區(qū)的影響尤其明顯，特別是天文高潮、風暴潮與洪峰效應相疊加時（俗稱“三碰頭”），往往會對沿岸造成嚴重的海洋災害。以長江大通水文站為上邊界建立了一個適合于長江口地區(qū)的精細化天文潮、風暴潮和洪水耦合模型，通過對近年來影響長江口的典型臺風風暴潮過程的模擬發(fā)現(xiàn)，耦合洪水后模型計算結(jié)果與實測更為吻合。通過理想數(shù)值實驗，充分考慮天文潮、風暴潮和洪水的相互作用，定量分析了不同徑流量對長江口不同區(qū)域的影響，并給出了在不同上游洪水流量和不同臺風強度組合情景下，洪水對長江口地區(qū)水位的影響以及長江口地區(qū)可能出現(xiàn)的高水位。

長江口；洪水；臺風風暴潮；潮洪相互作用

世界上約有60%的人口生活在河口海岸地區(qū)，隨著人類對河口地區(qū)開發(fā)利用的深度不斷加強，河口地區(qū)的海洋災害得到了越來越多人的普遍關(guān)注，我國河口海岸地區(qū)的風暴潮災害尤為嚴重（侯京明等，2011）。長江口作為亞洲第一大河的入海河口，該區(qū)域水動力特性復雜，不僅受到上游洪水與口外潮流的相互作用，同時還受風暴潮、巨浪和海平面上升等多方面動力因素的影響（Jie et al,2011；Shi et al,2000）。

長江口區(qū)域也是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，作為我國的經(jīng)濟、航運中心的上海就坐落于此。該區(qū)域的天文潮、風暴潮、海浪和洪水等水動力研究得到了國內(nèi)很多學者的關(guān)注（端義宏等，1997，2005；徐福敏等，2008）。洪水是長江口水位預報，特別是風暴潮過程期間水位預報必須考慮的重要因素之一，李國芳等（2006）基于大量樣本數(shù)據(jù)建立了長江口各站日均增水與大通流量增量之間的關(guān)系，并利用該關(guān)系，對潮汐模型計算的潮位進行了合理的校正。張金善等（2008）通過對風暴潮作用下，感潮河段水位變化進行分析，得出了最大增水位置受上游洪水和天文潮共同作用決定的結(jié)論。長江作為我國流量最大的河流，其流量最大的時間段恰好是臺風活動影響的高峰期，因此臺風風暴潮過程期間，長江上游洪水、天文高潮和風暴潮（俗稱“三碰頭”）相互作用現(xiàn)象在該區(qū)域表現(xiàn)明顯，其往往會對沿岸的堤防構(gòu)成嚴重威脅，引起嚴重的城市內(nèi)澇。開展該區(qū)域的風暴潮-天文潮-洪水等多要素耦合數(shù)值預報研究對于我國這一經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的防潮減災工作有著重要的意義。

本文分析了大通水文站的流量變化特征，采用基于有限元方法的ADCIRC模型，建立了長江口風暴潮-天文潮-洪水耦合數(shù)學模型，采用該耦合模型較好的模擬了影響長江口區(qū)域的典型風暴潮過程，定量研究了長江口不同區(qū)域洪水對總水位的影響，對不同上游洪水影響下，天文潮和風暴潮共同作用在長江口區(qū)域可能達到的高潮位進行了計算。

1 大通水文站特征分析

大通水文站位于安徽省池州市境內(nèi)，距離長江口約為624 km，洪水來源主要為長江上游來水，其表現(xiàn)為漲落水過程比較緩慢、峰型較為平坦、汛期受下游九華河出水頂托影響不明顯，水位流量關(guān)系相對簡單；枯季受長江下游潮汐影響顯著，水位流量關(guān)系復雜。大通水文站集水面積為長江流域的90%以上，作為潮區(qū)界上代表站，其流量能夠反映出整個長江徑流的變化。

根據(jù)2000-2013年大通水文站觀測資料，該站全年逐日平均流量為26 946 m3/s，汛期（6-10月）逐日平均流量為36 644 m3/s。此外大通水文站測得流量還表現(xiàn)出明顯的年際和月際變化特征，該站觀測到的最大年平均流量為34 932 m3/s，而最小年平均流量僅為21 218 m3/s；汛期的年際變化特征更為明顯，在統(tǒng)計年份內(nèi)，汛期最大平均流量為45 961 m3/s，最小平均流量僅為27 792 m3/s，汛期平均流量高于全年平均流量約30%左右（圖1）。汛期期間長江月平均流量均在35 000 m3/s以上，明顯高于其他非汛期月份的平均流量（圖2）。

