（物理海洋学专业论文）长江河口盐水入侵一、二维数值计算研究.pdf

河海大学硕士论文摘要 摘要 长江是中国的第一大河，入海径流量大，属于中等强度的潮汐河口。河口宽 浅，受径流利潮流的相互作用，河势复杂多变，盐水入侵极为复杂。本文在前人研 究成果的基础上，分析了未来三峡及南水北调工程运行之后，长江口盐水入侵的变 化及发展趋势。 ( 1 ) 初步分析长江口盐水入侵的规律及影响其变化的动力因素，阐明长江口盐 度时空分布的规律，强调盐水入侵的研究应侧重在长江低流量背景条件下，枯季 大、中、小潮期间长江口内各汉道盐水入侵状况及北支盐水倒灌对南支与南、北港 上口水源地的影响。 ( 2 ) 根据实测资料统计大通水文站年内及年际月平均流量变化情况，并综合三 峡及南水北调工程运行之后大通枯季月平均流量的变化，通过建立大通长江口 一维水流模型，在率定验证的基础上研究三峡及南水北调工程等运行之后，长江近 口段江阴附近水动力要素变化的情况。 ( 3 ) 基于( 2 ) 所建立的一维水流模型，建立江阴一一长江口二维水流、盐度模 型，率定验证后数值研究长江低流量及枯季大、中、小潮背景条件下大通下泄流量 的变化对长江口盐水入侵的影响，并进一步研究北支倒灌盐水团在南支的输移路径 及扩散的范围，以此提出枯季协调三峡及南水北调工程调水的大通临界流量。 关键词：长江口，三峡，南水北调，盐水入侵，数值模拟 ( 本论文由国家自然科学基金重点项目“长江流域调水工程对河口环境的影响及对策”资 助。) 河海大学硕士睑文a b s t r a c t a b s t r a c t y a n g t z er i v e ri st h eb i g g e s tr i v e ri nc h i n a ，t h eq u a n t i t yo ff r e s h w a t e rf l o w i n gi no c e a ni s v e r yh u g e ，a n di t i sm i d d l i n gt i d a le s t u a r y t h ee s t u a r yi sc o m p a r a t i v eb r o a da n ds h a l l o w ， i si n f l u e n c e db yt i d ea n df r e s h w a t e r ，i t st e r r a i ni sc o m p l e x ，a n ds m ti n t r u s i o ni sc o m p l e x e i t h e r b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ns a l ti n t r u s i o ni n y a n g t z er i v e rd u et ot h eb u i l d i n go ft h e r eg o r g e sp r o j e c ta n dt h es o u t ht on o r t hw a t e r t r a n s f e rp r o j e c t ( i ) a n a l y z i n gt h er u l eo fs a l ti n t r u s i o ni ny a n g t z er i v e ra n di t sd y n a m i c a lc h a r a c t e r t h e n b a s e do nt h eu p p e ra n a l y s i s ，p u tf o r w a r dt h es t u d yo fs a l ti n t r u s i o ni ny a n g t z er i v e r s h o u l db eg r o u n do ns p r i n gt i d e ，m e a nt i d ea n dn e a pi nd r ys e a s o nw i t hl o wd i s c h a r g e ( 2 ) e s t a b l i s h i n g1d m a t h e m a t i c sm o d e lf r o md a t o n gt oe s t u a r yo fy a n g t z er i v e r ，a n dt h e n u s i n gi t t os t u d yt h ec h a n g eo fh y d r o l o g i c a lf a c t o r si nn e a re s t u a r yo fy a n g t z er i v e r i n f l u e n c i n gd u et ob u i l d i n go ft h e r eg o r g e sp r o j e c ta n dt h es o u t ht on o r t hw a t e r t r a n s f e rp r o j e c t ( 3 ) e s t a b l i s h i n g2 dm a t h e m a t i c sm o d e lf r o mj i a n