長(zhǎng)江口深水航道工程對(duì)北槽鹽度分布的影響

范中亞， 葛建忠， 丁平興， 潘靈芝

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

長(zhǎng)江口深水航道工程對(duì)北槽鹽度分布的影響

范中亞， 葛建忠， 丁平興， 潘靈芝

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

基于改進(jìn)的三維數(shù)值模式FVCOM，聚焦于北槽鹽度在工程一、二、三期建設(shè)過(guò)程中的變化情況.考慮徑流、潮汐和風(fēng)場(chǎng)的共同作用，數(shù)值模擬和定量分析在各工程階段特征時(shí)刻和半月潮周期平均鹽度分布特征.分析計(jì)算結(jié)果表明：一期工程后，等鹽線顯著下移.二期工程后，等鹽線繼續(xù)下移；1‰～5‰低鹽水控制范圍增大；中下段垂向混合變?nèi)?，部分時(shí)刻鹽淡水混合類(lèi)型從部分混合類(lèi)型變成高度分層型.三期工程后，1‰～5‰低鹽水控制范圍繼續(xù)增大；下段高鹽水上溯，相比工程前有少許增加.

長(zhǎng)江河口； 北槽； 深水航道工程； 鹽度分布

0 引 言

河口是人類(lèi)活動(dòng)密集地區(qū)，也是多種動(dòng)力因子相互作用的地帶.長(zhǎng)江河口段是鹽淡水混合最為劇烈的水域，加之各分汊河道的河槽形態(tài)、過(guò)水能力、分流量和潮波特性各不相同，鹽水入侵方式各不相同［1］.一方面鹽水入侵威脅了上海的飲用水安全，特別在枯季其入侵更為明顯；另一方面，鹽度影響細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降，是細(xì)顆粒泥沙輸運(yùn)十分關(guān)鍵的參數(shù)［2］.因此長(zhǎng)江口鹽度混合過(guò)程研究具有非常重要的意義.

長(zhǎng)江口深水航道工程的建設(shè)對(duì)河口鹽度的影響研究始于20世紀(jì)80年代.顧偉浩等討論了北槽作為深水航槽對(duì)鹽水入侵可能產(chǎn)生的影響［3］.匡翠萍等成功應(yīng)用三維數(shù)值模式模擬了長(zhǎng)江口攔門(mén)沙地區(qū)水流、鹽度［4］.羅小峰等通過(guò)三維數(shù)值模擬研究了深水航道工程后北槽鹽水入侵的變化，指出航道增深將加強(qiáng)鹽水入侵［5］.朱建榮、吳輝等基于改進(jìn)的ECOM模式，進(jìn)行了理想河口鹽水入侵動(dòng)力過(guò)程的模擬分析［6，7］.在此基礎(chǔ)上，吳輝、朱建榮等建立了一個(gè)高分辨力的三維水動(dòng)力、鹽度數(shù)值模式，對(duì)北支鹽水倒灌進(jìn)行了通量機(jī)制分析，并研究枯季深水航道工程對(duì)鹽水入侵的影響，得出深水航道工程后北槽鹽度上段增加，下段減小結(jié)論［8－10］.胡克林等通過(guò)對(duì)比一、二期工程后，鹽度洪季半月潮周期平均值的變化來(lái)分析深水航道工程對(duì)北槽鹽度分布的影響，指出二期工程后上段低鹽水入侵將增強(qiáng)，下段高鹽水入侵變化甚微［2］.

以上研究主要集中于工程前與工程一、二期之間鹽度分布變化及過(guò)程分析，在數(shù)值模擬上主要采用曲線結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型.本文在前人的基礎(chǔ)上應(yīng)用改進(jìn)的FVCOM模式［12］，模擬深水航道工程一、二、三期整治過(guò)程中北槽洪季鹽度變化過(guò)程，定量分析特征時(shí)刻北槽鹽度的空間變化過(guò)程，并分析潮周期平均值變化特征.

