引江济淮工程对长江口咸潮入侵的影响研究

朱建荣，白凤朋

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051）

引江济淮工程是以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境的大型跨流域调水工程。工程沟通长江、淮河两大水系，润泽安徽、惠及河南、造福淮河、辐射长江，具有保障供水、发展航运、改善水环境等巨大综合效益。引江济淮工程对促进长江经济带建设和支撑安徽、河南两省发展具有重要意义。同时可以实现长江航道网与淮河航道网互联互通，加强长江经济带交通基础建设，加快绿色生态廊道建设，促进长江经济带和中原经济区的协调发展。长江河口咸潮入侵主要受径流和潮汐的作用，另外还受风应力、口外陆架环流和河势变化等影响。长江径流量具有显著的季节性变化，枯季1-2月平均径流量约为洪季7-8月平均径流量的四分之一，故影响水源地取水的咸潮入侵一般发生在枯季。径流量大，咸潮入侵弱；径流量小，咸潮入侵强。除了季节性自然变化引起径流量变化外，人类活动，如流域重大工程（三峡大坝、南水北调工程、引江济淮工程等），会改变长江入海径流量，从而影响咸潮入侵和淡水资源。

在研究河口区域时，为了提高模式计算的精度和网格局部地区的空间分辨率，目前已有多种优秀模型采用了正交曲线网格或非结构网格[1]。CHEN等人[2]发展了非正交坐标曲线网格下的ECOM模式，以此来拟合复杂弯曲的岸线。CHEN等人[3]采用Euler-Lagrange方法计算物质输运方程的平流项，该方法可以有效地避免数值频散；朱建荣等[4]采用预估修正法计算科氏力项，修正了模式在涡动粘滞系数较小的时候存在的弱不稳定性；WU等人[5]开发了3阶精度的HSIMT-TVD数值格式并用于ECOM-si模式中求解物质输运方程中的平流项，达到消除数值频散、降低耗散等目的，提高了盐度计算的精度；陶英佳等[6]基于FVCOM数值模型建立了长江口咸潮入侵预报系统；陈祖军[7]对后三峡工程时代的长江口水源地盐水入侵特征进行了研究，发现一般在农历9月至来年4月间，尤以2月咸潮入侵最为严重。

本文采用ECOM-si三维数值模式，在分析引江济淮工程对长江入海径流量影响和模型验证的基础上，分别研究在2030年50%，75%和90%径流保证率和大潮情景下引江济淮工程对长江口咸水入侵的影响，为研究引江济淮工程引起的长江口生态环境变化提供科学依据。

1 三维数值模式的设置和验证

1.1 模式设置

本项目采用三维数值模式ECOM-si,该模式长期应用于长江河口地区水动力过程和盐水入侵等方面的研究，并取得诸多成果[4，5，8]。模型计算范围包括整个长江河口、杭州湾和邻近海区，外海开边界东边界到125°E附近，北边界到33.5°N附近，南边界到27.5°N附近[图1（a）]。上游边界设在长江潮区界大通，这样可直接采用大通水文站的实测径流量资料来给出模式的径流边界条件。模式网格较好地拟合了长江河口的岸线，并主要对南北支分汊口以及北槽深水航道工程区域的网格进行了局部加密。在长江河口内网格分辨率为100～500 m，口外网格较疏，分辨率最大为10 km。垂向采用σ坐标，均匀分为10层。模式干湿判别法中，临界水深取0.2 m。模式初始水位和流速场均取0，温度和盐度初始场在长江口外由《渤海黄海东海海洋图集（水文）》数字化得到，河口内由枯季多次实测资料插值得到。上游开边界以通量（径流量）形式给出，取大通水文站实测资料不同保证率下的径流量。

