长江河口盐水入侵数值模拟研究

杨同军 ，王义刚 ，黄惠明 ，3，袁春光

（1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院，长春 130021；2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；3.南京水利科学研究院，南京 210029）

长江河口盐水入侵数值模拟研究

杨同军1，2，3，王义刚2，黄惠明2，3，袁春光2

（1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院，长春 130021；2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；3.南京水利科学研究院，南京 210029）

长江河口盐水入侵一直是困扰上海市工农业生产及生活用水的一个重大问题。文章通过建立“长江口—杭州湾”大范围的二维水流盐度数学模型，在验证的基础上，重点分析了长江口盐水入侵总体格局、北支盐水倒灌、南支盐度分布格局等问题，并指出由于横沙通道的涨落潮流不平衡，北槽会有部分盐水倒灌进入北港；基于数学模型，对北支倒灌盐通量进行了初步计算。

盐水入侵；二维数学模型；盐水倒灌；盐通量；长江河口

Biography：YANG Tong-jun（1987-），male，assistant engineer.

河口是河流与海洋相互混合的过渡地带，其中蕴含着丰富的物质资源。作为中国第一大河的长江在我国最大城市上海市入海，不仅为临近沿海城市港口、航运、渔业等的发展提供了便利，同时还为上海市的居民生活及工农业生产提供了丰富的淡水资源。但是由于长江口其特殊的地理位置及“三级分汊，四口入海”的格局，河口地区时常有盐水入侵现象发生，枯季大潮期间尤为严重。特别是近年来随着长江流域重大水利工程三峡及南水北调的实施及长江口北槽深水航道治理工程的完工，必然导致长江上游来水的季节分布及长江口北槽河势发生变化，这都会对长江口盐度的时空分布及盐水入侵格局产生一定的影响。

图1 长江口水文测验布置示意图Fig.1 Sketch of hydrologic survey in the Yangtze River Estuary

我国对长江口盐水入侵的研究始于20世纪60～70年代［1-2］，经过几十年的发展，众多学者利用实测资料分析及数值模拟等方法对长江口盐水入侵的时空分布［3-5］、北支盐水倒灌及其通量［6-8］、盐水入侵对重大工程［9-10］及水文气象条件变化［11-12］的响应等方面进行了深入的研究。

文章依据长江口枯季的水文盐度实测资料，利用丹麦DHI公司开发的MIKE21 FlowModel FM无结构网格水动力（HD）模块及其附属的温盐（TS）输移模块，建立“长江口—杭州湾”二维水流盐度数学模型，在验证良好的基础上，对枯季长江口流场及盐度的时空变化特征进行详细分析，并对北支盐水倒灌过程及倒灌盐通量进行了初步计算。

1 二维潮流盐度数学模型的建立及验证

根据以往的研究［13-14］，长江口枯季大潮间盐水入侵现象最为严重，最远可上溯至江阴附近，同时，长江口与杭州湾之间的水体和盐度交换对精确模拟长江口盐水入侵至关重要。因此，模型范围为上游至江阴验潮站，北至江苏吕四港附近，南至浙江象山县，东部外海开边界距离北槽深水航道约120 km的大范围海域。模型模拟时间为2002年2月28日～3月9日共10 d，验证资料为长江口水域同步全潮水流盐度实测资料，模型计算均以1985国家高程基准为基准面。模型验证点见图1。模型共包含45 712个网格单元，23 977个网格节点。网格空间步长外海开边界处最大为7 050 m，北支青龙港及北槽深水航道处最小分别约为300 m、450 m；时间输出步长为30 s，计算时间步长由CFL数控制。具体的模型网格见图2。