1 深水航道工程簡(jiǎn)介

長(zhǎng)江口深水航道治理工程采用“一次規(guī)劃，分期建設(shè)，分期見(jiàn)效”的原則，治理工程分三期實(shí)施，依次實(shí)現(xiàn)通航水深8.5 m、10.0m和12.5 m的建設(shè)目標(biāo).工程建設(shè)情況如圖1，1998年1月～2001年6月一期及一期完善段工程，其主體工程是建設(shè)總長(zhǎng)近40 km的南北導(dǎo)堤、分流口魚(yú)嘴和相連的潛堤、丁壩和約50 km航道范圍疏浚.2001年6月～2004年12月二期工程，完成主要的導(dǎo)堤、丁壩及航道疏浚.2006年9月～2009年4月三期工程，完成南導(dǎo)堤局部加高工程和長(zhǎng)興潛堤，三期工程以疏浚為主來(lái)達(dá)到12.5 m通航水深的目標(biāo).

圖1 長(zhǎng)江口深水航道工程布置圖Fig.1 Dike and groyne built during the Deep Waterway Project

2 數(shù)值模式設(shè)置與驗(yàn)證

2.1 模型簡(jiǎn)介

FVCOM模型是美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)建立的一個(gè)三角形網(wǎng)格、有限體積、三維原始方程組的海洋模式（Finite Volume Coastal and Ocean Model）.該模式最大特色是結(jié)合了有限元法易擬合邊界、局部加密與有限差分便于離散計(jì)算海洋原始方程組的優(yōu)點(diǎn)［11－13］.

考慮到長(zhǎng)江口深水航道工程的實(shí)際情況，導(dǎo)堤、丁壩高于平均海平面約0.2 m，高潮時(shí)被水淹沒(méi)，低潮時(shí)露出水面.大部分海洋模型使用緩坡度地形近似處理導(dǎo)堤、丁壩垂向結(jié)構(gòu).葛建忠等通過(guò)對(duì)FVCOM模式中導(dǎo)堤和丁壩的算法進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用于航道工程結(jié)構(gòu)引起的水動(dòng)力及溫鹽變化研究，該模式已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江口深水航道低鹽水分布和河口環(huán)流模擬［14－16］.

2.2 模型設(shè)置

本文應(yīng)用改進(jìn)導(dǎo)堤、丁壩模塊的FVCOM模式，計(jì)算區(qū)域包括了長(zhǎng)江口、杭州灣及鄰近海域，網(wǎng)格如圖2，陸架海域達(dá)1～5 km不等，河口區(qū)域網(wǎng)格分辨率達(dá)500 m.其中南支下段深水區(qū)域有著較高的網(wǎng)格分辨率，約為200 m.外海開(kāi)邊界以潮位驅(qū)動(dòng)，考慮8個(gè)主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1與 Q1，由東中國(guó)海模型提供［17］.上游開(kāi)邊界以實(shí)測(cè)流量給出，海面風(fēng)場(chǎng)使用QuickSCAT／NCEP風(fēng)速數(shù)據(jù)［18］.口門(mén)地區(qū)水深以工程階段實(shí)測(cè)資料給出［19］，口外水深以海圖數(shù)值化得出.

2.3 數(shù)值模式驗(yàn)證

利用歷年（2003～2009年）長(zhǎng)江口洪、枯季水文、鹽度調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，主要觀測(cè)站位如圖1所示，計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果吻合較好，限于篇幅，本文僅給出受航道工程影響較顯著的W3站點(diǎn)歷年鹽度資料驗(yàn)證結(jié)果和2009年8月南槽H0904站和北港口H0905站大潮期間流速鹽度驗(yàn)證結(jié)果（見(jiàn)圖3和圖4），站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1.從圖3中看出，W3站點(diǎn)的鹽度模擬結(jié)果精度很好，洪季與枯季都有明顯的鹽水入侵.圖4看出，洪季北港H0905站大潮期間鹽度始終較小，只在幾個(gè)時(shí)刻底層鹽度略大；H0904站鹽度相對(duì)較高，大潮期間鹽度變幅較大.總體上，改進(jìn)的FVCOM模式能較好模擬長(zhǎng)江河口鹽度場(chǎng)變化過(guò)程，在此基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)堤、丁壩等工程影響下的北槽鹽度變化過(guò)程進(jìn)行模擬分析.

