长江口深水航道工程对北槽盐度分布的影响

范中亚， 葛建忠， 丁平兴， 潘灵芝

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

长江口深水航道工程对北槽盐度分布的影响

范中亚， 葛建忠， 丁平兴， 潘灵芝

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

基于改进的三维数值模式FVCOM，聚焦于北槽盐度在工程一、二、三期建设过程中的变化情况.考虑径流、潮汐和风场的共同作用，数值模拟和定量分析在各工程阶段特征时刻和半月潮周期平均盐度分布特征.分析计算结果表明：一期工程后，等盐线显著下移.二期工程后，等盐线继续下移；1‰～5‰低盐水控制范围增大；中下段垂向混合变弱，部分时刻盐淡水混合类型从部分混合类型变成高度分层型.三期工程后，1‰～5‰低盐水控制范围继续增大；下段高盐水上溯，相比工程前有少许增加.

长江河口； 北槽； 深水航道工程； 盐度分布

0 引 言

河口是人类活动密集地区，也是多种动力因子相互作用的地带.长江河口段是盐淡水混合最为剧烈的水域，加之各分汊河道的河槽形态、过水能力、分流量和潮波特性各不相同，盐水入侵方式各不相同［1］.一方面盐水入侵威胁了上海的饮用水安全，特别在枯季其入侵更为明显；另一方面，盐度影响细颗粒泥沙絮凝沉降，是细颗粒泥沙输运十分关键的参数［2］.因此长江口盐度混合过程研究具有非常重要的意义.

长江口深水航道工程的建设对河口盐度的影响研究始于20世纪80年代.顾伟浩等讨论了北槽作为深水航槽对盐水入侵可能产生的影响［3］.匡翠萍等成功应用三维数值模式模拟了长江口拦门沙地区水流、盐度［4］.罗小峰等通过三维数值模拟研究了深水航道工程后北槽盐水入侵的变化，指出航道增深将加强盐水入侵［5］.朱建荣、吴辉等基于改进的ECOM模式，进行了理想河口盐水入侵动力过程的模拟分析［6，7］.在此基础上，吴辉、朱建荣等建立了一个高分辨力的三维水动力、盐度数值模式，对北支盐水倒灌进行了通量机制分析，并研究枯季深水航道工程对盐水入侵的影响，得出深水航道工程后北槽盐度上段增加，下段减小结论［8－10］.胡克林等通过对比一、二期工程后，盐度洪季半月潮周期平均值的变化来分析深水航道工程对北槽盐度分布的影响，指出二期工程后上段低盐水入侵将增强，下段高盐水入侵变化甚微［2］.

以上研究主要集中于工程前与工程一、二期之间盐度分布变化及过程分析，在数值模拟上主要采用曲线结构化网格模型.本文在前人的基础上应用改进的FVCOM模式［12］，模拟深水航道工程一、二、三期整治过程中北槽洪季盐度变化过程，定量分析特征时刻北槽盐度的空间变化过程，并分析潮周期平均值变化特征.

1 深水航道工程简介

长江口深水航道治理工程采用“一次规划，分期建设，分期见效”的原则，治理工程分三期实施，依次实现通航水深8.5 m、10.0m和12.5 m的建设目标.工程建设情况如图1，1998年1月～2001年6月一期及一期完善段工程，其主体工程是建设总长近40 km的南北导堤、分流口鱼嘴和相连的潜堤、丁坝和约50 km航道范围疏浚.2001年6月～2004年12月二期工程，完成主要的导堤、丁坝及航道疏浚.2006年9月～2009年4月三期工程，完成南导堤局部加高工程和长兴潜堤，三期工程以疏浚为主来达到12.5 m通航水深的目标.

图1 长江口深水航道工程布置图Fig.1 Dike and groyne built during the Deep Waterway Project

2 数值模式设置与验证

2.1 模型简介

FVCOM模型是美国马萨诸塞大学建立的一个三角形网格、有限体积、三维原始方程组的海洋模式（Finite Volume Coastal and Ocean Model）.该模式最大特色是结合了有限元法易拟合边界、局部加密与有限差分便于离散计算海洋原始方程组的优点［11－13］.

考虑到长江口深水航道工程的实际情况，导堤、丁坝高于平均海平面约0.2 m，高潮时被水淹没，低潮时露出水面.大部分海洋模型使用缓坡度地形近似处理导堤、丁坝垂向结构.葛建忠等通过对FVCOM模式中导堤和丁坝的算法进行改进，应用于航道工程结构引起的水动力及温盐变化研究，该模式已成功应用于长江口深水航道低盐水分布和河口环流模拟［14－16］.

2.2 模型设置

本文应用改进导堤、丁坝模块的FVCOM模式，计算区域包括了长江口、杭州湾及邻近海域，网格如图2，陆架海域达1～5 km不等，河口区域网格分辨率达500 m.其中南支下段深水区域有着较高的网格分辨率，约为200 m.外海开边界以潮位驱动，考虑8个主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1与 Q1，由东中国海模型提供［17］.上游开边界以实测流量给出，海面风场使用QuickSCAT／NCEP风速数据［18］.口门地区水深以工程阶段实测资料给出［19］，口外水深以海图数值化得出.

