長江河口水位上升對流場和鹽水入侵的影響

唐川敏 朱建榮

摘要：基于長江河口水動力和鹽水入侵三維數(shù)值模式ECOM-si，通過數(shù)值模擬分析長江河口水位上升對徑流、潮流和風(fēng)生流的影響，以及在多種動力因子綜合作用下對流場和鹽水入侵的影響，數(shù)值實驗結(jié)果表明，在長江河口水位上升30cm的情況下，各河道橫截面面積增大，向海的徑流流速減?。撼绷麟S水深增深略微增大：枯季北風(fēng)作用產(chǎn)生的北港進、南港出的水平風(fēng)生環(huán)流加強，在北支向陸的風(fēng)生流有所加強，水位上升后，北支鹽水入侵增強：南支中段鹽度變化不明顯：北港、北槽鹽水入侵隨水位增加變化最為顯著，小潮期間鹽度增大值大于1.大潮期間增幅有所降低，北港北汊受水深增加鹽水入侵變化最為強烈：南槽口門處灘地由于水位增加，非線性效應(yīng)減弱，鹽度不同程度的降低，水位上升后南支水源地三個水庫取水口鹽度均有所上升，減少了可取水時間，不利于供水安全，

關(guān)鍵詞：長江河口：水位上升：流場：鹽水入侵：數(shù)值實驗

中圖分類號：P731.2文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j，issn，1000-5641.201941001

0引言

長江河口地區(qū)是中國人口密集度最高、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，長江是我國第一大河，全長約6300km，長江河口是中國最大的河口，地形復(fù)雜（見圖1），河口是上游下泄淡水與外海高鹽水交匯的區(qū)域，深受鹽水入侵的影響，鹽水入侵與自然因子、生態(tài)環(huán)境、淡水資源分布和城市供水等密切相關(guān)，研究長江河口水位上升對長江河口水動力過程和鹽度入侵具有重要的理論意義和應(yīng)用價值，

潮汐、徑流量和風(fēng)應(yīng)力是影響長江河口鹽水入侵的主要因素，周期性潮流變化和漲落潮造成的水位變化在口內(nèi)鹽度分布中扮演著重要角色，在北支鹽水倒灌現(xiàn)象中尤為顯著，長江徑流量具有顯著的季節(jié)性變化，在低徑流的情況下長江口鹽水入侵加劇，所有汊道的等鹽度線向陸收縮，對長江口水源地取水安全造成不利影響，長江口外風(fēng)場的季節(jié)性變化顯著，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季盛行偏南風(fēng)，冬季北風(fēng)的大小和持續(xù)時間會顯著影響長江河口鹽水入侵。

近50年來，我國海平面呈波動上升的趨勢，根據(jù)國家海洋局2013年以來發(fā)布的《中國海平面公報》，1980^-2012年長江河口沿海相對海平面上升幅度超過150mm，即平均每年海平面上升4.5mm左右，徑流量變化會造成長江河口水位的變化，洪季高徑流量期間水位比枯季低徑流量期間水位高約50am，冬季強偏北風(fēng)產(chǎn)生沿岸增水波，導(dǎo)致長江口水位上升，長江河口水位上升會導(dǎo)致咸淡水交換加強吲，鹽度梯度和向陸斜壓壓強梯度力增大，使得外海高鹽水向口內(nèi)運動，鹽水入侵增強，長期的水位上升將加深河口地區(qū)的水深、淹沒潮灘、影響河口水動力過程、加劇外海鹽水入侵，對長江河口淡水資源有重要影響，研究長江河口水位上升對流場和鹽水入侵的影響可以為長江口水源地的建設(shè)和水庫取水調(diào)度提供理論依據(jù)，保障供水安全。

本文應(yīng)用長江河口三維水動力數(shù)值模式，從多個動力因子著手，逐一對比分析河口區(qū)域水位上升對流場和鹽水入侵程度的影響，

1研究方法

1.1數(shù)值模式設(shè)置和驗證

本文采用作者課題組長期改進和應(yīng)用的三維數(shù)值模式ECOM-si（semi-implicit Estuarine，Costaland Ocean Model），該模式是基于海洋數(shù)值模式POM（Princeton Ocean Model）的基礎(chǔ)上研發(fā)的，可設(shè)置包括潮流、徑流、風(fēng)、波浪等各種動力因子，改進的ECOM-si模式在長江口水動力過程和鹽水入侵等方面研究中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了大量研究成果，為了節(jié)省篇幅，有關(guān)模式設(shè)置和驗證等可參考文獻。