圖2 長(zhǎng)江口深水航道高分辨率三角形計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 High-resolution triangular grids for Deep Waterway Project

圖3 北槽W3站點(diǎn)表層、中層、底層鹽度驗(yàn)證（實(shí)線：計(jì)算；黑點(diǎn)：觀測(cè)）Fig.3 Comparisions of surface，middle and bottom salinities between the modeled results（solid lines）and observed data（black points）at W3 station in North Passage

3 深水航道工程對(duì)鹽度變化的影響分析

為了研究深水航道工程不同階段對(duì)北槽鹽度分布的影響，模型設(shè)置了4個(gè)數(shù)值試驗(yàn).試驗(yàn)一（Case 97）采用1997年地形，對(duì)應(yīng)于工程前；試驗(yàn)二（Case 01）采用2001年地形，對(duì)應(yīng)于一期及一期完善段工程竣工；試驗(yàn)三（Case 05）采用2005年地形，對(duì)應(yīng)于二期工程竣工；試驗(yàn)四（Case 09）采用2009年地形，對(duì)應(yīng)于南導(dǎo)堤局部加高工程竣工（見(jiàn)圖1）.為討論深水航道工程對(duì)北槽鹽度分布影響，4個(gè)試驗(yàn)除導(dǎo)堤丁壩工程和水深隨工程各階段不同外，其他設(shè)置是相同的，包括計(jì)算起始時(shí)間，風(fēng)場(chǎng)使用QuickSCAT／NCEP遙感再分析數(shù)據(jù)，開(kāi)邊界由8個(gè)主要天文分潮調(diào)和常數(shù)合成給出，月均徑流量40 000 m3／s.在時(shí)間上分析各工程階段大潮漲憩時(shí)刻、落憩時(shí)刻和半月潮周期平均鹽度分布變化，在空間上分析北槽各段鹽度變化特征.

3.1 平面分布

圖5為4個(gè)數(shù)值控制試驗(yàn)半月潮周期平均中層鹽度分布（左）和對(duì)應(yīng)的大潮期間中層流速玫瑰圖（右）.工程前，北槽上段基本處于往復(fù)流，但與航道存在一定夾角，下段為旋轉(zhuǎn)流.由于科氏力作用使得落潮流南偏，北槽鹽度等值線向航道南側(cè)偏移.一期工程后，經(jīng)“導(dǎo)堤＋丁壩”束水導(dǎo)流作用，北槽上段落潮流速變大，同時(shí)流向基本與航道走向一致；由于新建丁壩，上段壩田區(qū)域流速明顯減??；中上段低鹽度等值線下移.北槽工程建設(shè)對(duì)相鄰汊道南槽和北港亦產(chǎn)生影響，靠近南導(dǎo)堤的南槽水域等鹽線上移，而靠近北導(dǎo)堤的北港水域等鹽線下移顯著.二期工程后，導(dǎo)堤工程已延伸到航道下段，航道下段流態(tài)也調(diào)整為往復(fù)流性質(zhì).同一期工程后類(lèi)似，新建壩田區(qū)域流速減小；北槽低鹽度等值線繼續(xù)下移.相鄰汊道等鹽線變化與一期工程后出現(xiàn)類(lèi)似特征，靠近南導(dǎo)堤的南槽水域等鹽線繼續(xù)上移，靠近北導(dǎo)堤的北港水域等鹽線繼續(xù)下移.由于科氏力的作用，漲潮流北偏和落潮流南偏，鹽度等值線在航道北側(cè)向上游凸起，反之，鹽度等值線在航道南側(cè)向下游延伸，這就可能產(chǎn)生因北槽橫向密度不同而導(dǎo)致的河口環(huán)流.三期工程主要以疏浚挖深為主，工程后航道中下段漲潮流流向更向北偏，與航道夾角變大；落潮流流向朝南偏，與航道夾角亦變大.航道下段水深在疏浚和導(dǎo)堤丁壩工程的共同作用下有顯著增深，從而下段高鹽水入侵有所增加，受西北方向漲潮流控制，其高鹽水主要在航道北側(cè).南導(dǎo)堤下段加高工程具有非常明顯的阻擋漲落潮流作用.