2.3 数值模式验证

利用历年（2003～2009年）长江口洪、枯季水文、盐度调查数据对该模型进行了验证，主要观测站位如图1所示，计算结果与观测结果吻合较好，限于篇幅，本文仅给出受航道工程影响较显著的W3站点历年盐度资料验证结果和2009年8月南槽H0904站和北港口H0905站大潮期间流速盐度验证结果（见图3和图4），站点位置见图1.从图3中看出，W3站点的盐度模拟结果精度很好，洪季与枯季都有明显的盐水入侵.图4看出，洪季北港H0905站大潮期间盐度始终较小，只在几个时刻底层盐度略大；H0904站盐度相对较高，大潮期间盐度变幅较大.总体上，改进的FVCOM模式能较好模拟长江河口盐度场变化过程，在此基础上对导堤、丁坝等工程影响下的北槽盐度变化过程进行模拟分析.

图2 长江口深水航道高分辨率三角形计算网格Fig.2 High-resolution triangular grids for Deep Waterway Project

图3 北槽W3站点表层、中层、底层盐度验证（实线：计算；黑点：观测）Fig.3 Comparisions of surface，middle and bottom salinities between the modeled results（solid lines）and observed data（black points）at W3 station in North Passage

3 深水航道工程对盐度变化的影响分析

为了研究深水航道工程不同阶段对北槽盐度分布的影响，模型设置了4个数值试验.试验一（Case 97）采用1997年地形，对应于工程前；试验二（Case 01）采用2001年地形，对应于一期及一期完善段工程竣工；试验三（Case 05）采用2005年地形，对应于二期工程竣工；试验四（Case 09）采用2009年地形，对应于南导堤局部加高工程竣工（见图1）.为讨论深水航道工程对北槽盐度分布影响，4个试验除导堤丁坝工程和水深随工程各阶段不同外，其他设置是相同的，包括计算起始时间，风场使用QuickSCAT／NCEP遥感再分析数据，开边界由8个主要天文分潮调和常数合成给出，月均径流量40 000 m3／s.在时间上分析各工程阶段大潮涨憩时刻、落憩时刻和半月潮周期平均盐度分布变化，在空间上分析北槽各段盐度变化特征.

3.1 平面分布

图5为4个数值控制试验半月潮周期平均中层盐度分布（左）和对应的大潮期间中层流速玫瑰图（右）.工程前，北槽上段基本处于往复流，但与航道存在一定夹角，下段为旋转流.由于科氏力作用使得落潮流南偏，北槽盐度等值线向航道南侧偏移.一期工程后，经“导堤＋丁坝”束水导流作用，北槽上段落潮流速变大，同时流向基本与航道走向一致；由于新建丁坝，上段坝田区域流速明显减小；中上段低盐度等值线下移.北槽工程建设对相邻汊道南槽和北港亦产生影响，靠近南导堤的南槽水域等盐线上移，而靠近北导堤的北港水域等盐线下移显著.二期工程后，导堤工程已延伸到航道下段，航道下段流态也调整为往复流性质.同一期工程后类似，新建坝田区域流速减小；北槽低盐度等值线继续下移.相邻汊道等盐线变化与一期工程后出现类似特征，靠近南导堤的南槽水域等盐线继续上移，靠近北导堤的北港水域等盐线继续下移.由于科氏力的作用，涨潮流北偏和落潮流南偏，盐度等值线在航道北侧向上游凸起，反之，盐度等值线在航道南侧向下游延伸，这就可能产生因北槽横向密度不同而导致的河口环流.三期工程主要以疏浚挖深为主，工程后航道中下段涨潮流流向更向北偏，与航道夹角变大；落潮流流向朝南偏，与航道夹角亦变大.航道下段水深在疏浚和导堤丁坝工程的共同作用下有显著增深，从而下段高盐水入侵有所增加，受西北方向涨潮流控制，其高盐水主要在航道北侧.南导堤下段加高工程具有非常明显的阻挡涨落潮流作用.

图4 2009年8月H0904站和H0905站表层、中层、底层流速盐度验证（实线：计算；黑点：观测）Fig.4 Comparisions of surface，middle and bottom velocities and salinities between the modeled results（solid lines）and observed data（black points）at H0904 and H0905 station

3.2 断面分布

图6为大潮涨憩时刻沿航道断面盐度分布.从图可看出，一期工程后，沿航道断面等盐线明显下移.二期工程后，沿航道断面等盐线继续下移，但下移强度有所减弱；航槽中下段垂向混合减弱，盐淡水混合类型从部分混合型变成高度分层型.盐度如此变化是多种因素的综合影响造成的.一方面，导堤丁坝的束流作用和航道加深，沿航道断面流速有所增加，使得低盐水下移强度增加，另一方面，由于中下段航槽挖深以及分流比的减小使得盐水入侵上溯，外海高盐水入侵强度增大，从而在中下段分层强度加大，垂向盐度梯度增强.同时，二期之后低盐水控制范围增大，低盐度等值线有上溯趋势.而在三期之后，由于航道的持续挖深，高盐水入侵强度明显增大，20%的高盐水可以上溯到航道中段，这主要是由于水深增大之后，外海高盐水形成的斜压梯度力增强，导致盐水入侵增强所致.

