南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵和淡水資源的影響

蘇愛(ài)平 呂行行 吳宇帆

摘要：南水北調(diào)工程為跨流域調(diào)水工程，其對(duì)于長(zhǎng)江口淡水資源變遷的影響是當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一，本文應(yīng)用三維數(shù)學(xué)模型，研究南水北調(diào)東線和中線工程短期和遠(yuǎn)期調(diào)水方案對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源的影響，結(jié)果表明，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中，東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)取水口鹽度大于0.45的不宜取水時(shí)間分別為7.74、3.08和2.72d，同時(shí)，在東線和中線工程短期調(diào)水1000m³/s情況下，長(zhǎng)江河口鹽水入侵加劇，尤其在北港、北槽和南槽攔門(mén)沙區(qū)域及其北支上段鹽度上升最為明顯，出現(xiàn)了量值超過(guò)0.5的大面積區(qū)域，南支淡水區(qū)域減小，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)不宜取水的時(shí)間分別增長(zhǎng)了1.43、2.14和2.13d，在東線和中線工程遠(yuǎn)期調(diào)水1600m³/s情況下，整個(gè)河口鹽度的上升更為明顯，在北港、北槽和南槽攔門(mén)沙出現(xiàn)了鹽度超過(guò)1的大范圍區(qū)域，小范圍區(qū)域鹽度超過(guò)了1.5.南水淡水范圍進(jìn)一步減小，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)不宜取水的時(shí)間分別增加了1.49、3.08和3.08d。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江河口;南水北調(diào)工程：鹽水入侵：淡水資源：數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：P731.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j issn，1000-5641.201941031

0引言

河口是淡水和咸水交匯的區(qū)域，鹽水入侵是河口的普遍現(xiàn)象，鹽水入侵能產(chǎn)生河口環(huán)流，影響層結(jié)㈦，進(jìn)而影響泥沙輸運(yùn)，形成河口最大渾濁帶，河口鹽水入侵主要取決于潮汐和徑流，但也受河勢(shì)、風(fēng)應(yīng)力和垂向混合的影響，長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河，河口鹽水入侵受潮汐、徑流量、河勢(shì)和風(fēng)應(yīng)力等動(dòng)力因子的綜合作用，時(shí)空變化復(fù)雜，存在北支鹽水倒灌進(jìn)入南支的獨(dú)特現(xiàn)象，北支下段喇叭口形狀和上段超淺的地形，導(dǎo)致巨大的潮差和極低的徑流分流比，是北支鹽水倒灌的動(dòng)力成因，大潮漲潮期間從北支進(jìn)入南支的鹽水，在落潮期間向南支下游輸運(yùn)擴(kuò)散，影響南支水源地，是南支水源地鹽水入侵的主要來(lái)源。

南水北調(diào)工程是緩解中國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程，分別包括東線、中線、西線三條調(diào)水線，其中，東線工程從長(zhǎng)江下游揚(yáng)州抽引長(zhǎng)江水，利用京杭大運(yùn)河及與其平行的河道逐級(jí)提水北送，在20102030年內(nèi)分為三期完成，第一期、第二期和第三期調(diào)水工程規(guī)模分別為500、600和800m³/S，中線工程主要供水目標(biāo)為京津華北平原，近期引水規(guī)模約為500m³/s，遠(yuǎn)期為800m³/s。南水北調(diào)工程跨流域調(diào)水，勢(shì)必造成長(zhǎng)江人海徑流量的減少，加劇河口鹽水入侵，不利于水源地取水，

已有一些學(xué)者開(kāi)展了南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵的影響，沈煥庭等通過(guò)分析徑流與實(shí)測(cè)站點(diǎn)鹽度的相關(guān)關(guān)系，預(yù)估調(diào)水后南支南港鹽水入侵距離增量，李燕通過(guò)統(tǒng)計(jì)1950^-2000年的長(zhǎng)江大通站徑流資料，計(jì)算南水北調(diào)東線工程各期調(diào)水量與徑流量的比例，粗略估計(jì)調(diào)水的影響，黃惠明通過(guò)擬合不同站點(diǎn)鹽度流量相關(guān)性曲線推算出臨界大通流量，利用一維水流及二維水流、鹽度數(shù)值模擬，分析長(zhǎng)江口枯季中潮期間南水北調(diào)東線工程對(duì)其鹽水入侵的影響，Xu等應(yīng)用三維數(shù)值模式，模擬和研究了南水北調(diào)東線工程對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源的影響，上述研究大部分集中于南水北調(diào)東線工程對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵的影響，且以單個(gè)測(cè)站實(shí)測(cè)鹽度與徑流量相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)方法為主，現(xiàn)階段，模擬和分析南水北調(diào)東線和中線工程近期和遠(yuǎn)期調(diào)水對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源的影響，還未進(jìn)行過(guò)研究，為此，本文通過(guò)開(kāi)展三維數(shù)值模擬，分析南水北調(diào)東線和中線工程近期和遠(yuǎn)期調(diào)水對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源的影響。

