長(zhǎng)江口南支河段鹽水入侵規(guī)律研究

長(zhǎng)江口南支河段鹽水入侵規(guī)律研究

在河口的水域，鹽度的時(shí)空變化是河流和海洋的兩個(gè)主要因素和地形在不同時(shí)空上的綜合作用的體現(xiàn)，由此形成的海水入侵是河口的基本性質(zhì)。但是在長(zhǎng)江口,枯季北支鹽水倒灌南支,使得長(zhǎng)江口的鹽水入侵規(guī)律異常復(fù)雜和獨(dú)特,對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵規(guī)律的研究是一個(gè)重要的學(xué)術(shù)問(wèn)題。在長(zhǎng)江口,現(xiàn)已建陳行、浪港水庫(kù),在建青草沙水庫(kù),規(guī)劃建設(shè)東風(fēng)西沙、沒(méi)冒沙和瀏河口太倉(cāng)水源地,淡水資源利用的比例將越來(lái)越大,而鹽水入侵對(duì)長(zhǎng)江口淡水資源利用的安全保障來(lái)說(shuō)是最為重要的制約因素,對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵規(guī)律的研究也是非常重要的工程問(wèn)題。國(guó)外對(duì)河口鹽水入侵的研究始于二十世紀(jì)五十年代,一般都是在實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上,研究鹽水入侵的基本理論,最后發(fā)展為對(duì)鹽水入侵動(dòng)力機(jī)制的研究,代表性的研究成果有Pritchard、Geyer、Bowen、Prandle對(duì)河口鹽水入侵動(dòng)力機(jī)制的研究。對(duì)于長(zhǎng)江口水域來(lái)說(shuō),較系統(tǒng)的研究始于二十世紀(jì)八十年代,經(jīng)過(guò)近三十年的研究,已取得了眾多研究成果:沈煥庭等、韓乃斌研究了長(zhǎng)江口鹽水入侵的時(shí)空變化規(guī)律和北支鹽水倒灌南支的特征;徐建益等分析了徑流、潮汐及河勢(shì)對(duì)長(zhǎng)江口南支河段鹽水入侵的影響;茅志昌等對(duì)長(zhǎng)江口南支南岸、南港河段鹽水入侵的來(lái)源及河口鹽水入侵的類型進(jìn)行了研究;肖成猷等對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵的影響因子進(jìn)行了分析;顧玉亮等就北支鹽水入侵對(duì)長(zhǎng)江口水源地的影響進(jìn)行了研究;賀松林等基于實(shí)測(cè)資料分析了長(zhǎng)江口南支河段枯季鹽度時(shí)空分布的變異及其機(jī)理;吳輝等對(duì)北支倒灌鹽水的輸送機(jī)制進(jìn)行了定量研究;項(xiàng)印玉等研究了冬季臺(tái)灣暖流、蘇北沿岸流對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵的影響,指出長(zhǎng)江口外陸架環(huán)流對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵起著重要的作用。此外,水利工程影響下長(zhǎng)江口咸潮入侵的規(guī)律及其變化、河口淡水資源利用等也歷來(lái)受到眾多學(xué)者關(guān)注?？梢?jiàn),以往對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵的研究成果眾多,較好地推進(jìn)了長(zhǎng)江口鹽水入侵的研究,但是這些研究大多是基于某次實(shí)測(cè)資料或是數(shù)學(xué)模型的分析研究,研究面雖廣,卻缺乏較為全面系統(tǒng)的研究;并且,也缺乏涵蓋歷史和近期咸潮入侵?jǐn)?shù)據(jù)的對(duì)比分析及研究。