（环境科学专业论文）长江口盐水入侵拟建北支水下堤坝.pdf

答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 阜_ 寸干上海海洋大学教授主席 顾杰上海海洋大学教授委员 王伟定浙江海洋所 同j 一委员 委员 委员 委员 委员 林军上海海洋大学讲师秘书 答辩地点海洋科学学院答辩日期 2 01 0 6 1 0 上海海洋大学硕士学位论文 长江口盐水入侵拟建北支水下堤坝方案的挡成蓄淡效应 摘要 随着长江口南支青草沙水库即将建成，而北支水道、河槽河势演变的关系，北支 盐水倒灌南支日趋严重，对长江口整治工程的实施显得尤为重要紧迫。本文分析了长 江口盐水入侵机制及影响因子，探讨了三维水动力耦合盐度数值模型的建立方法，利 用e c o m 数值模式建立了长江v i - - 维数值模式。论文采用实测资料对建立的模型进 行了验证，合理地再现与分析了长江河口区的盐水入侵现象。本文为了应对日趋恶化 的盐水入侵问题，提出了在北支上段拟建水下堤坝工程方案，并探讨工程前后对长江 口枯季盐水入侵产生的影响进行了数值计算，主要研究了潮流场分布情况、盐度场分 布情况以及潮周期盐通量情况。 论文的主要内容归纳为以下几个方面： 1 ) 系统归纳与评述了河口盐水入侵的危害、复杂性及各种影响因素，总结了国内外 盐水入侵问题的研究现状和盐水入侵的主要研究方法。 2 ) 基于三维数值模式e c o m ，建立了一个高分辨率的长江口区域三维水动力耦合盐 度的数值模式。利用该模式对已掌握的现场观测的流速、流向和盐度进行验证，计算 值与观测值吻合良好。 3 ) 利用己建立的模式，综合考虑了各种动力因素，模拟计算了长江口区域水下堤坝 工程方案前后，潮流场变化情况、盐度场变化情况以及指定断面潮周期盐通量状况。 4 ) 数值试验表明：工程拟建后工程断面处潮流模拟点流速、流向基本一致，变化较 小，长江口潮流场分布图基本与工程前相似。水下堤坝工程方案对北支倒灌区域的水 动力影响不是很大，流速只是在工程断面处有所变化，由于地势的改变，工程后断面 处流速明显大于工程前外，对于整个区域的流速影响不是很明显；工程前后盐水倒灌 路径基本相同，自北支倒灌南支之后，高盐水体随着落潮流走白茆沙北水道进入南支， 并逐渐随着水流往下游扩散。从倒灌盐水的扩散距离来看，工程前后距离也基本相同； 工程拟建后，盐水倒灌区域盐通量稍有减少，但变幅不够明显。通过对潮流场、盐度 场及潮周期盐通量的观察，工程效益不理想。 关键词：长江河口，三维数值模拟，盐水入侵，北支水下堤坝工程方案 上海海洋大学硕士学位论文 s a l t w a t e ri n t r u s i o ni nt h ec h a n g j i a n ge s t u a r y _ f e a s i b i l i s t u d yo fb u i l d i n gt h eu n d e r w a t e rd a m f r o mt h en o r t hb r a n c h a b s t r a c t t h eq i n g c a o s h ar e s e r v o i ro nt h es o u t hb r a n c hw i l ls o o nb ec o m p l e t e d b e c a u s eo f w a t e r c o u r s ea n de s t u a r i n ee v o l u t i o no fn o r t hb r a n c h ，s a l t w a t e rb a c k i n t r u s i o nf r o mt h en o r t h b r a n c hb e c o m em o r es e r i o u s r e g u l a t i o np r o j e c to nt h ec h a n g j i a n ge s t u a r yi sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tt ot h ei m p l e m e n t a t i o no fu r g e n t t h i sp a p e ra n a l y z e st h em e c h a n i s mo ft h e c h a n g ji a n ge s t u a r ya n dt h es t a t u so fs a l t w a t e ri n t r u s i o n i tr e s e a r c hi n t ot h em e t h o dh o wt o b u i l dat h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lh y d r o d y n a m i ca n ds a l i n i t