1960鄱陽湖湖流特性分析與研究

1960鄱陽湖湖流特性分析與研究

為了研究蕪湖湖流的運行法，我們在196年至1983年期間對47條河流進行了觀察，并在康山、塘影、都昌和星子湖流進行了觀測站。共搜集了兩萬余點次資料?，F(xiàn)依據(jù)這些資料,對鄱陽湖湖流特性進行分析與研究。一、湖流類型及大小鄱陽湖上納贛、撫、信、饒、修五河和區(qū)間的162225km2來水經(jīng)湖口下泄長江,其多年平均入江水量1457億m3,平均每秒鐘有4620m3的水量進出湖盆,從而形成了鄱陽湖最主要的湖流類型——吞吐流。鄱陽湖平均水深僅8.4m,是淺水湖,換水周期較短只有59d,加上擾動拌和作用強烈,由溫差而產(chǎn)生的密度流出現(xiàn)的機會較少,維持時間亦短。鄱陽湖的含沙量僅為長江的1/7,若遇水位、落差等條件具備,亦可產(chǎn)生異重流,只不過其出現(xiàn)的機會更少,影響范圍也很小。鄱陽湖水域寬廣,湖區(qū)是江西省大風集中區(qū)域,因而風生流是僅次于吞吐流的第二大湖流類型。吞吐流因流態(tài)、流向、湖面落差、湖口出流的差別即江湖關系而呈順暢型、倒灌型和頂托型。三種湖流典型分布見圖1,其分型指標如表1。二、吞咽流的時空變化規(guī)律鄱陽湖湖流與長江中下游的洞庭湖、太湖不同,有其獨特的運動規(guī)律。1.湖口站流速特征(1)日變化鄱陽湖出現(xiàn)順暢型湖流時,其日變化幅度一般為0.1—0.3m/s,流向穩(wěn)定少變;而出現(xiàn)頂托型和倒灌型湖流時,流速日變化幅度雖然絕對值較小,但其流向變化很大,一日之內,流向變化幾十度,甚至有時變化180°。當出現(xiàn)密度流時,湖流有明顯的日變化過程,如圖2所示。(2)年內變化由于長江、五河流域內降水季節(jié)性變化和江、湖、河洪水遭遇組合的差異以及湖盆的調蓄作用,形成了湖流的年內馬鞍型變化,如表2。(3)年際變化鄱陽湖湖流年際之間的變化,首先,表現(xiàn)在年年相似且基本呈馬鞍型變化。其次,表現(xiàn)在流速大小呈周期性波動,從湖口站年最大流速的調和分析、功率譜分析、最大熵譜分析結果來看,其主要顯著周期為11年,與五河入湖年水量的主要顯著周期相同。第三,吞吐流三種類型出現(xiàn)的時間長短也有明顯的差別。湖口站1950—1986年的37年中,順暢型出現(xiàn)的時間最長,多年平均天數(shù)為251d,占68.8%。其中1954年的最長,為301d;1958年的最短,為209d。頂托型出現(xiàn)時間,多年平均為87d,占23.8%。倒灌型出現(xiàn)時間最短,多年平均27d,占7.4%。其中1958年的最長47d,而1950,1954,1972,1977年卻未出現(xiàn)倒灌型湖流。第四,湖流年際變化幅度大且有顯著的湖域性差異,如表3所示。第五,湖流年最大流速逐年增大和頂托、倒灌不斷加重的趨勢明顯;將湖口站歷年最大流速,按5年劃分一個時段,并求得時段平均值。各時段的平均值與1956—1985年的平均值比較結果如下:1956—1960年平均值比多年平均值低6.3%;1961—1965年的低11.6%;1966—1970年的高7.9%;1971—1975年的平均值與多年平均值相等;1976—1980年的高1%;1981—1985年的高10.1%。由此可見,1966年以后流速有逐漸增大的趨勢。同樣,從湖口站歷年最大流速過程上也可明顯看到這一點。