長(zhǎng)江河口鹽水入侵?jǐn)?shù)值模擬研究

楊同軍 ，王義剛 ，黃惠明 ，3，袁春光

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021；2.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

長(zhǎng)江河口鹽水入侵?jǐn)?shù)值模擬研究

楊同軍1，2，3，王義剛2，黃惠明2，3，袁春光2

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130021；2.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

長(zhǎng)江河口鹽水入侵一直是困擾上海市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的一個(gè)重大問(wèn)題。文章通過(guò)建立“長(zhǎng)江口—杭州灣”大范圍的二維水流鹽度數(shù)學(xué)模型，在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了長(zhǎng)江口鹽水入侵總體格局、北支鹽水倒灌、南支鹽度分布格局等問(wèn)題，并指出由于橫沙通道的漲落潮流不平衡，北槽會(huì)有部分鹽水倒灌進(jìn)入北港；基于數(shù)學(xué)模型，對(duì)北支倒灌鹽通量進(jìn)行了初步計(jì)算。

鹽水入侵；二維數(shù)學(xué)模型；鹽水倒灌；鹽通量；長(zhǎng)江河口

Biography：YANG Tong-jun（1987-），male，assistant engineer.

河口是河流與海洋相互混合的過(guò)渡地帶，其中蘊(yùn)含著豐富的物質(zhì)資源。作為中國(guó)第一大河的長(zhǎng)江在我國(guó)最大城市上海市入海，不僅為臨近沿海城市港口、航運(yùn)、漁業(yè)等的發(fā)展提供了便利，同時(shí)還為上海市的居民生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了豐富的淡水資源。但是由于長(zhǎng)江口其特殊的地理位置及“三級(jí)分汊，四口入?！钡母窬?，河口地區(qū)時(shí)常有鹽水入侵現(xiàn)象發(fā)生，枯季大潮期間尤為嚴(yán)重。特別是近年來(lái)隨著長(zhǎng)江流域重大水利工程三峽及南水北調(diào)的實(shí)施及長(zhǎng)江口北槽深水航道治理工程的完工，必然導(dǎo)致長(zhǎng)江上游來(lái)水的季節(jié)分布及長(zhǎng)江口北槽河勢(shì)發(fā)生變化，這都會(huì)對(duì)長(zhǎng)江口鹽度的時(shí)空分布及鹽水入侵格局產(chǎn)生一定的影響。

圖1 長(zhǎng)江口水文測(cè)驗(yàn)布置示意圖Fig.1 Sketch of hydrologic survey in the Yangtze River Estuary

我國(guó)對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵的研究始于20世紀(jì)60～70年代［1-2］，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，眾多學(xué)者利用實(shí)測(cè)資料分析及數(shù)值模擬等方法對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵的時(shí)空分布［3-5］、北支鹽水倒灌及其通量［6-8］、鹽水入侵對(duì)重大工程［9-10］及水文氣象條件變化［11-12］的響應(yīng)等方面進(jìn)行了深入的研究。

文章依據(jù)長(zhǎng)江口枯季的水文鹽度實(shí)測(cè)資料，利用丹麥DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKE21 FlowModel FM無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格水動(dòng)力（HD）模塊及其附屬的溫鹽（TS）輸移模塊，建立“長(zhǎng)江口—杭州灣”二維水流鹽度數(shù)學(xué)模型，在驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)上，對(duì)枯季長(zhǎng)江口流場(chǎng)及鹽度的時(shí)空變化特征進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)北支鹽水倒灌過(guò)程及倒灌鹽通量進(jìn)行了初步計(jì)算。

