一般動力條件下青山水庫取水口鹽水入侵來源分析

一般動力條件下青山水庫取水口鹽水入侵來源分析

1研究長江河口鹽水入侵來源長江河口地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，人口密集，需要大量高質(zhì)量的原材料。2010年前上海的用水主要取自黃浦江,水量不足,水質(zhì)較差,為典型的水質(zhì)性缺水城市。長江河口水量充沛,水質(zhì)優(yōu)良,要從根本上解決上海的用水難題,必須從長江河口取水。為了解決用水難題,上海市在長江口建成了大型河口江心水庫———青草沙水庫。青草沙水庫位于南北港分汊口附近、長興島西北側(cè)(見圖1),水域面積達到66.15km2,于2010年建成并開始向上海供水,承擔(dān)了上海市約50%的原水供應(yīng),規(guī)劃供水規(guī)模為7.19×106m3/d,受益人口超過1000萬人。青草沙水庫的興建,大大緩解了上海供水緊張的局面,為上海城市發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有利的保障。但從長江河口取水面臨的主要問題是枯季鹽水入侵,如果取水口鹽度大于飲用水標(biāo)準(zhǔn)0.45(實用鹽度單位,按國際慣例單位一般不標(biāo)注)就不能取水。長江河口枯季經(jīng)常面臨鹽水入侵,最大的特點是南支除受外海鹽水入侵外,還受上游北支鹽水倒灌的入侵。已有的大量觀測和研究表明,潮汐和徑流量是影響鹽水入侵的主要原因,另外還受風(fēng)應(yīng)力、口外陸架環(huán)流和河勢變化等影響。以往對長江河口鹽水入侵來源的研究,沈煥庭等指出潮汐河口外海鹽水入侵導(dǎo)致的鹽度周日變化一般規(guī)律是鹽度最高、最低值分別出現(xiàn)在漲憩、落憩附近,且周日變幅大。長江口南支、南北港受北支鹽水倒灌后,改變了鹽度周日變化規(guī)律,具體反映為鹽度周日變幅小,周日的鹽度峰值和谷值出現(xiàn)在落憩和漲憩附近。茅志昌等通過分析現(xiàn)場觀測資料,指出青草沙水源地的鹽水源自外海鹽水入侵和北支鹽水倒灌,其中以受北支倒灌鹽水團過境作用為主。顧玉亮等根據(jù)觀測資料分析,指出影響南支水源地的鹽水來源有兩個,即北支鹽水倒灌和南北港外海鹽水入侵。樂勤等根據(jù)多年監(jiān)測數(shù)據(jù)指出,影響青草沙水庫水域氯化物變化的咸潮入侵源有3個,即北支咸潮倒灌、南港咸潮入侵和北港咸潮入侵,其中最主要的入侵因素是北支咸潮倒灌。以往對長江河口鹽水入侵的研究,主要針對陳行水庫鹽水入侵來源。陳行水庫于1992年建成啟用,運營時間較早,對其研究較多。青草沙水庫于2010年建成啟用,運營時間較晚,對鹽水入侵來源研究相對較少。開展青草沙水庫鹽水入侵來源的研究,定量給出不同潮型下北港外海鹽水入侵和上游北支鹽水倒灌在水庫取水口鹽水來源的百分比,可為水庫避咸蓄淡提供科技依據(jù)。本文應(yīng)用長江河口鹽水入侵三維數(shù)值模式,在模式驗證的基礎(chǔ)上,開展青草沙水庫鹽水入侵來源的研究。23d模式的構(gòu)建和驗證2.1游邊界位置及網(wǎng)格劃分本文應(yīng)用改進的三維數(shù)值模式ECOM-si[8—10],該模式長期應(yīng)用于長江河口地區(qū)水動力過程和鹽水入侵等方面的研究,并取得諸多成果[3,11—14]。