鑒于此,本文以長(zhǎng)江口南支河段為研究區(qū)域(圖1),以大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依撐,在前人研究基礎(chǔ)上,依據(jù)歷年實(shí)測(cè)資料,對(duì)該河段鹽水入侵的規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的梳理、總結(jié)和深入的分析研究,以期對(duì)長(zhǎng)江口南支河段鹽水入侵規(guī)律有清晰的認(rèn)識(shí),為下一步對(duì)人類活動(dòng)影響下長(zhǎng)江口鹽水入侵規(guī)律變化的研究提供依據(jù)。1長(zhǎng)江口鹽水團(tuán)及沿程分布長(zhǎng)江口自徐六涇以下由北支、北港、北槽和南槽4大入海通道組成,形成獨(dú)特的“三級(jí)分汊、四口入?！钡膽B(tài)勢(shì),其鹽水入侵有四條途徑:南槽、北槽、北港和北支;由南槽和北槽入侵的鹽水上溯至南北槽分流口段匯入南港后,鹽水入侵主要有南港、北港和北支3條線路(圖1)。北支進(jìn)潮量約占整個(gè)長(zhǎng)江口進(jìn)潮量的25%,但是目前進(jìn)入北支的流量只有不到總來(lái)流量的5%,造成北支口門連興港處鹽度幾乎與外海相當(dāng),到北支上段青龍港,枯季鹽度仍然較高,這股高鹽水隨北支漲潮流上溯至崇頭后被推出北支上口,然后繞過(guò)崇頭倒灌侵入南支,使得南支鹽度增加,由此形成南支河段的鹽水入侵。北支倒灌南支的鹽水主要以鹽水團(tuán)的形式隨落潮流下移;隨落潮流下移的鹽水團(tuán)主體進(jìn)入南支后大體分為3路影響南支:一路在高潮位期漫過(guò)白茆沙進(jìn)入白茆沙南水道后繼續(xù)向下,影響錢涇口、浪港水域;一路沿崇明南岸進(jìn)入東風(fēng)西沙夾泓,影響可至廟港、南門,嚴(yán)重期可及堡鎮(zhèn);這兩路鹽水相對(duì)較弱;倒灌鹽水團(tuán)主體隨南支落潮主流進(jìn)入七丫口河段,因該段落潮流占優(yōu)勢(shì),倒灌鹽水團(tuán)凈向下游移動(dòng),影響可及吳淞口河段(圖1)。根據(jù)2002年3月大范圍同步監(jiān)測(cè)資料,氯度的平面分布見(jiàn)圖2(以大潮漲憩為例),在北支青龍港處氯度近13000mg/L,幾與北支口門連興港相當(dāng),至崇頭水域迅速降至4000mg/L左右,此股鹽水團(tuán)在崇頭被北支漲潮流推出,然后在南支落潮流帶動(dòng)下,向南支下游移動(dòng),氯度在長(zhǎng)江來(lái)水沖淡下不斷降低,至石洞口處降為500mg/L,繼續(xù)往下傳播至吳淞口附近,氯度降至250mg/L以下;吳淞口以下,鹽度變化呈現(xiàn)出與上游河段不同的變化規(guī)律,愈向外海,水體氯度愈高,至南槽中浚水域,氯度增至5000mg/L左右。由圖2長(zhǎng)江口枯季氯度的沿程分布可知,在枯季大潮期,由青龍港至崇頭、再向下至吳淞口水域,氯度逐步降低;由外高橋向下至南北槽,氯度又逐步升高;吳淞口上下水域氯度最低;由此形成氯度兩頭高、中間低的“馬鞍形”的沿程分布。由圖2長(zhǎng)江口枯季氯度的平面及沿程分布,可知:吳淞口以下河段,主要受外海鹽水直接影響,越向外海,鹽度越高;吳淞口以上南支河段,主要受北支鹽水倒灌影響,大潮期,越向上游鹽度越高;因此,北支鹽水倒灌是南支河段鹽水入侵的主要來(lái)源。2海水淡化后氯度的沿程分布根據(jù)1998~1999年崇頭、陳行水庫(kù)水域的氯度實(shí)測(cè)資料,對(duì)北支鹽水倒灌南支后鹽水團(tuán)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析研究,見(jiàn)圖3?？芍?