g y i n gt oo f f s h o r eo fy a n g t z er i v e r ，t h e n s t u d yt h ei n f l u e n c eo ns a l ti n t r u s i o nc a u s e db yc h a n g e so fd i s c h a r g ef r o md a t o n gi n c o n d i t i o no fl o wd i s c h a r g ea n ds p r i n gt i d e ，m e a nt i d ea n dn e a pi nd r ys e a s o n b a s e do n t h o s ea n a l y s i s ，t h i sp a p e rs t u d i e sm o r ea b o u ti n t r u s i o nr o u t eo fs a l tw a t e ri nt h es o u t h b r a n c hc o m i n gf r o mt h en o r t hb r a n c h ，a n dt h e np u tf o r w a r dc r i t i c a ld i s c h a r g eo fd a t o n g ， w h e nd i s c h a r g ei sl o w e rt h e ni t ，t h es o u t ht on o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c tw i l lb er t l ni n c o n s i d e r a t i o n k e yw o r d ：e s t u a r yo fy a n g t z er i v e r ，t h e r eg o r g e sp r o j e c t ，t h es o u t ht on o r t hw a t e r t r a n s f e rp r o j e c t ，s a l ti n t r u s i o n ，n u m e r i c a lm o d e l 河海大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 河口盐水入侵概述 入海河口是河川来的淡水和海水交汇的地方，是河流与海洋过渡的区域，由于 河口处是两种动力条件相互作用，水质情况也不一样的特殊的水域，因此存在盐淡 水混合的问题。从上游来的淡水经河口区泄入海中，而含有一定盐分的海水会随着 涨潮流而上溯达到口门以内一定的距离，便产生了盐水入侵问题。一般来说，各个 河口所处的自然条件不尽相同，所以各个河 的盐淡水混合情况也不尽相同。 研究表明，河口地区盐淡水混合的程度主要受到上游径流量的大小、河口地区 潮汐作用的强弱、异重流、汉道特性、科氏力、风及浪等动力因素的影响。一般情 况下，径流量及潮汐作用最为重要，但其它的因素也不能忽视，要视具体情况分别 加以甄别其重要性。如在水面较为宽阔及风级常年较高的河口区域，风浪及科氏力 的作用较为显著；而在滩槽交错的河口区域，地形的影响则不容忽视。 通常，根据河口区盐淡水混合作用及盐水入侵的程度，河口盐淡水混合的类型 主要分成三大类，分别为“： a ) 高度成层型 当河口径流较强而 潮汐相对较弱时，密度 较小的淡水从表层泄入 海中，而密度较大的盐 水则位于底层并沿河底 上溯而形成“盐水 楔”，两种不同密度的 水体存在清晰的交界面， 在交界面上形成一层很 图1 1高度成层型河口的典型情况 1 一分界面；2 一速度为零的面；3 一淡水 薄的混合层，其典型情况如图1 1 所示。因盐水与淡水是分层流动的，故称“高度 分层型”或“盐水楔型”。如美国的密西西比河南水道，流量1 0 0 0 0 0 c f s ，潮差仅 为0 5 f t ，是典型的高度分层型河口。 河海大学硕士论文 第一章绪论 b ) 弱混合型( 部分混合型) 当潮流作用较强时 盐淡水间的分界面受到 了破坏，上下层之间发 生一定程度的水体混 合，水平方向和垂直方 向都存在含盐度梯度， 这种河口就称为弱混合 型河口，其典型情况如 图1 2 所示。如美国的图1 2 弱混合型河1 ：3 的典型情况 萨凡纳河口、英国的泰1 一高潮时的等盐度线；2 一低盐度时的等盐度线 晤士河及中国的长江口等都属于这种类型。 c ) 强混合型( 垂向均匀混合型) 当潮流作用很强， 向的含盐度梯度很明 显，垂向的则很微 弱，往往可以忽略不 计，等盐度线常呈垂 直或近于垂直的状 态。潮差大的河口中 常常会出现这种混合 类型，其垂直方向含 盐度梯度对垂向流速 分布的影响很小，在 而径流的作用较弱时，盐淡水之间便产生强烈的混合。水平 图1 3强混合型河口的典型情况 1 一高潮时的等盐度线；2 一低盐度时的等盐度线 涨落潮转变过程中一般不会出现表层与底层水流流向相反的交错流，其典型情况如 图1 3 所示。如我国的钱塘江河口以及长江口北支，都是典型的强混合型河口。 应当指出，以上虽然就河口的类型给出了一个分类标准，但值得注意的是，在 实际的河口中，即使是同一个河口，其混合的类型也并不是一成不变的，而是随着 河海大学硕t 论文 第一章绪论 径流量与潮流量的对比关系的变化而变化的。