圖4 2009年8月H0904站和H0905站表層、中層、底層流速鹽度驗(yàn)證（實(shí)線：計(jì)算；黑點(diǎn)：觀測(cè)）Fig.4 Comparisions of surface，middle and bottom velocities and salinities between the modeled results（solid lines）and observed data（black points）at H0904 and H0905 station

3.2 斷面分布

圖6為大潮漲憩時(shí)刻沿航道斷面鹽度分布.從圖可看出，一期工程后，沿航道斷面等鹽線明顯下移.二期工程后，沿航道斷面等鹽線繼續(xù)下移，但下移強(qiáng)度有所減弱；航槽中下段垂向混合減弱，鹽淡水混合類(lèi)型從部分混合型變成高度分層型.鹽度如此變化是多種因素的綜合影響造成的.一方面，導(dǎo)堤丁壩的束流作用和航道加深，沿航道斷面流速有所增加，使得低鹽水下移強(qiáng)度增加，另一方面，由于中下段航槽挖深以及分流比的減小使得鹽水入侵上溯，外海高鹽水入侵強(qiáng)度增大，從而在中下段分層強(qiáng)度加大，垂向鹽度梯度增強(qiáng).同時(shí)，二期之后低鹽水控制范圍增大，低鹽度等值線有上溯趨勢(shì).而在三期之后，由于航道的持續(xù)挖深，高鹽水入侵強(qiáng)度明顯增大，20%的高鹽水可以上溯到航道中段，這主要是由于水深增大之后，外海高鹽水形成的斜壓梯度力增強(qiáng)，導(dǎo)致鹽水入侵增強(qiáng)所致.

圖7為大潮落憩時(shí)刻沿航道斷面鹽度分布.由于落潮流強(qiáng)度較大，航道主要被低鹽水控制，只有在航道下段出口處位置有明顯的高鹽水影響.從圖可得出.三期工程后，由于水深的增加，向陸的斜壓梯度力作用仍然較為明顯，航道下段仍存留高鹽水團(tuán).

以上主要是在典型潮汐時(shí)刻的鹽度分布特征，不足以完整表示航道工程對(duì)北槽鹽度分布的影響.通過(guò)計(jì)算半月潮周期（15 d）鹽度平均值可較好地反映出較長(zhǎng)時(shí)間尺度下濾去潮汐過(guò)程的“凈”的變化［2］.圖8為沿航道斷面半月潮周期鹽度平均值分布圖.可看出一期工程后，沿航道等鹽度線整體下移.二期工程后，中上段1‰等鹽線上溯至工程前位置，但5‰等鹽線下移很多，也就是小于5‰低鹽水控制范圍變大，其鹽度變化梯度變小.下段鹽度變化梯度增大，鹽水楔下移少許.出現(xiàn)如此鹽度變化現(xiàn)象原因可能是，漲潮過(guò)程南槽高鹽水越過(guò)南導(dǎo)堤進(jìn)入北槽上段，但由于導(dǎo)堤歸順?biāo)?、丁壩約束水流，故1‰等鹽線反彈回至工程前位置，而5‰等鹽線卻朝口外方向明顯下移.三期工程后，小于5‰低鹽水控制范圍繼續(xù)變大；由于航槽水深的增加，高鹽水形成的斜壓梯度力增加，下段鹽水入侵加劇，航道下段至出口處底部高鹽水顯著增加.

