长江口盐水入侵对海平面上升的响应特征

陈 维， 匡翠萍， 顾 杰， 贺露露

(1. 浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院， 浙江 舟山 316022； 2. 同济大学 土木工程学院， 上海 200092； 3. 上海海洋大学 海洋科学学院， 上海 201306； 4. 浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 310014)

盐水入侵是河口的一种普遍现象，盐水入侵将改变水体的理化特性，对河口水流结构、泥沙输运有重要影响，同时对淡水资源利用来说是一种海洋灾害[1]。因此研究盐水入侵既具有重要的科学价值，又具有实际应用价值。

图1 站点及断面位置Fig.1 Positions of stations and sections

长江口年径流量大，潮汐中等，其盐淡水混合特征属于缓混合型。河口盐水入侵主要受径流量和潮汐的影响[2]，还受地形、风应力、科氏力以及口外陆架环流等的作用[3]。长三角地区经济发达，人口稠密，需要大量淡水资源，长江口有4个主要水库：陈行、宝钢、青草沙以及东风西沙(见图1)。当水库盐度超过0.25 g/L时(约0.45 psu)，水源地应停止取水。2014年中国海平面公报统计显示：1980—2014年中国沿海海平面平均上升速率为3.0 mm/a[4]。海平面上升将导致更多高密度盐水入侵河口地区，河口淡水资源将受到更严重的威胁。国外学者就海平面上升对河口区域的盐水入侵进行了相关研究：海平面上升1 m可以使孟加拉国的Gorai河盐度增加约1.5 psu[5]，使美国的James河枯季取水口的平均盐度增加5 psu[6]。随着海平面上升，美国Chesapeake湾的平均盐度、盐水入侵距离以及盐度分层都将增加[7]。许多学者对长江口盐水入侵方面做了深入的研究：朱建荣等研究了陈行[8]、青草沙[9]和东风西沙[10]水库的盐水入侵和人类活动(三峡工程[11]、南汇边滩围垦工程[12]以及北支新村沙围垦[13])对长江口盐水入侵的影响；张二凤等[14]采用实测资料研究北支盐水入侵的规律及影响因素，研究表明径流量小、潮差大以及强偏北风三者的叠加是导致强盐水入侵的主要原因；戴志军等[15]研究了2006年特枯水文年汛期情景对淡水资源的影响，研究结果表明：北支倒灌南支严重，导致陈行、宝钢水库不存在淡水资源。结合海平面上升对长江口盐水入侵方面的研究比较少：杨桂山等[16]通过相关性分析法分析了海平面上升对吴淞和高桥盐度的影响，分析结果表明海平面上升0.8 m情形下，只有当径流量达到15 000 m3/s时盐度才不受海平面上升的影响。裘诚[3]采用通量机制分解方法分析了海平面上升对长江口盐水入侵的影响，研究表明海平面上升导致垂向环流加强，增强了垂向分层结构。

然而海平面上升对长江口盐水楔的影响，至今未见报道。因此本文基于MIKE3建立了长江口三维水动力及盐度输运数学模型，分析长江口枯季盐水入侵对海平面上升的响应特征。

1 模型建立与验证

丹麦水力学研究所(DHI)研发的MIKE3模型，主要模拟海洋、河口、河流、湖泊及海岸的水流、波浪、泥沙及环境变化，为海洋管理和规划以及工程应用提供了完备、快捷、有效的设计环境。MIKE3 FM属三维潮流模型，根据静水压力假设、Boussinesq假设、浅水条件和适定边界条件，采用控制体积法求解Navier-Stokes方程概化的浅水方程[17]。

图2 计算区域及网格Fig.2 Computational region and grid

1.1 模型区域和网格

为了更好地模拟冲淡水的影响，模型模拟范围东至长江口口外200多千米，北到吕泗，南到象山以南，西到长江江阴以及钱塘江仓前，包括整个长江口和杭州湾区域(图2)。长江口三级分汊、四口入海的格局以及舟山众多岛屿导致岸线特别曲折，三角形网格更贴合岸线，因此模型采用SMS构造三角形网格，模型共有18 006个节点，33 656个单元。空间步长在130～29 880 m的范围内。

1.2 边界条件和参数设置

模型验证时江阴边界采用大通站实测流量过程控制，仓前取多年平均流量1 000 m3/s[18]，风应力采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的海面10 m以上处测量间隔为6 h的风场资料来计算。