崇頭鹽水入侵一般發(fā)生在大潮期,而陳行鹽水入侵一般發(fā)生在中小潮期;崇頭氯度開(kāi)始上升的時(shí)間一般比陳行氯度開(kāi)始上升的時(shí)間早2~3d,當(dāng)崇頭氯度開(kāi)始增加時(shí),陳行氯度尚處于上次咸潮的下降階段,這表明在崇頭水域已形成鹽水倒灌之勢(shì)、但鹽水團(tuán)還未大規(guī)模下移時(shí),陳行水域尚在長(zhǎng)江下泄淡水影響之中,故氯度仍在降低;崇頭氯度峰值發(fā)生的時(shí)間一般也比陳行水庫(kù)氯度峰值發(fā)生的時(shí)間早2~3d,當(dāng)陳行水庫(kù)氯度達(dá)到峰值時(shí),崇頭的氯度已明顯降低,這主要是因?yàn)殛愋兴畮?kù)氯度達(dá)到峰值時(shí)已是中、小潮期,潮流作用減弱,外海進(jìn)入北支的高鹽水已退至崇頭以下北支河段;從兩站氯度變化的過(guò)程來(lái)看,兩站的氯度過(guò)程線也存在明顯的相位差(2~3d),這表明北支倒灌的鹽水團(tuán)從崇頭傳播到陳行水域約需2~3d的時(shí)間;從氯度的峰值來(lái)看,總體上崇頭較陳行水域高,說(shuō)明鹽水團(tuán)在南支下移過(guò)程,在與下泄的徑流混合后,氯度在不斷降低。這與以往研究結(jié)論和認(rèn)識(shí)基本一致。根據(jù)2002年3月氯度實(shí)測(cè)資料,選取北支青龍港至南支、南港、南槽站點(diǎn)(位置見(jiàn)圖1)的氯度,得到大、中潮氯度的沿程分布見(jiàn)圖4。可知,氯度的沿程分布大、中潮差異明顯:大潮期,氯度的沿程分布形成由青龍港至崇頭再向下至吳淞口水域氯度逐步降低、繼續(xù)向下至南槽中浚河段氯度逐步升高的兩頭高、中間低的“馬鞍形”的分布形式;中潮期,氯度的沿程分布則形成由青龍港至崇頭再向下至七丫口逐步降低、繼而由七丫口至陳行水域逐步升高、由陳行至馬家港再逐步降低、由馬家港再向下游至中浚又大幅升高的“高-低-高-低-高”的復(fù)雜的“W”形的分布形式;由大潮到中潮,青龍港氯度略有降低,崇頭、七丫口至太倉(cāng)石化的南支上段氯度降低,南支下段的陳行、石洞口至南港上段的凌橋、外高橋氯度升高,再向下游橫沙、中浚氯度降低。由此可見(jiàn),由大潮到中潮,沿程的氯度大小被重新分配,氯度的沿程分布形式也發(fā)生了變異。分析上述枯季大、中潮氯度的沿程分布形態(tài)及氯度值發(fā)生變化的原因,主要為:受外海潮汐影響,大潮至中潮,潮汐強(qiáng)度減弱,加之下泄徑流影響,外海入侵的鹽水團(tuán)減弱,受外海鹽水直接影響的青龍港和中浚、橫沙氯度降低,此時(shí)北支基本無(wú)鹽水團(tuán)繼續(xù)倒灌南支。受上游徑流影響,北支倒灌的鹽水團(tuán)在凈向下游移動(dòng)的過(guò)程中不斷被沖淡,加之中潮期北支已無(wú)較強(qiáng)倒灌鹽水團(tuán)補(bǔ)充,導(dǎo)致崇頭、七丫口至太倉(cāng)石化的南支上段氯度降低;由于南支為落潮占優(yōu),在中潮期,大潮期由北支倒灌的高鹽鹽水團(tuán)在中潮期已輸移至南支下段,導(dǎo)致陳行、石洞口至南港上段的凌橋、外高橋氯度升高。正是基于上述的咸潮倒灌和傳播機(jī)理及徑流、潮汐共同作用的動(dòng)力機(jī)制,由大潮到中潮,南支至南槽河段沿程的氯度大小重新分配,氯度的沿程分布形式發(fā)生了變異。3鹽水入侵的基本情況在前文所述的鹽水入侵規(guī)律及鹽度分布格局下,在長(zhǎng)江口南支水域,幾乎每年11月~翌年4月均會(huì)發(fā)生不同程度的鹽水入侵。以下以陳行水庫(kù)為代表,對(duì)研究區(qū)域近期的鹽水入侵情況進(jìn)行分析,所采用的資料為陳行水庫(kù)取水口1982~2009年各次鹽水入侵的數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,表明:1982~1993年,鹽水入侵次數(shù)平均為每年1.6次,鹽水入侵較弱。1994~1998年,鹽水入侵也相對(duì)較弱,平均為每年2.2次;總天數(shù)最高為31d(1996年),平均為每年11.8d。1998年后,總體表現(xiàn)為鹽水入侵有加劇趨勢(shì),鹽水入侵次數(shù)平均為每年8次;年鹽水入侵總天數(shù)最多達(dá)79d(2002年),平均為每年53.8d(圖5,表1)?？