海平面上升对钱塘江河口盐水入侵影响的预测研究

孙志林,李光辉,许 丹,王 辰,胡世祥,黄森军

海平面上升对钱塘江河口盐水入侵影响的预测研究

孙志林1,2,李光辉2,许 丹3*,王 辰1,胡世祥1,黄森军1

(1.浙江大学海洋学院,浙江舟山 316021；2.浙江大学建筑工程学院,浙江杭州 310058；3.浙江大学工业技术转化研究院,浙江杭州 310058)

海平面上升会对河口地区盐水入侵和物质输运造成一定影响,尤其将对饮用水安全造成威胁,因此海平面上升问题越发受到人们的关注.为研究水源地对海平面上升的响应,防范未来可能出现的盐水入侵危害,本文基于FVCOM模式建立了钱塘江河口三维潮流盐度数值模型,并在此基础上通过一系列数值试验分析未来海平面上升(SLR)对河口盐水入侵的影响.结果表明,海平面上升使得河口盐度整体有所增大,盐水入侵距离增加,且小潮期增幅更加明显,在相对海平面分别上升0.3、0.6和1.0m情况下,大潮期盐水入侵距离分别增加1.1、2.2和6.0km,盐度最大增幅发生在七堡附近,量值分别达到0.17、0.32和0.49;小潮期入侵距离则分别增加2.8、5.9和9.8km,盐度最大增幅发生在盐官附近,量值分别达到0.38、0.80和1.22.海平面上升也会引起各取水口盐度和超标时间的增加,在相对海平面上升0.3~1.0m时,南星桥至珊瑚沙3个取水口平均盐度增值分别为0.1~0.3、0.1~0.3和0.1~0.2,最长连续超标时间增值分别为1.0~4.1、0.5~1.6和0.1~0.2d.

盐水入侵；钱塘江河口；海平面上升；FVCOM；数值模型；取水口

海平面上升将导致海岸线、边滩、淡水资源等发生变化,其中一个重要的影响就是会加剧河口地区的盐水入侵[1].盐水入侵是河口地区存在的一种特殊的自然现象,也是河口研究中的核心问题.海平面上升将促进盐淡水的垂向混合,增大向陆斜压梯度力,进而加剧高盐水的向陆运动[2].

国内外一些学者针对海平面上升对河口盐水入侵的影响做了相关研究,Rice等[3]模拟了詹姆斯河口(James River)在海平面分别上升30、50和100cm的几种情况下,盐度分布及盐水入侵距离的变化.Shaha等[4]基于FVCOM模式分析了径流变化及海平面上升对蟾津江(Sumjin River)盐水入侵的影响,结果表明海平面上升达到1m时, 1.0等盐度线入侵距离增加0.89km.Hong等[5]研究发现海平面上升后,切萨比克湾(Chesapeake Bay)湾内盐度和盐水入侵强度均呈增加趋势. Xiao等[6]探讨了海平面上升对圣马克河河口(Marks River Estuary)盐度分布的影响,结果表明当海平面上升0.85m,河口中部表层盐度增加5.6个百分点,底层盐度增加3.8个百分点.罗锋等[7]研究发现海平面上升0.3和0.6m情况下,1.5等盐度线上溯距离分别增加4.0和7.6km.王彪等[8]分析了海平面分别上升0.3m和0.5m对珠江河口盐水入侵的影响.Qiu等[9]研究发现海平面上升导致长江河口盐水入侵和分层强度增加,且各渠道的增量是完全不同的.

钱塘江河口潮强流急,沖淤变化剧烈,为典型的强潮河口(图1),该河口供应着杭州市80%的饮用水,是城市重要的水源地.近年来钱塘江河口盐水入侵有加重趋势,海平面的持续上升对河口淡水资源造成的威胁也正在逐渐增大,严重影响取水口水质,尤其在枯水强潮期.如2013年8~10月,浙江沿海处于季节性高海平面,期间共发生了4次咸潮入侵过程,严重影响了南星桥水厂的取水.