图2 模型范围及网格Fig.2 Model scope and mesh

1.1 控制方程

式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标系；g为重力加速度；η为相对于计算基面的水位；h为全水深，若d为静止水深，则 h =η+d；、分别为垂线平均流速在x、y方向上的分量；f=2Ωsinφ为科氏力参量，Ω为地球自转角速度，φ为地理纬度；S为水流源汇项流量；vs、us为源汇项流速分量；Pa为当地大气压强；ρ为海水密度；ρ0为参考密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力张量；τsx、τsy分别为海面风摩阻在 x 、y 方 向上的分量；τbx、τby分别为海底摩阻在x、y方向上的分量；Txx、Txy、Tyy为水质点侧向应力，该模型采用Smagorinsky公式［15］计算水平涡粘系数，；为垂线平均盐度；Fs为盐度水平扩散项；ss为盐度源汇项。

1.2 模型离散、参数的选取及定解条件

（1）MIKE21模型中空间离散采用有限体积法；时间离散可以采用一阶显式欧拉法或者二阶龙格—库塔方法，由于模型范围较大，为减少计算时间，模型的时间离散采用一阶显式欧拉法求解。

（2）底部糙率根据模型区域水深及床面形态，经反复调试后取为0.01～0.02之间。

（3）模型水平涡粘系数A计算中cs取为0.28；盐度水平扩散系数AH主要是由水流的紊动引起的，模型中取AH=A。

（4）模型的外海开边界由全球潮波模型［16-17］预报潮位驱动，上游边界采用江阴验潮站实测潮位控制；固壁边界法向流速为0，对于潮滩较大区域，模型中引入干湿网格判别技术；对于盐度边界条件，南边界自西向东采用15‰～30‰线性插值，东边界自南向北为30‰～35‰线性插值，北边界自西向东为25‰～35‰线性插值，上游开边界取盐度梯度为0。

（5）模型的初始条件，水动力模型采用冷启动方式，初始水位、流速及流向皆为0；对于盐度输运模型，经过9个月的反复计算后得到的盐度场作为初始盐度。

1.3 模型验证

由于实测点位较多，潮位的验证选取上游的徐六泾及北槽顶端的横沙站进行验证，因为要计算北支倒灌盐通量，北支涌潮现象的精确模拟对计算结果影响很大，选取青龙港站进行验证；潮流在徐六泾附近、南北支各选一点进行大、小潮验证；盐度仅选择代表性站位进行大潮的验证。

图3 全潮潮位验证图Fig.3 Validation of tidal level process

图6 大潮盐度验证Fig.6 Validation of salinity during spring tide

由图3～图6可知，潮位、潮流的计算结果与实测资料较比较吻合，能够反映长江口涨潮历时小于落潮历时，并且由口门至口内涨潮历时缩短、落潮历时延长的基本特征，其中北支青龙港站的潮位模拟结果涨潮历时明显小于落潮历时，潮位模拟结果与实测值也比较吻合，说明该模型对北支涌潮现象的模拟比较准确。模型的盐度模拟结果与实测值基本吻合，能够反映长江口盐度的变化趋势，由Y4、Y5、Y8、Y9、Z5的盐度模拟结果对比以及Z1、Z6、Z9的盐度，模型较好地模拟了长江口南支盐水入侵形势及北支的高盐水状况，结果可以用其来分析长江口枯季期间的盐水入侵现象。

由图7可知，模型很好地模拟了长江口流态。对整个区域来说，杭州湾流速最大，外海水域开阔，流速较小。长江口水流北支由于大潮时涌潮存在，涨潮流速特别大，落潮流相对较小。对于南支水域，总体来说落潮流速大于涨潮流速，且越往上游这种现象越明显。同时，由图7可以看出，北槽与北港会通过长兴岛与横沙岛之间的横沙通道进行水流的交换，因此必然存在盐度的交换，且涨潮流速大于落潮流速，这种水流结构会对通道两侧的盐度分布产生影响。

图7 长江口大潮流场图Fig.7 Current field of the Yangtze River Estuary during spring tide

2 长江口枯季盐水入侵分析

2.1 盐水入侵的时空变化

长江口外海盐水入侵主要有北支、北港、北槽、南槽四条路径，大潮及中潮期间上游还受到北支盐水倒灌的影响，整体的盐度时空分布呈现比较复杂的变化，尤其是南支河段，不同潮汐强度下盐水入侵格局相差很大。图8分别是大、小潮高、低潮时长江口盐水入侵分布图。