梢?jiàn),近年來(lái)鹽水入侵較嚴(yán)重,鹽水入侵次數(shù)多、歷時(shí)長(zhǎng);并且1998年后鹽水入侵的程度有加劇趨勢(shì),經(jīng)分析,主要是由于1998年大洪水引起的南、北支河勢(shì)變化和北支上口附近灘涂圍墾以及南、北支交角的加大、青龍港潮差增加等因素造成的。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了賀松林等、顧玉亮等早先提出的近期鹽水入侵程度有加劇趨勢(shì)的結(jié)論。根據(jù)各月咸潮情況的統(tǒng)計(jì),表明:鹽水入侵主要發(fā)生在每年11~12月至次年1~4月;2~3月鹽水入侵最為嚴(yán)重;少數(shù)發(fā)生在10和5月份,極少數(shù)發(fā)生在8~9月(圖6)。綜上所述,在研究水域,近期鹽水入侵的程度有加劇的趨勢(shì),但是對(duì)于這種加劇的趨勢(shì)需慎重對(duì)待,一方面還需更多的資料來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證,另一方面,在三峽水庫(kù)正式運(yùn)行以及北支綜合整治工程實(shí)施后的變化趨勢(shì)還有待下一步研究;研究水域鹽水入侵最嚴(yán)重的時(shí)期為每年的2~3月,在這段時(shí)間內(nèi),鹽水入侵次數(shù)多、歷時(shí)長(zhǎng)。4復(fù)雜因素綜合作用的表現(xiàn)長(zhǎng)江口鹽水入侵影響因子眾多,包括長(zhǎng)江來(lái)水量、外海潮汐強(qiáng)度、河口形態(tài)、河勢(shì)、氣象條件等,各種因素綜合作用,異常復(fù)雜。據(jù)以往研究,眾多因素中長(zhǎng)江來(lái)水量和潮差是最主要的因素。以下主要從長(zhǎng)江來(lái)水量(以大通流量代表)和潮差對(duì)研究水域鹽水入侵的影響進(jìn)行分析探討。4.1崇頭氯度與通氣流量的關(guān)系上游流量對(duì)南支鹽水入侵的影響主要表現(xiàn)在下泄淡水對(duì)鹽水的沖淡作用,理論上講,來(lái)水量越大,鹽水入侵就越弱,但南支河段鹽水入侵主要受北支鹽水倒灌影響,與外海潮汐強(qiáng)度密切相關(guān),因此,上游流量與鹽水入侵的關(guān)系是非常復(fù)雜的。從2006~2007年崇頭氯度和大通流量(根據(jù)余奕昌等的研究,大通流量可取鹽水入侵開(kāi)始所對(duì)應(yīng)的前6~10d平均值)的關(guān)系來(lái)看,兩者之間并不是簡(jiǎn)單的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7):當(dāng)流量高于20000m3/s時(shí),上游來(lái)流對(duì)鹽水團(tuán)的形成及發(fā)展起主導(dǎo)作用,因此隨著流量的增加,崇頭水域氯度越來(lái)越低,但氯度一般小于50mg/L;當(dāng)流量低于20000m3/s時(shí),由于流量較低,外海潮汐強(qiáng)度影響所占比重增加,受流量和潮差共同影響,氯度跟流量沒(méi)有明顯的相互關(guān)系。由圖7也可知,當(dāng)崇頭氯度超標(biāo)時(shí)(氯度超過(guò)250mg/L),大通流量基本在20000m3/s以下;當(dāng)流量大于20000m3/s,氯度少有超過(guò)250mg/L的超標(biāo)現(xiàn)象;這說(shuō)明當(dāng)大通流量小于20000m3/s時(shí),就可能發(fā)生明顯的北支鹽水倒灌南支的現(xiàn)象。4.2流量和潮汐差對(duì)氯的影響分析4.2.1潮差大小的影響通過(guò)對(duì)比不同流量范圍內(nèi)崇頭水域氯度與潮差的相互關(guān)系表明:在15000~20000m3/s流量范圍內(nèi),潮差大于1.5m時(shí)才可能發(fā)生氯度超標(biāo);而當(dāng)流量小于15000m3/s時(shí),只要潮差大于1.3m就可能發(fā)生氯度超標(biāo)。