ym o d e la n dat h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo ft h ec h a n g j i a n ge s t u a r yw i l lb ee s t a b l i s h e db y u s i n g e c o mn u m e r i c a lm o d e l v e r i f i t i o nr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t hf i e l dd a t a u s i n ga l lk i n do f d y n a m i cc o m b i n a t i o nt oi m i t a t ea n dc o n t r a s t i n gw i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t ，f u r t h e rl a wo f p o w e rf a c t o ra n di n f l u e n c ei so b t a i n e d t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r du n d e r w a t e rd a m e n g i n e e r i n gp r o j e c to nt h en o r t hb r a n c hi no r d e rt od e a lw i t ht h ep r o b l e mo fs a l t w a t e r i n t r u s i o n i ti n c l u d e sf l o wf i e l d ，s a l i n i t yf i e l da n dd e s i g n a t e ds e c t i o no ft i d a lc y c l es a l t f l u x b e f o r ea n da f t e rb u i l d i n gt h eu n d e r w a t e rd a me n g i n e e r i n gp r o j e c to nt h en o r t hb r a n c h 1 c o n c l u d e da n di n t r o d u c e dt h eh a r m ，c o m p l e x i t ya n dm a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so f s a l t w a t e ri n t r u s i o ni ne s t u a r yi ns y s t e m ，t o g e t h e rw i t ht h es t u d ym e t h o do fi ta n dt h es t u d y s t a t u so ft h es a l t w a t e ri n t r u s i o ni nt h ew o r l dw i d e 2 at h r e ed i m e n s i o n a l ，h i g hr e s o l u t i o n ，h y d r o d y n a m i ca n ds a l i n i t yn u m e r i c a lm o d e li n t h ec h a n g j i a n ge s t u a r ya n di t sn e a r b ya r e a si sb u i l tu pb yu s i n go ft h et h r e ed i m e n s i o n a l e c o mm o d e l s e v e r a lf i e l d m e a s u r e d e l e v a t i o n ，c u r r e n ta n ds a l i n i t yd a t aa r eu s e dt o v a l i d a t et h i sm o d e l ，a n dt h er e s u l ti sr e a s o n a b l e 3 b a s e do nt h em o d e lw h i c ht a k e si n t oa c c o u n tv a r i o u sd y n a m i c a lf a c t o r s ，s a l t w a t e r i n t r u s i o ni nt h ec h a n g j i a n ge s t u a r yi ss i m u l a t e de x a c t l y i ti n c l u d e sf l o wf i e