图8 长江口不同时期盐度分布图Fig.8 Salinity distribution in the Yangtze River Estuary in different periods

由图8可知，模拟结果准确地给出了长江口外海高盐水入侵的四条路径。其中北支一直保持着高盐水状态，大潮时连兴港以上水域保持着25‰左右的盐度，青龙港附近盐度更高，由于受到北支涌潮现象的影响，落潮量大幅度小于涨潮量，附近盐度在26‰左右摆动，最大时可达27.9%；小潮时北支盐水入侵程度相对有所降低，但仍维持在22‰左右。正是因为北支如此高的盐度倒灌，才形成了南支不同时间段复杂的盐水入侵格局。

南支河段大潮高潮时高盐水从外海及北支上端涌入，此时崇头附近盐度很高，最大时达到8‰，但是盐度还没有向南支扩散，如图8-a所示。但是在落潮阶段，受径流以及落潮流的影响，加之北支极小的分流比，北支的高盐水沿着白茆沙北水道倒灌进入南支，随水流向南支下端移动，低潮时盐度扩散最远，可影响到青草沙水库水域，形成了“高—低—高”的盐水入侵格局，如图8-b。

小潮阶段，长江口整体盐水入侵强度有所减弱，崇头附近盐度大幅度降低，最大仅为1‰，加之北支小潮期间潮差较小，涌潮现象不明显，不存在明显的盐水倒灌现象。由图8-c可知，在小潮高潮时，仅有极少量盐水漂移至南支，并不能引起南支上端盐度明显增加。低潮时，高盐水并未随落潮流进入南支，主要随水流重新汇入北支河段，由于径流的稀释，北支上段盐度降低较明显，如图8-d。总体来说，小潮期间，南支从口内到口门盐度呈现由低到高的趋势，符合一般河口的盐水入侵规律。

同时，依据模拟结果可知，南支上端，大潮高潮时4‰等盐度线在仅位于南支白茆沙体顶端位置，到低潮时，4‰等盐度线已迅速扩展至白茆沙体的下端；中潮阶段，4‰等盐度线下移距离最远，到达南门验潮站附近；而在小潮时，随着潮动力及北支涌潮的减弱，4‰等盐度线皆位于北支以内，且低潮比高潮更深入北支，这说明小潮期间基本不存在盐水倒灌现象。由此可见，大量的北支盐水倒灌进入南支主要发生在枯季大潮后期及中潮前期。

通过模拟结果还可以看出，南支下端大潮高潮时4‰等盐度线位于北槽的上缘位置，南槽河段4‰等盐度线则沿着南汇边滩延伸南汇咀附近，大潮低潮时，4‰等盐度线继续向外扩展，到达九段沙下缘，南槽河段则继续向东南方向扩延，形成一条巨大的淡水地带。

模型还模拟出北港与北槽之间存在盐度的交换。根据本文的模型计算以及万远扬等［18］的研究，长兴岛与横沙岛之间的横沙通道涨潮流占明显的优势，涨潮时北槽水流盐度由横沙通道进入北港，落潮时由于北槽大量水工建筑物的阻隔，导致涨落潮流不平衡，部分水流不能汇入北槽。如此的涨落潮流格局导致部分盐度从北槽倒灌进入北港，并且这部分盐度会随着北港的涨潮流进一步影响北港上游区域。

2.2 北支倒灌盐通量初步研究

盐通量是指某一时间段内净通过某固定断面的盐度总量。北支盐水倒灌是引起长江口复杂的盐水入侵格局的主要原因，准确掌握北支盐水倒灌通量，可为长江口淡水资源的合理利用提供科学依据，但是基于目前的实测资料，还难以定量地对倒灌通量进行分析。由此，依据建立的数学模型，对北支盐水倒灌通量进行初步研究。