就目前来看,对钱塘江河口盐水入侵的模拟大多以一、二维数值模型为主,且主要着眼于径流和潮汐两大主要因素的影响,而针对海平面上升对河口水动力和盐水入侵的影响缺乏深入研究.鉴于此,本文基于FVCOM模式建立钱塘江河口段潮流盐度三维数值模型,重点研究相对海平面上升对钱塘江盐水入侵及淡水资源造成的影响,对防范由此引起的盐水入侵危害具有重要的现实意义,同时也可为采取蓄淡避咸、取水调度等措施提供一定的理论依据.

图1 钱塘江河口形势

1 研究方法

1.1 模式设置

本文采用美国Massachusetts Dartmouth大学陈长胜教授团队开发的FVCOM模式[10],该模式采用无结构三角形网格,不仅在岸线拟合方面具有一定优势,而且拥有完备的应用模块,已在国内外众多海域得到广泛了应用.模式计算范围为钱塘江河口段及近口段区域,下边界为澉浦-西三断面,河宽17km左右;为使边界不受单向流和潮汐震荡的影响,上边界延伸至富春江水电站.模式计算区域及网格如图2所示,全长约197km,网格的节点数为9764,单元数为15688.下游开边界分辨率最低,最大单元边长约为1200m,向上游最小单元边长约为60m.模型垂向采用坐标,均匀分为7层,垂向涡粘和扩散采用GOTM中的MY- 2.5阶湍流闭合模型.

模型所用地形为2010年10的实测资料,数据均以85国家高程为基准.钱塘江河口地形复杂,潮滩较多,模式干湿判断中,临界水深取0.5m.在模式验证的计算中,上游开边界给定富春江电站实测日均下泄流量,盐度设为零;下游开边界动力条件给定为澉浦实测逐时潮位,盐度边界则为澉浦实测逐时盐度.模型的水动力初始条件采用“冷启动”,即水位和流速初始值均设为零.本文利用各潮位站实测资料,并结合钱塘江河口盐度的时空分布特点,通过插值得到初始盐度场.

模型采用内外模分离的方法,外模时间步长设定为0.8s,内模则为8s.经多次调试,曼宁系数在涨潮期间取值范围为0.004~0.01,落潮期间取值范围为0.006~0.021.计算过程中,模型运行45d,其中前30d用来使模式达到稳定,后15d计算结果用来验证和分析.

图2 模式计算区域及网格

1.2 模式验证

对模型进行潮位、流速、流向和盐度的验证,其中潮位资料为长期固定水文站的实测值,流速、流向和盐度资料由2012年5月对钱塘江河口进行的现场定点观测所得.观测期间设置了8个水文测点(测点布置如图1所示),多船同步作业,大、中、小潮分别连续观测27h(大潮期为2012年5月23日13:00至2012年5月24日15:00;中潮期为2012年5月26日15:00至2012年5月27日17:00;小潮期为2012年5月29日9:00至2012年5月30日11:00),采样的时间间隔为1h.流速、流向数据采用ADCP观测,盐度数据由整点取水水样经实验室分析后得出.本次测量采用三点法(表层、0.6H、底层).

为进一步分析数值模型的可靠性,本文采用预测能力系数(Skill Score)[11-12]对模型计算结果和实测资料进行统计分析,具体公式如下:

限于篇幅,本文仅绘出部分验证结果.盐官、仓前、七堡和闸口4个测站的潮位计算值与实测值的过程对比如图3所示,模型的计算值与实测值吻合良好,4个测站的SS值分别为0.97、0.94、0.93和0.89.5#站表、底层流速、流向和盐度的计算值与实测值的过程对比如图4所示,其中表层流速、流向和盐度的SS分别为0.82、0.81和0.83,底层的SS分别为0.80、0.81和0.84.可以看出,模型的计算值与实测值吻合良好,证明了模型对钱塘江河口水动力及盐度场的模拟具有一定可靠性.