1研究方法

1.1模型設(shè)置

三維模式計(jì)算范圍包括整個(gè)長(zhǎng)江河口、杭州灣和鄰近海區(qū)，外海開(kāi)邊界東邊界到125°E附近，北邊界到33.5°N附近，南邊界到27.5°N附近，上游邊界設(shè)在長(zhǎng)江潮區(qū)界大通，這樣可直接采用大通水文站的實(shí)測(cè)徑流量資料來(lái)給出模式的徑流邊界條件，模式網(wǎng)格較好地?cái)M合了長(zhǎng)江河口的岸線，并主要對(duì)南北支分汊口及北槽深水航道工程區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，垂向采用σ坐標(biāo)，均勻分為10層，在模式干濕判別法中，臨界水深取0.2m。

模式地形采用2010年的岸線及水深資料，外海開(kāi)邊界由潮位和余水位驅(qū)動(dòng)，潮位考慮16個(gè)分潮（M2.s2.N2.K2.K1.O1.P1.Q1.u2.V2.T2.L2.2N2.J1.M1.O1），由各分潮調(diào)和常數(shù)合成給出，資料來(lái)源于NAOTIDE數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//WWW/miz，nao，ac，jp），上游開(kāi)邊界以通量形式給出，取大通水文站實(shí)測(cè)資料，其中每日實(shí)測(cè)資料用于模式驗(yàn)證，月平均資料用于模式控制實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)，模式初始水位場(chǎng)和流速場(chǎng)均取零，溫度和鹽度初始場(chǎng)在長(zhǎng)江口外由《渤海黃海東海海洋圖集（水文）》數(shù)字化得到，河口內(nèi)由枯季或洪季多次實(shí)測(cè)資料插值得到，模式考慮海表面風(fēng)應(yīng)力的作用，模式驗(yàn)證中應(yīng)用WeatherResearch Forecast Model（WRF模型）計(jì)算得到時(shí)間分辨率為6h的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，WRF模型中的原始條件由National Centers for Environmental Prediction（NCEP）提供，控制實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)則由NCEP數(shù)據(jù)庫(kù)多年半月平均風(fēng)場(chǎng)資料給出，外海的鹽度開(kāi)邊界條件由多年月平均的實(shí)測(cè)資料給出，模式每個(gè)計(jì)算時(shí)步線性插值邊界鹽度，再根據(jù)邊界處水體流進(jìn)和流出情況，最終由輻射邊界條件確定邊界鹽度。

1.2模型驗(yàn)證

本文采用2018年3月919日在南槽實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證（3個(gè)船只測(cè)站和3個(gè)浮標(biāo)測(cè)站位置見(jiàn)圖1），采用三個(gè)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)用來(lái)量化模式對(duì)流速和鹽度的驗(yàn)證：相關(guān)系數(shù)（cc）、均方差（RMSE）和技術(shù)分?jǐn)?shù)（ss），流速評(píng)價(jià)指標(biāo)分?jǐn)?shù)的總結(jié)見(jiàn)表1.鹽度評(píng)價(jià)指標(biāo)分?jǐn)?shù)的總結(jié)見(jiàn)表2。

限于篇幅，僅給出船只測(cè)站B中潮后小潮期間和浮標(biāo)觀測(cè)站浮標(biāo)2觀測(cè)和模擬流速及鹽度隨時(shí)間變化（見(jiàn)圖2和圖3）。

1.3計(jì)算工況

為模擬和分析南水北調(diào)東線和中線工程跨流域引水對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源影響，設(shè)置3組計(jì)算工況，工況1：考慮常規(guī)狀況下徑流，取1950年以來(lái)1月和2月平均來(lái)水流量分別為11600m³/s和12300m。/s，工況2：考慮近期南水北調(diào)東線和中線工程，來(lái)水流量各減少500m³/s;工況3：考慮遠(yuǎn)期南水北調(diào)東線和中線工程，來(lái)水流量各減少800m³/s。