如长江口一般情况属于弱混合型，但 在洪水期小潮汛时会出现盐水楔。 通常，采用西蒙斯( h b s i m m o n s ) 建议的参数玎来判定不同的河口或同一河口 在不同时期的盐淡水混合类型： 一个潮周期内的河水径流量 涨潮期的进潮量 当，7 o 7 时，属于高度成层型； 当玎= 0 2 o 5 时，属于弱混合型； 当7 7 - 4 0 1 时，属于强混合型。 如我国珠江水系的西江河口两次实测的叩值分别为1 3 4 和2 0 2 ，属于高度成 层型。长江口南港的町值为0 2 1 ，属于弱混合型；钱塘江口澉浦断面实测的玎值为 o 0 0 5 ，属于强混合型。 以上仅就河口盐水入侵的现象进行了一些简单的描述，而实际一h ，盐水入侵对 河口地区的作用相当明显，一般可以归结为两个方面：对地形演变的影响及对人类 生产生活的影响。 a 、对地形演变的影响 盐水入侵对水下地形演变的影响主要表现在盐淡水的混合对河口区水流、泥沙 运动特性及水动力特性的调整有着不可忽视的作用。 由于盐水入侵的影响，河口区普遍存在着密度梯度，这使得垂线流速的分布发 生了较大的变化，所以河口区水流流速的分布与普通河道中有所不同。在涨潮流期 间，密度梯度与水面坡度方向一致，有加大涨潮流速的作用，且因底部的密度梯度 较大，故又加大了底流速，因此最大流速一般出现在水面下的某一深度处。而在落 潮流期间，密度梯度与水面坡度方向相反，有减少落潮流速的作用，又因底部的密 度梯度较大，对底流起阻碍作用，水流主要从表层排走，故表层的流速较大。在转 流期间，水面坡降很小，密度梯度起控制作用，形成了表层与底层流向相反的交错 流。由于表底层流速的不同，河口区容易形成大范围的内部环流。 河海大学硕士论文 第一章绪论 通常，泥沙的输移与水流的挟沙力关系密切。在一个潮周期内，底部的水流从 净的上溯流转为净的下泄流，其沿程必存在一个净泄量为零的点，即“滞流点”。 由于“滞流点”的存在，水流在该处的挟沙力迅速下降，且又由于盐水具有加速泥 沙絮凝的作用，在该点附近泥沙很容易发生淤积，因此“滞流点”附近往往是河口 区泥沙淤积较为严重的部位，其亦是潮汐河口拦门沙形成的重要原因。 b 、对人类生产生活的影响 盐水入侵往往发生在潮汐河口，而这些河口又大都位于沿海平原地区。这些地 区人口稠密，工农业生产及航运、交通发达，经济发展较为迅速，人类活动与自然 环境密切相关，因此，盐水入侵对于人类的生产及生活有着巨大的影响。 盐水入侵对人类的影响在定程度上表现为其不仅会影响到河口区两岸的工农 业用水、人民的生活用水及淡水生物养殖等，还可能影响废热和生产及生活污水的 扩散与稀释过程。如1 9 7 9 年春季，长江口北支盐水入侵影响南支水道盐度达到历 史最严重程度的时候，当时上海市陈行水库连续不宜取水天数长达2 5 天，崇明岛 受盐水包围，早稻的育秧受到了较大的影响n 3 。 鉴于盐水入侵与河口地形的演变及人类活动之间如此密切的关系，针对沿海潮 汐河口盐水入侵问题的研究是值得重视的，而事实上，针对河口盐水入侵过程及机 理的研究早在2 0 世纪3 0 年代就已经开始了，并取得了一定的成果，如1 9 3 4 年 m p o b r i e e l 和j c h e r n o 根据运动微分方程推出了盐淡水混合流动的一些模型规律 ”3 ，1 9 4 6 年k e l e g a n 根据水槽试验推导出了忽略盐淡水交界面及交界面阻力的头部 速度函数及考虑了交界面相混或交界面阻力作用存在时的头部速度函数“1 ，1 9 4 8 年 和1 9 5 1 年，k e l e g a n 分别在不受潮汐影响和有潮汐影响的情形下，通过模型试 验，讨论了盐水楔自河口沿河口内侵的规律删“1 ，还有i p p e n 咖、h a r l e m a n 嘲、j m ，c a i l l a t “”等也在河口盐淡水混合研究方面作出了贡献。 现阶段，此类问题的研究，主要是通过物理模型及数学模型来实现的。但仅仅 依赖于物理模型试验的手段来开展研究，即使是现在，要在物理模型中复演原型中 的盐淡水混合现象也是非常困难的，更何况由于问题的复杂性，理论上至今也未得 到很好的解决，因此距离全面的分析和描述盐水入侵范围内盐度沿程分布及随时间 变化等问题，还是有很多工作需要完成的。 河海大学硕士论文 第一章绪论 而依赖于数模技术来展开对盐水入侵问题的研究主要是自上世纪6 0 年代末计 算机技术取得较大发展的基础上开始的。通过近5 0 年的发展，国内外学者分别根 据不同的侧重点建立了一维、平面二维、垂向二维和三维等数学模型，并取得了较 多的研究成果。不过数模相对于物模而言，虽然有其费用低、时间短、模拟范围不 受场地限制、可以复演科氏力及超高温等一些方面的优点，现阶段其还是不能完全 取代物模。因此，现在的研究有向物模及数模联合运用的方向发展的趋势。 1 2 问题的提出 如前所述，盐水入侵是沿海潮汐河口普遍存在的问题，而作为中国的第一大河 口“长江口”，鉴于其在中国的经济建设中所扮演的重要角色，其盐水入侵问 题更是不容忽视。 长江口地区人口稠密，工农业生产发达，因此其盐水入侵不仅直接影响到沿岸 居民的生活用水和工业用水，也影响到农业灌溉用水及水产养殖等。 