1.3 模型验证

图3 潮位验证过程Fig.3 Verification of tidal level

采用长江口实测潮位、流速、流向以及盐度资料对模型进行了验证，潮位实测资料时间为2005年8月14—24日[19]；流速流向实测资料时间为2004年5月5—6日[19]；盐度实测资料时间为2003年2月17日11：00(大潮)—18日以及2月23日14：00—24日13：00(小潮)[20]。实测站点见图1，潮位、流速流向以及盐度验证过程分别见图3～5。验证结果表明，潮位计算值与实测值基本吻合，潮流计算值在大小及相位上与实测值大体一致，模拟的盐度过程基本能体现涨落潮规律。因此本模型可以用于计算分析海平面上升对长江口盐水入侵的影响。

图4 流速流向验证Fig.4 Verification of flow magnitude and direction

图5 盐度验证Fig.5 Verification of salinity

2 径流量和海平面上升值的选取

预测分析海平面上升对长江口盐水入侵影响时，为了模拟长江口盐水入侵最严重情形，绘制1950—2011年大通1月流量累计频率曲线，径流量的丰、平、少年际变化是根据流量点绘累积频率曲线来判断，频率小于25%为丰水年，大于75%为少水年，25%～75%之间为平水年，因此江阴采用大通枯季1月75%频率的流量，即8 900 m3/s，仓前边界采用钱塘江多年平均枯季流量600 m3/s。

海平面上升是一种缓发性灾害，其长期的累积效应会淹没滨海低地等，对沿海地区的经济发展构成威胁。海平面上升速率主要根据验潮站和卫星高度计资料获得，因此海平面上升速率随着研究区域及时间范围不一样相差较大。2007年第4次IPCC报告指出[21]，1961—2003年期间的验潮站资料分析显示全球海平面上升平均速率为1.3～2.3 mm/a，而1993—2003年平均上升速率为3.1 mm/a。2013年第五次IPCC报告指出[22]，1901—2010年全球海平面上升速率为1.7 mm/a。2014年中国海平面公报显示：1980—2014年中国沿海海平面上升速率为3.0 mm/a。研究海平面上升对河口盐水入侵的影响，需要预测未来实际的河势情况，要给出相对海平面上升，即在绝对海平面上升的基础上，还需要考虑地面沉降。刘毅和龚士良[23]在上海地面沉降长期预测研究的实际经验基础上，预测长江口未来地面沉降速率在1.82～6.73 mm/a。为了研究海平面上升最不利的影响，按海平面上升速率3.1 mm/a和地面沉降速度6.73 mm/a计算未来100年后相对海平面可能上升值，即约1 m。因此，本文计算原海平面和海平面上升1 m情形下的长江口盐度输运，以此分析海平面上升对长江口盐水入侵的影响。为了取得稳定值，模型采用热启动，模型模拟时间为2004年10月1日到2005年1月31日，平均盐度取2005年1月份的计算结果进行分析，选取小潮涨急时刻的盐度垂直结构进行分析。

3 海平面上升引起的盐度平面变化

河口地区的盐水随涨潮流向上游运动，随落潮流向口外运动，往往涨憩时刻盐水向上游入侵最远，落憩时刻向口外海岸退得最远。图6为原海平面及上升1 m情形下涨憩时刻盐度的平面分布。原海平面情形下，南北支交界处，北支盐水倒灌南支，使得崇头出现小部分高盐水水体(0.45～2.00 psu)，南支的月平均盐度大部分都小于0.45 psu，未超过国家饮用水的标准，适合取水。北港的月平均盐度相对较高，为0.45～2.00 psu，横沙通道是北港和北槽水体交换的重要通道，北港盐水入侵除来自自身通道外还来自横沙通道，因此北港南部盐度比北部高。

图6 原海平面及上升1 m情形下涨憩时刻盐度的平面分布(单位：psu)Fig.6 Depth-averaged salinity at flood slack at primary sea level (PSL) and 1 m of sea level rise (SLR) scenarios (unit: psu)