1 二維潮流鹽度數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證

根據(jù)以往的研究［13-14］，長(zhǎng)江口枯季大潮間鹽水入侵現(xiàn)象最為嚴(yán)重，最遠(yuǎn)可上溯至江陰附近，同時(shí)，長(zhǎng)江口與杭州灣之間的水體和鹽度交換對(duì)精確模擬長(zhǎng)江口鹽水入侵至關(guān)重要。因此，模型范圍為上游至江陰驗(yàn)潮站，北至江蘇呂四港附近，南至浙江象山縣，東部外海開(kāi)邊界距離北槽深水航道約120 km的大范圍海域。模型模擬時(shí)間為2002年2月28日～3月9日共10 d，驗(yàn)證資料為長(zhǎng)江口水域同步全潮水流鹽度實(shí)測(cè)資料，模型計(jì)算均以1985國(guó)家高程基準(zhǔn)為基準(zhǔn)面。模型驗(yàn)證點(diǎn)見(jiàn)圖1。模型共包含45 712個(gè)網(wǎng)格單元，23 977個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格空間步長(zhǎng)外海開(kāi)邊界處最大為7 050 m，北支青龍港及北槽深水航道處最小分別約為300 m、450 m；時(shí)間輸出步長(zhǎng)為30 s，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)由CFL數(shù)控制。具體的模型網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 模型范圍及網(wǎng)格Fig.2 Model scope and mesh

1.1 控制方程

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)系；g為重力加速度；η為相對(duì)于計(jì)算基面的水位；h為全水深，若d為靜止水深，則 h =η+d；、分別為垂線平均流速在x、y方向上的分量；f=2Ωsinφ為科氏力參量，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為地理緯度；S為水流源匯項(xiàng)流量；vs、us為源匯項(xiàng)流速分量；Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)；ρ為海水密度；ρ0為參考密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應(yīng)力張量；τsx、τsy分別為海面風(fēng)摩阻在 x 、y 方 向上的分量；τbx、τby分別為海底摩阻在x、y方向上的分量；Txx、Txy、Tyy為水質(zhì)點(diǎn)側(cè)向應(yīng)力，該模型采用Smagorinsky公式［15］計(jì)算水平渦粘系數(shù)，；為垂線平均鹽度；Fs為鹽度水平擴(kuò)散項(xiàng)；ss為鹽度源匯項(xiàng)。

1.2 模型離散、參數(shù)的選取及定解條件

（1）MIKE21模型中空間離散采用有限體積法；時(shí)間離散可以采用一階顯式歐拉法或者二階龍格—庫(kù)塔方法，由于模型范圍較大，為減少計(jì)算時(shí)間，模型的時(shí)間離散采用一階顯式歐拉法求解。

（2）底部糙率根據(jù)模型區(qū)域水深及床面形態(tài)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試后取為0.01～0.02之間。

（3）模型水平渦粘系數(shù)A計(jì)算中cs取為0.28；鹽度水平擴(kuò)散系數(shù)AH主要是由水流的紊動(dòng)引起的，模型中取AH=A。

（4）模型的外海開(kāi)邊界由全球潮波模型［16-17］預(yù)報(bào)潮位驅(qū)動(dòng)，上游邊界采用江陰驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)潮位控制；固壁邊界法向流速為0，對(duì)于潮灘較大區(qū)域，模型中引入干濕網(wǎng)格判別技術(shù)；對(duì)于鹽度邊界條件，南邊界自西向東采用15‰～30‰線性插值，東邊界自南向北為30‰～35‰線性插值，北邊界自西向東為25‰～35‰線性插值，上游開(kāi)邊界取鹽度梯度為0。

（5）模型的初始條件，水動(dòng)力模型采用冷啟動(dòng)方式，初始水位、流速及流向皆為0；對(duì)于鹽度輸運(yùn)模型，經(jīng)過(guò)9個(gè)月的反復(fù)計(jì)算后得到的鹽度場(chǎng)作為初始鹽度。

1.3 模型驗(yàn)證

由于實(shí)測(cè)點(diǎn)位較多，潮位的驗(yàn)證選取上游的徐六涇及北槽頂端的橫沙站進(jìn)行驗(yàn)證，因?yàn)橐?jì)算北支倒灌鹽通量，北支涌潮現(xiàn)象的精確模擬對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，選取青龍港站進(jìn)行驗(yàn)證；潮流在徐六涇附近、南北支各選一點(diǎn)進(jìn)行大、小潮驗(yàn)證；鹽度僅選擇代表性站位進(jìn)行大潮的驗(yàn)證。