根据国际公共给水标准，饮用水的含氯度一般不能超过2 5 0 p p m 千，水稻育秧用 水不超过6 0 0 p p m ，一般灌溉用水要小于1 i o o p p m ，而工业用水也对氯化物有规定， 以宝山钢铁厂源水要求指标为例，其要求氯化物的月平均值为5 0 p p m ，最高不能超 过2 0 0 p p m “。但实际上，长江口盐水入侵的时候，水体的含氯度往往远远超过 标准值，如1 9 9 9 年2 月2 8 日，长江上游大通站最低流量降至7 0 0 0 c s 时，长江 i z j 南支受到大幅度盐水入侵影响，崇明县南门港1 3 月水体含氯度高达 1 5 9 5 p p m ，凌桥水厂1 4 月咸潮影响累计时间长达1 0 0 天以上，导致同年1 6 月 供水量仅达设计规模的6 0 左右；2 0 0 1 年9 月大潮期间，盐水入侵引起陈行水库 水质超标达5 6 天，含氯度高达5 9 0 p p m 。1 。 同时长江口由于其三级分叉、四口分流格局的特性及南北支分流比的巨大差 异，北支盐水倒灌入南支的情况非常严重，往往使南支形成盐度“高低 高”的现象，极大的影响了南支的工农业生产及居民的生活。如1 9 7 8 年1 1 月至 * p p m 为百万分比。大洋盐度和氯度的经验关系式亦称盐度公式，目前国际上多采用： s = 1 8 0 6 5 c i 。在浅海河口地区，由于受到陆地淡水的强烈影响，海水成分有了改变，上 述关系有了新变化，通常采用s = 1 8 0 6 5 c i + o 0 3 。 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 9 7 9 年4 月，长江大通站流量小于1 0 0 0 0 m 3 s 的连续时间长达8 6 天，盐水倒灌南 支除影响常熟浒浦上游望虞河口水质外( 常熟水水体氯度达7 2 0 p p m ) ，南支下 段堡镇及吴淞口含氯度严重超标( 堡镇含氯度达3 0 7 5 p p m ，吴淞口水体氯度达 3 8 6 1 p p m ，吴淞水厂氯度达3 9 5 0 p p m 和4 1 4 0 p p m ) 0 1 。 由此可见，长江口盐水入侵作为一种隐性的环境污染，其实际上己成为长江口 地区进一步发展的大障碍，对长江口盐水入侵的影响因素及发展趋势的研究已是 势在必行。 研究表明，长江口盐水入侵受到自然及人类活动等各个方面因素的影响，但归 结起来主要受到三大方面因素的制约，分别为地形、潮汐潮流及上游径流量。 1 ) 河口区地形的变化 由于长江口各入海汊道盐水入侵的形式及强度不尽相同，因此地形的变化将直 接影响整个长江口的盐水入侵。较为典型的如长江口北支在人工围滩及浅坝促淤等 工程的干预下，北支大堤间的面积及不同水深的河槽面积不断的缩小，河床亦不断 的淤浅，这使得北支的萎缩加快，分流比进一步减少，1 9 5 8 年之后，北支逐渐由 径流控制的河槽转化为潮流控制的河槽，盐水倒灌的情况进一步加剧，直到8 0 年 代以后，由于河床淤浅导致底床阻力加大，潮水传播速度减慢，会潮点向北支下游 推移，盐水入侵才有所减弱，但近年来，北支河势变化剧烈，涌潮加大，盐水倒灌 再显加剧的趋势。 2 ) 潮汐状况的变化 长江口是径流与潮流相互消长非常明显的多级分汊沙岛型中等潮汐河口，其潮 汐状况的变化直接影响河口区盐淡水混合形式。近年来，随着工业发展，特别是石 化和生物能源的燃烧，使大气中温室气体浓度明显增加。温室效应的增强，导致海 平面亦随之升高。据新华网上海2 月1 2 日电，近5 0 年来，我国沿海海平面平均每 年上升2 5 m m ，而长江三角洲地区濒临的东海海面平均每年上升3 1 m m ，其中2 0 0 3 年比常年平均海平面高出6 m m ，据预测，到2 0 1 3 年，长三角沿海海平面比2 0 0 0 年 平均海平面高出3 5 m m 。而由于海面的上升，河口区的涨落潮量亦上升，加上江水 顶托及海水汇聚作用加强，使高潮位的上升值大于海面上升值，而低潮位的上升值 则相对较小，从而导致潮差加大。据潘良宝“”的计算，如海平面上升o 4 m ，黄浦 河海大学硕士论文第一章绪论 公园处，高潮位升高0 5 m ，而低潮位仅升高0 2 9 m ，即潮差加大0 2 1 m 。如此一 来，在径流量不变的情况下，海平面上升导致潮周期内进潮量增加，则长江口盐淡 水混合形式有可能从缓混合形式向强混合形式转变，盐水入侵的距离及强度也将发 生较大的变化，从而影响长江口现有的工农业生产及居民生活。 3 ) 上游径流量的变化 长江口盐水入侵很大程度上受到上游径流量与河口进潮量比的影响。韩乃斌“ 的研究表明，长江口盐水入侵在不同的径流量和潮差组合下可出现不同的混合形 式，如1 9 6 2 年7 月，大通洪峰流量达6 8 0 0 0 m 3 s ，遇上小潮期，此时的盐水入侵为 高度分层型；1 9 6 0 年2 月1 5 一1 6 日，大通站流量7 8 0 0 一s ，南槽中浚潮差 3 2 4 m ，属于枯水年枯季大潮差组合，整个南槽盐水入侵呈强混合形式。