长江河口北支盐分倒灌三维数值模拟

长江河口北支盐分倒灌三维数值模拟

0盐水倒灌特征长江河口是三个分支的河口，每个分支都在海上（图1）。第1级分汊由崇明岛将长江分为南支和北支,北支下段成喇叭口形状,上段大部分区域为浅滩,落潮时出露,且与南支基本成直角。北支的特殊形状使大潮涨潮期间上段青龙港水位快速上升,甚至出现涌潮,大量高盐水倒灌进入南支;落潮期间水位下降,浅滩出露,仅少量盐水进入北支,导致在一个涨落潮周期中盐通量从北支倒灌进入南支。由于北支上段浅滩和与南支成直角的河势,使得长江径流量仅少量进入北支,难于稀释外海入侵的北支高盐水,北支盐水倒灌成为长江河口盐水入侵最为显著的特征。倒灌进入南支的盐水在径流作用下,在随潮流上下游震荡的过程中向下游移动,在中、小潮期间到达上海的水源地陈行水库和青草沙水库,对上海的供水安全造成威胁。以往对长江河口盐水入侵的大量研究认为,盐水入侵主要受径流量和潮汐的控制[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],其它还受风应力和口外陆架环流的影响。而在对北支盐水入侵的研究上,侧重于盐水倒灌的原因和对南支水源地的影响方面。WUetal首次对北支倒灌南支的水通量进行了深入研究,通过大量的数值试验和统计分析,给出了单日断面水通量与大通径流量和青龙港潮差的定量关系,以及半月断面水通量与径流量的定量关系。一般情况下,北支倒灌水通量大,倒灌盐通量也大。但在秋末至冬季过程中,径流量变小,倒灌水通量大,但因前期径流量较大,盐水入侵较弱,盐度低,倒灌的盐通量不大;相反的,在冬季至春季过程中,径流量变大,倒灌水通量小,但因前期径流量较小,盐水入侵较强,盐度高,倒灌的盐通量则大。因此,北支盐水倒灌对南支盐水入侵和水源地的影响,其倒灌盐通量比水通量更能说明问题,而对北支倒灌盐通量的研究至今尚未开展。另外,洪季因径流量大,水通量从南支流向北支,盐通量为零。因此,本文应用三维数值模式,主要计算和分析了枯季长江口北支倒灌盐通量。1学习方法1.1研究区域地形本文采用改进的三维数值模式ECOM-si,计算北支倒灌盐通量。该模式长期应用于长江河口水动力过程和盐水入侵的研究,并取得众多成果[1,7,9,10,11,12,13]。研究区域地形采用2007年岸线及水深资料;开边界由潮位驱动,由16个分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,U2,V2,T2,L2,2N2,J1,M1,OO1)调和常数合成得到;径流边界设在大通;初始水位和流速取零;初始温盐场在长江口外由《渤海黄海东海海洋图集(水文)》中温盐分布图数字化得到,口门内由枯季多次实测资料插值得到;采用干湿判别法处理潮滩动边界,最小水深设为0.2m。为节省篇幅,本文模式的计算区域和网格可参见文献。1.2模式计算的结果与分析改进的ECOM-si模式已在长江河口进行了大量的验证,模式计算的水位、流速、流向和盐度与实测资料吻合良好。本文采用2010年1月9日16∶00时至10日23∶00时(农历十一月二十五至二十六)小潮期间和1月16日08∶00时至17日15∶00时(农历十二月初二至初三)大潮期间北支上段测站A(图1)的水位、流速和盐度对ECOM-si模式进行验证。测站A位于北支上段南北支分汊口附近,计算北支倒灌盐通量的断面处。模式从2009年12月1日起算,径流量采用大通水文站每日的实测值,风场采用QSCAT/NCEP提供的时间分辨率为6h、空间分辨率为0.5°×0.5°的数值产品。在测站A,观测期间实测最高水位从小潮时的1.5m,到大潮时的2.0m,逐渐升高,模式计算的水位过程线也体现了这种变化(图2,图中横坐标从2010年1月1日起算,图3和图4同此)。