金桂中，曾剑，唐子文，胡成飞

（1.浙江省绍兴市上虞区上浦闸管理局，浙江 绍兴 312351；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

入海河口的潮波特性受外海潮汐、上游径流、河床地形、风力风向、河床摩阻等自然因素及人类活动的共同作用，水动力变化过程比一般的内陆河流更加复杂（Cai et al，2018a；Ralston et al，2019；Cai et al，2018b；李薇等，2018）。近年来，随着全球气候变暖、海平面上升、集中暴雨多发，以及人类活动的加剧，尤其是河口地区的围垦工程建设，潮波特性出现了趋势性的变化（张锦文等，2000；张蔚等，2010；郭磊城等，2017；袁小婷等，2019）。潮波特性的变化直接关系到河口水流结构和水沙条件的调整，进而影响河口生态环境和资源的开发利用（Wang et al，2018），因此，备受工程学界与水文学界的关注（Cai et al，2018c；Cheng et al，2018）。

针对河口的潮波特性变化及其原因，国内外已有众多学者开展了研究工作。Yu 等（2013）采用数学模型计算分析了海平面上升引起的东中国海潮波的变化。Evelpidou 等（2012）研究了海平面上升对潮波变形的影响，海平面上升导致近岸地貌的演变，进而通过浅水地形的相对水深变化引起了潮波变形的变化。Jay 等（2015）采用小波分析方法分析了哥伦比亚河口的潮汐变化特征，探讨了径流的影响。莫丹锋（2013）分析了上海沿海潮汐变化趋势，研究得出上海沿海潮汐主要受海平面上升、上游洪水等因素影响。Zhang 等（2010）研究了珠江口大规模采砂后地形变化对潮汐特征的影响，一方面河口纳潮量增加，增强了潮汐上溯能力，潮差增大，另一方面由于水深增加，减小了底摩擦，从而导致涨潮历时增加。Gao 等（2014）基于数学模型研究了胶州湾大面积围垦对海域潮汐特征的影响，结果表明围垦工程加强了该海域的潮汐不对称性。Suh 等（2014）基于实测资料和数学模型研究了韩国仁川港附近海堤建设及围垦等人类活动对海域潮汐特征的影响，结果表明围垦等人类活动改变了海域的潮汐性质，由“落潮主导”转变为“涨潮主导”。

钱塘江河口是世界上典型的强潮河口，潮强流急，泥沙易冲易淤，河床冲淤剧烈，主槽摆动频繁，并且存在闻名中外的涌潮。同时，该河口也是受人类活动影响较大的河口之一，为治理河口实施了大规模的治江缩窄工程，河道宽度缩窄了（1/2）～（3/4）。尤爱菊等（2010）、韩曾萃等（2003）曾分析了钱塘江河口潮位的变化以及对治江缩窄的响应。

本文在前人研究成果的基础上，采用小波分析方法通过系统整理和分析钱塘江河口多年水文资料，研究了该河口潮波特性的变化规律，探讨大规模治江缩窄工程和径流变化对潮波特性的影响，以期掌握钱塘江河口潮波特性的响应机制，为河口的下阶段治理提供技术支撑。

1 基本资料与处理方法

用于潮波特性分析的基本资料是钱塘江河口设有的闸口、七堡、仓前、盐官、澉浦和乍浦共6 个长期潮位站的观测数据。各潮位站所在位置见图1。

图1 钱塘江河口潮位站分布及治江缩窄工程进展图

其中，闸口、七堡两站代表河口上段，仓前、盐官两站代表河口中段，澉浦和乍浦两站代表河口下段。上述6 个潮位站拥有连续65 年（1953—2017 年）的年平均高潮位、年平均低潮位、年平均潮差，以及年平均涨潮历时等时间连续资料。此外，为了讨论潮波变形的相关影响要素，还收集和整理了相应时间段的钱塘江河口径流及治江缩窄工程的围涂资料。