图3 计算潮位与实测潮位对比

图4 5#站表层(左)和底层(右)流速、流向和盐度的计算值与实测值对比

1.3 数值试验设置

相对海平面上升是理论海平面上升和构造沉降、地面沉降等因素的叠加综合[13].羊天柱等[14]得出1960~1994的30多年间浙江沿海海平面平均上升速率为(2.63±0.06)mm/a.伍远康等[15]预测浙江沿海海平面略呈加速上升的趋势,2011~ 2030年速率为3.0mm/a,2031~2050年速率为3.2mm/a.根据国际联测数据结果[16],浙江沿海地区构造沉降速率约为1mm/a.沈慧珍等[16]研究发现杭嘉湖平原的地面沉降速率到2013年降到5mm/a以下.程杭平[17]得出平均海平面抬升在0.5m范围内时,不会对钱塘江沿程盐度带来量级的变化.

本文控制试验设置为:上游径流取枯季富春江电站90%保证率的下泄流量250m3/s,下游澉浦边界潮位及盐度采用2012年11月实测数据.

以控制试验为基准,设置3组数值试验分别模拟相对海平面上升0.3、0.6和1.0m(分别对应短期、中长期和长期预测)情况下钱塘江河口盐度变化过程.

2 盐水入侵对海平面上升的响应

2.1 潮汐变化

图5 各潮位站潮位在海平面上升情况下随时间变化情况(左为大潮,右为小潮;Base为海平面不变,SLR为海平面上升)

在海平面上升不同情况下,各潮位站潮位变化如图5所示.大潮期间,海平面上升0.3m时,盐官至七堡高潮位抬升0.29~0.41m,低潮位抬升0.07~0.12m,潮差增大0.18~0.34m,潮差增幅为6.0%~11%;海平面上升0.6m时,盐官至七堡高潮位抬升0.67~0.78m,低潮位抬升0.20~0.23m,潮差增大0.44~0.56m,潮差增幅为16%~18%;海平面上升达到1.0m时,盐官至七堡高潮位抬升1.18~1.54m,低潮位抬升0.32~0.37m,潮差增大0.84~1.17m,潮差增幅为26%~47%.

小潮期间,海平面上升0.3m时,盐官至七堡高潮位抬升0.31~0.40m,低潮位抬升0.06~0.19m,潮差增大0.12~0.34m,潮差增幅为14%~27%;海平面上升0.6m时,盐官至七堡高潮位抬升0.59~ 0.74m,低潮位抬升0.14~0.34m,潮差增大0.26~ 0.59m,潮差增幅为23%~47%;海平面上升达到1.0m时,盐官、仓前和七堡高潮位抬升1.05~ 1.19m,低潮位抬升0.27~0.51m,潮差增大0.57~ 0.92m,潮差增幅为36%~82%.

可以看出,海平面上升使得高、低潮位均有所抬升,且高潮位抬升值大于低潮位,相应的潮差增大.总体上看,小潮期间潮差增幅大于大潮期间,且各潮位站中仓前增幅最大.海平面上升也导致潮汐相位发生变化,高、低潮位均略有提前,在其他河口研究中也存在类似现象[4,8].

2.2 对盐水入侵的影响

海平面上升0.3m情况下,大、小潮期间垂向平均盐度分布及其与控制试验的差值如图6所示.盐度的平面分布与控制试验基本一致,盐水入侵程度略有增强.大潮期间,0.45等盐度线上溯至距澉浦108.5km处,较控制试验上移了1.1km.沿上游方向盐度差值逐渐增大,最大增幅发生在七堡附近,量值约0.15~0.17.七堡上游盐度增幅又逐渐降低,到闻堰附近幅值降到0.05左右.