模式采用水平曲線非正交網(wǎng)格,范圍包括整個長江河口、杭州灣和鄰近海區(qū),上游邊界設(shè)在長江枯季潮區(qū)界大通,外海開邊界東邊到124.5°E附近,北邊到33°N附近,南邊到28°N附近(見圖2)。對長江河口區(qū)域,包括南北支分汊口和深水航道工程區(qū)域的網(wǎng)格進行局部加密,并且較好地擬合了岸線和導(dǎo)堤。口內(nèi)網(wǎng)格分辨率為100~500m不等,口外網(wǎng)格較疏,分辨率最大為10km左右。垂向采用σ坐標(biāo)均勻分為10層,時間步長取60s。長江河口區(qū)域淺灘較多,模式運用干濕判別法實現(xiàn)潮灘移動邊界的模擬,臨界水深取0.2m。模式地形采用2010年岸線及水深資料。外海開邊界由潮位驅(qū)動,考慮16個分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,MU2,NU2,T2,L2,2N2,J1,M1,OO1,考慮海表面風(fēng)應(yīng)力的作用。2.2模式結(jié)果和模擬計算改進的ECOM-si模式已在長江河口進行了大量的驗證,模式計算的水位、流速、流向和鹽度與實測資料吻合良好。本文采用2011年12月24日至2012年1月13日長江口觀測資料對模式作進一步驗證,測站的分布圖見圖1。模式從2011年11月1日起算,徑流量采用大通水文站每日的實測值,風(fēng)場采用QSCAT/NCEP提供的時間分辨率為6h、空間分辨率為0.5°×0.5°的數(shù)值產(chǎn)品。圖3和圖4分別為船測站點B和C表底層流速、流向和鹽度觀測值和模擬計算值隨時間變化,測點B位于南北支分汊口附近,測點C位于北港北汊口。測點B實測最大流速表層約為1.4m/s,底層約為1m/s,因底摩擦作用表層流速大于底層流速,模式計算流速大于實測值。落潮流歷時大于漲潮流歷時,流向同實測流向一致。觀測表層鹽度小于底層鹽度,計算鹽度與觀測鹽度較為接近。測點C模式計算流速、流向和鹽度與實測值吻合良好,漲憩時刻鹽度達到最大,落憩時刻鹽度達到最小,表明鹽水入侵源自下游外海。同樣,落潮流歷時大于漲潮流歷時,底層鹽度大于表層鹽度。圖5為浮筒和水文站觀測和模式計算表層鹽度隨時間變化。浮筒測點A位于北支口,鹽度在25~30之間波動,模式計算值略高于實測值。浮筒測點D位于北港攔門沙區(qū)域,該處存在鹽度鋒面,鹽度隨時間變化大,模式計算值略大于實測值。浮筒測點青草沙水庫取水口在大部分時間鹽度低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)0.45,在2012年1月6-10日出現(xiàn)大的波動和峰值,模式很好地模擬出了這個過程。在堡鎮(zhèn)水文站,在2011年12月24至2012年1月4日期間,鹽度在0.4上下變化,波動很小。在1月5-13日之間鹽度出現(xiàn)大的波動和峰值,實測鹽度最大值達到9.0,同樣模式很好地再現(xiàn)了這個過程。從上面的驗證結(jié)果可以看出模式計算的流速、流向和鹽度同實測資料吻合良好,可以較好地模擬長江河口水動力和鹽水入侵過程。2.3鹽水入侵狀況比較本文研究青草沙水庫鹽水入侵來源,影響水庫取水口鹽水入侵的因素有徑流量、潮汐和風(fēng)應(yīng)力等。先設(shè)計一個徑流量和風(fēng)況為冬季1-2月一般狀況的控制數(shù)值試驗,模擬長江河口和水庫取水口鹽水入侵狀況。數(shù)值模式計算時段為鹽水入侵嚴(yán)重的1-2月,模式從1月1日開始運行,至2月底結(jié)束,輸出2月的計算結(jié)果作分析和比較。