圖3 全潮潮位驗(yàn)證圖Fig.3 Validation of tidal level process

圖6 大潮鹽度驗(yàn)證Fig.6 Validation of salinity during spring tide

由圖3～圖6可知，潮位、潮流的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料較比較吻合，能夠反映長(zhǎng)江口漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，并且由口門至口內(nèi)漲潮歷時(shí)縮短、落潮歷時(shí)延長(zhǎng)的基本特征，其中北支青龍港站的潮位模擬結(jié)果漲潮歷時(shí)明顯小于落潮歷時(shí)，潮位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值也比較吻合，說(shuō)明該模型對(duì)北支涌潮現(xiàn)象的模擬比較準(zhǔn)確。模型的鹽度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合，能夠反映長(zhǎng)江口鹽度的變化趨勢(shì)，由Y4、Y5、Y8、Y9、Z5的鹽度模擬結(jié)果對(duì)比以及Z1、Z6、Z9的鹽度，模型較好地模擬了長(zhǎng)江口南支鹽水入侵形勢(shì)及北支的高鹽水狀況，結(jié)果可以用其來(lái)分析長(zhǎng)江口枯季期間的鹽水入侵現(xiàn)象。

由圖7可知，模型很好地模擬了長(zhǎng)江口流態(tài)。對(duì)整個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，杭州灣流速最大，外海水域開(kāi)闊，流速較小。長(zhǎng)江口水流北支由于大潮時(shí)涌潮存在，漲潮流速特別大，落潮流相對(duì)較小。對(duì)于南支水域，總體來(lái)說(shuō)落潮流速大于漲潮流速，且越往上游這種現(xiàn)象越明顯。同時(shí)，由圖7可以看出，北槽與北港會(huì)通過(guò)長(zhǎng)興島與橫沙島之間的橫沙通道進(jìn)行水流的交換，因此必然存在鹽度的交換，且漲潮流速大于落潮流速，這種水流結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)通道兩側(cè)的鹽度分布產(chǎn)生影響。

圖7 長(zhǎng)江口大潮流場(chǎng)圖Fig.7 Current field of the Yangtze River Estuary during spring tide

2 長(zhǎng)江口枯季鹽水入侵分析

2.1 鹽水入侵的時(shí)空變化

長(zhǎng)江口外海鹽水入侵主要有北支、北港、北槽、南槽四條路徑，大潮及中潮期間上游還受到北支鹽水倒灌的影響，整體的鹽度時(shí)空分布呈現(xiàn)比較復(fù)雜的變化，尤其是南支河段，不同潮汐強(qiáng)度下鹽水入侵格局相差很大。圖8分別是大、小潮高、低潮時(shí)長(zhǎng)江口鹽水入侵分布圖。

圖8 長(zhǎng)江口不同時(shí)期鹽度分布圖Fig.8 Salinity distribution in the Yangtze River Estuary in different periods

由圖8可知，模擬結(jié)果準(zhǔn)確地給出了長(zhǎng)江口外海高鹽水入侵的四條路徑。其中北支一直保持著高鹽水狀態(tài)，大潮時(shí)連興港以上水域保持著25‰左右的鹽度，青龍港附近鹽度更高，由于受到北支涌潮現(xiàn)象的影響，落潮量大幅度小于漲潮量，附近鹽度在26‰左右擺動(dòng)，最大時(shí)可達(dá)27.9%；小潮時(shí)北支鹽水入侵程度相對(duì)有所降低，但仍維持在22‰左右。正是因?yàn)楸敝绱烁叩柠}度倒灌，才形成了南支不同時(shí)間段復(fù)雜的鹽水入侵格局。