可見(jiàn),上游來(lái)流量越小,外海潮汐作用就相對(duì)越強(qiáng),崇頭水域發(fā)生氯度超標(biāo)所需的潮差也就越小(圖8)。4.2.2高壓力樣品中,磷氯度超標(biāo)情況下,積通過(guò)對(duì)比分析不同潮差范圍內(nèi)崇頭水域氯度與大通流量的相互關(guān)系,表明:在崇頭潮差大于2.0m情況下,大通流量小于20000m3/s時(shí)崇頭水域才可能發(fā)生氯度超標(biāo)現(xiàn)象;而在崇頭潮差小于2.0m的范圍內(nèi),大通流量只要小于17000m3/s就有可能發(fā)生氯度超標(biāo)現(xiàn)象。由此可見(jiàn),潮差越大,外海鹽水入侵程度就越高,發(fā)生氯度超標(biāo)所需的流量也就越大(圖9)。4.3月際間潮差相關(guān)關(guān)系分析為分析流量和潮差對(duì)咸潮超標(biāo)持續(xù)的影響,統(tǒng)計(jì)了崇頭2006年9月~2007年5月各次咸潮持續(xù)時(shí)間、對(duì)應(yīng)前6~10日平均的大通流量以及咸潮前大潮潮差,經(jīng)分析表明:咸潮持續(xù)時(shí)間與大通流量、潮差的相關(guān)關(guān)系并不明顯;但總體上潮差越大,咸潮持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)(圖10)。圖10中咸潮持續(xù)時(shí)間與大通流量的關(guān)系不明顯,主要是因?yàn)橄坛背掷m(xù)時(shí)間是大通流量、潮差共同作用的結(jié)果,并不是一個(gè)單因子的關(guān)系。鑒于此,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了陳行水庫(kù)歷年各月的咸潮入侵?jǐn)?shù)據(jù),通過(guò)對(duì)比分析各月咸潮持續(xù)天數(shù)與大通流量的關(guān)系(圖11,以1、2月為例),表明:通過(guò)將各月的咸潮數(shù)據(jù)分開(kāi)統(tǒng)計(jì),由于消除了月際間潮汐強(qiáng)度差異所帶來(lái)的影響,咸潮持續(xù)天數(shù)與大通流量的關(guān)系總體上較好,大通流量越大,咸潮持續(xù)時(shí)間越短。由此可見(jiàn),在長(zhǎng)江口南支河段,大通流量越大,咸潮持續(xù)時(shí)間越短;潮差越大,咸潮持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。5流量為的依據(jù)本文在前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)歷年咸潮及氯度實(shí)測(cè)資料的分析,對(duì)長(zhǎng)江口南支河段鹽水入侵的規(guī)律進(jìn)行了進(jìn)一步的梳理和全面的分析研究,得到以下主要結(jié)論:(1)北支鹽水倒灌是長(zhǎng)江河口南支河段鹽水入侵的主要來(lái)源。(2)研究水域,氯度的沿程分布在枯季大、中潮差異明顯:大潮期,氯度的沿程分布形成由青龍港至崇頭再向下至吳淞口水域氯度逐步降低、再向下至南槽中浚河段氯度逐步升高的兩頭高、中間低的“馬鞍形”分布形式;在中潮期,氯度的沿程分布則形成由青龍港至崇頭再向下至七丫口逐步降低、繼而由七丫口至陳行水域逐步升高、由陳行水域至馬家港再逐步降低、由馬家港再向下游至中浚又大幅升高的“高-低-高-低-高”的復(fù)雜的“W”形分布形式;由大潮到中潮,氯度的沿程分布形式發(fā)生變異,主要是外海潮汐和上游來(lái)流量綜合作用的結(jié)果。(3)研究水域,近期鹽水入侵的程度有加劇的趨勢(shì),但是對(duì)于這種加劇的趨勢(shì)還需慎重對(duì)待;研究水域鹽水入侵最嚴(yán)重的時(shí)期為每年的2~3月,在這段時(shí)間