徑流量取大通1950年以來1月和2月平均值,分別為1.11×104m3/s和1.2×104m3/s。風(fēng)場取NCEP多年半月平均風(fēng)場,外海開邊界考慮16個主要分潮。為了解在不同動力條件下青草沙水庫鹽水入侵狀況和來源,設(shè)計在北支上段封堵的數(shù)值試驗,將沒有北支鹽水倒灌情況下計算結(jié)果與控制試驗結(jié)果比較,定量分析青草沙水庫鹽水入侵來源。3結(jié)果與分析3.1取水口鹽水入侵主要來源圖6為青草沙水庫取水口水位、流速、流向和表層、底層鹽度隨時間變化,潮汐為半日潮,日不等現(xiàn)象明顯,半月大小潮變化顯著。大潮最高潮位約2.1m,最低潮位約-1.1m(黃海85基面)。水流為往復(fù)流、表層最大流速約130cm/s。取水口大部分時間鹽度低于0.45,2月24日至3月2日鹽度大于0.45,水庫不宜取水。在2月4-8日小潮后中潮期間底層鹽度出現(xiàn)大的峰值,最大值達到4.8,量值遠大于表層鹽度。峰值出現(xiàn)在漲憩時刻,表明取水口底層鹽水入侵來自北港外海。除了小潮后中潮期間表底層鹽度差異顯著,其他時段差異微小,表明垂向混合均勻。為清楚地表示不同潮型期間取水口鹽水來源,將2月11-26日表層流向和鹽度放大(見圖7)。在大潮后中潮期間11-14日(結(jié)合圖6中水位過程),前2天落憩時刻鹽度達到峰值,漲憩時刻達到谷值,表明鹽水入侵來自上游,即北支鹽水倒灌。后2天鹽度大于0.45,但波動很小,表明倒灌鹽水團正處于取水口水域,水平混合均勻。在小潮期間15-18日,絕大部分鹽度小于0.45,水庫能取淡水,鹽度波動小,但峰值出現(xiàn)在漲憩時刻,表明鹽水入侵來自下游外海。但該低鹽水源自北支倒灌、小潮期間移至取水口下游,故本質(zhì)上還是源自上游北支倒灌。在小潮后中潮期間19-22日,鹽度小于0.45,鹽度峰值出現(xiàn)在漲憩,鹽水入侵來自下游外海。在大潮期間23-26日,鹽度隨時間逐漸升高,鹽度峰值出現(xiàn)在落憩時刻,鹽度入侵來自上游北支倒灌。因此,大潮和大潮后中潮期,水庫取水口鹽水入侵來自上游北支鹽水倒灌,小潮和小潮后中潮期來自下游外海鹽水入侵。2月4-7日小潮后中潮期間漲憩時刻(t1)、落憩時刻(t2)表層和底層鹽度平面圖可見圖8,在青草沙水庫附近北港水域鹽度從口外向口內(nèi)遞減,北港鹽度鋒面明顯。在漲憩時刻,表層等鹽度線0.45正在經(jīng)過取水口,上游為鹽度低于0.45的淡水,下游為鹽水,底層北港北汊高鹽水入侵北港十分明顯,鹽度顯著升高,取水口下游附近出現(xiàn)等鹽度線3,表明時刻底層鹽水入侵強烈,這與圖5給出的小潮后中期期間底層高鹽度峰值是一致的。在落憩時刻,等鹽度線0.45向下游移動,取水口附近淡水面積增大,上游倒灌的鹽水距取水口尚遠。故從取水口漲憩時刻鹽度增大、淡水面積減少,落憩時刻鹽度減小、淡水面積增加的鹽度平面分布,可得出小潮后中潮期間取水口鹽水入侵來自下游外海。在大潮期間2月25日漲憩和落憩時刻(圖9),北支倒灌進入南支的鹽度高于1.0鹽水位于南支上段北側(cè),鹽度低于0.45的淡水位于橫沙小港北側(cè)附近水域,在漲憩和落憩時刻取水口鹽度均大于0.45,不宜取水。從取水口鹽度變化看,漲憩時刻下游淡水區(qū)域趨近,落憩時刻下游淡水區(qū)域遠離,而上游高鹽水趨近,所以大潮期間取水口鹽水入侵源自上游北支倒灌。這與上面從鹽度變化過線分析結(jié)果一致。