根据多年 现场氯度逐时同步遥测资料统计分析，当长江枯季大潮期间( 大通流量小于 2 5 0 0 0 m 3 s ，青龙港潮差大于2 5 m ) ，北支盐水均有可能倒灌南支，特别是当大通 流量连续小于1 1 0 0 0 m 3 s 时，北支高浓度盐水大量进入南支，严重影响南支水源地 的水质。”。 应当指出的是，影响长江口盐水入侵的三大因素不仅与自然条件的变迁有关， 与人类活动的关系亦密切相关。如人类为发展航运交通，建造大型港口，开挖港池 及疏浚航道等活动，引起了涨潮量的增加，以及在与河口相连的河流的上游区域建 造大型水利枢纽工程和调水工程等，亦引起了河口径流量及分流比的变化，由于这 些变化，河口区的盐淡水混合状态也将因此产生较大变化。 现阶段，由于我国经济建设的需要，长江流域不断的修筑各类水利工程，而其 中不乏大型的有可能对长江口盐水入侵产生较大影响的大型水利枢纽工程，如三峡 工程及南水北调工程。这些水利工程的修建，对长江径流量的变化影响较大，从而 有可能导致大通水文站的年平均流量及月平均流量的时空分布等水动力特性发生较 大变化，而由于这些变化，长江口的盐水入侵也可能随之发生巨大变化，盐水入侵 的长度、强度及北支盐水倒灌等有可能发展到与现阶段截然不同的境地。 研究表明( 黄真理，1 9 9 9 ) 1 ，枯水期下泄流量增加有利于削减水体氯化物的 峰值，连续取不到合格水的天数有所减少；但枯水年1 0 月和1 1 月下泄流量减少 后，河口段入侵的时间有所提前，历时加大，总的受成天数有所增加。一方面三峡 河海大学砸十论卫 第一章绪论 工程地修建有利于枯水期增加下泄流量，如易家豪”认为，三峡：【程建库后，由 于其采用“蓄清排浑”的方式来调节长江径流量的季节性变化，长江可增加1 0 0 0 2 0 0 0 m 3 s 的枯季流量，相应的边界进口盐度值减小，北支盐水倒灌的程度也相对有 所减小。怛同时，另一方面南水北调工程的实施则会减少长江下泄的流量，如南水 北调东线工程方案计划常年引江水1 0 9 0 m i s ，年均调水总量3 0 0 亿疗左右，约占 长江年径流总量的3 4 。按该调水方案，在长江丰枯水交替季节及枯水季节，调 水量分别占长江多年平均流量的7 7 和1 4 ，以近四十年枯季月平均流量资料统 计，调水将导致枯季长江入海流量不足9 0 0 0 m 3 s 的机率由调水前的平均15 增加 到跳水后的3 2 ，流量不足1 3 0 0 0 m 。s 的机率由5 9 增加到7 1 ，相反，大于 1 5 0 0 0 1 1 1 s 的机率则由2 1 下降为】4 ”“。 有鉴于此，现阶段有必要研究一下未来上游三峡水库及旨在缓解黄、淮河平原 地区工农业用水紧缺的大规模跨流域阔水工程一一南水北调_ 程全部建成运行之 后，在长江口下泄流量降低的背景下，枯季大、中、小潮期问长江口的盐水入侵情 况和北支盐水团倒灌入南支的路径及扩散的范围等情况。 1 3 本文所要研究的内容 ( 1 ) 初步分析长江口盐水人侵的规律及影响其变化的动力因素，阐明长江口盐 度时空分布规律，以及盐水入侵的研究应侧重在长江低流量背景条件下，枯季大、 中、小潮期间长江口内各汉道盐水入侵状况及北支盐水倒灌对南支与南、北港上口 水源地的影响。 ( 2 ) 根据大通水文站近5 0 年的实测资料统计大通平均流量的年内及年际变化情 况，并进一步分析三峡及南水北调工程等运行之后，太通流照的变化情况。同时， 建立大通一一长江口一维水流模型，惜此研究三缺及南水北调工程等的运行对长汀 近口段江阴附近的水动力要素变化的影响。 ( 3 ) 建立江阴一一长江口二维水流盐度模型，借以研究长江低流量背景条件 f ，枯季大、中、小潮期间，大通下泄流量的变化对长江口盐水入侵的影响，并进 一步研究北支倒灌盐水团在南支的输移路径及扩散的范围，最后在此基础上再进一 步提出枯季控制南水北调调水的临界大通流量。 步提出枯季控制南水北调调水的临界大通流量。 第二章长江【= 1 盐水入侵的 河海大学硕士论文 动力因素、入侵规律及研究现状 第二章长江口盐水入侵的 动力因素、入侵规律及研究现状 2 1 长江口的动力特性 2 1 1 长江口现状 长江口为径流与潮流相互消长非常明显的多级分汉沙岛型中等潮汐河口( 图 2 。1 ) 。9 0 k m 宽向东、黄海敞开的口门接纳外海巨大的潮量，使得潮波传递上溯至 离口门6 4 2 k m 的安徽大通( 湖区界) ；洪季涨潮流达及的上界( 潮流界) 在江苏江 阴附近，该地离口门鸡骨礁( - l o m 等深线) 约2 5 2 k m ( 见图2 2 ) ，而桔季潮流界 则位于镇江附近；河口盐水入侵的盐水界( 盐度为0 5 ) 枯水期南港在五号沟附 近，北港在六激附近，北支受水、沙倒灌影响，盐水经常倒灌进入南支河段，盐水 团到达的范围分别到达南、北港的吴淞口及堡镇港。 m t 图2 1 长江口分汉形势示意图 根据长江e 1 水动力与地貌形态综合特征，长江口一般分为三个区段，分别为： 大通( 枯季潮区界) 至江阴( 洪季潮流界) 为河口区的近口段( 又称河流段) ，该 9 河海大学硕士论文 第二章长江口盐水入侵的 动力因素、入侵规律及研究现状 图2 2 长江口到大通示意图 河段长约4 0 0 公里，河槽的演变丰要受到单向径流的控制，河道已经发育成为相对 较为稳定的江心洲河型；江阴至河口拦门沙浅滩( 外界大致为佘山。