本文研究長江河口水位上升對流場和鹽水入侵的影響，模式計算范圍包括整個長江河口、杭州灣和鄰近海域（見圖2a），河流上游邊界設(shè)置在大通，動量方程的邊界條件采用大通水文站實測徑流量，模式采用非正交坐標(biāo)曲線網(wǎng)格，較好地擬合長江河口岸線，并對局部地區(qū)如南北支分漢口、深水航道等進行了加密處理（見圖2b和2c），外海開邊界由潮位和余水位驅(qū)動，潮位考慮由16個主要分潮M2、s2、N2、K2、K1、01、P1、Q1、MU2、NU2、T2、L2、2N2、J1、M1及001的調(diào)和常數(shù)合成得到，余水位由黃海東海大區(qū)域模式計算結(jié)果提供，初始溫鹽場在長江口外通過《渤海黃海東海海洋圖集（水文）》數(shù)字化數(shù)據(jù)插值得到，口內(nèi)由多年枯季實測資料插值獲得，

1.2數(shù)值實驗

長江河口鹽水入侵主要受制于徑流量、潮汐和風(fēng)況，長江徑流量具有明顯的季節(jié)性變化，5-10月為長江洪季，11月到次年4月為枯季，一般一年中1、2月份徑流量最小，自1950年以來大通水文站1月和2月的平均值分別為11200m³/s和11800m³/s，枯季代表性月份為1月和2月，這期間長江口鹽水入侵最為嚴(yán)重，為了數(shù)值實驗更具有普遍性，選取1、2月份大通水文站月平均徑流量11550m³/s，即1^-2月長江徑流量氣候態(tài)平均值作為上游開邊界條件，同樣，長江河口風(fēng)場也取1^-2月氣候態(tài)平均值，為北風(fēng)5m/s，數(shù)值模擬時段為1月1日至2月28日，

對于長江河口水位上升值，主要考慮海平面變化，根據(jù)李永平等的研究成果及國家海洋局發(fā)布的中國海平面上升公告等，得出至2050年長江口及鄰近海域相對水平面上升值約為30cm，本文綜合上述因素設(shè)置余水位（水位上升）為30cm，即通過模式全域增加水深30cm來體現(xiàn)。

為分析長江河口水位上升對流場和鹽水入侵的影響，設(shè)置4組數(shù)值實驗，先僅考慮徑流、潮汐、風(fēng)單個動力因子，分別討論水位上升30cm前后對流場的影響，最后綜合考慮多個動力因子模擬和分析水位上升30cm前后對流場、鹽水入侵和水庫取水口鹽度的影響。

2結(jié)果與分析

2.1水位上升對徑流的影響

在徑流量為11550m³/s和水位未上升前，長江河口徑流流速最大可達18cm/s，整體呈現(xiàn)出由陸向海河勢轉(zhuǎn)寬流速逐漸減小的變化趨勢（見圖3a），極少長江水進入北支，徑流流速約為2cm/s，南支徑流受科氏力作用右偏，沿南岸向海，至青草沙分為南、北港，北港為徑流的主要人海口，北港徑流受口門淺灘影響，一部分沿北港北汊流出，流速快速減小;另一部分繼續(xù)向東并向右偏轉(zhuǎn)，南港徑流被九段沙分流后，沿深水航道向海保持約10cm/s的速度，而南槽部分由于灘地眾多，流速不斷減小，

長江河口水位上升30cm后，因為水位上升、河道橫斷面增大，在徑流量不變的情況下，徑流流速減小，變化量小于0.2cm/s，且流速大的區(qū)域變化更顯著（見圖3b），而北支則因為過水?dāng)嗝娴脑龃?，流入的徑流量增加，?dǎo)致流速增大，最大可增加1.5cm/s左右。

2.2水位上升對潮流的影響

潮流受水位上升影響變化微小，平面圖難以區(qū)別，故本文選取模式結(jié)果3個輸出點s1、s2、s3（位置見圖1），對潮流流速和流向隨時間變化過程作比較分析，s1位于北支上段，大、小潮流速差異大，水位上升前，大潮期間流速最大約為1.3m/s，小潮期間最大僅為0.5m/s左右（見圖4），水位上升后，流速有較明顯的增加，且大潮期間增幅大于小潮期間，最大增幅約為0.2m/s，點s2在青草沙水庫取水口附近，s3位于北港攔門沙，最大流速均在2m/s左右，水位上升后流速有微小增加。