利用小波分析法处理上述6 个潮位站潮波特征值的时间序列，分析其变化规律。首先对潮波特征值时间序列数据进行标准化处理，将实测时间序列转换为标准化时间序列。然后，通过多次试验对比，选用对潮波特征值序列分解重构效果较好的Daubechies 小波系中的db5 小波对时间序列进行4级快速小波分解，对相应的低频序列进行单支重构，得到重构后的各站潮波特征值的低频序列。最后，对低频序列进行趋势性分析。

2 钱塘江河口潮波变化趋势

2.1 年平均高、低潮位及潮差的沿程变化

图2 是1953 年与2017 年钱塘江河口6 个潮位站的年平均高潮位、年平均低潮位的沿程分布情况。由于河口环境发生了较大的改变，使得无论是高潮位还是低潮位都有不同程度的抬升，各潮位站的高、低潮位的抬升幅度见表1。

图2 钱塘江河口年平均高、低潮位沿程变化（1953 年和2017 年）

表1 沿程各观测站点年均高、低潮位的抬升幅度（1953 年和2017 年）

高潮位时，河口下段的乍浦站水位抬升幅度最大，超过0.70 m，沿河口向上游水位抬升幅度逐渐减小，至闸口站抬升幅度约为0.40 m 左右。低潮位时，河口下段的澉浦和乍浦站的水位抬升不明显，甚至有下降的倾向，而在河口中段的盐官站水位抬升幅度达到最大，超过1.60 m，相邻的仓前站水位抬升幅度也达到0.70 m 以上，在七堡和闸口站的河口上段水位抬升幅度相对较小，约为0.20 m左右。

图3 为1953 年与2017 年钱塘江河口沿程各站年平均潮差变化幅度的比较。由图可知，钱塘江河口沿程各站的年平均潮差，在不同河段呈现不同的变化。近65 年来，河口下段的澉浦和乍浦站潮差增大了0.60 耀0.80 m；上段的闸口和七堡站潮差增大了0.20 m；而中段仓前及盐官站由于年平均低潮位的抬升幅度远大于年平均高潮位的抬升，因此该河段的潮差在减小，仓前及盐官站潮差分别减小了0.26 m 及1.00 m。

图3 钱塘江河口沿程年平均潮差变化（1953 年和2017 年）

2.2 年平均高、低潮位的年际变化

图4 和图5 分别为钱塘江河口各站的年平均高潮位和年平均低潮位随年份的变化图。由图4 可知，1953—2017 年，钱塘江河口的年平均高潮位显示出抬升的趋势，各站抬升幅度不同，且抬升的过程存在明显的差异。河口上段的闸口、七堡两站年平均高潮位随时间表现出非常相似的波动式抬升过程。两次较明显的抬升过程，分别发生在1953—1972 年和1982—1999 年期间，抬升幅度分别为0.30 m 和0.20 m。其后，两站的高潮位基本平稳。河口中段的仓前、盐官两站年平均高潮位第一次抬升与闸口、七堡站的第一次抬升几乎同步，抬升幅度略小。但1982—2017 年，两站的年平均高潮位呈现持续抬升的现象，在1982—2017 年间，两站分别抬升了0.30 m 和0.50 m。河口下段的澉浦、乍浦两站年平均高潮位自20 世纪60 年代中期以来，一直以大约1.1 cm/a 的速度持续抬升，尽管抬升过程中亦出现波动，但是波动情况与上游河段的波动截然不同，这表明在上、下河段高潮位抬升过程中的主要影响要素存在差异。