3.2潮型控制下的鹽分通量在控制實驗的基礎(chǔ)上,封堵北支上段,完全消除北支倒灌的影響,模擬和對比分析青草沙水庫鹽水入侵。圖10為封堵北支上段后青草沙水庫取水口表層和底層鹽度隨時間變化過程,對比未封堵時情況(見圖6),除了2月4-7日底層鹽度仍出現(xiàn)峰值、量值基本一致外,其他時段鹽度大幅下降。這表明取水口表層鹽水入侵來自北支鹽水倒灌,底層小潮后中潮來自下游外海,其他時段主要來自上游北支鹽水倒灌。為定量分析北支倒灌在青草沙水庫取水口附近水域鹽水入侵中的比例,我們計算了沿北港橫斷面不同潮型期間漲潮和落潮總的平均鹽通量(為絕對值之和平均,見表1),在控制數(shù)值試驗中小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期間平均鹽通量分別為20.66、20.76、34.11和15.28t/s,封堵北支上段后分別變?yōu)?2.08、2.80、0.11和0.00t/s。通過北港橫斷面的鹽通量由來自上游北支鹽水倒灌和下游外海鹽水入侵共同引起,那么封堵北支上段后鹽通量的減少部分可認(rèn)為是由北支倒灌產(chǎn)生,從整個斷面角度看北支倒灌占鹽水入侵的百分比在小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期間分別為41.5%、86.5%、99.7%和100%,也即除了在小潮后中潮期間青草沙水庫取水口鹽水入侵58.5%來自下游外海,其他潮型主要來自北支鹽水倒灌,尤其是大潮后中潮和小潮幾乎全部來自北支鹽水倒灌。從青草沙水庫取水口表層和底層鹽度變化看,小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期間北支倒灌占表層鹽水入侵比例分別為69.5%、89.3%、98.5%和99.5%,占底層鹽水入侵比例分別為34.9%、88.9%、98.5%和99.5%(表2),也就是說青草沙水庫取水口表層鹽水入侵來源主要來自北支鹽水倒灌,尤其是大潮后中潮和小潮期間幾乎全部來自北支鹽水倒灌。底層鹽水入侵來源小潮后中潮期間主要來自下游外海,占65.1%,其他潮型主要來自北支鹽水倒灌,尤其是大潮后中潮和小潮期間幾乎全部來自北支鹽水倒灌。長江河口鹽水入侵最大特點是北支鹽水倒灌,嚴(yán)重影響南支鹽水入侵和水源地。因為青草沙水庫取水口距離北港口門較遠,北支鹽水倒灌成為了除小潮后中潮期間外鹽水入侵外的主要來源。4鹽水入侵來源應(yīng)用改進的三維數(shù)值模式ECOM-si,考慮徑流量、潮汐和風(fēng)應(yīng)力等的作用,研究青草沙水庫取水口鹽水入侵的來源。采用2011年12月至2012年1月長江口觀測資料對模式作流速、流向和鹽度的驗證,模式計算結(jié)果與實測值吻合良好。設(shè)計控制數(shù)值試驗,根據(jù)鹽度和流向的變化過程、漲憩和落憩時刻鹽度等值線和淡水區(qū)域的變化,分析在一般動力條件下青草沙水庫取水口鹽水入侵來源。設(shè)計封堵北支上段數(shù)值試驗,計算不同潮型下通過北港橫斷面的漲潮和落潮平均鹽通量和取水口表層和底層平均鹽度,并與控制數(shù)值試驗結(jié)果比較,定量得出鹽水入侵來源的百分比。從通過北港斷面鹽通量計算結(jié)果看,青草沙水庫取水口附近水域鹽水入侵中北支倒灌所占百分比在小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期間分別為41.5%、86.5%、99.7%和100%。從青草沙水庫取水口表層和底層鹽度變化看,小潮后中潮