与大潮期相比,小潮期潮差减小,盐水上溯距离变短.0.45等盐度线位于距澉浦81.9km处,较控制试验上移了2.8km.海平面上升使得高盐水向上游输移增加,最大增幅发生在盐官附近,量值为0.38~0.4.盐官上游盐度增幅又逐渐减小,到七堡附近降为0.1左右.

图6 海平面上升0.3m情况下,大潮期间(上)和小潮期间(下)垂向平均盐度(左)及其与控制试验的差值分布(右)

海平面上升0.6m情况下,垂向平均盐度分布及其与控制试验的差值(图7)与海平面上升0.3m时基本一致.大潮期间,0.45等盐度线上溯至距澉浦109.6km处,较控制试验上移了2.2km.盐度的最大增幅仍发生在七堡附近,量值约为0.3~0.32.七堡上游盐度增幅又沿程下降,到闻堰附近增幅降为0.1左右.小潮期间, 0.45等盐度线位于距澉浦85.0km处,较控制试验上移了5.9km,最大增幅仍出现在盐官附近,量值约为0.7~0.8.盐官上游盐度增幅逐渐减小,到七堡附近幅值降为0.1左右.

图7 海平面上升0.6m情况下,大潮期间(上)和小潮期间(下)垂向平均盐度(左)及其与控制试验的差值分布(右)

图8 海平面上升1.0m情况下,大潮期间(上)和小潮期间(下)垂向平均盐度(左)及其与控制试验的差值分布(右)

海平面上升1.0m的情况如图8所示,盐水入侵较之前两种情况更为严重.大潮期间,0.45等盐度线上溯至距澉浦113.4km,较控制试验上移了6.0km.澉浦至盐官河段的中下段盐度略有下降.盐度最大增幅依然出现在七堡附近,量值约为0.45~0.49.七堡上游盐度增幅又逐渐下降,到闻堰附近增幅降为0.2左右.小潮期间,0.45等盐度线位于距澉浦88.9km处,较控制试验上移9.8km.盐官附近达到最大值,约为1.2~1.22.盐官上游盐度增幅逐渐减小,到七堡以上降为0.2左右.

从垂向平均盐度分布来看,由于动力机制相同,无论大潮还是小潮,海平面上升三种情况均与控制试验对应的盐度分布基本一致,表明海平面上升对钱塘江河口盐度分布的总体态势影响不大.随着海平面上升幅度的增大,盐水入侵增强效果愈加明显.

从与控制试验盐度差值的分布来看,海平面上升使钱塘江河口盐度整体上有所增大,大潮期间,盐度最大增幅在七堡附近,小潮期间则下移至盐官附近,且小潮期盐度增幅比大潮期更大.大、小潮期间盐度最大增幅发生的区域不同,主要是由于从大潮过度到小潮期,潮汐动力减弱,潮流对高盐水输移作用也相应减弱,高盐水逐渐下移,盐度最大增幅也由七堡附近下移至盐官.小潮期盐度增幅比大潮期更大主要是由于小潮期潮汐动力较弱,在增加相同水深的条件下,水深与潮差的相对值的变化小潮期比大潮期更大.

2.3 对取水口影响

海平面上升势必会对河口地区水源地造成影响,对取水安全造成一定威胁.海平面上升后南星桥、闸口和珊瑚沙三个主要取水口15d潮汛内盐度随时间变化情况如图9所示.可以看出,与控制试验相比,海平面上升后各取水口盐度值均有所提高.

主要取水口15d潮汛内盐度统计如表1所示.海平面上升0.3m时,南星桥至珊瑚沙取水口平均盐度增值均为0.1,最大盐度增值分别为0.2、0.3和0.2;海平面上升0.6m时,南星桥至珊瑚沙取水口平均盐度增值分别为0.2、0.2和0.1,最大盐度增值分别为0.5、0.5和0.4;海平面上升1.0m时,南星桥至珊瑚沙取水口平均盐度增值分别为0.3、0.3和0.2,最大盐度增值分别为0.8、0.9和0.7.

