长江口水动力特征及盐度影响因素分析

长江口水动力特征及盐度影响因素分析

0气象变化影响长江河口沿岸经济发达，人口众多，对淡水资源的需求十分紧迫。强烈的上升趋势和径向流的相互作用，严重影响了长江河口的海水。特别是在排水沟较少的雨季，高盐从沿海通道渗入上游，河口中的盐含量增加，使淡水资源难以利用。盐水入侵严重影响沿岸城镇居民供水、工业生产和农业灌溉,同时影响到淡水养殖、废热和污水的扩散稀释过程等,直接威胁长三角地区经济的可持续发展。此外,盐水入侵还与河口环流、泥沙絮凝沉降、河口最大浑浊带等现象关系密切。本文基于EFDC三维模式,通过数值试验分析和研究了枯季三峡水库调节量和南水北调最大调水量等不利状况下,径流量、海平面上升、风速、风向等水文气象环境因子变化单独和综合作用下对长江口盐水入侵趋势和影响距离等的不同影响。对于深入分析长江口盐水入侵现象,掌握其规律,深入系统地研究环境因素变化对长江口盐水入侵的影响具有一定意义。1研究的现状及主要影响因素1.1长江口盐水入侵研究有关长江口盐水入侵较为系统的研究始于20世纪80年代,主要是基于现场观测和资料分析。随着计算水平和数值方法的发展,数值模型逐渐被引入到长江口盐水入侵的研究中,模型从一维发展到三维,考虑的影响因子也从单一化到多样化。其中,一维模型方面,韩乃斌基于一维盐度平流扩散方程研究了南水北调对长江口盐水入侵上溯距离的影响。二维模型方面,王义刚等简化自由表面及河底边界的处理,对盐水入侵的垂向结构进行了模拟研究;杨桂山等就海平面上升对南支河段氯度沿程分布的影响进行了分析和计算;李禔来等通过模型研究了深水航道综合整治工程对长江口盐水入侵的影响。三维模型方面,匡翠萍模拟和分析了长江口拦门沙地区的水流和盐度特征;刘桦等复演了长江口三维潮流场,同时对三维盐度场进行了初步模拟研究;罗小峰等模拟计算了不同水文组合条件下径流和潮流对长江口盐水入侵的影响,分析了深水航道工程实施后北槽盐水入侵的变化情况。马刚峰等采用ECOM模式模拟分析了长江口三维盐度分布,分析了垂向表、底层盐度的差异;吴辉等研究提出大部分北支倒灌盐水沿白茆沙北水道下泄,少部分绕过白茆沙后沿着白茆沙南水道往下输送;朱建荣等应用改进的ECOM模式研究了风应力和柯氏力对枯季长江口南槽没冒沙淡水带形成的影响,并指出陆架环流也是长江口盐水入侵的一个动力影响因子。南水北调、沿江引水、深水航道、三峡水库等国家重大水利工程,在一定程度上改变了长江口径流来水特征,从而影响盐水入侵,宋志尧等根据长江口盐水入侵的历史与现状,分析了盐水入侵加剧的主要原因,指出北支河势继续恶化、海平面上升加剧、河口整治与开发以及南水北调工程使入海径流减少将是今后长江口盐水入侵面临的主要问题;曹勇等分析了三峡水库初期蓄水对长江口淡水资源的影响,以及风况对南汇东滩淡水资源分布的影响;戴志军等基于实测水文和盐度资料分析了特枯水文年份在大型水利枢纽调控影响下的长江口汛期盐水入侵状况及其对淡水资源的影响。1.2长江口盐水入侵成因长江口每年平均发生6～8次盐水入侵现象,近年来,水文气象等环境因素的变化使得盐水入侵程度不断加重,其中2006—2007年上游大旱,12月—翌年3月以及大潮时盐水入侵最为严重,达13～14次。总结长江口盐水入侵的研究和报道,影响长江口盐水入侵的主要因素有径流、潮汐、潮流、风、波浪、海平面变化、河势演变及柯氏力等。通常情况下,上游淡水径流和潮汐作用是最主要因素,其它因素的作用也不容忽视,比如,即使在同一水道或同一断面,水体盐度也会因河道及口门地形变化、海平面上升及风速、风向等因素的变化而有不同程度的差异。