此外,還由于長江中下游洪水位日益抬高,長江對鄱陽湖的頂托、倒灌的頻次不斷增加,已由1966年以前的平均每年倒灌1.94次,增到1966年以后的平均每年2.7次,近10年平均每年發(fā)生倒灌3.2次。2.湖流場特征特征(1)大面分布由于五河入湖位置、入湖水量及其在時程分配上的差異和江湖、河湖關系,加上湖區(qū)微地形的影響使湖流在面上的分布變得十分復雜。湖流在湖面上分布總的特征是,湖的北部流速最大,南部次之,中部最小。在各部位中,主槽流速大于灘地且流速大小與距主槽的距離成反比,即離主槽愈遠,流速愈小。流向在主槽里較規(guī)則,順暢型和頂托型湖流沿著主槽由南向北流動,倒灌型則與之相反。灘地流向較為復雜,有旋流、環(huán)流、回流,甚至流向不定。按流場特征,全湖可分為4個典型湖域,湖流分布如表4。(2)垂直分布吞吐流順暢型湖流出現(xiàn)時,鄱陽湖呈河相,其水文特征基本與河流一致,流速的垂直分布同河流流速分布相近。分析14000余點次實測資料,其流速垂線分布接近對數(shù)曲線分布:式中,V為垂線上任意一點流速;Vmax為垂線上最大測點流速;V*為動力流速,;κ為卡爾曼常數(shù),鄱陽湖湖流實測資料分析得:κ=0.5;h為垂線水深;y為垂線上從河底向上起算水深。順暢型垂線平均流速Vcp與垂線最大流速Vmax之間的經(jīng)驗關系,各湖域都有所差異,其平均情況是:康山站(代表南部湖域)棠蔭站、都昌站(代表主湖區(qū))星子站(代表北部湖域)吞吐流倒灌型和頂托型湖流出現(xiàn)時,鄱陽湖呈湖相,具有獨特的湖泊水文特征。其流速流向分布比順暢型復雜得多,鄱陽湖1964年10月8日倒灌型湖流垂直分布見圖3。頂托型分布在垂直上更為復雜,隨著長江頂托、倒灌的強度、五河來水量、湖泊調蓄功能的變化,湖中各處的垂線分布均不相同,但仍遵循著面大、底小這一普遍的分布規(guī)律。3.水位與流速關系從圖4中可以看出:吞吐流在各級水位的變化特點是以水位接近漫灘點時流速最大。漫灘前,其水位與流速的關系同河流相似,即流速大小與水位高低成正比關系,水位在漫灘前越高流速就越大。漫灘后,水位與流速關系才顯示其湖泊特性,即流速大小與水位高低成反比,水位越高流速就越小。此外,從水位、流速綜合過程上亦可看到鄱陽湖吞吐流的特性:“低水似河流速大,高水是湖流速小”當湖流呈倒灌型時,流速與水位之間的關系較為復雜。從1950—1985年共發(fā)生倒灌90次,歷時492d。其中倒灌發(fā)生的最高水位是在1983年,為20.10m,最低水位是11.14m。倒灌主要發(fā)生在18m水位以下,占整個倒灌次數(shù)的94.4%。圖5揭示了倒灌與水位及長江流量之間的關系。三、湖域大風天氣鄱陽湖是江西省大風集中區(qū)域和風能豐富區(qū)。湖區(qū)多年平均風速3.8m/s,棠蔭站1982年4月8日實測最大風速為31m/s。瞬間最大風速在17m/s以上,或風力達8級以上的大風日數(shù)湖區(qū)多年平均24.4d。湖域水面上的風速一般比陸地大0.22—0.84m/s(10km),最多可達4m/s(10km)。湖區(qū)多年平均風能密度大于70W/m2,屬重點風能利用區(qū)。鄱陽湖目前通江面積為3210km2,容積為252億m3。風生流是鄱陽湖僅次于吞吐流的第二大湖流類型。1.吹偏南風時,數(shù)據(jù)分析不論哪種湖流類型,如有風影響,都同時存在風生流。風生流對湖面流態(tài)的影響程度,除風生流本身的強度外,還同各類型湖流的強度有關。(1)風向效應吞吐流順暢型和頂托型的流向是SW→NE,當吹偏北風時,風生流流向與其相反,致使吞吐流的流速減小,流向偏離。