从表中还可看出,海平面上升造成各取水口盐度超标时间有不同程度的增加.海平面上升0.3m时,三个取水口连续最长超标时间分别增加1.0d、0.5和0.1d,累计超标时间分别增加1.0、1.1和0.9d;海平面上升0.6m时,三个取水口连续最长超标时间分别增加1.0、0.6和0.1d,累计超标时间分别增加2.1、2.1和1.6d;海平面上升1.0m时,三个取水口连续最长超标时间分别增加4.1、1.6和0.2d,累计超标时间分别增加3.4、3.7和3.0d.

图9 海平面上升情况下各取水口盐度随时间变化(虚线为盐度值0.45,即饮用水标准)

表1 海平面上升情况下取水口盐度统计

3 结论

3.1 本文建立钱塘江河口三维潮流盐度数值模型,并对海平面上升这一因素进行了定量剥离,以枯季富春江电站90%保证率的下泄流量为模式边界条件,以2012年为基准年,在相对海平面分别上升0.3、0.6和1.0m情况下对钱塘江河口潮汐、盐水入侵强度及主要取水口盐度的变化进行了分析.结果表明,海平面上升后钱塘江河口段水动力条件及盐度场均发生明显变化.海平面上升使得沿程各潮位站高、低潮位均有所抬升,潮差增大,同时引起相位产生变化,高、低潮位均略有提前.

3.2 海平面上升相当于增加了河口水深,增大了向陆斜压力,促进了高盐水的向陆运动,进而导致盐水入侵加剧.在海平面分别上升0.3、0.6和1.0m情况下,与控制试验相比,大潮期0.45等盐度线分别上移了1.1、2.2和6.0km,盐度最大增幅发生在七堡附近,量值分别为0.17、0.32和0.49;小潮期0.45等盐度线分别上移了2.8、5.9和9.8km,盐度最大增幅发生在盐官附近,量值分别为0.38、0.80和1.22.小潮期的增幅更大,表明海平面上升对小潮期影响更大.海平面上升后,三个主要取水口盐度及超标时间均有所增加.相对海平面上升0.3~1.0m,南星桥至珊瑚沙平均盐度增值分别为0.1~0.3、0.1~0.3和0.1~0.2,最大盐度增值分别为0.2~0.8、0.3~0.9和0.2~0.7,最长连续超标时间增值分别为1.0~4.1、0.5~1.6和0.1~0.2d,累计超标时间分别增加1.0~3.4、1.1~3.7和0.9~3.0d.

[1] 海洋局:中国海平面上升速率高于全球平均水平 [J]. 中国环境科学, 2015,35(3):942.

[2] Mac Cready P, Geyer W R. Advance in estuarine physics [J]. Annual Review of Marine Science, 2010,(2):35-38.

[3] Rice K C, Bo H, Jian S. Assessment of salinity intrusion in the James and Chickahominy Rivers as a result of simulated sea-level rise in Chesapeake Bay, East Coast, USA [J]. Journal of Environmental Management, 2012,111:61-69.

[4] Shaha D C, Cho Y K, Kim T W. Effects of river discharge and tide driven sea level variation on saltwater intrusion in Sumjin River estuary: an application of finite-volume coastal ocean model [J]. Journal of Coastal Research, 2012,29(2):460-470.

[5] Hong B, Shen J. Responses of estuarine salinity and transport processes to potential future sea-level rise in the Chesapeake Bay [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2012,104-105:33-45.

[6] Xiao H, Huang W, Johnson E, et al. Effects of sea level rise on salinity intrusion in St. Marks River Estuary, Florida, U.S.A. [J]. Journal of Coastal Research, 2014,(68):89-96.

[7] 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.

[8] 王 彪,朱建荣.基于FVCOM模型的珠江河口及其邻近海域的潮汐模拟[J]. 热带海洋学报, 2012,31(4):17-27.