圖5 半月潮周期平均中層鹽度分布（左）和對(duì)應(yīng)的大潮期間中層流速玫瑰圖（右）Fig.5 Average salinities distributions in the middle layer during half a month（left）and feathers of current in the middle layer during spring tide（right）

圖6 大潮漲憩時(shí)刻沿航道斷面鹽度分布Fig.6 Profile distributions of salinity along the navigation channel at flood slack of spring tide

圖7 大潮落憩時(shí)刻沿航道斷面鹽度分布Fig.7 Profile distributions of salinity along the navigation channel at ebb slack of spring tide

圖8 沿航道斷面潮周期平均值鹽度分布Fig.8 Profile distributions of average salinity along the navigation channel

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用改進(jìn)的FVCOM高分辨率長(zhǎng)江口深水航道模式，考慮相同的徑流、潮汐和風(fēng)場(chǎng)的作用下，不同的工程階段岸界及地形，研究深水航道工程不同階段對(duì)北槽鹽度分布影響.

深水航道工程建設(shè)顯著的改變了北槽鹽度分布特征.一期工程后，整個(gè)北槽等鹽線下移.二期工程后，1‰等鹽線反彈至工程前位置，同時(shí)5‰等鹽線朝口外方向下移很大距離，也就是小于5‰低鹽水控制范圍增大.中下段垂向混合減弱，漲潮過(guò)程鹽淡水混合類(lèi)型從部分混合類(lèi)型變成高度分層型.三期工程后，1‰～5‰低鹽水控制范圍繼續(xù)增大，下段高鹽水上溯，相比工程前有少許增加.

總體上，深水航道工程建設(shè)后，沿航道剖面，低鹽水入侵并未改觀，中上段低鹽水控制范圍增大；中下段高鹽水入侵有少許增加；垂向上，鹽淡水混合減弱，漲潮時(shí)刻出現(xiàn)高度分層現(xiàn)象.鑒于長(zhǎng)江口北槽動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜、工程影響較大，本文所進(jìn)行的數(shù)值控制實(shí)驗(yàn)只能定性地對(duì)工程所產(chǎn)生的影響進(jìn)行模擬分析討論，實(shí)際鹽度分布和變化情況，還需做更多的觀測(cè)、分析和模擬工作持續(xù)研究.

［1］ 沈煥庭，茅志昌，朱建榮.長(zhǎng)江河口鹽水入侵［M］.北京：海洋出版社，2003：57-58.

［2］ HU K，DING P.The effect of deep waterway construction on hydrodynamics and salinities in Yangtze Estuary，China［J］.Journal of Coastal Research，ICS2009（Proceedings），2009：961-965.

［3］ 顧偉浩.長(zhǎng)江口南北槽咸水入侵—兼談開(kāi)挖北槽為深水航槽［J］.水運(yùn)工程，1985（2）：1-3.

［4］ 匡翠萍.長(zhǎng)江口鹽水入侵三維數(shù)值模擬［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，25（54）：54-60.

［5］ 羅小峰，陳志昌.長(zhǎng)江口水流鹽度數(shù)值模擬［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2004（2）：29-33.

［6］ 朱建榮，胡松.河口形狀對(duì)河口環(huán)流和鹽水入侵的影響［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003（2）：68-73.

［7］ 朱建榮，胡松，傅德健，等.河口環(huán)流和鹽水入侵Ⅰ：模式及控制數(shù)值試驗(yàn)［J］.青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，33（2）：180-184.

［8］ 吳輝.長(zhǎng)江河口鹽水入侵研究—北支倒灌、深水航道工程和冬季季風(fēng)的影響［D］.上海：華東師范大學(xué)，2006.