l d ，s a l i n i t yf i e l d a n dd e s i g n a t e ds e c t i o no fs a l t f l u xi nt i d a lc y c l eb e f o r ea n da f t e rb u i l d i n gt h eu n d e r w a t e r d a me n g i n e e r i n gp r o j e c to nt h en o r t hb r a n c h 4 n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a t ：a f t e rt h ei m p l e m e n t a t i o no fe n g i n e e r i n gp r o j e c t ，t h e s i m u l a t er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t hf i e l dd a t a ，t i d a lf l o wd i s t r i b u t i o nk e e p si n t a c t t h e u n d e r w a t e rd a me n g i n e e r i n gp r o j e c td o e s n ti n f l u e n c et h ew a t e rp o w e ro fs a l tw a t e r 上海海洋大学硕士学位论文 i n t r u s i o na r e a ，v e l o c i t ye f f e c t sa c h a n g ea tt h ee n g i n e e r i n gs e c t i o n ，v e l o c i t yd o e s n te f f e c ta t t h ew h o l ea r e a t h eu n d e r w a t e rd a me n g i n e e r i n gp r o j e c td o e s n 。ti n f l u e n c et h es p r e a do fs a l t t h eu n d e r w a t e rd a me n g i n e e r i n gp r o j e c ta l s od o e s n 。ti n f l u e n c es a l tf l u xi nt i d a l c y c l e a c c o r d i n gt of l o wf i e l d ，s a l i n i t yf i e l da n ds a l tf l u x ，t h eu n d e r w a t e rd a me n g i n e e r i n gp r o j e c t i su s e l e s s k e yw o r d s ：c h a n g ii a n ge s t u a r y ，t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s a l t w a t e r i n t r u s i o n ，u n d e r w a t e rd a me n g i n e e r i n gp r o j e c to nt h en o r t hb r a n c h i l i 上海海洋大学硕士学位论文 目录 弓i言1 第一章绪论2 1 1 长江口盐水入侵研究意义2 1 2 国外的研究现状4 1 3 国内的研究现状5 1 3 1 一维盐度模型6 1 3 2 二维平面盐度模型7 1 3 3 三维盐度模型7 第二章长江口盐水入侵机制与现状分析8 2 1 长江口盐水入侵的主要影响因素8 2 1 1 径流8 2 1 2 潮汐、潮流作用9 2 1 - 3 口外流系和海平面变化。l l 2 1 4 河口河势演变。1 1 2 2 长江口盐水入侵的变化特征1 3 2 2 1 盐水入侵的时间变化1 3 2 2 2 盐水入侵的空间变化1 4 2 3 现状分析。1 4 第三章长江河口三维盐水入侵数值模式的建立16 3 1 模式特点介绍1 6 3 2 数值模式的建立。l6 3 2 1 控制方程组1 6 3 2 2 模式计算范围及地形资料1 9 3 2 3 初始条件。2 0 3 2 4 边界条件2l 3 2 5 模式中“动边界处理方法2 3 3 3 数值求解方法2 4 第四章三维数值模式的验证2 5 4 12 0 0 3 年2 月流速、流向和盐度资料的验证2 5 4 2 小结3 8 第五章拟建北支水下堤坝方案的挡咸蓄淡效应4 0 上海海洋大学硕士学位论文 5 1 水下堤坝方案介绍4 0 5 2 水下堤坝工程对潮流场的影响4 l 5 2 1 大潮涨急4 2 5 2 2 大潮落急4 3 5 3 水下堤坝工程对盐度场的影响5 0 5 4 水下堤坝工程对盐通量的影响5 7 5 5 小结5 8 第六章结论与展望。