小潮期间,实测流速最大值表层约0.7m/s、底层约0.6m/s,因底摩擦作用底层流速略小于表层;表层涨潮时实测最大盐度约1.2,底层约1.8,底层盐度大于表层盐度。模式计算的流速表层略大于实测值,底层小于实测值,流速垂向变化偏大;模式计算的盐度值大于实测值,垂向变化偏小(图3)。大潮期间,涨急时流速急剧增大,最大值表层达到1.7m/s,底层达到1.3m/s,同样底层流速略小于表层流速。涨潮流具有脉冲性,最大涨潮流速远大于最大落潮流速,这是由于北支特殊的喇叭口形状决定的。表层盐度随涨落潮流变化明显,涨急时盐度快速增大,量值达到9.9;底层盐度随涨落潮变化没有表层明显,量值明显比表层大(图4)。本文研究北支倒灌盐通量,采用北支上段测站A来验证模式,是因该站位于南北支分汊口的北支上段,地形复杂,且该处由于北支的喇叭口形状而存在涌潮,对模式的验证具有很大的考验。总体上,模式计算的水位、流速和盐度与实测值大致吻合。对盐通量的验证,从严格意义上说,是对通过河道横断面盐通量的验证。但在北支上段,仅在西侧有一小河槽,中、东侧均为大面积的浅滩,船只不能开展观测,因此仅作测站单宽盐通量的验证。单宽盐通量计算为先对测点各层法向流速与盐度乘积垂向求和,再在时间上对涨落潮封闭的时段内各个时刻的垂向盐通量求和,即为单宽盐通量。小潮观测期间,实测单宽潮周期平均盐通量为12.9t,模式计算值为15.1t;大潮观测期间,实测单宽潮周期平均盐通量为327.8t,模式计算值为301.0t。大潮期间北支盐水倒灌单宽潮周期盐通量远大于小潮,说明北支盐水倒灌强度与潮差远非线性关系,影响南支水源地的主要是大潮期间的北支盐水倒灌。模式对单宽盐通量的验证,计算值与实测值吻合良好。1.3确定的理论模型长江河口盐水入侵主要决定于径流量、潮汐和风应力,先设置一控制数值试验,径流量取大通水文站1月多年月平均值11000m3/s,风场取为北风,风速6m/s,外海开边界考虑16个主要分潮。再设置径流量、潮汐和风应力变化的数值试验,计算和分析它们对北支倒灌盐通量的影响。对径流量变化的数值试验,假设径流量增加1000m3/s和减小1000m3/s2种情况;对潮汐变化的数值试验,假设潮汐增强和减弱2种情况,在外海开边界由16个分潮合成的总潮位分别乘1.2和0.8;对风应力变化的数值试验,假设北风风速增加至8m/s和减小至4m/s2种情况。由于盐度初始场调整需要较长时间,故模式运行45d,对最后1个完整的大、小潮周期(15d)内过断面SEC的盐通量作大潮、中潮、小潮(各5d,10个潮周期)和半月(15d,30个潮周期)平均,进行定量分析和比较。本文还针对1998—1999年冬季特枯水文年,计算北支倒灌盐通量,分析其与径流量和潮差之间的关系。2结果与分析2.1半干排盐分布在控制数值试验中,大潮、中潮、小潮和半月北支上段平均盐通量分别为-26.28,-14.65,-1.58和-15.83t/s(表1),负号表示盐分从北支进入南支,数值越小(绝对值越大)表示北支进入南支的盐分越多,枯季北支发生盐分倒灌。在径流量增加1000m3/s的情况下,大潮、中潮、小潮和半月北支平均盐通量分别为-24.05,-13.04,-0.86和-14.01t/s,随径流量增加,倒灌盐分减小。在径流量减小1000m3/s的情况下,大潮、中潮、小潮和半月北支平均盐通量分别为-28.42,-16.38,-2.44和-17.70t/s,随径流量减小,倒灌盐分增加。2.2潮、潮、小潮和半灌排盐通量的比较在潮汐减弱的情况下,大潮、中潮、小潮和半月北支平均盐通量分别为-20.19,-11.17,-0.42和-10.80t/s,随潮汐减弱,倒灌盐分减小(表1)。在潮汐增强的情况下,大潮、中潮、小潮和半月北支平均盐通量分别为-29.63,-16.99,-2.90和-19.65t/s,随潮汐增强,倒灌盐分增加。