图4 各站年平均高潮位趋势图

图5 各站年平均低潮位趋势图

由图5 可知，钱塘江河口各站的年平均低潮位也随时间呈现出不同的变化特征。河口上段的闸口、七堡两站的年平均低潮位在1953—1982 年期间，呈现与年平均高潮位同样的变化趋势，出现一次较大抬升与降低的过程，抬升幅度达0.40 m。之后，两站的低潮位基本趋于平稳。河口中段的仓前、盐官两站年平均低潮位在抬升过程中存在年际波动，波峰与波谷分别位于1973 年和1999 年，而1999 年以后，两站呈加速抬升的趋势。在河口下段的澉浦与乍浦两站虽然分别呈抬升或下降的趋势，但变幅不大，1953—2017 年，澉浦低潮位仅抬升了约0.05 m，而乍浦的低潮位则下降了0.10 m。

2.3 年平均潮时的年际变化

图6 为钱塘江河口各站1957—2017 年的年平均涨潮历时随时间的变化趋势，表2 为这60 年来各站涨潮历时的变化幅度。由图表可知，钱塘江河口的年平均涨潮历时除乍浦外均出现较明显地缩短，缩短幅度为20 耀40 min，年均缩短约0.5 min。闸口站尽管在1957—1972 年期间年平均涨潮历时略有增长，但随后反转为缩短，近年呈现出相对稳定的微缩短趋势。澉浦站的年平均涨潮历时随时间的变化类似于闸口站，1957—1972 年期间略有微幅增长，随后持续缩短，由20 世纪70 年代的5 颐32 缩短到如今的4颐56。而乍浦的年平均涨潮历时却略有增长，增幅约10 min。

图6 年平均涨潮历时趋势图

表2 沿程各站涨潮历时的变化

2.4 年平均潮差的变化周期

无论是年平均高潮位还是低潮位都表现出随时间波动的周期性特征，并且河口上、下段潮波变化的规律存在差异。为了解该河口潮波周期变化的特点，通过小波分析法的分解和低频重构，获得表3所示各站潮差的变化周期。

表3 各站年平均潮差的周期成分

表3 显示钱塘江河口上、下段潮波变化的主周期明显不同，河口上、中段的闸口、盐官等站年平均潮差主周期均为21 a，而河口下段的澉浦和乍浦站主周期为30 a 左右。为此，对比了钱塘河口年平均径流量的周期变化，发现65 a 以来钱塘江河口径流量的变化周期也为21 a（曾剑等，2010），这正与河口上、中段的闸口、盐官等站的主周期相一致；而河口下段的澉浦、乍浦站潮波具有11 a、18 耀19 a 以及29 耀30 a 的变化周期，这恰好又与外海潮汐的11.1 a、18.6 a、29.9 a 的变化周期相互吻合。由此可见，盐官站以上河段的潮波受上游径流的影响较大，澉浦站以下河段的潮波受外海潮波的影响较大。

3 影响因素分析

河口区潮波变化的影响因素有很多，如外海潮波系统变化、海平面上升、河床冲淤变化、治江缩窄和涉水工程建设等气象变化、径流和人类活动。其中，海平面上升对杭州湾潮汐特征的影响，潘存鸿等（2019）已开展过相关研究，本文不做赘述。河床冲淤变化则与治江缩窄工程和径流变化息息相关，因此本文在前人研究成果的基础上，重点探讨治江缩窄工程及径流变化对钱塘江河口潮波特性变化的影响。

3.1 治江缩窄工程的影响

钱塘江河口剧烈的河床变化、频繁的主槽摆动、涨坍无常的两侧岸滩给防洪御潮以及淡水、航运、滩涂等资源的开发利用带来极大的困难。为了减弱上述不利因素，20 世纪60 年代初明确了减少进潮量、加大径流与潮流比值的治理原则，制订了全线缩窄江道的整治规划方案。该方案的主要工程措施是乘淤涨高滩的时机分片分期筑堤围涂，逐渐达到规划堤线，至2017 年底，钱塘江河口浙江水域共围涂面积1 305 km2。治江缩窄工程进展如图1所示，从中可知，该工程总体上由闸口开始自上而下逐步推进。20 世纪60 年代前，钱塘江河口仅有闸口—七堡河段的零星围涂。20 世纪60—70 年代为大规模围涂期，共围550 km2，主要集中在七堡—盐官河段以及曹娥江口门附近。20 世纪80—90 年代，围涂重点在盐官—澉浦间的尖山河段。进入21 世纪，围涂重点逐步下移至澉浦以下河段。治江缩窄后，闸口断面河宽由1.2 km 缩窄至0.9 km，盐官断面由11.9 km 缩窄至2.8 km，澉浦断面由20.6 km 缩窄至16.5 km ，如表4 所示，其中，仓前—盐官河段的河宽缩窄幅度最大，缩窄了3/4。