长江流域各类水利工程不断修筑也使得长江口盐水入侵加剧,其中不乏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,流域大量蓄引提供水工程,截留了上游径流量,枯季又常是供水高峰期,因而造成实际入海流量不断减少。北支入口与长江主泓渐成直角,入流条件恶化、落潮分流比下降、上淤下冲的演变态势及涌潮加剧,直接导致盐水入侵加剧并倒灌南支。长江口深水航道治理工程改变了长江口原有的演变格局,随着航道加深,航道底床平顺,引起盐水入侵。全球气候变暖、极端气候事件增加等引起的海平面上升和大风天气也同样加剧了长江口盐水入侵趋势。2数学模型与验证2.1环境流体动力学模型及边界处理本文采用环境流体动力学模型(EnvironmentalFluidDynamicsComputerCode,简称EFDC模型)模拟计算长江口、杭州湾及邻近海区的水动力及盐度分布。EFDC模型最早是由美国Virginia海洋研究所根据多个数学模型集成开发研制的多任务、高集成的大型环境流体动力学模块式计算程序包,用于模拟一维、二维和三维河流、湖泊、河口、近岸海域以及湿地等地表水系统的流场、温度、盐度、泥沙输运、水质、生态过程及淡水入流等。模型可以同时考虑风、波浪、潮波、径流的影响,并可同步布设水工建筑物。模型最初被用于河口及沿岸复杂地形水域的水动力和温盐场模拟,后来被逐渐开发研究成为1个多目的的模型包,已在很多水域有过成功应用。模拟能力包括:1)耦合盐度、温度输运的三维水动力过程;2)水质与富营养化模型直接耦合;3)泥沙和有毒污染物输运与预测模型;4)完整的近场混合带模型;5)用于网格生成和创建输入文件的前处理软件;6)用于分析、绘图以及可视化的后处理软件;7)水面追踪记录。与POM等模型相比,EFDC边界处理技术更灵活,计算稳定性强,能快速耦合水动力、温、盐、泥沙和水质模块。在河口海岸区域的适应性好,可快速解决模型网格绘制、水深等海洋参数插值问题。模拟计算所采用的动力学方程和温、盐对流扩散方程详见文献。2.2地形空间及模型建立长江口紧邻杭州湾,物质交换频繁,模拟范围和网格剖分如图1和图2所示(数值模拟时转换到北京54坐标计算),计算范围包括整个长江口和杭州湾,河道上边界至江阴,东边界至123°00′E的外海区,南至象山港29°45′N附近,北至吕泗港北32°15′N附近。地形资料采用2002年9月实测地形图,计算中为较好地拟合近岸复杂的岸线和地形,水平方向采用正交曲线网格,垂直方向采用Sigma变换坐标,均匀分6层;垂向混合系数采用M-Y紊动封闭模型。数值格式采用高效3层时间半隐式解,对流项处理采用COSMIC标量对流格式,浅水区采用干湿网格处理,具体离散求解可参考文献。外海开边界由东中国海潮波模型提供的潮位控制,上游由江阴站的实测流量控制。南边界盐度由西向东按20～33进行线性插值,东边界盐度由南向北按33～32进行线性插值,北边界盐度由东向西按33～25进行线性插值,上游水流为冲淡水,盐度设定为0。2.3潮位断面介绍模型验证采用2002年3月和9月长江口各站实测资料进行;潮位验证有徐六泾、白茆、杨林、石洞口、堡镇、高桥、南门、马家港、六滧、横沙、中浚、崇头、青龙港、连兴港等14个站位,流速、流向和盐度验证有徐六泾断面、南港白茆沙断面、北港断面、南港断面、北支连兴港断面等,站位布置见图2,图中南北支分叉口的断面为研究盐水入侵趋势和影响距离的参考断面,流速、流向、盐度测点为断面上的测点,验证点为本文考虑图幅而在流速、流向、盐度测点中选取的个别验证点。潮位验证图幅较多,本文仅列举分布于计算域的徐六泾、高桥、中浚、连兴港4个潮位站2002年9月16日—10月2日包含大、中、小潮(下同)的验证曲线,如图3所示,横坐标以9月15日0:00为起点开始计算(下同)。