5 9 参考文献6 l 致谢6 5 v 上海海洋大学硕士学位论文 引言 目前用于研究河口盐水入侵这一问题的主要方法有3 种，分别是现场观测、 实验室模型试验及数值模拟。本文主要采用了对现场观测资料进行分析以及数值 模拟相结合的方法对长江口区域进行了研究。 本文共分为六章。第一章阐述了研究长江口盐水入侵的意义。第二章对长江 口盐水入侵机制进行进一步的分析，参考前人研究成果，对影响长江口的主要动 力因子特性及其对盐水入侵所产生的影响进行分析，并探讨了盐度随时间和空间 变化规律。第三章推导建立了长江河e l - - - 维水动力耦合盐度的数值模式，并对模 式各项物理意义、参数的选取等进行论述。第四章对上述三维数值模式在长江口 应用进行验证，验证结果计算值与观测值吻合良好。第五章利用三维数值模式对 长江口的水流盐度进行了模拟，并比较工程前后长江口潮流场、盐度场以及盐通 量的变化情况。 本文的工作： 1 ) 初步分析长江口盐水入侵规律及其影响因子。阐明盐度时空分布规律。 2 ) 利用m i c r o s o f t v i s u a lc + + 编制了包括建模、计算和演示的潮汐河口水流盐度 数值模拟系统。采用d e f l t 3 d 建立长江口水平曲线网格，利用m a p i n f o 、g r i 、 s u r f e r 等软件实现计算网格，盐度场分布，流场分布等计算过程的可视化。 3 ) 建立了长江口区域三维数值模式，研究枯季大、小潮期问的盐水入侵的时空 分布规律，并进一步研究了长江口区域的潮周期盐通量的计算方法以及意义。 4 ) 借助验证情况良好的模式，评估长江河e l 工程前后的盐度场、流场以及盐通 量变化情况，评价工程效益，是否起到挡咸蓄淡的效益，是阻止了北支盐水 倒灌南支，减小盐水入侵长江口。 上海海洋大学硕士学位论文 第一章绪论弗一早珀比 1 1 长江口盐水入侵研究意义 河口是河流与海洋的交汇地带，同时也是人口最为密集、经济最为发达的地 区之一。随着经济的发展，工农业以及城市生活用淡水需求量越来越大。河口正 是最直接最重要的淡水源，而河日的盐水入侵正是影响这一地区淡水资源利用的 主要障碍。前苏联学者萨莫伊洛夫在1 9 5 2 年提出了对河口进行定义。河口流系就 是指河流与其受水体相结合的地段。受水体可能是人工水库、河流、湖泊或海洋， 所以按照水体的不同可以把河口又分为了入湖、入库、支流以及潮汐这四类河口。 潮汐河口是河流与海洋交界地带，受到上游径流以及外海潮流共同作用。本文所 研究对象长江口就是潮汐河口，也可称为入海河口。河口区分段可以划分为3 段， 分别是河流近口段、河流河口段和口外海滨。以长江口为例，自大通至江阴为河 流近口段，自江阴到口门为河流河口段，口门至水下三角洲前缘为口外海滨。长 江口北支自本世纪以来不断萎缩，分流量日趋减少，目前己成为一个以涨潮流为 主的河道，北支涨潮流携带的大量泥沙和盐量在枯季大潮期经崇头倒灌进入南 支，对南支河道产生重大影响。固此，综合开发整治北支是长江口整治工作的重 要组成部分。据2 0 0 4 年上海市海洋环境质量公报，长江口北支河道盐水入侵方式 主要为以涨潮潮流引起的咸水上溯，对于长江口南支河道盐水入侵方式为北支盐 水倒灌以及由涨潮潮流引起的成水上溯。北支盐水倒灌南支的影响范围可以从崇 头到达南门，由涨潮潮流引起的成水入侵可到达堡镇附近。监测表明，长江口北 支水域始终受到盐水入侵的影响。长江口南支崇西水闸站受盐水入侵天数最短， 为4 l 天，占总天数的4 6 ；奚家港天数最长，为7 5 天，占8 4 ；其它站位崇头4 9 天、鸽龙港4 4 天、南f 1 5 3 天。长江口南支河道盐水入侵在一定程度上影响了水源 地的取水。长江河口段的水质状况一般以水体的氯化物含量为标准。当氯化物含 量达到l o o m g l ( 相当于盐度值为o 2 ) 时，表明水体己受到盐水入侵。长江口上游 流量变化是控制其南北支盐水入侵的主要因素。人为滩涂闱垦造成北支中、上段 河床缩窄淤积，减小了上游的径流量，同时使北支潮波剧烈变形，从而加速了北 支海水的倒灌，一定程度上影响了南支水域水源地的取水。 几千前以来，长江口长期处于自然的状态下。但是，如今随着长江河口河势、 河槽的逐渐变化而改变了长江口水、沙运动规律，长江河口内河势、河槽的不稳 定性不断加剧；人类对长江口大量的同垦以及岸线的无序开发对原本一直处于自 然状态长江河口造成一定程度的影响；随着长江口三角洲区域经济的不断发展， 2 上海海洋大学硕士学位论文 人们越来越重视长江口区域存在的问题。为了能够更好地发挥长江口的优势和潜 力，人们对长江口存在的一些问题进行了深入的研究，对长江口进行综合治理越 来越受到专家学者的重视。 长江口门存在拦门沙，通海航道水深不足。作为对长三角地区和长江流域社 会经济发展至关重要的主要入海通道，位于上海的长江入海口长期饱受“局部梗 阻 之困。