表4 钱塘江河口治江缩窄前后河宽变化（km）

治江缩窄工程改变了钱塘江河口平面形态，必然引起江道地形、水流运动等河口环境的相应调整，主要体现为以下3 点：淤随着围涂面积的增加，河口水域面积、河床容积不断减小，特别是盐官—澉浦河段淤积幅度最大；于河口上、中段河道宽度大幅度缩窄，河流特性增强；盂从时间上看，治江缩窄工程自上向下逐年实施，对不同河段产生的影响具有时间的特征。

为了分析潮波特性对治江缩窄工程的响应关系，点绘了低频重构的高潮位、低潮位、潮差以及涨潮历时与围涂累计面积的时序关系。结果表明：低频重构的高潮位、涨潮历时与围涂累计面积具有良好的相关性，如图7、图8 及表5 所示，相关系数在0.8 以上，围涂面积越大高潮位抬升越高，涨潮历时缩短越多，而且越往下游其相关性越好；而低潮位、潮差与围涂累计面积的相关性，不同河段存在差异，其中，河口下段两者具有良好的相关性，而上、中段两者相关性不明显，其原因分析如下。

图7 低频重构高潮位与围垦面积的关系

图8 低频重构涨潮历时与围垦面积的关系

表5 沿程各站高潮位、涨潮历时与围涂面积的相关系数

（1）河口下段的潮波特性响应关系

钱塘江河口治江缩窄工程主要集中在澉浦以上河段。江道缩窄后，一方面引起缩窄段下游河床淤积，河道容积减少，致使水深较浅的淤积区低潮位抬高，潮波变形加剧，涨潮历时缩短，浅水效应增强；另一方面促进了潮波能量集中，加剧潮波反射，导致低潮位降低、高潮位抬高，潮差增大。两者综合结果，钱塘江河口治江缩窄造成河口下段的高潮位抬高，潮差增大，澉浦低潮位抬升，涨潮历时缩短。这种响应关系随着围涂面积的增大愈加显著，致使河口下段的澉浦、乍浦两站高潮位、潮差与围涂累计面积的相关系数高达0.99。

（2）河口上、中段的潮波特性响应关系

河口上、中河段，潮波特性的变化不仅与围涂面积有关，还与治江缩窄工程的位置及其进展过程有关；此外，由于该河段的径流与潮流比值较大，与径流大小也有密切关系。因此，盐官站以上河段的潮波特性变化受到多要素影响，与围涂累积面积的单要素相关性略差。

河口上、中段的高潮位和涨潮历时，一方面受制于下游侧的澉浦高潮位的持续抬高，涨潮历时的持续缩短；另一方面，治江缩窄工程使得河口上、中段河道宽度大幅度减小，纳潮量减少，河流特性增强。根据质量守恒定理，在相同的径流量的情况下，河道宽度缩窄后假若流速不变，则需增加水深，水位抬升，但在通常情况下，河宽缩窄将同时导致水位抬升和水流速度增强。综合两者结果，钱塘江河口治江缩窄造成河口上、中段的高潮位抬高，涨潮历时缩短。而河口上、中段的低潮位，与围涂累计面积相关性较差，可见治江缩窄不是造成低潮位变化的主要因素。其变化主要受制于径流的丰枯变化及其引起的河床冲淤等因素。