徐六泾位于南北支分叉口上游,水动力影响因素简单,潮位验证较好;高桥站位于南港上段南岸,分叉河道地形复杂,潮位过程验证较好;中浚站位于南汇边滩处,计算结果较实测值偏低,可能由于局部地形概化与实际地形存在差异引起;连兴港站处于北支下段,河道呈NW—SE向,潮位过程与实测值吻合较好。同样,流速、流向验证图幅较多,本文仅列举分布于计算区域的南港白茆沙断面、北港断面、南港断面、北支连兴港断面上的4个站位流速、流向表层验证曲线,如图4所示,验证结果较好。盐度验证本文仅列举Z8站位大、中、小潮盐度表层和底层验证曲线,如图5所示,验证结果较好。2.4智能化的网络结构流场计算结果表明,口门外基本上是顺时针方向的旋转流,口门内潮流沿河道作往复运动,涨落潮流向大致呈NW—SE向。南槽涨急流速大于北槽,北港和南港涨急流速基本相当,落急流速南港大于北港,南槽大于北槽;北槽涨急流速则明显小于落急流速,南槽涨急流速略小于落急流速(图6)。由图7可知:大潮涨憩时,10等盐度线南槽表层可上溯到九段沙中上段,底层可至九段沙上段;北槽表、底层均可上溯到横沙岛末端附近;北港表层则可上溯到横沙岛上段,底层可至横沙岛前端(九段沙、横沙位置见图2,横沙指包含横沙和横沙东滩的区域)。从大潮涨憩时刻10等盐度线往上游上溯的距离看,无论表层还是底层,北港要远于北槽,北槽远于南槽,小潮涨憩时刻10等盐度线往上游上溯的距离变化亦是如此,由此可见,北港的盐水入侵强度高于北槽,北槽的盐水入侵强度又高于南槽。大潮落憩时,无论表、底层,15等盐度线往外延伸的距离呈现出北港远于北槽、北槽远于南槽的趋势,小潮落憩时变化趋势也相同,从这个角度看,北港淡水往外冲淡的强度要高于南、北槽。落憩时南支口门处等盐度线以楔状伸向外海,且楔状体的轴线方向基本与落潮槽走向一致,这主要是由于在落潮流和径流的下泄作用下,南支深槽中流速增大,水质点移动快,盐水随潮波运动的速度加快,且深槽与浅滩水深之比越大现象越显著,从而使得深槽中的盐度低于浅滩。从纵向上看南支深槽处的盐度变化更明显,这是由于深槽处的流速大于浅滩处的流速,水流的速度加快了深槽盐水的运动。图6和图7仅分别给出大潮涨憩、落憩时刻表层流场和表、底层盐度分布图,画图时为清晰,在2个方向均每隔1个网格画的流场。3环境因子对长江口盐水入侵的影响长江口入海径流量大,洪枯季节变化明显,较严重的盐水入侵一般发生在枯季,洪季径流量相对比较大,河口段基本为淡水所控制,盐水入侵影响甚微。本文利用上述EFDC已验证的三维模式,在其他计算条件不变的情况下,研究枯季三峡水库调节量和南水北调最大调水量不利状况及枯水年径流量、风速风向、海平面上升等环境因子的变化对长江口盐水入侵的影响。模式计算时仅考虑大潮涨憩时南支北港等盐度线距南北支分叉口参考断面的距离;等盐度线取值0.5,1.5和2.0,因0.5为咸淡水的临界盐度值,1.5和2.0是考虑到不同计算条件影响距离变化明显及综合多因素共同作用时,影响不超过南北支分叉口参考断面,能直观反映对南支北港盐水入侵的影响。3.1枯季流量变化长江口径流量的变化对盐水入侵有很大影响,一般而言,流量越小盐水入侵越严重,影响范围越大,危害越大。长江入海流量变化的最主要原因是人类在流域内兴建各种水利工程调节或利用水资源,其中尤以南水北调工程和三峡水利枢纽工程建设的影响最大。考虑枯季三峡水库调节量和南水北调最大调水量情况下的不利状况,选取仅有南水北调工程的枯季流量7090m3/s、三峡工程影响下的枯季流量10090m3/s及2个工程联合调节后的枯季流量9070m3/s进行数值试验。