图7为大潮落憩时刻沿航道断面盐度分布.由于落潮流强度较大，航道主要被低盐水控制，只有在航道下段出口处位置有明显的高盐水影响.从图可得出.三期工程后，由于水深的增加，向陆的斜压梯度力作用仍然较为明显，航道下段仍存留高盐水团.

以上主要是在典型潮汐时刻的盐度分布特征，不足以完整表示航道工程对北槽盐度分布的影响.通过计算半月潮周期（15 d）盐度平均值可较好地反映出较长时间尺度下滤去潮汐过程的“净”的变化［2］.图8为沿航道断面半月潮周期盐度平均值分布图.可看出一期工程后，沿航道等盐度线整体下移.二期工程后，中上段1‰等盐线上溯至工程前位置，但5‰等盐线下移很多，也就是小于5‰低盐水控制范围变大，其盐度变化梯度变小.下段盐度变化梯度增大，盐水楔下移少许.出现如此盐度变化现象原因可能是，涨潮过程南槽高盐水越过南导堤进入北槽上段，但由于导堤归顺水流、丁坝约束水流，故1‰等盐线反弹回至工程前位置，而5‰等盐线却朝口外方向明显下移.三期工程后，小于5‰低盐水控制范围继续变大；由于航槽水深的增加，高盐水形成的斜压梯度力增加，下段盐水入侵加剧，航道下段至出口处底部高盐水显著增加.

图5 半月潮周期平均中层盐度分布（左）和对应的大潮期间中层流速玫瑰图（右）Fig.5 Average salinities distributions in the middle layer during half a month（left）and feathers of current in the middle layer during spring tide（right）

图6 大潮涨憩时刻沿航道断面盐度分布Fig.6 Profile distributions of salinity along the navigation channel at flood slack of spring tide

图7 大潮落憩时刻沿航道断面盐度分布Fig.7 Profile distributions of salinity along the navigation channel at ebb slack of spring tide

图8 沿航道断面潮周期平均值盐度分布Fig.8 Profile distributions of average salinity along the navigation channel

4 结 论

本文应用改进的FVCOM高分辨率长江口深水航道模式，考虑相同的径流、潮汐和风场的作用下，不同的工程阶段岸界及地形，研究深水航道工程不同阶段对北槽盐度分布影响.

深水航道工程建设显著的改变了北槽盐度分布特征.一期工程后，整个北槽等盐线下移.二期工程后，1‰等盐线反弹至工程前位置，同时5‰等盐线朝口外方向下移很大距离，也就是小于5‰低盐水控制范围增大.中下段垂向混合减弱，涨潮过程盐淡水混合类型从部分混合类型变成高度分层型.三期工程后，1‰～5‰低盐水控制范围继续增大，下段高盐水上溯，相比工程前有少许增加.

总体上，深水航道工程建设后，沿航道剖面，低盐水入侵并未改观，中上段低盐水控制范围增大；中下段高盐水入侵有少许增加；垂向上，盐淡水混合减弱，涨潮时刻出现高度分层现象.鉴于长江口北槽动力过程复杂、工程影响较大，本文所进行的数值控制实验只能定性地对工程所产生的影响进行模拟分析讨论，实际盐度分布和变化情况，还需做更多的观测、分析和模拟工作持续研究.

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Effect of the deep waterway project on the salinities in the north passage of the Changjiang Estuary

FAN Zhong－ya， GE Jian-zhong， DING Ping-xing， PAN Ling-zhi

（State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

Unstructured-grid Finite Volume Coastal and Ocean Model（FVCOM）has been applied on the north passage，Changjiang Estuary，to study the salinity distribution and its variations under the impacts of different phases of the deep waterway project（DWP）.Driven by the same forcings of freshwater discharge，tide and wind，the spring-neap-averaged and typical tidal moment’s salinity distributions under different phases of DWP are simulated and analyzed The modeling results show that the isohaline has been significantly pushed downstream after Phase I，and continued moving eastward after Phase II.At the same time，the controlling region of isohaline 1‰～5‰has smoothly increased and the vertical mixing effects seem be weakened from the middle to eastern parts of shipping channel.Strong stratification is revealed along the deep channel.After the Phase III，the controlling region of isohaline 1‰～5‰still increases with the upstream direction.The onshore saltwater intrusion has significantly intensified as the increased baroclinic gradient force due to deepened eastern channel.

the Changjiang Estuary； the north passage； the deep waterway project； salinity distribution

P731.2

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2012.04.022

1000-5641（2012）04-0181-09

2011-03

中荷战略科学联盟计划（2008DFB90240）

范中亚，男，硕士研究生.

丁平兴，男，教授，博导，主要研究方向为陆海相互作用.E-mail：pxding＠sklec.ecnu.edu.cn.