圖1 2000-2013年逐年平均流量和逐年汛期平均流量分布

圖2 2000-2013年逐月平均流量分布

2 風暴潮、天文潮和洪水耦合模型介紹

2.1模型的控制方程

本文計算模型采用目前國際上使用較為廣泛的水動力模型ADCIRC，該模型基于有限元方法采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)可以實現(xiàn)，對沿岸水深地形的精細化處理，該模型具有處理徑流的能力，是目前國際上廣泛采用的水動力計算模型之一。初始條件為：ζ=u=v=0；海岸邊界的法向速度為0；模型包含了約562 968個計算格點，1 092 882個計算單元（圖3），對整個長江水道及長江口區(qū)域的水平分辨率在100 m左右。

2.2模型的參數(shù)設(shè)置

模型采用的水深數(shù)據(jù)來源于國家海洋環(huán)境預報中心業(yè)務(wù)化水深數(shù)據(jù)和國家海洋局公益性項目“海洋預報業(yè)務(wù)化系統(tǒng)模塊化構(gòu)建與應用示范”項目。耦合模型上邊界選在大通水文站處，對于海洋邊界采用16個主要分潮進行驅(qū)動，分潮來源于NAO99，分潮名稱分別為M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、2N2、J1、L2、M1、MU2、NU2、OO1和T2，1509號臺風路徑和強度數(shù)據(jù)來源于中央氣象臺臺風網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，9711號臺風路徑和強度來源于中國氣象局臺風年鑒。為了保證計算的穩(wěn)定性，計算的時間步長設(shè)定為1.5 s。該模型的驅(qū)動風場為目前被廣為采用的Holland模型風場。模型采用大通水文站實測流量作為上邊界驅(qū)動。圖4給出了長江口水深和選取的站點分布。由于調(diào)和分析計算所得水位包含了上游洪水的年平均值，因此在計算天文潮時，模型上邊界加入了洪水的年平均徑流量。

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格分布

圖4 長江口水深和主要站點分布

3 模型的計算結(jié)果與實測對比

由于1509號臺風風暴潮過程期間，大通水文站有完整的觀測資料，本文以此次臺風風暴潮過程為例，對風暴潮過程進行了數(shù)值模擬。

在數(shù)值模擬過程中，為了充分考慮上游洪水在長江河口區(qū)域與風暴潮、天文潮的相互作用，保證上邊界大通站處的水流能夠有足夠長的時間流到長江口區(qū)域，耦合數(shù)值模型的計算起始時間提前10天（整個計算時長為13 d）。由于過程期間大通水文站處長江徑流逐時變化不大，因此1509號臺風過程期間徑流量采用6 h間隔進行輸入。

圖5 臺風路徑分布

2015年第9號臺風“燦鴻”于6月30日20時生成于菲律賓以東洋面后，一直沿西北方向移動，并于7月9日23時加強為超強臺風。7月10日12時，“燦鴻”強度達到最強，中心氣壓為925 hpa，近中心最大風速58 m/s，臺風強度維持至19時。在臺風移向近岸的過程中，強度持續(xù)減弱，并于7月11日16時40分登陸浙江舟山市朱家尖鎮(zhèn)，登陸時臺風中心氣壓955 hPa，近中心最大風力14級，登陸后向東北方向移動，13日凌晨再次登陸朝鮮半島。此次風暴潮過程期間（6月30日02時至7月13日02時）的大通站平均流量達到53 028 m3/s，且逐時變化不大。圖6-圖9為本次過程期間長江口主要潮位站天文潮計算值和實測值的對比。此處的調(diào)和分析計算值是對潮位站1年實測數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析得到調(diào)和常數(shù)，由調(diào)和常數(shù)計算所得。圖10-圖13為本次過程期間長江口主要潮位站考慮過程期間洪水影響和未考慮洪水影響模擬值與實測值對比。

圖6 1509過程吳淞站天文潮調(diào)和分析計算值和模擬值對比

圖7 1509過程高橋站天文潮調(diào)和分析計算值和模擬值對比

圖8 1509過程崇明站天文潮調(diào)和分析計算值和模擬值對比

圖9 1509過程佘山站天文潮調(diào)和分析計算值和模擬值對比

圖10 1509過程吳淞站考慮汛期洪水與否模擬與實測值對比

圖11 1509過程高橋站考慮汛期洪水與否模擬與實測值對比

圖12 1509過程崇明站考慮汛期洪水與否模擬與實測值對比

圖13 1509過程佘山站考慮汛期洪水與否模擬與實測值對比

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，1509號臺風風暴潮過程期間，長江口主要潮位站天文潮模擬值和實測值的逐時平均絕對誤差不高于20 cm，模型能夠較好的反映了天文潮的變化情況。從圖10、圖11和圖12可以看到模型耦合過程期間洪水后對整個風暴潮過程計算結(jié)果明顯強于未耦合過程洪水的計算結(jié)果。整體來看，耦合洪水后各時刻總水位均呈現(xiàn)不同程度升高趨勢。1509號臺風風暴潮過程模擬中，上述四站的第5個天文高潮和天文低潮模擬值普遍高于調(diào)和分析計算值，這也是耦合洪水后模型對第5個高潮和低潮計算值偏高于實測值的主要原因；從長江口各站水位模擬對比圖中我們可以看到，位于長江口內(nèi)的潮位站耦合洪水后計算結(jié)果得到明顯改善，而位于長江口外的佘山站耦合洪水與否的計算結(jié)果相差不大（圖13）。