长江入海径流量有明显的年际变化,存在丰水年、中水年和枯水年,流量相对较少的中水年和枯水年盐水入侵影响最为严重。选取多年枯季平均流量11400m3/s进行数值试验,研究低流量下的盐水入侵情况;并选取枯水年枯季流量8090m3/s进行数值试验,考察比较小流量下盐水入侵的情况。表1反映了不同径流量条件下0.5和1.5等盐度线最大影响距离的变化。总体而言,相同潮型和外海边界条件下,上游流量越小,盐水入侵越强,盐水影响距离越大,径流量为9070m3/s时,南支水体盐度已超过0.5。表层和底层的影响距离基本是同步变化的,上游流量减小,表、底层影响距离都增加,上游流量增大,表、底层影响距离都减小。从取多年枯季平均流量到仅取南水北调枯季流量,长江口径流量减小4310m3/s,表层1.5等盐度线影响距离增加21.9km,底层增加25.6km,底层增幅大于表层,即径流量对表层作用大于底层。从取多年枯季平均流量到仅取三峡工程枯季流量,流量值降低了1310m3/s,1.5等盐度线最大影响距离表层增加了1.6km,底层增加了2.1km;从三峡工程枯季流量到南水北调工程枯季流量,流量值减少了3000m3/s,1.5等盐度线最大影响距离表层增加了20.3km,底层增加了23.5km。这说明,上游来水量的变化对盐水上溯的影响是不等效的,径流量越小,影响程度越大。3.2盐水影响距离计算综合有关全球海平面变化的研究成果,结合长江口的地面沉降趋势,分别取到21世纪末长江口海平面上升0.3m和0.6m为假设计算条件,研究其对长江口盐水入侵的影响。海平面上升0.3m,1.5等盐度线距参考断面的影响距离在表层和底层分别为77.6km和77.5km;海平面上升0.6m,1.5等盐度线距参考断面的影响距离在表层和底层分别为75.2km和75.0km。计算结果反映海平面上升后,盐水入侵加剧,盐水影响距离增大。海平面上升0.3m,表层1.5等盐度线最大影响距离较海平面不上升的正常情况增加了约4.0km,海平面上升0.6m,影响距离则增加了7.6km;底层影响距离变化与表层接近。由此可见,海平面上升对盐水影响距离的影响较大。3.3盐水入侵影响因素的对比分析风对盐水入侵具有较大影响,不同的风况对于盐水入侵具有不同的作用。长江口门宽近90km,直临东海,风速、风向会改变长江口附近涨、落潮流的强度,从而改变盐水入侵的程度,特别是在枯季这种影响不能忽视。长江流域地处季风气候区,枯季长江口外盛行偏北风,10m/s的北风较10m/s的东北风影响距离增加了5.5km,较5m/s的东北风和北风增加了近24.0km。综合考虑径流量、海平面上升和风速、风向下盐水入侵不利状况,分析其对长江口盐水入侵的影响。图8给出了2等盐度线最大影响距离,其中,综合径流量、海平面上升和风共同作用的最不利状况对盐水入侵影响最大,2等盐度线已接近南北支分叉口。除此之外,还分别计算了其他不利影响因素单独和联合作用下对盐水入侵的影响,影响到长兴岛中段以上的从上至下依次为:北风10m/s,径流量7090m3/s(仅南水北调时枯季流量),西北风15m/s,东北风10m/s,西北风10m/s,径流量8090m3/s(枯水年枯季流量)等水文气象条件;影响到长兴岛中段以下的依次为径流量9070m3/s(2个工程联合调节后的枯季流量),径流量10090m3/s(仅三峡工程时枯季流量),径流量11400m3/s(多年枯季平均流量),海平面上升0.6m,海平面上升0.3m,北风5m/s,东北风5m/s,西北风5m/s的水文气象条件。综合研究结果表明:水文气象条件的改变、长江流域各类水利工程不断修筑、极端气候事件增加和全球气候