牛皮礁大戢山 一线) ，为河口区的河口段( 又称为过渡段) ，该河段长约2 2 0 公里，其造床作用 主要受到涨、落潮流往复运动控制，河床演变的基本特点为洪水塑造河床，潮量维 持水深，拦门沙河段为泥沙富集区域，河口浅滩发育，滩槽之间水沙交换频繁；长 江口口门以外( 余山牛皮礁大戢山一线以东) 至一3 0 m 等深线，为河口区的口外 海滨，该河段以潮流作用为主，是河流入海径流和泥沙的扩散沉积区，在地貌上形 成水下三角洲，动力特征表现为流向旋转多变，风浪掀沙及风成余流比较明显。 长江口经过1 9 5 0 年以来防汛大堤和护岸工程的建设，6 8 0 8 6 公里的大堤对河 势的稳定起到了关键性的作用。作为黄金水道的龙头，长江口岸线资源已开发 1 3 4 3 公里，其中- l o 米左右深水岸线( 1 8 4 公里) 已经利用1 2 2 公里，资源开发 方向为港口、码头、电厂、船厂、钢铁厂、水库、灰库、机场、农场、临海新城及 工业区的备用地，显示出开发利用对河势的控制效果。 2 1 2 地形 长江口是由漏斗状河口演变而来的。镇扬以下，沙洲散漫，水流分汉。由于大 量流域来沙的充填，北岸有许多沙岛相继并岸，江面束窄，口门宽度从1 8 0 公里束 窄到9 0 公里，形成正常河型的河段逐渐向下游推进。本世纪5 0 年代江心沙并入北 第二章长江口盐水入侵的 河海大学硕士论文 动力因素、入侵规律及研究现状 岸，徐六泾以上的河段逐渐向正常的河流形态转化。一般来说，研究长江口应以大 通或江阴作为长江口的起点，江心沙围垦成陆之后，徐六泾江而由1 3 公里束窄为 5 7 公里，使之成为人工控制节点，因此，目前对长江口的研究也有以徐六泾为起 点的。 在徐六泾以下，河口呈现三级分汊、四口分流格局。级分汉为南支与北支 ( 崇明岛两侧) 受徐六泾节点河段来水来沙控制，该处离长江口外5 0 号灯浮 1 8 1 8 公里，徐六泾河宽最窄处为5 7 公里：二级分汊南港与北港( 长兴岛、横沙 岛两侧) 为复式河槽，其冲淤变化取决于南北港分流口( 上界浏河口南门港河 宽为1 3 2 公里，下界吴淞口保镇港河宽为1 6 2 公里) 河势的稳定性：三级分 汉南槽与北槽( 江亚南沙与九段沙两侧) ，其上口代表断面( 横沙水文站川扬 河口) 河宽为1 1 8 公里。 由于长江口的三级分汊、四口入海的形态，长江口外海高盐度海水经由北支、 北港、北槽、南槽向上入侵，由于各个汊道的河床形态各异，使得长江口的盐水入 侵形势及入侵的距离趋于复杂。受地形影响，南槽与北槽盐水入侵并汇入南港，所 以长江口盐水入侵主要有三条路线：南港、北港、北支。 2 1 3 潮汐和潮流 长江口是中等强度的潮汐河口，其口外潮汐属于正规半日湖，一个涨落潮周期 过程时间为1 2 h 2 4 m i n ，潮波进入长江口以后，由于水深变浅，加上径流的作用而 逐步发生变形成为非正规半日潮。潮波波形表现为以前进波为主的混合波，涨落潮 最大位相在高潮位与低潮位前1 5 2 o h 。潮差从口门向内逐渐减小( 北支除 外) ，涨潮历时缩短，落潮历时延长，如南槽口的中浚站平均潮差为2 6 7 m ，最大 潮差为4 6 2 m ，至南支河段七丫口，平均潮差和最大潮差减为2 2 8 m 和4 2 m 。涨落 潮历时比在口门地区为6 ：6 ，南港、北港河段为5 ：5 7 ，南支河段徐六泾为 3 5 ：8 。 长江口外存在两个不同性质的潮波系统。即东海前进波系统和黄海的旋转潮波 系统，影响长江口的主要是东海前进波系统( 由西南太平洋传入东中国海大陆架演 化形成) 。根据2 0 世纪8 0 年代初长江口各个区段实测水文资料特征值，证实长江 口南港水道除南槽曾出现潮量倒灌入北槽外，其余均是落潮流占优势，而北支崇头 河海大学硕士论文 第二章长江口盐水入侵的 一旦塑型耋：垒堡塑堡墨堕塞翌鉴 说明涌潮是北支水、沙、盐倒灌南支的主要 测站洪季大潮涨潮流速大于落潮流速 动力。 长江口进出潮量巨大，在上游径流接近平均流量、口外潮差接近平均潮差的条 件下，河口南、北港及北支三条港断面合计进潮流量达2 6 3 0 0 0 m 3 s ，为多年平均径 流流量的9 倍，按河口南、北港及北支三条港连线作为全断面进行潮量计算，枯季 大潮进潮量为3 9 1 0 s m 3 ，洪季大潮进潮量约为5 3 1 0 8 m 3 ，洪季小潮进潮量为1 6 x 1 0 8 m 3 。 由于盐度的变化与潮流具有非常密切的关系，盐度过程线的相位和幅度在一定 程度上都与潮位及潮流过程线有很大的相关性，因此，在长江口如此巨大的潮量的 作用下，盐水入侵的作用非常显著，尤其是在枯水大潮的情况下，盐水入侵的程度 尤为剧烈。 2 1 4 径流 长江口水量充沛，据河口潮区界安徽大通水文站( 离河口约6 4 2 公里) 多年实 测资料统计( 1 9 5 0 - - 2 0 0 0 年) ，长江口进入河口区的多年平均径流总量为9 0 5 0 x 1 0 8 m 3 ，多年平均流量为2 8 7 0 0 m 3 s ，百年一遇的最大洪峰流量为9 2 6 0 0 m 3 s ( 1 9 5 4 年8 月1 日) ，5 0 年一遇的最大洪峰流量为8 4 5 0 0 m 3 s ( 1 9 9 9 年7 月2 2 日) ，最 小流量为4 6 2 0 n 1 3 s ( 1 9 7 9 年1 月3 1 日) 0 1 。 