因受到巨大潮量、径流量和来沙量影响，河口河槽演变十分复杂，长 江口通航航道所处的拦门沙河段，自然水深仅6 m 左右，这种通航条件与国际上远 洋运输船舶的发展水平相比差距很大成为通航的瓶颈，严重制约了上海、长江三 角洲乃至整个长江流域经济的发展。在历经4 0 年、近三代专家和学者艰辛万苦的 努力下，通过对多种不同方案的相互比较，决定采用“长江口深水航道治理”方 案，长江口深水航道治理工程于1 9 9 8 年1 月正式动工，到2 0 1 0 年3 月1 4 日顺利完成 了一、二、三期工程。工程修建了大规模的两条导堤以及丁坝，南导堤全长4 8 k m ， 北导堤全长4 9 2 k m 。使航道设计底标高达至4 j - 1 2 5 m ，航道底宽为3 5 0 m 至4 0 0 m 的双 向航道，可满足第三、四代集装箱全天候通航和第五代集装箱及1 0 万吨级散装货 船乘潮进港的要求。同时兼顾满足第五、六代大型远洋集装箱船和1 0 万吨级满载 散货船及2 0 万吨级减载散货船乘潮通过长江口的要求。然而工程修建的导堤和丁 坝将加大北槽的阻力，大大降低了北槽的落潮分流比，从而也改变了整个长江口 门的分流比 1 4 。在口门导堤工程实施后，必将显著改变河口水动力的结构，形 成泥沙运动的新格局，从而对盐水入侵等情况造成一定影响。 北支淤浅萎缩导致盐水倒灌南支。长江口北支从1 9 5 8 年江心沙与通海沙围垦 和1 9 7 0 年江心沙北汊封堵以后，北支入流条件显著恶化，涨潮流作用不断增强， 河床不断淤浅萎缩，在枯水期大潮期问北支向南支倒灌大量水、沙、盐。沈焕庭 等 5 对倒灌盐水团的向下输送作了定性的描述，指出倒灌盐水团主体通过白茆沙 北水道进入南支，到达新建水闸附近分成三路，随主流流向七丫口河段，沿着崇 明岛南岸流向新桥水道，漫过白茆沙流向南水道。但是其在各个叉道中的输送比 例，以及如何影响到各地的盐度则仍需进一步深入研究。 长江枯季入海径流量下降，盐水入侵加剧，影响长江口淡水资源的开发利用。 尽管长江水资源总量十分丰富，但长江径流量年际变化很大。据大通站多年平均 流量高达2 9 6 0 0 m 3 s ，最小枯水流量可达4 6 2 0m z s ( 1 9 7 9 年) ，最大洪峰流量达 9 2 6 0 0 m 3 s ( 1 9 5 4 年) 。与此同时，长江径流在年内洪、枯季的变化也很明显，每 年洪季( 5 一l o 月) 平均下泄量达4 0 0 0 0m z s ，枯季( 11 月至翌年4 月) 平均下泄量达 1 8 0 0 0m 3 s ，月平均流量变化在8 4 2 0 0 m 3 s 和6 8 0 0 m 3 s 之间，最小流量仅只有 4 6 2 0 m 3 s 。 由于受到人类活动的影响，枯水期长江口入海的径流量减少这一问题已经越 3 上海海洋大学硕士学位论文 来越明显。导致枯水期径流大幅下降的直接原因主要有长江流域内部消耗水量的 不断增长以及跨流域调水( 南水北调等) 。导致近2 0 年来，长江口盐水入侵的频 率和强度明显比以前大大增加。据估计，在1 9 7 9 年枯水期的大通站最小流量只有 4 6 5 0m 3 s ，而大通以下又消耗长江入海水量1 0 0 0 - 1 5 0 0m v s ，从而使入海的长 江流量显著减小，长江口外盐水入侵显著增大。近年来，迅速增长的长江流域内 部消耗水量将进一步减少长江进入枯水期入海的长江流量，加剧长江口盐水入侵 的程度。 随着国民经济的不断提高，河口区的工业和农业废水的排放量也明显大幅提 升。污水排入河口区后，由于河口垂向环流的作用，污水停滞在河口区，且浓度 不断增大，对该河区水生生态环境造成严重影响。总体而言，长江口在深水航道 整治、北支盐水倒灌、淡水资源的开发利用等多个方面有待进一步研究分析，它 们对于长江口三角洲地区经济的长远持续稳定发展有着十分重要的意义。深入研 究长江口问题是十分具有现实意义的，然而由于长江口复杂的河口形态以及水动 力特性等，使得研究长江口成为一个十分严峻的问题。 1 2 国外的研究现状 国外对河口盐水入侵的研究开始于上世纪5 0 年代，6 0 ，- - - 7 0 年代则是研究的 高峰期。几十年来经过学者们艰苦卓越的研究，取得了大量宝贵、有价值的研究 成果。 在2 0 世纪5 0 年代，p r i t c h a r d 利用二维盐量守恒方程对切萨皮克湾 ( c h e s a p e a k eb a y ) 詹姆斯河口( j a m e se s t u a r y ) 进行盐水入侵分析 6 7 ，分 析结果表明在盐水入侵河口存在着底层向陆、表层向海的垂向净环流，该环流系 统对河口盐水入侵、最大浑浊带、沉积物输移等影响具有十分重要的作用。s c h i j f 和s c h o n f e l d 基于盐水楔理论推导了盐水入侵长度解析解 8 】。s i m m o n s 通过分析 现场资料提出了优势流这个重要的概念 9 i ，此概念可用来描述盐水入侵对流速分 布影响。 