4 臺風期間長江口水位對上游洪水的敏感性分析

影響長江口地區(qū)的臺風主要有兩類路徑：一類是直接登陸型臺風，包括直接登陸長江口，甚至浙江沿海，由于其外圍環(huán)流大，長江口出現(xiàn)了較高潮位，如9711號臺風等；第二類為在長江口近岸轉(zhuǎn)向型臺風，如8114號臺風和1509號臺風（圖5紅線所示）等。為了研究未來長江口區(qū)域可能面臨的風暴潮災害風險，本文以9711號臺風路徑為例，將該路徑平移至正面登陸上海市，作為影響長江口區(qū)域的有利增水的臺風路徑（如圖5綠線所示），臺風強度分別采用9711號臺風登陸時的強度（中心氣壓960 hpa，近中心最大風力12級）和建國以來正面登陸長江口及其以北區(qū)域最強臺風（中心氣壓940 hpa，近中心最大風力16級）強度。考慮到天文潮的長周期變化特征，本文選取背景天文高潮位為吳淞站20年（2000-2019年）天文潮年最高潮位的平均值453 cm，且假定最大風暴增水疊加到天文高潮上。為了研究長江口區(qū)域不同地點的水位變化特點，本文還在吳淞站上游和下游50 km處各取一個點，分別取名為A點和B點，計算出此兩點的潮位變化。由于A、B點處無實測潮位數(shù)據(jù)，計算所得潮位均相對于平均海平面。

圖14 960 hpa臺風影響下，不同徑流量引起的吳淞潮位變化

圖15 940 hpa臺風影響下，不同徑流量引起的吳淞潮位變化

圖16 960 hpa臺風影響下，不同徑流量引起A點潮位變化

圖17 940 hpa臺風影響下，不同徑流量引起A點潮位

圖18 960 hpa臺風影響下，不同徑流量引起B(yǎng)點潮位變化

圖19 940 hpa臺風影響下，不同徑流量引起B(yǎng)點潮位變化

當以中心氣壓為960 hpa的臺風驅(qū)動耦合模型時，以大通站常年日平均流量26 946 m3/s作為上邊界時，吳淞站計算得到的總潮位為684 cm，高潮位增水達到231 cm；當以汛期日平均流量36 644 m3/s作為上邊界時，吳淞站計算得到的最高潮位是690 cm；當以汛期最大流量83 500 m3/s作為上邊界時，吳淞站計算得到的最高潮位是749 cm；考慮汛期洪水影響與否對高潮位的最大影響達到65 cm（圖14）；當以常年日平均流量作為上邊界時，上游A點處的計算得到的總潮位為472 cm，當以汛期日平均流量作為上邊界時，A點計算得到的最高潮位為493 cm，當以汛期最大流量作為上邊界時，A點計算得到的最高潮位為608 cm?？紤]洪水影響與否對A點高潮位的最大影響達到136cm（圖16）；當以常年日平均流量作為上邊界時時，B點處的計算得到的總潮位為500 cm，當以汛期日平均流量作為上邊界時，B點計算得到的最高潮位為507 cm，當以汛期最大流量作為上邊界時，B點計算得到的最高潮位為513 cm?？紤]汛期洪水影響與否對B點高潮位的最大影響僅為13cm（圖18）。