南支河段大潮高潮時(shí)高鹽水從外海及北支上端涌入，此時(shí)崇頭附近鹽度很高，最大時(shí)達(dá)到8‰，但是鹽度還沒(méi)有向南支擴(kuò)散，如圖8-a所示。但是在落潮階段，受徑流以及落潮流的影響，加之北支極小的分流比，北支的高鹽水沿著白茆沙北水道倒灌進(jìn)入南支，隨水流向南支下端移動(dòng)，低潮時(shí)鹽度擴(kuò)散最遠(yuǎn)，可影響到青草沙水庫(kù)水域，形成了“高—低—高”的鹽水入侵格局，如圖8-b。

小潮階段，長(zhǎng)江口整體鹽水入侵強(qiáng)度有所減弱，崇頭附近鹽度大幅度降低，最大僅為1‰，加之北支小潮期間潮差較小，涌潮現(xiàn)象不明顯，不存在明顯的鹽水倒灌現(xiàn)象。由圖8-c可知，在小潮高潮時(shí)，僅有極少量鹽水漂移至南支，并不能引起南支上端鹽度明顯增加。低潮時(shí)，高鹽水并未隨落潮流進(jìn)入南支，主要隨水流重新匯入北支河段，由于徑流的稀釋，北支上段鹽度降低較明顯，如圖8-d。總體來(lái)說(shuō)，小潮期間，南支從口內(nèi)到口門鹽度呈現(xiàn)由低到高的趨勢(shì)，符合一般河口的鹽水入侵規(guī)律。

同時(shí)，依據(jù)模擬結(jié)果可知，南支上端，大潮高潮時(shí)4‰等鹽度線在僅位于南支白茆沙體頂端位置，到低潮時(shí)，4‰等鹽度線已迅速擴(kuò)展至白茆沙體的下端；中潮階段，4‰等鹽度線下移距離最遠(yuǎn)，到達(dá)南門驗(yàn)潮站附近；而在小潮時(shí)，隨著潮動(dòng)力及北支涌潮的減弱，4‰等鹽度線皆位于北支以內(nèi)，且低潮比高潮更深入北支，這說(shuō)明小潮期間基本不存在鹽水倒灌現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，大量的北支鹽水倒灌進(jìn)入南支主要發(fā)生在枯季大潮后期及中潮前期。

通過(guò)模擬結(jié)果還可以看出，南支下端大潮高潮時(shí)4‰等鹽度線位于北槽的上緣位置，南槽河段4‰等鹽度線則沿著南匯邊灘延伸南匯咀附近，大潮低潮時(shí)，4‰等鹽度線繼續(xù)向外擴(kuò)展，到達(dá)九段沙下緣，南槽河段則繼續(xù)向東南方向擴(kuò)延，形成一條巨大的淡水地帶。

模型還模擬出北港與北槽之間存在鹽度的交換。根據(jù)本文的模型計(jì)算以及萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)等［18］的研究，長(zhǎng)興島與橫沙島之間的橫沙通道漲潮流占明顯的優(yōu)勢(shì)，漲潮時(shí)北槽水流鹽度由橫沙通道進(jìn)入北港，落潮時(shí)由于北槽大量水工建筑物的阻隔，導(dǎo)致漲落潮流不平衡，部分水流不能匯入北槽。如此的漲落潮流格局導(dǎo)致部分鹽度從北槽倒灌進(jìn)入北港，并且這部分鹽度會(huì)隨著北港的漲潮流進(jìn)一步影響北港上游區(qū)域。

2.2 北支倒灌鹽通量初步研究

鹽通量是指某一時(shí)間段內(nèi)凈通過(guò)某固定斷面的鹽度總量。北支鹽水倒灌是引起長(zhǎng)江口復(fù)雜的鹽水入侵格局的主要原因，準(zhǔn)確掌握北支鹽水倒灌通量，可為長(zhǎng)江口淡水資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)，但是基于目前的實(shí)測(cè)資料，還難以定量地對(duì)倒灌通量進(jìn)行分析。由此，依據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)北支鹽水倒灌通量進(jìn)行初步研究。