在2 0 世纪6 0 、7 0 年代，i p p e n 和l t a r l e m a n 通过水槽试验，定义分层系数 为单位质量的液体能量分散( 或衰减) 速率和单位质量的液体得到位能速率之比 n o 。b o w d e n 对m e r s e y 等河口的盐淡水混合、盐水入侵范围、水体盐度分布等作 了研究分析 1 l | 。p r i t c h a r d 根据河口环流的不同特征，把河口划分为盐水楔( 高 度分层) 型、部分混合型以及垂向均匀混合型三种类型n 2 1 。s i m m o n s 定义在一个 潮周期内注入河口的径流量和潮流量之比为混合指数m ，用于区分盐淡水混合类 型，把河口划分为弱混合、缓混合和强混合这三种类型 1 i 。o f f i c e r 进一步指出， 4 上海海洋大学硕士学位论文 m 至1 0 0 为弱混合型， m 在1 0 一l 左右为缓混合型，当m 童1 0 2 为强混合型 1 4 1 。 l e e n d e r t s e 提出三维计算方法 1 5 ，将计算区域沿垂直方向分为若干层，每层用 二维平面计算，层与层之间不考虑水体质量盐度交换，可以交换的只有动量，并 利用摩擦力进行耦合。b o w d e n 和h a m i i t o n 建立了河口环流的垂向二维数值模型 用于研究河口环流和最大浑浊带的关系 1 6 ，研究表明某范围内的河口环流强度 强度正比于河口水深、上游径流量和底部盐度，河口最大浑浊带的悬沙浓度中心 出现在滞留点附近靠海边界一侧。h a s s 研究了注入切萨皮克湾的j a m e s ，y o r k 和r a p p a h a n n o c k 三个河口的垂向盐度分布和潮差的关系 17 i ，研究表明盐度的垂 向分布与潮差有密切的关系。d y e r 和o f f i c e r 进一步研究了各种河口环流运动 形式、盐淡水混合过程、最大浑浊带等，研究表明河口最大浑浊带的位置与盐淡 水混合类型有密切的关系 18 | 。 在2 0 世纪8 0 、9 0 年代，p r a n d l e 研究了河口盐水入侵 1 9 】。u n c l e s 等研究 了一个部分混合河口的水、盐、沙 2 0 | 。d r o n k e r s 用实验研究了v o l k e r a k 河口盐 水入侵机制 2 1 。s a v e n i j e 在大量河口盐水入侵曲线的研究的基础上，总结了“递 降型”、“钟型”、“拱顶型和“驼峰型”这四种类型 2 2 】，此分类方法是将盐水 入侵曲线以及对应河口的几何特征联系起来，在建立河口盐水入侵模型时强调了 几何参量的重要性，该模型能很好地预测河口盐水入侵。n a s s a h i 和k a f a i 对t a y 河口的水动力以及盐度输运建立了可移动边界的计算模型 2 3 j 。 到了21 世纪初，m a c c r e a d y 和g e y e r 通过等盐度面进行体积积分来计算河 口盐通量 2 4 】。 1 3 国内的研究现状 国内对河口盐水入侵的研究，相对于国外起步较晚，到2 0 世纪8 0 年代才开 始有较为系统的专门研究。由于这些研究主要是结合南水北调、三峡工程和深水 航道等重大工程建设以及河口淡水资源的开发利用进行，故有其鲜明特点，能将 河口盐水入侵的基础理论研究与应用研究紧密结合，为了工程建设提供科学依 据。 国内对长江河口盐水入侵的研究主要有5 个方面：l 河口盐水入侵规律研究： 沈焕庭等长江口盐水入侵初步研究一兼南水北调 2 5 】；韩乃斌长江口南支河段氯 度变化分析和长江口咸水入侵分析 2 6 】：茅志昌等长江河口咸水入侵规律及淡水 资源利用 z 7 】。2 河口盐淡水混合研究：沈焕庭长江河口环流及其对悬沙输移的影 响 2 8 】；沈焕庭和胡辉长江口门附近的水流与混合 2 9 】；郑金海等长江河口盐淡水 混合的数值模拟计算 3 0 l 。3 南水北调工程对长江河口盐水入侵影响研究：沈焕庭， 5 上海海洋大学硕士学位论文 茅志昌和谷国传南水北调对长江河口盐水入侵的影响 3 1 1 。4 三峡工程和海平面上 升对长江口盐水入侵影响研究：杨桂山和朱季文全球海平面上升对长江口盐水入 侵的影响研究 3 2 ；茅志昌，沈焕庭和陈敏三峡工程对长江河口溶解性物质含量 影响的研究 3 3 j 。5 河口盐水入侵预测模型和数值模拟研究：王义刚和朱留正的河 口盐水入侵垂向二维数值计算 鲋】；匡翠萍长江口盐水入侵三维数值模拟 3 5 ：朱 裕良等长江口三维非线形斜压水流盐度数学模型 3 6 ；郑金海和朱裕良长江口盐 淡水混合的数值模拟计算 3 0 f 。然而对于通过工程建设来治理长江口盐水入侵的 研究相对较少。茅志昌，陆建建长江口北支综合治理刍议 3 7 1 ；王永忠长江口综 合整治开发规划若干问题思考【3 8 l ；王永忠和陈肃利长江口综合整治开发研究总体 思路及规划方案【3 9 】；李裎来等长江口整治工程对盐水入侵影响研究e 4 0 。 