[9] Qiu C, Zhu J. Assessing the influence of sea level rise on salt transport processes and estuarine circulation in the Changjiang River Estuary [J]. Journal of Coastal Research, 2015,313(3):661-670.

[10] Chen C, Liu H, Beardsley R C. An unstructured grid, finite-volume, three-dimensional, primitive equations ocean model: Application to coastal ocean and estuaries [J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology, 2003,20(1):159-186.

[11] Allen J I, Somerfield P J, Gilbert F J. Quantifying uncertainty in high-resolution coupled hydrodynamic-ecosystem models [J]. Journal of Marine Systems, 2007,64(1):3-14.

[12] Ralston D K, Geyer W R, Lerczak J A. Structure, variability, and salt flux in a strongly forced salt wedge estuary [M]// Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012). 2010:160-164.

[13] 程和琴,陈祖军,阮仁良,等.海平面变化与城市安全——以上海市为例 [J]. 第四纪研究, 2015,35(2):363-373.

[14] 羊天柱,应仁方,张俊彪,等.浙江沿岸海平面研究与变化预测 [J]. 东海海洋, 1999,17(4):1-11.

[15] 伍远康,汪邦道.浙江省沿海海平面上升及预测 [J]. 浙江水利科技, 2003,(2):1-4.

[16] 沈慧珍,赵建康,刘思秀,等.杭嘉湖平原地面沉降防治效应分析 [J]. 上海国土资源, 2014,(4):114-117.

[17] 程杭平.平均海平面抬高对钱塘江盐度入侵的影响分析 [J]. 浙江水利科技, 2002,(6):1-4.

Predicting the impact of sea level rise on saltwater intrusion in the Qiantang Estuary.

SUN Zhi-lin1,2, LI Guang-hui2, XU Dan3*, WANG Chen1, HU Shi-xiang1, HUANG Sen-jun1

(1.Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China；2.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；3.Industrial Technology Research Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)., 2017,37(10)：3882~3890

Sea levelrise was greatly concerned by society with its effects on saltwater intrusion and material transport in estuaries, which threaten drinking water supplies. In order to study the response of drinking water source to sea level rise, and prevent potential disasters in the future, a 3D numerical model for tidal flow and salinity was built based on the unstructured model FVCOM, and then applied to assess the impact of future sea level rise (SLR) on saltwater intrusion in the Qiantang Estuary through a series of numerical simulation. The results indicated that the sea level rise can cause substantial increase of salinity and the magnitude was higher during neap tide than during spring tide. The salinity intrusion moved farther upstream by 1.1, 2.2 and 6.0km, respectively, for the SLRs of 0.3, 0.6 and 1.0m during spring tide, while 2.8, 5.9 and 9.8km during neap tide. The maximum increase of salinity rised near Qibao station, and the values reached 0.17, 0.32 and 0.49respectively during spring tide, while, the maximum increase of salinity occurred near Yanguan station, and the magnitude reached 0.38, 0.80 and 1.22 during neap tide. When the relative sea level rise was in 0.3~1.0m, the increase of average salinity at three water intakes from Nanxingqiao to Shanhusha were 0.1~0.3, 0.1~0.3 and 0.1~0.2, the increase of maximum excessive salinity time were 1.0~4.1, 0.5~1.6 and 0.1~0.2 d respectively.

saltwater intrusion；Qiantang Estuary；sea level rise；FVCOM；numerical model；water intake

X171

A

1000-6923(2017)10-3882-09

孙志林(1956-),男,浙江宁波人,教授,博士,主要从事水沙动力学与河口海岸数值模拟研究.

2017-03-06

国家自然科学基金重大研究计划项目(91647209);国家重点研发计划(2016YFC0402303,2016YFC0402305-02)

* 责任作者, 助理研究员, darrenxu@zju.edu.cn