长江口径流量的分配在时间上表现出了年内和年际的不均匀性。一般，长江口 5 一l o 月为洪季，6 个月的输水量占全年的7 1 1 ( 其中7 、8 、9 月占全年的3 9 7 ) ，1 1 月至翌年4 月为枯季，其输水量占全年的2 8 9 。7 月份为输水高峰季 节，其流量占全年1 4 ，1 月份为输水最小月份，其流量占全年的3 2 。长江河 口区来水量年际分配也极不平衡，恽才兴教授通过对多年( 1 9 5 0 - - 2 0 0 0 年) 平均 值的统计，得到长江河口丰水年和枯水年所占比例的比值约为2 ：3 。 在长江口地区三级分汉、四口入海的格局的作用下，长江口径流量在空间的分 配上亦表现出一定程度的不均匀性。1 9 5 8 1 9 8 7 年间，北支分流量逐年减少， 1 9 7 1 1 9 8 7 年期间，北支水、沙、盐倒灌进入南支明显，1 9 8 8 年洪季，北支分 流量增加至3 7 ( 洪水作用有关) 。1 9 9 8 年洪水造床作用调整北支上段主槽河床 形态以来，分流量保持在1 - - 4 范围内变化。一般情况下，大潮分流比普遍小 河海大学硕士论文 第二章k 江口盐水入侵的 动力因素、入侵规律及研究现状 于小潮。而作为长江径流主泄流通道的南支，其下段南、北港，南、北槽的径流量 的分配则较为接近。北港径流分配变化在3 6 6 6 5 3 之间，南港径流分配变 化在3 4 7 6 3 4 之间。1 9 5 8 年后，北港的分流量大于南港。南槽径流分配变 化在3 5 8 6 7 6 之间，北槽的径流分酣在3 2 4 6 4 2 枝江。1 9 6 5 年以 后，北槽的分流比大于南槽。 2 1 5 风与波浪 长江口位于副热带季风气候区，风向的季节性变化十分明显，常风向为s e e s e ，强风向为n i v n n w 。夏季盛行偏南风，冬季盛行偏北风，春季偏北气流逐渐 减弱，偏南气流逐渐加强，4 月份开始盛行东南风，秋季则相反，偏南气流减弱， 偏北气流加强，l o 月份已盛行偏北风。一般，长江口冬季北风虽然较强，但就河 口延伸方向而言，其属于离岸风，对河口过程影响较小，春夏两季的东南风和秋季 台风期的东北风对长江河口过程起较大的作用。据长江口崇明县1 9 7 0 年1 9 7 9 年的气象站资料的统计结果表明，月平均风速以冬季、春季各月较大，8 月为平均 风速最大月，最大风速大多出现在夏季台风侵袭时期，多年平均常风向为s e ，次 常风向为e 和n n w ，风向年内分布为，强风向为s e ，平均每年出现1 2 次。 长江口江面开阔，口门宽度约9 0 公里，在口内又无岛屿屏障，8 m s 的风速就 可以在口门地区掀起波高为1 m 左右的风浪，夏季如果遇上台风的影响，浪高更为 可观。长江口的波型为风浪或混合浪，涌浪单独出现的情况极少。在混合浪中，又 有以风浪为主和以涌浪为主两种，二者所占的比例分别为7 7 和2 3 ，即长江口 的波浪以风浪为主，涌浪为次。 2 1 6 口外盐度 长江口口外侵入长江河口的底层高盐水主要源至东海南部陆架水域的台湾暖 水，它的相当部分来自台湾东北部海域的黑潮次表层水，夏季表层的高盐水则主要 来自于台湾海峡。此外，冬季存在于东海北部陆架水域的黄海混合水也有侵入长江 口外的迹象“”。根据1 9 5 9 年全国海洋普查资料统计，受径流和大洋海流的影响， 长江口外3 0 的含盐度洪季可以延伸到1 2 5 。e 以东，桔季在1 2 2 。3 0 e 附近， 变化范围达3 0 0 公里以上。 河海大学硕士论文 第二章长江 盐水入侵的 动力闽素、入侵规律及研究现状 2 2 长江口盐水入侵的时空变化特性 2 2 1 概述 从实测资料分析，长江口径流最大变幅可达2 0 倍，年内变幅一般为7 倍左 右，潮差变幅也较大。对北港、南槽和北槽而言，盐淡水混合基本属于缓混合型， 而混合强度的大小依次为南槽、北槽和北港。但洪季和枯季及大、小潮的变化过程 中，同一汉道在不同时期可以出现不同的混合型。如南槽在桔季大潮会出现垂直均 匀的强混合型现象，而在洪季小潮则会出现高度分层的弱混合型现象。含盐度从外 海向上游递减，但洪季和枯季含盐度上朔的距离不同，而北支，由于其分流比远较 南支为小，仅4 左右，同时受其宽浅河槽的影响，潮波变形剧烈，枯季常为盐水 所控制，是长江口盐水入侵最为严重的汉道。在特定的枯水大潮组合情况下，北支 向南支倒灌大量的盐水，对长江口南支和南港河段的影响较大。北港受外海盐水直 接入侵的影响，枯季的含盐度很高，北港是除北支外盐水入侵最为严重的河段。 由此可见，长江口盐水入侵的时间及空间的分布极为复杂，在其三级分汉、四 口入海的地形格局、巨大的径流量及外海潮汐、潮流的共同作用下，盐水入侵在时 间和空问上表现出了孑然相异的变化特性。 2 2 2 长江口盐水入侵的时问分布特性 长江口盐水入侵在时间上的分布主要受到径流量及外海潮汐的影响，其可以按 照时间的长短分为潮周日变化、朔望变化、季节变化及年际变化。 潮周日变化潮周日变化主要是受潮汐周期性变化的影响，一般而言，盐度( 氯 度) 的变化与潮流具有密切的关系。