當以中心氣壓為940 hpa的臺風驅(qū)動耦合模型時，以大通站常年日平均流量作為上邊界時，吳淞站計算得到的總潮位為795 cm，高潮位增水達到342 cm；當以汛期日平均流量作為上邊界時，吳淞站計算得到的最高潮位是806 cm；當以汛期最大流量作為上邊界時，吳淞站計算得到的最高潮位是854 cm；考慮汛期洪水影響與否對高潮位的最大影響達到59 cm（圖15）。當以常年日平均流量作為上邊界時，上游A點處的計算得到的總潮位為588cm，當以汛期日平均流量作為上邊界時，A點計算得到的最高潮位為615 cm，當以汛期最大流量作為上邊界時，A點計算得到的最高潮位為739 cm?？紤]汛期洪水影響與否對A點高潮位的最大影響達到151 cm（圖17）；當以常年日平均流量作為上邊界時，B點處的計算得到的總潮位為646 cm，當以汛期日平均流量作為上邊界時，B點計算得到的最高潮位為649 cm，當以汛期最大流量作為上邊界時，B點計算得到的最高潮位為658 cm。考慮洪水影響與否對B點高潮位的最大影響僅為12 cm（圖19）。本文還給出了940 hpa強度臺風影響下，上游以汛期最大流量注水時，第49小時（高潮時）和第55小時（低潮）洪水對長江口水位影響分布圖（圖20和圖21），從圖中可以看出，在高潮時刻，由于海水的頂托作用，洪水影響位置相對集中于A點以上區(qū)域，但對水位影響明顯，而對B點以下區(qū)域影響不大；在低潮時刻，由于上游洪水下泄順暢，洪水影響范圍加大，一直影響到B點以下，但影響強度普遍偏弱。

圖20 高潮時洪水對總水位的影響分布圖

圖21 低潮時洪水對總水位的影響分布圖

5 分析與結(jié)論

本文以位于長江潮區(qū)界的大通水文站實測流量為基礎(chǔ)資料，分析了長江流量的日平均流量變化特征以及年際和月際變化特征，考慮到上游徑流對長江口潮位的影響，本文以大通站流量為模型上邊界，建立了一個基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的長江口風暴潮-天文潮-洪水耦合數(shù)值模型，通過與實測資料對比，該耦合模型成功的模擬了長江口地區(qū)潮位變化。耦合洪水后較未耦合洪水時能夠更好的模擬風暴潮過程期間長江口內(nèi)水位的變化。從兩次理想數(shù)值實驗的結(jié)果可以看出，在風暴潮、天文潮和洪水耦合作用過程中，風暴潮和天文潮對長江口水位的貢獻值最大。兩次不同強度臺風影響下，如果上游來水達到汛期日平均流量水平，洪水對吳淞區(qū)域總水位的影響在10 cm左右；即使上游來水達到83 500 m3/s的極端水平，洪水對吳淞區(qū)域總水位的影響也不超過60 cm。而在中心強度為940 hpa的臺風影響下，當上游來水達到83 500 m3/s的極端水平時，洪水對吳淞上游50 km處A點區(qū)域總水位的最大影響超過150 cm，洪水對吳淞下游50 km處B點的影響僅10余厘米。由此可見，洪水對長江口總水位的影響對區(qū)域所處的位置較為敏感，越往上游影響越大，而在下游口門處，洪水對總水位的影響輕微。洪水對沿岸潮位的影響僅取決于上游徑流量和測點位置，而與臺風強度關(guān)系不大。

本文計算得到了不同強度臺風登陸時，長江口不同區(qū)域可能面臨的高水位，量化了不同上游洪水量對長江口總水位的影響。為長江口沿岸地區(qū)的海岸工程風險排查以及海岸防潮減災工作提供了重要參考。

致謝：感謝上海水文總站同事們在水文資料獲取方面提供的大力幫助，在此一并致謝。

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（本文編輯：袁澤軼）

Study of flood's effects on the water level of the Yangtze Estuary area during the typhoon period

LIU Qiu-xing1,LI Cheng2
（1.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081,China；2.Shanghai Hydrology Administration,Shanghai 200232,China）

Estuarine areas are the intersection area between rivers and ocean.They are also influenced by the upstream flood,astronomical tide and storm surges comprehensively,and hydrodynamic environment is particularly complicated in the region.As the largest river in China-Yangtze River,the impact of upstream flood on estuarine areas are particularly evident along the coast.It often causes serious marine disasters when the astronomical high tide,maximum storm surges and peak run off superimposed synchronously(commonly known as‘three meet’).An astronomical tide-storm surge-flood coupled model based on unstructured grid which regards Datong Hydrological Station as the upper boundary is utilized to simulate the high water level near the Yangtze River estuary areas.The results are more consistent with the measured data through the typical storm surge process.In order to quantitatively analyze flood's effect and interaction between the astronomical tide, storm surge and flooding.Numerical experiments are designed to analyze the possible high level and the flood and storm surge's contribution to total water level under different upstream runoff and typhoon intensity near the Yangtze River estuary area.It will provide important reference to the Yangtze Delta area's marine disaster mitigation.

Yangtze Estuary;flood;typhoon storm surge;flood-storm surge interaction

P732.6

A

1001-6932（2017）02-0135-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.003

2015-09-17；

2016-02-04

海洋公益性行業(yè)科研專項（201205017）。

劉秋興（1982-），男，碩士，高級工程師，主要從事風暴潮預報和研究工作。電子郵箱：lqx@nmefc.gov.cn。