通过模型，分别计算大、中、小潮期间青龙港断面（具体见图1中Z1-Z2断面）的盐度通量，取连续的25 h作为盐度通量的计算时间段，其包含2个完整的潮周期。由此，计算得出大、中、小潮期间通过断面的盐通量分别为-1.16×106t，-2.59×104t和 1.39×106t，其中负号表示盐水倒灌。

由此可知，大潮、中潮期间都存在比较明显的盐水倒灌现象，其中大潮期间倒灌盐通量达-1.16×106t，中朝期间远小于大潮期间，仅为-2.59×104t，小潮期间总体来说不存在盐水倒灌现象，这与上文的分析结果是一致的。

3 结论

文章通过建立“长江口—杭州湾”大范围的平面二维水流盐度数学模型，模拟了枯季期间长江口盐水入侵状况，并初步对北支盐水倒灌通量进行计算，主要得出以下结论：

（1）长江口枯季大、中潮期间北支一直保持高盐水状态，基本维持在20‰以上，并且北支大潮期间存在明显的涌潮现象，加之北支极小的分流比，以上因素都是形成北支盐水倒灌南支的主要原因。

（2）南支在大、中潮期间由于盐水倒灌，盐度纵向分布呈现“高—低—高”的格局，小潮期间不存在此种现象，表现出正常的盐水入侵状态。

（3）通过模型，可以看出南汇边滩附近存在一条淡水带，可为长江口的淡水资源利用及避咸蓄淡提供科学指导。

（4）长江口北港与北槽之间存在水流盐度的交换，并且由于涨落潮流的不平衡，部分盐水会倒灌进入北港，进而影响北港上部水域。

（5）初步分析长江口北支倒灌盐度通量，指出北支在大、中潮期间存在较大的盐水倒灌，小潮期间总体来说不存在盐水倒灌。

［1］易家豪.长江口铜沙江亚地区盐水楔异重流初步分析［R］.南京：南京水利科学研究院，1964.

［2］韩乃斌.长江口盐水入侵分析［R］.南京：南京水利科学研究院，1979.

［3］王义刚，朱留正.河口盐水入侵垂向二维数值计算［J］.河海大学学报，1991，19（4）：1-8.

WANG Y G，ZHU L Z.Vertical two-dimensional numerical model of salt intrusion in tidal estuaries［J］.Journal of Hohai University，1991，19（4）：1-8.

［4］茅志昌，沈焕庭，徐彭令.长江河口咸潮入侵规律及淡水资源利用［J］.地理学报，2000，55（2）：243-250.

MAO Z C，SHEN H T，XU P L.The pattern of saltwater intruding into the changjiang estuary and the utilization of freshwater resources［J］.Acta Geographica Sinca，2000，55（2）：243-250.

［5］ZHANG E F，Savenije H H G，WU H，et al.Analytical solution for salt intrusion in the Yangtze Estuary，China［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2011，91（4）：492-501.

［6］肖成猷，朱建荣，沈焕庭.长江口北支盐水倒灌的数值模型研究［J］.海洋学报，2000，22（5）：124-132.

XIAO C Y，ZHU J R，SHEN H T.Study of numerical modelling about salt water flow backward in the Changjiang Estuary North Branch［J］.Acta Oceanologica Sinca，2000，22（5）：124-132.

［7］吴辉，朱建荣.长江河口北支倒灌盐水输送机制分析［J］.海洋学报，2007，29（1）：17-25.

WU H，ZHU J R.Analysis of the transport mechanism of the saltwater spilling over from the North Branch in the Changjiang Estuary in China［J］.Acta Oceanologica Sinca，2007，29（1）：17-25.

［8］朱建荣，吴辉，顾玉亮.长江河口北支倒灌盐通量数值分析［J］.海洋学研究，2011，29（3）：1-7.