由上可知，钱塘江河口的治江缩窄工程加剧了河口下段的潮波变形和潮波反射，增强了河口上、中段的河流特性，导致高潮位抬升、涨潮历时缩短，是造成潮波特性变化的主要原因。

3.2 上游径流的影响

河口的水流结构由径流与潮流两部分组成，径流的变化直接影响径、潮流力量的对比。上游径流量大，则涨潮量减少，涨潮历时缩短，落潮历时延长，落潮量增加；径流量小，则涨潮流量增加，涨潮历时延长。径流的大小对潮波的影响体现在流速和潮位两个方面，而流速的改变自然会导致输沙、河床地形的变化。钱塘江上游径流变化的影响主要表现为以下两个方面：

（1）径流大小直接影响河口水位的高低。在盐官站以上河段，径流大时河槽容积内水量增多，水位抬高；径流小时河槽容积内水量减少，水位降低。上游径流的影响在钱塘江河口表现如图7 所示。闸口、七堡、仓前、盐官等站高潮位的直线抬升过程之上，叠加了与径流变化周期相一致的波动过程。此外，河宽缩窄使得径流强度相对增强，提高了径流与潮流的比值，使得涨潮历时缩短、进潮量减少。

（2）通过输沙、河床地形的变化间接导致潮波特性的变化。钱塘江河口纵向上存在庞大的水下沙坎。在径流和潮流的交互作用区，因河床宽广、易冲易淤的河床质、强劲多变的双向水流等原因导致泥沙输移复杂，河床冲淤剧烈，主槽摆动频繁（曾剑等，2010）。在该河口潮流倾向于将口门外泥沙带入口门内，径流则倾向于将口门内泥沙带出口门，在径流与潮流的拉锯式力量对峙之下这种输沙规律造就了钱塘江河口河床冲淤变化的动态平衡。表6 列出了年均径流量及闸口至盐官河段各统计期内平均高潮位下河槽容积的均值变化。由表可知，径流量的周期性变化显著影响了年际间的河床冲淤。枯水期，河床淤积，河槽容积缩小；丰水期，河床冲刷，河槽容积扩大。地形地貌的调整势必影响到潮波特性的变化。以七堡站为例，其年平均低潮位、潮差与年均径流量的关系如图9 所示，可见潮差与径流量呈正相关，即径流量增大，潮差增大，而低水位与径流量呈负相关，即径流量增大，低水位下降。因此，径流量大小变化正是通过流速变化改变河床地形而间接影响潮波特性。

表6 径流偏丰期与偏枯期的河槽容积变化

图9 七堡站年平均低潮位和潮差与年均径流量的关系

4 结语

本文利用小波分析方法研究了钱塘江河口潮波特性的长期时空变化规律，并结合钱塘江河口治江缩窄工程和上游径流变化，探讨了钱塘江河口潮波特性变化的原因。自1953 年以来，钱塘江河口呈现出高潮位显著抬升，涨潮历时缩短，低潮位在河口上段略有抬高、中段大幅抬升、下段变化不大的趋势。河口各测站之间的潮波特性变化除了显示出空间上的差异外，随时间变化也明显不同，这是因为不同河段的主导动力要素相互异同，反映了不同阶段治江缩窄工程的历史过程。钱塘江河口的治江缩窄工程加剧了河口下段的潮波变形和潮波反射，增强了河口上、中段的河流特性，导致高潮位抬升、涨潮历时缩短，是造成潮波特性变化的主要原因。此外，在河口上、中段，径流与潮流力量对比中的径流影响不容忽视，径流除了直接影响潮位变化外，还通过流速变化改变河床地形而间接影响河口潮波特性。

随着钱塘江河口治江缩窄工程的完成，河口环境及潮波特性将会在数年后达到新的动态平衡状态。然而，近年由于全球气候变暖所导致的海平面上升、降水格局的改变，特大洪水、强风暴的出现概率都大幅提高。这些要素在今后的钱塘江河口治理中应引起足够的重视。