可见潮汐在长江河口北支盐分倒灌中起着重要作用。2.3力减弱,倒灌盐分在风应力减弱的情况下,大潮、中潮、小潮和半月北支平均盐通量分别为-19.64,-10.84,-0.69和-11.46t/s,随风应力减弱,倒灌盐分减小(表1)。在风应力增强的情况下,大潮、中潮、小潮和半月北支平均盐通量分别为-30.16,-17.56,-2.98和-19.25t/s,随风应力增强,倒灌盐分增加。以往研究结果认为,决定长江河口盐水入侵的是径流量和潮汐,风应力的作用很少提及。近期作者研究组研究结果表明,风应力在长江河口盐水入侵中也起着较为重要的作用,本文计算的风应力对北支倒灌盐通量影响的结果与以往结果一致。2.41东南角潮差随时间的变化1998—1999年冬季长江径流量为近30a最低,1999年1—3月径流量持续低于10000m3/s(图5a),造成了长江河口严重的盐水入侵,陈行水库连续26d取不到淡水。本文根据实测大通流量、NCEP风场和16个分潮合成的外海开边界潮位,计算了1998年10月1日至1999年3月31日的北支上段横断面SEC的日均水通量和盐通量(图5c和5d);另外,为更好地分析倒灌通量与潮汐的关系,还给出了青龙港潮差随时间的变化(图5b)。图5中横坐标起算时间为1998年10月1日。1998年夏季长江发生特大洪水,大通最大径流量达到80000m3/s;至10月1日,大通径流量还接近50000m3/s,比常年大得多;至12月底,径流量持续下降至13000m3/s。从青龙港潮差看,潮差具有显著的半月周期,且具有半月不等现象,大潮期间最高潮差达到4.2m,小潮期间最小潮差仅0.7m。从日均水通量和盐通量过程看,1998年11月5日前,日均水通量均为正值,表明在径流量大于25000m3/s的情况下日均水通量从南支流向北支,因南支全为盐度趋于零的淡水,所以日均盐通量为零。11月5日后,随着径流量下降至20000～25000m3/s,北支开始出现水通量的倒灌,但量值大于-200m3/s,盐通量因北支上段为淡水仍很小。随着径流量的继续下降,低于10000m3/s情况下,水体倒灌加剧,大潮期间倒灌量达到了-1200m3/s,盐分倒灌达到了-37t/s;小潮期间,水通量出现南支进入北支的时段,量值约300m3/s,因北支上段的盐度已上升,盐通量仍为负,即仍发生北支倒灌。日均水通量和盐通量随时间变化与径流量和潮差具有显著的对应关系,在季节时间尺度上水通量和盐通量决定于径流量,从半月时间尺度上看大、小潮起着重要的作用。水通量和倒灌盐通量变化过程符合盐水入侵动力过程。3潮、中潮和半潮期的盐分倒灌本文应用改进的三维数值模式,考虑径流量、潮汐和风应力的作用,研究北支倒灌盐通量。采用2010年1月北支上段测站A的水位、流速和盐度对模式进行验证,模式计算结果与实测值吻合较好。模式计算的小潮和大潮期间单宽倒灌盐通量分别为15.1和301.0t,实测值分别为12.9和327.8t,吻合良好。在径流量取11000m3/s和风况取北风、风速6m/s的情况下,北支上段大潮、中潮、小潮和半月平均盐通量分别为-26.28,-14.65,-1.58和-15.83t/s,负号表示盐分从北支进入南支,大潮期间的盐分倒灌远大于小潮期间的倒灌。大潮、中潮、小潮和半月北支平均盐通量在径流量增加1000m3/s的情况下分别为-24.05,-13.04,-0.86和-14.01t/s,在径流量减小1000m3/s的情况下分别为-28.42,-16.38,-2.44和-17.70t/s;在潮差减弱为0.8倍的情况下分别为-20.19,-11.17,-0.42和-10.80t/s,在潮差增强为1.2倍的情况下分别为-29.63,-16.99,-2.90和-19.65t/s;在北风风速减弱为4m/s的情况下