當吹偏南風時,其效應相反。倒灌型的流向與順暢型相反,其風向效應亦相反。(2)風生流與吞吐流的關系風生流是伴隨順暢型、倒灌型和頂托型的一種特殊流型。風生流流速(VW)與吞吐流水面流速(V水)之間的關系,可由風生系數(shù)(β)[等于風生流速(VW)除以水面風速(W0)]與吞吐流原水面流速(V水)及風向流向之夾角(α)的關系得知,其經(jīng)驗公式為:風生流除對吞吐流水平流動有影響外,還對吞吐流的垂線分布乃至整個流場都有較大的影響。如1970年7月27日10時棠蔭站(33號測點)受大于m/sSSW向風影響,形成水面與水底之間0.22m/s(7.7m)的流速切變和110°/7.7m的流向切變。當時整個主湖區(qū)的流場都與風前迥然不同。2.風生流對湖湖表層的影響(1)風生流的湖域性差異由于下墊面的不同而引起風場的不均衡,使風生流在湖口水道區(qū)、主湖區(qū)、五河入湖區(qū)、湖灣湖汊區(qū)的湖面流態(tài)各有差異。在湖口水道區(qū),水面較窄且水深較大,吞吐流終年都有較大的流速,風生流只能對吞吐流的表層流速起著增大或減小之作用。在主湖區(qū),湖面廣闊,吹程長.吞吐流強度又較弱,風生流的生成、發(fā)展及流場的調整、穩(wěn)定都有相當大的空間。風生流不但影響湖水表層,而且還由于補償流的需要,常在大風時形成較大范圍的風生環(huán)流。如在龍頭山東南多次出現(xiàn)直徑大于20km的大環(huán)流,吹南風時這個環(huán)流為逆時針;吹北風時為順時針。在主湖區(qū)中,又以老爺廟風區(qū)和瓢山風區(qū)的風生流強度大,常與風浪一起釀成海損事故。五河入湖區(qū)湖底地形復雜,且水深不大,風生流受到遏制,很難形成較大范圍的流動。在湖灣湖汊區(qū),吞吐流微弱,湖面也不開闊,風生流在此區(qū)得不到充分發(fā)育,只是對湖水表層有所影響。(2)風生流在時程上的變化鄱陽湖水淺且范圍較海洋小得多,風生流隨風場而迅速變化。受副高和大水體的共同影響,鄱陽湖在夏季,特別是小暑前后有明顯的風速日變化過程,即一日之內風速有一個起伏過程:通常是8h開始風速增大,至12—14h達到最大值之后又逐漸減小,至18—21h出現(xiàn)最小值。風生流比風速變化只滯后0.5—2h。鄱陽湖年內風向變化的特征是全年北風居多,唯夏南風盛行。全年多年平均偏北風出現(xiàn)頻率為56%,偏南風占30%。其中1月偏北風占68%,偏南風占14%;7月則與此相反,偏北風占30%,而偏南風卻占65%。湖心棠蔭站1月多年平均風速為3.4m/s,7月為4.6m/s。風場的分布決定了風生流在時程上的分布。同一風速所形成的同向風生流流速,7月比1月大一倍以上。3.湖陸風的南果梨酒鄱陽湖在夏季經(jīng)常處于太平洋副熱帶高壓的邊緣,地面多輻散和反氣旋的天氣形勢。由水-陸動力差異所造成的地方性風系對湖流的影響表現(xiàn)在:(1)湖陸風所形成的風生流由于水陸溫差的影響,鄱陽湖的湖陸風在夏季表現(xiàn)明顯:每天上午10h左右形成湖風吹向陸地,到14h風速達到最大值,傍晚19h左右形成陸風吹向湖面。湖陸風在湖的東部比西部明顯,南部大于北部?？瞪秸?965年7月14—18日實測湖流過程與湖陸風的過程相應。(2)颮線大風所形成的風生流颮線大風是鄱陽湖中地方性風系最強烈的一種,其特點是出現(xiàn)突然,持續(xù)時間短,風力大。如1981年5月2日9級北風,造成康山站壅水高達0.35m,按鄱陽湖的風生流經(jīng)驗公式計算得流速0.4