ZHU J R，WU H，GU Y L.Numerical analysis of the inverted salt flux from the North Branch into the South Branch of Changjiang River Estuary［J］.Journal of Marine Sciences，2011，29（3）：1-7.

［9］王义刚，黄惠明.三峡及南水北调工程联合运行对长江河口盐水入侵影响初步研究［C］//中国水利学会河口治理与保护专业委员会.中国水利学会2007学术年会人类活动与河口分会场论文集.北京：中国水利水电出版社，2007.

［10］WANG Y G，HUANG H M，LI X.Critical discharge at Datong for controlling operation of South-to-North Water Transfer Project in dry seasons［J］.Water Science and Engineering，2008（2）：47-58.

［11］傅利辉.长江河口南槽没冒沙水域淡水带形成和变化动力机制的研究［D］.上海：华东师范大学，2008.

［12］罗锋，李瑞杰，廖光洪，等.水文气象条件变化对长江口盐水入侵影响研究［J］.海洋学研究，2011，29（3）：8-17.

LUO F，LI R J，LIAO G H，et al.Influence of hydrometeorological variation on saltwater intrusion in Changjiang River Estuary［J］.Journal of Marine Sciences，2011，29（3）：8-17.

［13］李禔来，李谊纯，高祥宇，等.长江口整治工程对盐水入侵影响研究［J］.海洋工程，2005，23（3）：31-38.

LI T L，LI Y C，GAO X Y，et al.Effects of regulation project on salinity intrusion in Yangtze Estuary［J］.The Ocean Engineering，2005，23（3）：31-38.

［14］罗小峰.长江口水流盐度数值模拟［D］.南京：南京水利科学研究院，2003.

［15］Smagorinsky J.General circulation experiments with the primitive equations I：the basic experiment［J］.Monthly Weather Review，1963，91（3）：99-164.

［16］Egbert G D，Bennett A F，Foreman M G G.TOPEX/POSEIDON tides estimated using a global inverse model［J］.Journal of Geophysical Research，1994，99（C12）：24 821-24 852.

［17］Egbert G D，Erofeeva S Y.Efficient inverse modeling of barotropic ocean tides［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2002，19（2）：183-204.

［18］万远扬，孔令双，戚定满，等.长江口横沙通道近期演变及水动力特性分析［J］.水道港口，2010，31（5）：373-378.

WAN Y Y，KONG L S，QI D M，et al.Study on characteristics of hydrodynamic and morphological evolution at Hengsha Watercourse of the Yangtze Estuary，China［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，31（5）：373-378.

Research on salinity intrusion in the Yangtze River Estuary by numerical simulation

YANG Tong-jun1,2,3，WANG Yi-gang2，HUANG Hui-ming2,3，YUAN Chun-guang2
（1.Northeast Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group,Changchun130021,China;2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing210098,China;3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing210029,China）

Salinity intrusion in the Yangtze River Estuary is a serious problem for the industrial and agricultural production and living in Shanghai City.A 2D large scale tidal current and salinity transport model of the Yangtze River Estuary and Hangzhou Bay was developed.Based on calibration and validation,some key problems such as overall pattern of salinity intrusion in the Yangtze River Estuary,the saltwater spilling over from the north branch and salinity distribution in the south branch were analyzed.Because the flood tidal current is not equal to the ebb tidal current in Hengsha Watercourse,some saltwater can spill over from the north passage to the north channel.Salt flux from the north branch into the south branch was preliminarily analyzed by using the mathematical model.

salinity intrusion；2D mathematical model；saltwater spilling over；salt flux;the Yangtze River Estuary

P 731.12；O 242.1

A

1005-8443（2013）06-0473-09

2013-03-12；

2013-04-02

河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室开放基金（长江口北槽深水航道整治工程对盐水入侵影响研究）；国家科技支撑计划课题（2012BAB03B01）；河海大学中央高校基本科研业务费项目（2011B06014）；南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（YN912001）

杨同军（1987-），男，山东省寿光市人，助理工程师，主要从事电力工程水文气象勘测方面的工作。