［9］ ZHU J R，DING P X，ZHANG L X，et al.Influence of the Deep Waterway Project on the Changjiang Estuary［G］／／WOLANSKI E.The Enviroment in Asia Pacific Harbors.Dordrecht Netherlands：Springer，2006：79-92.

［10］ WU H，ZHU J R.Links between saltwater intrusion and subtidal circulation in the Changjiang Estuary：A modelguided study［J］.Continental Shelf Research，2010，30：1891-1905.

［11］ CHEN C，LIU H，BEARDSLEY R C.An unstructured，finite-volume，three-dimensional，primitive equation ocean model：application to coastal ocean and estuaries［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2003，20：159-186.

［12］ CHEN C，COWLES G，BEARDSLEY R C.An unstructured grid，finite-volume coastal ocean model：FVCOM User Manual［R］.2th ed.SMAST／UMASSD Technical Report-06-0602，2006：45.

［13］ CHEN C，BEARDSLEY R C，COWLES G.An unstructured grid，finite-volume coastal ocean model（FVCOM）system［J］.Oceanography，2006，19（1）：78-89.

［14］ GE J，DING P，CHEN C，et al.Low-salinity plume in the Changjiang and adjacent coastal regions：a model-data comparison［C］.Proceedings of the 31stInternational Conference of Coastal Engineering Hamburg，Germany，2008：4471-4481.

［15］ GE J，CHEN C，QI J，et al.Beardsley，development and application of a dike-groin module with FVCOM：A river-coast ocean engineering case in the changjiang Estuary［C］.Submitted to Journal of Waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering，2010.

［16］ GE J，DING P，CHEN C.Imapcts of deep waterway project on local circulations and salinity in the Changjiang estuary，China［C］.Proceedings of the 32stInternational Conference of Coastal Engineering Shanghai，China，2010（in press）.

［17］ CHEN C，XUE P，DING P，et al.Physical mechanisms for the offshore detachment of the Changjiang diluted water in the East China Sea［J］.J Geophys Res，2008，113，C02002，DOI：10.1029／2006JC003994.

［18］ MILLIFF R F，MORZEL J，CHELTON D B，et al.Wind stress curl and wind stress divergence biases from rain effects on QSCAT surface wind retrievals［J］.J Atmos Ocean Tech，2004，21：1216-1231.

［19］ 潘靈芝，丁平興，葛建忠.長(zhǎng)江口深水航道整治工程影響下北槽河床沖淤變化分析［J］.泥沙研究，2011（5）：51-59.

Effect of the deep waterway project on the salinities in the north passage of the Changjiang Estuary

FAN Zhong－ya， GE Jian-zhong， DING Ping-xing， PAN Ling-zhi

（State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

Unstructured-grid Finite Volume Coastal and Ocean Model（FVCOM）has been applied on the north passage，Changjiang Estuary，to study the salinity distribution and its variations under the impacts of different phases of the deep waterway project（DWP）.Driven by the same forcings of freshwater discharge，tide and wind，the spring-neap-averaged and typical tidal moment’s salinity distributions under different phases of DWP are simulated and analyzed The modeling results show that the isohaline has been significantly pushed downstream after Phase I，and continued moving eastward after Phase II.At the same time，the controlling region of isohaline 1‰～5‰has smoothly increased and the vertical mixing effects seem be weakened from the middle to eastern parts of shipping channel.Strong stratification is revealed along the deep channel.After the Phase III，the controlling region of isohaline 1‰～5‰still increases with the upstream direction.The onshore saltwater intrusion has significantly intensified as the increased baroclinic gradient force due to deepened eastern channel.

the Changjiang Estuary； the north passage； the deep waterway project； salinity distribution

P731.2

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2012.04.022

1000-5641（2012）04-0181-09

2011-03

中荷戰(zhàn)略科學(xué)聯(lián)盟計(jì)劃（2008DFB90240）

范中亞，男，碩士研究生.

丁平興，男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)殛懞Ｏ嗷プ饔?E-mail：pxding＠sklec.ecnu.edu.cn.