潮流与潮位的相位差主要决定于潮波的传播性 盯晦缸s ) ( ( 1 ) 受北支盐水倒灌影响； 图2 3 时问咕s ) 2 ( 2 ) 未受北支盐水倒灌影响 流速与氯度过程线 1 4 河海大学硕士论文 第二章睦江口盐水入侵的 动力因素、入侵规律及研究现状 质，从而最大、最小盐度值以及相位也与潮波性质有关。总的来说，潮周日变化有 两个特点：若盐水入侵源以北支倒灌为主，氯度峰、谷值分别出现在落憩、涨憩附 近：若盐水入侵源以口外涨潮流为主，则氯度峰、谷值分别出现在涨憩、落憩附近 ( 图2 3 ) 。 朔望变化 亦称半月变化。长江口潮汐在半月中出现一次大潮和一次小潮，相应 问，低盐区仍出现在大潮期。一般，北 支及南、北槽常出现第一种类型，第二 种类型常出现在吴淞口以上地南支主槽 及新桥水道地中、下河段；南、北港上 段位于河口中部，来至上、下游地盐水 多在这里汇合，第二、三种类型在该水 第二章长江口盐水入侵的 河海大学硕士论文 动力因素、入侵规律及研究现状 2 2 3 长江口盐水入侵的空间分布特性 长江口三级分汊、四口入海的格局及南北支分流比的变化在一定程度上决定了 长江口盐水入侵在空间上的分布特性。 从南支一南港盐度纵向分布情况看，存在三条明显的盐度梯度急剧变化地曲 线。一条为九段沙头、横沙岛东滩断面，洪季盐水入侵锋一般到达南、北槽上首、 横沙东滩、南港及以上河段氯度在5 0 p p m 以下；另一条为高桥断面，根据大通站多 年流量频率分析，当枯季流量频率为2 5 以下时，外海盐水入侵锋上溯至高桥以 下河段，高桥以上水域受径流控制；七丫口断面为第三条分界线，来自北支地盐水 主体经白茆沙北水道在七丫口上首汇入南支主槽，从自茆沙体漫滩进入南水道的盐 水仅占一小部分，加之南水道落潮流程长于涨潮流程，盐水在本河段滞留的时间 短，入侵强度弱。七丫口以下河段盐水有来自于北支倒灌的过境咸水团及南、北港 成潮上溯3 个方面，导致盐水入侵历时加长，强度增加，氯度大于2 5 0 p p m 地天数 远多于七丫口以上水域。 从北支盐水倒灌强度地情况来看，其对南支一南岸氯度纵向分布的影响起到了 举足轻重地作用。在洪季或流量偏丰的枯季进入北支的长江径流量较多，会潮点 移至北支口内，牵制了北支盐水地倒灌，南支一南港河段盐度由下游往上游呈递减 规律；另外，北支倒灌出现在大潮期，咸水团扩散下移需要一个过程，咸水团经过 杨林、宝钢、吴淞、高桥地时间是在小潮期或小潮期后地寻常潮期间，所以这河段 在大潮期尚未受到北支咸水团的过境影响，仍会出现从下游往上游盐度递减地现 象。 当北支盐水倒灌南支后，南支一南港纵向盐度分布常出现反常现象。据1 9 9 6 年3 月1 1 目的资料分析，大潮期，南门、堡镇及六激测站，盐度呈现高一低一高 的下凹型分布；小潮期，呈现低一高低的上凸型分布( 表2 1 ) 。这主要是由于 大潮期进入白茆沙北水道地高盐水随着涨落潮逐步下移，南门、堡镇地盐度值便相 应上升，而六激地盐度值则主要随涨潮流地减弱而降低，从而造成大小潮期间两种 截然相反地盐度分布类型。另外，北支盐水倒灌后，南支一南港纵向盐度递减率在 大小潮期间地差距较大，且峰值出现地时间亦不相同。如1 9 9 6 年3 月小潮期间， 凌桥至陈行水库地氯度纵向递减率为2 0 p p m k m ，大潮期为7 0 p p m k m 。氯度峰值最 1 6 第二章睦江口盐水入侵的 河海大学硕士论文动力因索、入侵规律及研究现状 高位于崇明西南角地崇头站，达2 6 8 2 p p m ，其次为宝钢水库取水口、杨林站，吴 淞站因受到黄浦江径流地影响，氯度相对较低，白茆站地氯度来自白茆沙地漫滩咸 表2 i崇明南案各测站氯度( p p m ) 水，峰值最小。氯度峰值出现地时间，崇头最早，发生在大潮期，白茆推迟一天， 宝钢水库地峰值出现在小潮期，崇头地低氯度出现在小潮期，氯度低于1 0 0 p p m 。 2 3 长江口盐水入侵研究现状 2 3 i 概述 河口盐水入侵问题的研究开始于2 0 世纪3 0 年代，美国的水道实验站( w e s ) n h 荷兰的d e i f t 水工试验所作了很多工作。2 0 世纪5 0 年代之后， p r i t c h a r d ( 1 9 5 2 ) 、b o w d e n ( 1 9 5 9 ) 和h a n s e n ( 1 9 6 5 ) 等人先后对盐水入侵范围、盐淡 水混合和水体盐度分布及其对水流、泥沙运动的影响等进行了研究，随着研究工作 的相继开展和深入，h a n s e n ( 1 9 6 6 ) 、s i m m o n s ( 1 9 6 9 ) 和b o w d e n ( 1 9 6 7 ) 分别从不同 的角度对河口盐水入侵的类型进行了分类“。 而国内对河口盐水入侵作用的研究工作由于历时原因而受到了延误，直至2 0 世纪7 0 年代末期才进入河口研究的兴旺时期，但是主要的工作仍限于经济相对发 达的长江口和珠江口，且对河口现象和盐淡水混合过程的认识主要还是建立在国外 研究的基础之上。 2 3 2 长江口盐水入侵的研究方法及所取得的主要成果 2 0 世纪6 0 、7 0 年代这个时期由于历史的原因，国内外专家、学者及科研 机构等对长江口盐水入侵问题的研究较少，其中，较具代表性的主要有易家豪 ( 1 9 6 4 ) 。”等，其在研究铜沙江亚地区盐水楔异重流时指出，长江口在水平和垂直 方向都存在盐度梯度，并且影响着水流的变化。 2 0 世纪