2.3水位上升對風(fēng)生流的影響

在枯季平均北風(fēng)作用下，蘇北沿岸和長江口外南向風(fēng)生流流速較大，北支口門附近受淺灘影響，向陸流減弱，少量水體從北支向口內(nèi)輸移，最終從南北支分汊口進入南支（見圖5a）;另一部分進入北港，北港北汊流速最大約0.25m/s，水體上溯至青草沙上端，向南轉(zhuǎn)向進入南港，在南北港間形成風(fēng)生水平環(huán)流，南港至深水航道段流速維持在0.1m/s，向海流出，匯入南下的沿岸流中，而南槽流速在九段沙附近迅速減小。

水位上升30cm后，北風(fēng)作用導(dǎo)致北支倒灌加強，從北支進入南支的水體增多（見圖5b），南北港水平環(huán)流增強，北港口門附近流速增大0.17m/s，南支下段流速增大約0.2m/s，進而南港下泄的流速增大，最大增值為0.2m/s左右，深水航道由于水深較大，河道阻礙較少，為南港區(qū)域主要下泄通道，向海流速顯著增強，約0.15m/s;南槽向海流減弱，水位上升后，沿岸流增強，在科氏力作用下右偏進入南槽，流速變化值可達0.25m/s。

2.4水位上升對流場和鹽水入侵的影響

選取大小潮周期內(nèi)各3個完整潮周期的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，漲、落潮分別取6個漲潮、6個落潮的平均值，本文取青草沙水庫取水口作為流速漲、落急和漲、落憩的參考點，

在多個動力因子綜合作用下，大潮期間，水位上升之后漲潮流、落潮流均增強，漲潮變化程度大于落潮（見圖6），北支漲潮流整體增加約0.02m/s，部分水體進入南支，南支中段以下流速增幅明顯，越靠近口門增幅越大，口門附近流速增大0.1m/s左右，其中深水航道漲潮流變化最大，約為0.16m/s，落潮流時，北支落潮流由陸向海表現(xiàn)為先增大后減小再增大，北支中上段流速增大約0.05m/s，南支落潮流變化趨勢與北支相似，北港在北汊附近流速增幅較大，為0.07m/s左右，深水航道北岸外側(cè)落潮流流速變化最大，約0.1m/s，深水航道流速均增大約0.02m/s，而南槽流速變化最大值出現(xiàn)在南槽上段，約為0.09m/s。

大潮期間，整個北支都被高鹽水占據(jù)（見圖7a），北支上端鹽度變化劇烈，分汊口處鹽度銳減，南支上段鹽度值大于0.45.再現(xiàn)北支鹽水倒灌現(xiàn)象，北港是徑流的主要出?？?，出口門的沖淡水向北延伸至北支口門附近，大潮期間南港鹽水入侵略強于北港，但從九段沙開始下端鹽度有所降低，水位上升后，鹽水入侵增強主要體現(xiàn)在北支和南、北港（見圖7b），北支鹽度增加約0.2.北支上段增加0.4左右，北支倒灌增強，南支上段鹽度略微增加，南、北港上段鹽度基本不變，中下段外海高鹽水入侵明顯增強，北港鹽度增大值及增大范圍均大于南港，北港中下段為鹽度鋒面，鹽度梯度較大，尤其是攔門沙區(qū)域鹽度值增加約0.5.南、北槽整體鹽度增加，增大約0.3.而橫沙東灘后端和崇明東灘隨水位上升鹽度明顯降低，崇明東灘鹽度降低約1.5.橫沙東灘降低約0.4.吳輝引指出由于潮灘水深較淺，在漲落潮期間會形成非線性效應(yīng)，橫沙東灘后端和崇明東灘區(qū)域形成局地環(huán)流，促進高鹽水匯集，大潮期間由于潮汐強度較大，效應(yīng)顯著，水位上升后，灘地附近水深加深，相應(yīng)的非線性效應(yīng)減弱，這就解釋了本文模擬的水位上升后潮灘鹽度下降的現(xiàn)象。

長江河口水位上升后小潮期間漲、落潮流平面分布（見圖8）與大潮期間相似，但流速變化更小，漲潮流依舊在深水航道區(qū)域變化最大，深水航道上段流速增大約0.04m/s，下段最大值可達0.2m/s左右，北港北汊流速增大值最大約為0.05m/s，而攔門沙外漲潮流略微減小，南槽九段沙以外流速大面積增大，靠近深水航道南岸流速增大0.1m/s左右，落潮時，南、北支上段落潮流顯著增強，北支增大0.02m/s，而南支上端增大約0.05m/s，選取青草沙水庫取水口為參考點時口外部分區(qū)域已經(jīng)開始漲潮，橫沙東灘以外靠近深水航道北岸外側(cè)落潮流變化最大，落潮流流速增大0.3m/s左右。