數(shù)值模擬時(shí)段為1月1日至2月28日，輸出和分析2月下旬計(jì)算結(jié)果。

2結(jié)果與分析

2.1長(zhǎng)江口鹽水入侵特征

選取大潮和小潮期間3個(gè)完整潮周期內(nèi)的鹽度做算術(shù)平均，得出大潮和小潮期間鹽度的平面和斷面分布，在1、2月多年平均徑流量情況下，整個(gè)北支都被高鹽水占據(jù)，南支大部分區(qū)域?yàn)辂}度小于0.45的淡水區(qū)域，北港、北槽和南槽口門(mén)處出現(xiàn)強(qiáng)烈的鹽度鋒面（見(jiàn)圖4），除了北支外，在北港、北槽和南槽中鹽水入侵最強(qiáng)的是南槽，其次是北槽，最弱的是北港，這與以往的研究結(jié)果是一致的，Wu等㈣給出了其動(dòng)力機(jī)制，大潮期間（見(jiàn)圖4左側(cè)），北支上端南北支分漢口處鹽度變化劇烈，鹽度超過(guò)0.45鹽水從北支進(jìn)入南支，再現(xiàn)了北支鹽水倒灌現(xiàn)象，底層比表層明顯，東風(fēng)西沙水庫(kù)取水口處鹽度大于0.45.不宜取水;陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)取水口處鹽度小于0.45.能取到淡水，北港北側(cè)崇明東灘外側(cè)海域，出現(xiàn)鹽度較低的沖淡水向東北口擴(kuò)展，導(dǎo)致北支口門(mén)處出現(xiàn)低鹽水舌，小潮期間（見(jiàn)圖4右側(cè)），北支上段等值線退回北支，鹽度下降，北支倒灌現(xiàn)象消失，大潮期間北支倒灌進(jìn)入南支的鹽水，在徑流作用下在下游輸運(yùn)，南門(mén)以下沿崇明島南岸出現(xiàn)鹽度大于0.45的區(qū)域，東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)能取到淡水，青草沙水庫(kù)取水口鹽度略小于0.45.隨著潮汐的減弱，北港、北槽和南槽表層等鹽度線向海移動(dòng)，鹽水入侵減弱，但底層向陸移動(dòng)，顯示出鹽水楔現(xiàn)象。

沿北支縱向斷面P1（見(jiàn)圖5a和5b），大潮期間最上端鹽度為2.大部分區(qū)域鹽度在5-15之間，在距起點(diǎn)30～80km區(qū)域鹽度大于25.在80km下游中低層鹽度大于25.但表層小于25.這是由于大潮期間北港沖淡水?dāng)U展到北支口門(mén)處造成的（見(jiàn)圖4a和4c），小潮期間，北支上段鹽度顯著減小，出現(xiàn)鹽度小于2的區(qū)域，北支下段鹽度上升，鹽度小于25的區(qū)域消失，110km處出現(xiàn)了鹽度大于30的現(xiàn)象，沿南支北港斷面P2（見(jiàn)圖5c和5d），大潮期間南支崇頭附近鹽度大于0.45.在10km以西底層鹽度大于1.在20.05～73km之間，出現(xiàn)鹽度小于0.45的淡水區(qū)域，73km以東鹽度逐漸增大，在110km處大于15.在80～110km攔門(mén)沙區(qū)域，大潮期間強(qiáng)烈的潮混合導(dǎo)致鹽度垂向混合強(qiáng)、鹽度分布較均勻，在小潮期間，在22.0km以西鹽度小于0.45.上段沒(méi)有鹽度大于0.45的北支倒灌現(xiàn)象，在22.0km以東鹽度大于0.45.原因與鹽度平面分布中說(shuō)明一樣，在80～110km攔門(mén)沙處，潮混合較弱導(dǎo)致鹽度垂向分層顯著，鹽水楔明顯，沿南支南港南槽斷面P3（見(jiàn)圖5e和5f），大潮期間57km以西鹽度小于0.45.攔門(mén)沙處鹽度在5^-20之間，垂向混合較為均勻，小潮期間，0.45等值線略有上移，位于55km處，表明南港鹽水入侵小潮期間強(qiáng)于大潮期間，原因在于下游南槽小潮期間強(qiáng)烈的鹽水楔上溯造成的，底層等鹽度線5上溯了12km。