由于长江口是三级分汊四口入海的潮汐河口，盐水入侵的时空变化非常复 杂。前人己对长江口进行大量观测和分析，虽然通过原型观测可以获得宝贵的第 一手资料，但是其分析结果的准确性在很大程度上依赖于观测资料的丰富与否， 即观测站点布设多少、实测数据量多少。但是在现实中由于原型地域局限性大且 观测费用高，所以能获得的观测资料极也较为有限，即使是观测到的有限数据也 存在很大的片面性，很难全面地反应出长江口盐度场、流场变化情况。另外，原 型观测数据的准确性受天气条件、仪器精度等因素的影响也较大。如今随着计算 机硬、软件技术的不断完善和应用，数学模型作为重要研究手段在河口区域的应 用越来越广泛，其很好地弥补了这一缺陷。 1 3 1 一维盐度模型 朱留正 4 l 】基于长江口盐水入侵的环流形态为缓混合型，应用扩散方程和质 量守恒方程计算了长江口盐度纵向分布以及盐水入侵范围。黄昌筑e 4 2 采用一维 盐度扩散方程对长江口盐水入侵现象进行分析，通过定义综合参数b 以及“冲 淡速度”来建立长江口一维盐度纵向分布的计算模式以及预报方法。韩乃斌 e 4 3 基于一维盐度扩散方程研究了南水北调工程对长江口盐水入侵的影响。易家 豪e 4 4 1 采用一维河口分汊水流数学模型对沿河口纵向上各位置的水流和盐度断面 平均值的变化进行研究。盐度模型采用的是差分法进行求解，而水流模型采用的 是有限单元法进行求解。 1 3 2 二维平面盐度模型 6 上海海洋大学硕士学位论文 易家豪 4 5 采用了具有伽辽金线性权函数有限元法来进行求解，利用显式有 限元格式来加快计算时间，并且利用光滑技术来提高计算稳定性。韩乃斌 4 6 、 李浩麟 4 7 及赵士清 删分别利用了a d i 法来建立平面二维的盐度模型，计算网格 都采用矩形网格。水利部上海勘测设计研究院 1 9 采用正交曲线网格对长江口南 支河段进行了数值模拟，计算方法是破开算子改变步长特征的曲线差分法。该院 在1 9 9 9 年 s o l 利用d e l f t 3 d 模拟计算了长江口深水航道工程实施前后的盐度场， 并分析了改整治工程对长江口盐水入侵的影响，d e l f t 3 d 采用的是正交曲线就散 网格，计算格式采用a d i 法。 1 3 3 三维盐度模型 随着计算机技术的不断发展，三维数值模拟计算量大的缺陷己基本被克服， 同时由于其对盐水入侵动力过程刻画的完整而越来越受到重视。匡翠萍 3 5 ，5 1 对 三个方向进行伸缩转换，并且将转换后的方程组变换成守恒形式，对时问导数采 用前差，空间导数采用中心差商，水平方向采用显式，垂直方向采用隐式，将差 分方程转换为三对角方程，采用追赶法求解。该模型已成功模拟了长江口拦门沙 地区的水流盐度。河海大学海岸及海洋工程研究所 5 2 刊 建立了河口三维非线性 斜压水流盐度数学模型。模型通过0 坐标转换，可以使整个水域垂向采用相同的 分层，通过过程分裂法将三维流动分为表面重力波( 外模式) 以及内重力波( 内模 式) ，对于表面重力波采用的是改进型的双步全隐有限差分d s i 法，对于内重力 波采用的是欧拉一拉格朗日公式法，改进了三维垂向隐式格式，减小了数值耗敖， 提高了计算精度和稳定性。对于内、外模式，都考虑了盐度对水流运动的影响 龚政 5 5 基于p o m 模式推导出了适合长江口在盯坐标系统下的非线性斜压水 流盐度模型。提出了无需考虑流场以及盐度场垂向结构的情况下，可以采用二维 平面模型。对于需要考虑流场以及盐度场垂向结构的情况下，可以采用三维斜压 模型。对于盐度变化时问尺度较长的情况下，可以采用斜压诊断模式，或采用斜 压预报模式。 朱建荣等c s 6 基于e c o m 模式，建立了一个理想河口的三维盐度数值模式，讨 论了盐水入侵的空间不对称性和河口环流。基于该模式，胡松等 5 7 还探讨了径 流量变化以及海平面上升对盐水入侵和河口环流的影响。罗小峰等r s s 通过三维 数值模拟研究了深水航道整治工程实施后长江口北槽的盐度场，指出航道增深将 会加大长江口盐水入侵强度。 7 上海海洋大学硕士学位论文 第二章长江口盐水入侵机制与现状分析 2 1 长江口盐水入侵的主要影响因素 要掌握长江河口盐水入侵的变化规律，首先应该分析影响长江口盐水入侵的 因素。多年研究表明，影响长江河口地区盐水入侵的主要影响因素有上游径流量、 潮汐和潮流、口外流系、海平面变化、河口河势演变等。通常情况下，上游径流 和口外潮流作用是主要因素，但是其它因素的作用也不容忽视。 2 1 1 径流 径流主要通过径流量的大小、季节变化、年际变化和变幅大小影响盐水入侵 的变化。长江口水量充沛，多年平均流量2 9 4 0 0m 3 s ，年径流总量为9 2 6 0 亿m 3 ， 为珠江的2 6 倍，黄河的1 7 5 倍。根据大通水文站多年统计资料，最大流量达 9 2 8 0 0 m 3 s ，最小流量为4 6 0 0m 3 s ，流量变幅相差2 0 倍之多。