通過(guò)模型，分別計(jì)算大、中、小潮期間青龍港斷面（具體見(jiàn)圖1中Z1-Z2斷面）的鹽度通量，取連續(xù)的25 h作為鹽度通量的計(jì)算時(shí)間段，其包含2個(gè)完整的潮周期。由此，計(jì)算得出大、中、小潮期間通過(guò)斷面的鹽通量分別為-1.16×106t，-2.59×104t和 1.39×106t，其中負(fù)號(hào)表示鹽水倒灌。

由此可知，大潮、中潮期間都存在比較明顯的鹽水倒灌現(xiàn)象，其中大潮期間倒灌鹽通量達(dá)-1.16×106t，中朝期間遠(yuǎn)小于大潮期間，僅為-2.59×104t，小潮期間總體來(lái)說(shuō)不存在鹽水倒灌現(xiàn)象，這與上文的分析結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論

文章通過(guò)建立“長(zhǎng)江口—杭州灣”大范圍的平面二維水流鹽度數(shù)學(xué)模型，模擬了枯季期間長(zhǎng)江口鹽水入侵狀況，并初步對(duì)北支鹽水倒灌通量進(jìn)行計(jì)算，主要得出以下結(jié)論：

（1）長(zhǎng)江口枯季大、中潮期間北支一直保持高鹽水狀態(tài)，基本維持在20‰以上，并且北支大潮期間存在明顯的涌潮現(xiàn)象，加之北支極小的分流比，以上因素都是形成北支鹽水倒灌南支的主要原因。

（2）南支在大、中潮期間由于鹽水倒灌，鹽度縱向分布呈現(xiàn)“高—低—高”的格局，小潮期間不存在此種現(xiàn)象，表現(xiàn)出正常的鹽水入侵狀態(tài)。

（3）通過(guò)模型，可以看出南匯邊灘附近存在一條淡水帶，可為長(zhǎng)江口的淡水資源利用及避咸蓄淡提供科學(xué)指導(dǎo)。

（4）長(zhǎng)江口北港與北槽之間存在水流鹽度的交換，并且由于漲落潮流的不平衡，部分鹽水會(huì)倒灌進(jìn)入北港，進(jìn)而影響北港上部水域。

（5）初步分析長(zhǎng)江口北支倒灌鹽度通量，指出北支在大、中潮期間存在較大的鹽水倒灌，小潮期間總體來(lái)說(shuō)不存在鹽水倒灌。

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Research on salinity intrusion in the Yangtze River Estuary by numerical simulation

YANG Tong-jun1,2,3，WANG Yi-gang2，HUANG Hui-ming2,3，YUAN Chun-guang2
（1.Northeast Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group,Changchun130021,China;2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing210098,China;3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing210029,China）

Salinity intrusion in the Yangtze River Estuary is a serious problem for the industrial and agricultural production and living in Shanghai City.A 2D large scale tidal current and salinity transport model of the Yangtze River Estuary and Hangzhou Bay was developed.Based on calibration and validation,some key problems such as overall pattern of salinity intrusion in the Yangtze River Estuary,the saltwater spilling over from the north branch and salinity distribution in the south branch were analyzed.Because the flood tidal current is not equal to the ebb tidal current in Hengsha Watercourse,some saltwater can spill over from the north passage to the north channel.Salt flux from the north branch into the south branch was preliminarily analyzed by using the mathematical model.

salinity intrusion；2D mathematical model；saltwater spilling over；salt flux;the Yangtze River Estuary

P 731.12；O 242.1

A

1005-8443（2013）06-0473-09

2013-03-12；

2013-04-02

河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（長(zhǎng)江口北槽深水航道整治工程對(duì)鹽水入侵影響研究）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAB03B01）；河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2011B06014）；南京水利科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（YN912001）

楊同軍（1987-），男，山東省壽光市人，助理工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測(cè)方面的工作。