小潮期間，北支鹽度值依然增加且增加量比大潮期間略有上升，北支上段鹽度增加值均可達1以上（見圖9），北港在小潮期間受水位上升影響更為劇烈，北港中下段連接北支口門，整個區(qū)域鹽度增加，北港北汊附近鹽度變化最大，約1.5左右，李路對北港北汊受鹽水入侵的影響進行了數(shù)值模擬，認(rèn)為該汊道加深后鹽水入侵加強，本文模擬結(jié)果與這一結(jié)論一致，河口水位上升后，北港北汊水深增加，從而增加沿該汊道進入北港的水、鹽通量，南港及南、北槽上段鹽度增大0.3左右，深水航道下段鹽度值增加0.1左右;南槽九段沙下段及橫沙東灘往外鹽度值降低，最小區(qū)域減小1左右，原因同樣是淺灘水位上升導(dǎo)致水深增加潮汐非線性效應(yīng)減弱產(chǎn)生的。

東風(fēng)西沙水庫、陳行水庫和青草沙水庫3個水庫取水口分布在南支不同區(qū)域，其表、底層鹽度隨時間的變化見圖10.水位上升后鹽度值均有增加，可以看出水位上升前后鹽度值及變化趨勢基本相同，底層變化明顯比表層劇烈，東風(fēng)西沙水庫和陳行水庫位于南支上段，鹽度只受北支倒灌下移的鹽水團影響，東風(fēng)西沙水庫由于更靠近南北支分漢口，北支倒灌發(fā)生時，鹽度最大值高于陳行水庫取水口，表層鹽度小至0.05大到1.75.有明顯的半日周期性，鹽度落憩時最大、漲憩時最小，水位上升導(dǎo)致的鹽度變化最小;底層鹽度變化與表層相似，但鹽度增大值最大約0.8.陳行水庫取水口鹽度比東風(fēng)西沙水庫低，但因為落潮流受科氏力作用右偏沿南岸向海，因而水位上升后鹽度增長大于東風(fēng)西沙水庫取水口，鹽度值在大潮后中潮達到最大，最大值約1.此時鹽度差值也達到最大，約為0.3.又因為其地理位置離南北支分汊處更遠(yuǎn)具有延遲性，鹽度最大值比漲憩略晚幾小時，青草沙水庫位于南北港分漢口，小潮后中潮鹽度值最大，表層鹽度最大值在3左右，底層為4.5左右，水位上升后鹽度增大，不利于青草沙水庫取水口取水。

3結(jié)論

本文采用三維數(shù)值模式ECOM-si，數(shù)值模擬長江河口水位上升30cm前后流場和鹽度的變化，從動力因子上分析水位上升對長江河口的影響，該模式包括潮流、徑流、風(fēng)應(yīng)力等多種動力因子，選取多年1月、2月平均徑流作為上游開邊界條件和冬季平均5m/s北風(fēng)計算海表面風(fēng)應(yīng)力，分別從流場和鹽度的分布及其變化定量分析了潮流、徑流、風(fēng)應(yīng)力對長江河口水位上升的響應(yīng)，分析了水位上升對東風(fēng)西沙水庫、陳行水庫和青草沙水庫取水口取水的影響。

長江河口水位上升30cm，各河道垂向橫截面面積增大，徑流向海流速整體減小，相反，潮流隨水深增深增強，風(fēng)生流加強，使得北支水體、鹽分倒灌加劇和南北港水平風(fēng)生環(huán)流加劇，長江河口大、小潮期間，漲落潮整體流速隨水深增加而增大，其中北港的流場分布受水深變化影響最大。

長江河口水位上升，進入北支的徑流量增加，北支上段鹽度有不同程度的降低，但潮流和風(fēng)生流受水位上升影響更大，總體上北支受外海鹽水入侵增強，南支中段鹽度主要來源于隨北支倒灌向下的高鹽水團，水深增加的情況下，鹽度無顯著變化，北港中下段在水位上升之后，大、小潮鹽度變化相似，鹽度增加最為明顯，且北港北汊由于水深增加鹽水入侵尤為顯著，南北槽中上段在大潮期間鹽度略微增加，口門處灘地由于水位增加，非線性效應(yīng)減弱，鹽度下降，水位上升后南支水源地3個水庫取水口鹽度均有所上升，減少了可取水時間，不利于水庫取水。