径流量对长江口 盐水入侵的影响及其明显，主要表现有明显的季节和年际变化，还表现在径流可 以增大落潮潮流的流速，有助于阻挡口外盐水入侵。如果上游径流量越大，那么 口外盐水入侵也就越小，反之亦然。 根据对长江口大通站多年各月径流量的变化进行分析，发现径流量与盐水入 侵程度呈反比关系。一般情况下，长江口洪季在5 1 0 月，这6 个月的径流量占 全年的7 1 2 ，7 9 三月就占了全年的3 9 5 。在此期间口内表现为低盐值低 下，盐度最低月份一般出现在七月，其最低值为8 9 o i1 1 月至翌年4 月为枯季， 这6 个月径流量占全年的2 9 8 ，盐度最高一般出现在一月。 长江入海径流量存在丰、平、少水年的变化。根据长江水利水电科学研究院 对长江丰、平、少水量的划分指标，在年平均流量经验累积频率曲线上，小于2 5 的为丰水年，大于7 5 的为少水年，频率在2 5 , - - - 7 5 之问的为平水年。- 根据标准 绘制大通站多年平均流量经验累积频率曲线，按上述划分标准，就多年平均而言， 大于3 1 5 0 0m 3 s 为丰水流量，小于2 5 5 0 0m 3 s 为少水流量，介于2 5 5 0 0 3 1 5 0 0 之间的为平水流量。丰、平、少水年内径流分配见表2 1 ，丰、平、少水年内径 流分配基本一致，变化不大。 8 上海海洋大学硕士学位论文 少水年 ( 1 9 7 2 ) 平水年 ( 1 9 7 7 ) 丰水年 ( 1 9 7 3 ) 长江径流目前主要受两种大型工程影响，即三峡工程和南水北调工程。三峡 水库运行期间使用的“蓄清排浑 的方式，在1 0 月开始填蓄水，枯水年延长至1 1 个月，1 - - 一5 月增加下泄流量。在长江入海总量基本不变，但在该年内的分配发 生变化。在南水北调工程，有三种引水方案：一是东线( 下游) ，江都为引水点， 分期设计流量约5 0 0 、7 0 0 与1 0 0 0m 3 s ；二是中线( 中游) ，在丹江口水库为引水 点，输水路线由丹江口至北京，长度超过了1 4 0 0 公里，分期设计流量7 5 0 ，1 0 0 0 与1 2 0 0m 3 s ；三是西线( 上游) ，将长江上游来水北调到黄河上游。 径流对盐度变化的影响还表现出一定地时间滞后，当径流量减少时更为明 显，因为河口系统需要一定地时间进行水体混合置换，滞后时问也即系统的反应 时问。 2 1 2 潮汐、潮流作用 潮汐是盐水入侵的动力所在，主要通过潮汐性质、涨落潮历时长短和潮差大 小等影响盐水入侵的变化e 3 i 。从长江口区分潮的振幅来看，m 2 起到主导作用， 其次s 2 和k 2 ，振幅分别为m 2 分潮的1 3 和1 5 左右。一般在0 3 5 - 0 4 0 之间， 均在0 5 0 以下，因此按目前我国常用的分类法，长江口的潮汐属正规半日潮。 长江口区潮汐的日不等现象较为明显，尤其是高潮不等。一般来说，夏半年是夜 潮大于日潮，冬半年是日潮大于夜潮。在口外( 以拦门沙为界) 受正规半日潮的 影响，潮波进入口内后，由于水深变浅，加上径流的作用而逐步发生变形成为非 正规半日浅海潮，平均一个半日潮的周期为1 2 小时2 5 分。 在长江河口区存在着黄海的旋转潮波体系和东海的前进波体系这两种不同 的潮波体系。长江口受到黄海旋转潮波影响，其中k l 、0 1 分潮较显著，从东北方 向进入长江口。以此同时，长江口也受到东海前进波影响，东海前进波是以前进 波为主的混合潮波，按东南至西北方向进入口门，在进入口门后受到河槽的约束， 9 上海海洋大学硕士学位论文 传播方向基本上和河槽轴线一致。在口外海区呈前进波形态，在进入各汊道后以 前进波为主的变态潮波的形态存在，在南、北支涨潮槽中具有明显的驻波性质， 涨落潮最大位相在高潮位时比低潮位提前1 5 2 0 小时。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，如南槽口门附近的中浚站最大潮 差为4 6 2 m ，最小潮差为0 17 m ，平均潮差为2 6 7 m 。由此可见长江河口是一个 中等强度的潮汐河口。 潮流主要通过潮流性质、运动形式、涨落潮流历时、流速、流向等影响盐水 入侵的变化 5 9 i 。由于长江口受m 2 和s 2 分潮占主导地位，长江口区总体潮流的涨 落急方向基本上为西北一东南方向。涨落潮在长江口的路径差异现象十分显著， 南支宽l o k m 左右，南、北港宽也在6 - 8 k i n 左右。长江口的落潮流和涨潮流变化 显著，在科氏力作用下的涨落潮流强度很大，涨潮流偏北而落潮流偏南，放映在 实测的潮流椭圆上其两个长半轴不在一直线上，涨潮流的长半轴谣偏北成分大， 落潮流的长半轴东偏南分成小，形成了一个像扭曲了的椭圆。在口门地区，由于 涨潮流流向洪季偏北成分大，枯季西偏北成分小，落潮流流向洪季东偏北，枯季 东偏南，因而涨落潮流流路枯季时一致，洪季时偏离特别大。 在北港和南、北槽3 个口门外，全潮来看，潮流强度北槽较强，北港次之， 南港最小；从涨落潮分开看，