海平面上升1 m情形下，北支倒灌进入南支的水体盐度增大，而且影响范围也增大，南支水域的平均盐度均超过0.45 psu，南港水域的平均盐度为2.00～20.00 psu，北港水域的盐度为0.45～10.00 psu。北支中下段的盐度减小，是由于海平面上升使得北支分流比增大[24]，北支下段常年被高盐水包围，涨潮动力的增强对高盐水包围的北支下段影响较小，反而北支落潮分流比的增加使得北支中下段盐度减小。九段沙、横沙东滩以及崇明东滩地区滩地边缘高程小于1 m区域被淹没，使得滩地被盐水覆盖的面积增大。

4 盐水楔对海平面上升的响应

在北支和南支深槽布置两条纵剖面D1和D2(位置见图1)，图7为原海平面及上升1 m情形下北支下段河道纵剖面(D1)上的盐度垂向分布，由于北支的径流分流比非常小(小于1%)，导致盐水入侵严重，盐度比较高，还将倒灌南支。图8为原海平面及上升1 m情形下北支下段AA1点(位置见图7(a))的Richardson数垂向分布。水体中是否会产生层化的现象，取决于河口环流和潮汐应变的能量和潮汐搅动能量是否相互平衡。原海平面情形下，北支有部分径流注入，出现盐水楔现象，表层Richardson数为2左右(大于1)，中间层Richardson数达到60，而底层小于1，说明中上层有层化现象，且中层远大于表层，底层则是混合较好；海平面上升1 m情形下，北支下段等盐线更稀疏，盐水楔变缓并减弱，层化现象上移，表层Richardson数达150。海平面上升一定高度使得北支盐水楔现象增强，主要原因是因为海平面上升增加了北支上段的落潮流，使得表层盐度减小，从而加剧北支下段的盐水楔。

图7 原海平面及上升1 m情形下北支下段河道纵剖面(D1)上的盐度垂向分布Fig.7 Vertical salinity of the North Branch at PSL and 1 m of SLR scenarios

图8 原海平面及上升1 m情形下北支下段AA1点的Richardson数垂向分布Fig.8 Vertical Richardson number at point AA1 of the North Branch at PSL and 1 m of SLR scenarios

图9 原海平面及上升1 m情形下南支、南港和南槽河道纵剖面(D2)上的盐度垂向分布Fig.9 Vertical salinity of the South Branch, South Channel and South Passage at PSL and 1 m of SLR scenarios

图9为原海平面及上升1 m情形下南支、南港和南槽河道纵剖面(D2)上的盐度垂向分布，南支和南港不与外海直接相连，且主要受淡水的控制，盐度均小于0.45 psu，盐度表底层差异不明显。

图10为原海平面及上升1 m情形下AA2点的Richardson数垂向分布。原海平面情形下，在IP1～IP18段，垂向分层不明显，无明显盐水楔发育，盐水楔出现在IP19～IP22段，即南槽的中下段，而在IP22～IP23段，由于径流作用较弱，表底层水体盐度无差异，也无明显盐水楔发育，AA2点的Richardson数说明层化现象上层>底层>中层；海平面上升1 m情形下，盐水楔整体向上游移动较小距离，等盐线更密集，AA2点的Richardson数底部减小约2～4，顶部增大16。

图10 原海平面及上升1 m情形下南槽AA2点的Richardson数垂向分布Fig.10 Vertical Richardson number at point AA2 of the South Passage at PSL and 1 m of SLR scenarios

5 结 语

本文利用MIKE3软件建立了长江口三维水动力及盐度输运数学模型，分析盐水入侵最不利的影响，基于1950—2011年大通1月流量累计频率曲线，采用大通枯季1月75%频率的流量8 900 m3/s，计算了海平面上升对长江口枯季盐水入侵的影响，得到了如下主要结论：

(1)海平面上升后，北支上段、南支、南北港以及南北槽的盐度都明显上升，南北支水体交换增强，更多南支低盐水进入北支中下段，使得北支中下段盐度明显减小；北支倒灌进入南支的高盐水更多使得南支盐度增大。

(2)海平面上升1 m后，北支下段盐度层化现象减弱并由中间层移向表层，表层Richardson数达150，这是由于潮汐增强，搅动作用增强，层化现象减弱，但是北支径流增大，表层盐度减小，会使得表层层化增强。

(3)海平面上升1 m后，南槽盐水楔上移较小距离，底部Richardson数减小2～4，顶部增大16，但垂向变化趋势不明显。

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