青草沙水庫(kù)取水口水位，以及東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)3個(gè)取水口表層鹽度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6.東風(fēng)西沙水庫(kù)位于南北支分漢口下游較近地方，鹽度大于0.45時(shí)段發(fā)生在大潮和大潮后中潮期間，鹽水源自北支鹽水倒灌，鹽度最大值約為1.7.在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中鹽度大于0.45的時(shí)間為7.74d，陳行水庫(kù)位于南支中段南岸，鹽水也源自北支鹽水倒灌，受長(zhǎng)江上游淡水的稀釋?zhuān)}度峰值約為0.6.小于東風(fēng)西沙水庫(kù)取水口鹽度峰值，時(shí)間上滯后2-3d，鹽度半日變化遠(yuǎn)沒(méi)有東風(fēng)西沙水庫(kù)處明顯，在2月中下旬的一個(gè)大小潮周期中，鹽度超標(biāo)的時(shí)間為3.08d，在青草沙水庫(kù)取水口，鹽度超標(biāo)出現(xiàn)在大潮后中潮期間，時(shí)間較短，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期內(nèi)大部分時(shí)間為鹽度小于0.45的淡水，鹽度超標(biāo)的時(shí)間為2.72d。2.2南水北調(diào)東線和中線工程近期調(diào)水對(duì)鹽水入侵和淡水資源的影響

徑流量的減小，會(huì)導(dǎo)致河口鹽水入侵的加強(qiáng)，南水北調(diào)東線和中線工程短期調(diào)水方案，徑流量共減小1000m³/s，長(zhǎng)江河口鹽水入侵加劇，尤其在北港、北槽和南槽攔門(mén)沙區(qū)域，以及其北支上段鹽度上升最為明顯，出現(xiàn)了量值超過(guò)0.5的較大區(qū)域（見(jiàn)圖7），大潮期間，北港攔門(mén)沙區(qū)域鹽度上升量值比小潮期間大，但在北槽和南槽外側(cè)，小潮期間鹽度上升0.5的范圍比大潮期間大。

相比于工況1.沿北支縱向斷面P1（見(jiàn)圖8a和8b），大潮期間最上端等鹽度線1幾乎消失，小潮期間北支上段鹽度小于1和2的區(qū)域變小，沿南支北港斷面P2f見(jiàn)圖8c和8d），大潮期間南支崇頭附近底層鹽度大于1的范圍變大，在22.0～69.95km之間鹽度小于0.45.淡水區(qū)域比數(shù)值試驗(yàn)1減小了5.0km，小潮期間，鹽度等值線位于20.0km處，淡水范圍減小了2.0km，沿南支南港南槽斷面P3（見(jiàn)圖8e和8f），大潮期間53.0km以西鹽度小于0.45.淡水范圍減小了4.0km，小潮期間，0.45等值線位于42km處，上移了13km，隨著徑流量的減小，北支倒灌增強(qiáng)，南支淡水區(qū)域減小，攔門(mén)沙區(qū)域等鹽度線向上游移動(dòng)，外海鹽水入侵加劇。

東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)3個(gè)取水口，表層鹽度隨徑流量減小明顯上升（見(jiàn)圖6），在東風(fēng)西沙水庫(kù)取水口，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中鹽度大于0.45的時(shí)間為9.17d，在陳行水庫(kù)取水口，在一個(gè)大小潮周期中鹽度超標(biāo)的時(shí)間為5.22d，在青草沙水庫(kù)取水口，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期內(nèi)鹽度超標(biāo)的時(shí)間為4.85d，可見(jiàn)，隨著徑流量的減小，水源地不宜取水的時(shí)間增長(zhǎng)了。

2.3南水北調(diào)東線和中線工程遠(yuǎn)期調(diào)水對(duì)鹽水入侵和淡水資源的影響

南水北調(diào)東線和中線工程遠(yuǎn)期調(diào)水方案，來(lái)水流量共減小1600m³/s，長(zhǎng)江河口鹽水入侵加劇更趨嚴(yán)重（見(jiàn)圖9），相比于工況2.整個(gè)河口鹽度的上升更為明顯，在北港、北槽和南槽攔門(mén)沙出現(xiàn)了鹽度超過(guò)1的大范圍區(qū)域，小范圍區(qū)域鹽度超過(guò)了1.5。

相比于數(shù)值試驗(yàn)1.沿北支縱向斷面P1（見(jiàn)圖10a和10b），北支上端的鹽度在上升，沿南支北港斷面P2（見(jiàn)圖10c和10d），大潮期間在22.5～67.0km之間鹽度小于0.45.淡水區(qū)域比數(shù)值試驗(yàn)1減小了8.35km，小潮期間，鹽度等值線位于18.0km處，淡水范圍減小了4.0km，沿南支南港南槽斷面P3（見(jiàn)圖10e和10f），大潮期間50.0km以西鹽度小于0.45.淡水范圍減小了7.0km，小潮期間，0.45等值線位于38km處，上移了17km，隨著徑流量的進(jìn)一步減小，南支淡水范圍更趨于縮小，鹽水入侵更為嚴(yán)重。

