長(zhǎng)江河口鹽水入侵的原因及對(duì)策

長(zhǎng)江河口鹽水入侵的原因及對(duì)策

該河口是河流和海洋之間混合的過(guò)渡地帶，含有豐富的物質(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,四口入海”的格局,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。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,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、北支鹽水倒灌及其通量、鹽水入侵對(duì)重大工程及水文氣象條件變化的響應(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MIKE21FlowModelFM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模型構(gòu)建及網(wǎng)格單元根據(jù)以往的研究,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120km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10d,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45712個(gè)網(wǎng)格單元,23977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7050m,北支青龍港及北槽深水航道處最小分別約為300m、450m;時(shí)間輸出步長(zhǎng)為30s,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。1.1控制方程式動(dòng)量方程鹽度輸運(yùn)方程1.2模型建立及邊界條件(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長(zhǎng)江口管理特征由于實(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。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。2長(zhǎng)江河口旱季鹽入侵分析2.1鹽水入侵格局長(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。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?？傮w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難以定量地分析倒灌通量鹽通量是指某一時(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25h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鹽水倒灌南支原因分析文章通過(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