東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)3個(gè)取水口，表層鹽度隨徑流量減小明顯上升（見(jiàn)圖6），在東風(fēng)西沙水庫(kù)取水口，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中鹽度大于0.45的時(shí)間為9.23d，在陳行水庫(kù)取水口，在一個(gè)大小潮周期中鹽度超標(biāo)的時(shí)間為6.16d，在青草沙水庫(kù)取水口，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期內(nèi)鹽度超標(biāo)的時(shí)間為5.80d，可見(jiàn)，隨著南水北調(diào)工程遠(yuǎn)期調(diào)水方案的實(shí)施，徑流量進(jìn)一步減小，水源地不宜取水的時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)。

3結(jié)論

本文建立了長(zhǎng)江口鹽水入侵三維數(shù)值模型，并采用2018年3月南槽3個(gè)船只測(cè)站和3個(gè)浮標(biāo)測(cè)站流速和鹽度資料進(jìn)行了驗(yàn)證，水流和鹽度的相關(guān)系數(shù)（cc）、均方差（RMSE）和技術(shù)分?jǐn)?shù)（ss）分別達(dá)0.77、0.23m/8、0.86和0.83、1.60、0.90.表明模型能夠反映長(zhǎng)江口鹽水入侵的基本過(guò)程，據(jù)此，就南水北調(diào)近期及遠(yuǎn)期調(diào)水工程對(duì)枯季12月期間長(zhǎng)江口鹽水入侵的影響進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

（1）在1、2月多年平均徑流量情況下，沿南支北港斷面，南支出現(xiàn)鹽度低于0.45的淡水區(qū)域，大潮期間范圍為52.95km，小潮期間在22.0km以西鹽度小于0.45.沿南支南港南槽斷面，大潮期間57km以西鹽度小于0.45.小潮期間0.45等值線略有上移，位于55km處，表明南港鹽水入侵小潮期間強(qiáng)于大潮期間，這是由于下游南槽小潮期間強(qiáng)烈的鹽水楔上溯造成的，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中，東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)取水口不宜取水的時(shí)間分別為7.74、3.08和2.72d，

（2）在東線和中線工程近期調(diào)水1000m³/s的情況下，長(zhǎng)江河口鹽水入侵加劇，尤其在北港、北槽和南槽攔門(mén)沙區(qū)域及其北支上段鹽度上升最為明顯，出現(xiàn)了量值超過(guò)0.5的大面積區(qū)域，相比于未調(diào)水前（工況1），沿南支北港斷面，大潮期間淡水區(qū)域減小了5.0km，小潮期間淡水范圍減小了2.0km，沿南支南港南槽斷面，大潮期間淡水范圍減小了4.0km，小潮期間淡水范圍減小了13km，隨著徑流量的減小，北支倒灌增強(qiáng)，南支淡水區(qū)域減小，攔門(mén)沙區(qū)域等鹽度線向上游移動(dòng)，外海鹽水入侵加劇，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)不宜取水的時(shí)間分別為9.17、5.22和4.85d，隨著徑流量的減小，水源地不宜取水的時(shí)間有所增長(zhǎng)。

（3）在東線和中線工程遠(yuǎn)期調(diào)水1600m。/s的情況下，長(zhǎng)江河口鹽水入侵更趨于嚴(yán)重，相比于近期調(diào)水方案（工況2），整個(gè)河口鹽度的上升更為明顯，在北港、北槽和南槽攔門(mén)沙出現(xiàn)了鹽度超過(guò)1的大范圍區(qū)域，小范圍區(qū)域鹽度超過(guò)了1.5.相比于未調(diào)水前（工況1），沿南支北港斷面大潮期間，淡水區(qū)域減小了8.35km，小潮期間淡水范圍減小了4.0km，沿南支南港南槽斷面，大潮期間淡水范圍減小了7.0km，小潮期間淡水范圍減小了17km，隨著徑流量的進(jìn)一步減小，南支淡水范圍更趨于縮小，鹽水入侵更為嚴(yán)重，在2月中下旬一個(gè)大小潮周期中東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)不宜取水的時(shí)間分別為9.23、6.16和5.80d，隨著徑流量的進(jìn)一步減小，水源地不宜取水的時(shí)間更長(zhǎng)。