模型采用隐式格式求解水位，代替了POM模式中利用分裂算法求解水位的方法。模式水平方向采用Arakawa C网格配置，垂直方向采用σ坐标。模式采用隐式方法求解正压梯度力，连续方程利用半隐格式进行求解，从而提高模式的计算效率，回避了因CFL判据而限制的时间步长条件。模式对水平粘滞和扩散项采用显示差分以增加计算效率，对垂向粘滞项和垂向扩散项采用隐式差分求解，从而保证其垂向上的分辨率和稳定性。采用Mellor和Yamada提出的2.5阶湍流闭合模型来计算垂向粘滞系数和垂向扩散系数[9]。

图1 长江口盐度模型计算网格图Fig.1 The calculation grid of the salinity model for the Yangtze River Estuary

1.2 模式验证

采用2011年12月至2012年1月期间长江河口盐度观测资料对模型计算盐度结果进行验证。其中，在2011年12月24日至2012年1月13日期间，在A，B，C和D测点位置利用航道浮标悬挂CTD，对各点表层盐度值进行长时间序列的观测。在2012年1月2日至5日小潮期间和1月10日至13日大潮期间利用OBS进行多船准同步，对E，G，H，I和J测点进行盐度观测。测站位置如图2。径流、风等因素对盐水入侵有很强的影响，因此给出观测期间的径流量和风应力情况，其中风场仅给出崇明东滩附近一个网格点的风速、风向以作示意（图3）。模式计算结果和实测值对比如图4，吻合良好。

图2 2011年12月至2012年1月盐度验证点位置Fig.2 Map of salinity verification point position

图3 2011年12月至2012年1月大通站径流量和崇明东滩附近风速、风向Fig.3 Discharge of Datong Station and wind velocity and di⁃rection of Chongmingdongtan Station

A，B两个测站位于北支口，该区域大小潮期间均为高盐水覆盖，盐度值介于25～30，受涨落潮影响，盐度日变化显著。C测站位于青草沙取水口附近，在66～71 d期间盐度明显增加，表明该时段盐水入侵对水库取水造成严重影响。D测站位于北港口，63 d前盐度值基本低于10，之后盐度值陡增至25，表明外海来的高盐水增多，盐水入侵增强。C测站和D测站盐度明显升高均发生在62～71 d期间，该时间段为小潮及小潮后的中潮。对比径流量和风速风向可以发现，这段时间内径流量偏低，易造成盐水入侵，同时在60～70 d北风极强，外海高盐水在科氏力作用下向北港内输运，造成盐水入侵加剧。

图4 表层盐度实测值（点）与模型计算结果（线）比较Fig.4 Comparison of measured values(points)with model cal⁃culation results(lines)of surface salinity

2 计算工况

长江河口咸潮入侵主要受径流和潮汐的作用。长江径流量具有显著的季节性变化，枯季1-2月平均径流量约为洪季7-8月平均径流量的四分之一，故影响水源地取水的咸潮入侵一般发生在枯季。径流量大，咸潮入侵弱；径流量小，咸潮入侵强。除了季节性自然变化引起径流量变化外，人类活动，如流域重大工程（三峡大坝、南水北调工程、引江济淮工程等），会改变长江入海径流量，从而影响咸潮入侵和淡水资源。不同保证率下径流量不同，引水工程对咸潮入侵和淡水资源的影响不同。为此，本研究给出了50%，75%和90%保证率下径流量分别为9 666 m3/s、8 614 m3/s、7 780 m3/s，对应1976年2月、1962年2月和1972年1月的实测平均径流量，同时考虑了2030年引水工程改变径流量的情景。由于三峡工程和南水北调东线、中线工程已建，一起考虑它们的影响，剥离它们对咸潮入侵和淡水资源的影响，即不考虑引水工程2030前景流量。详细的径流量参见表1。

表1 不同保证率2030年情景长江径流量（m3/s）Tab.1 Discharges of the Yangtze River for different assurance rates of the 2030 scene(m3/s)

不同的潮汐会产生不同强度的咸潮入侵，本研究考虑最近20年内大潮期间潮差最大值对应的潮型为典型大潮。利用潮汐调和常数计算近35年中浚潮差，作为典型大潮和一般大潮时段的依据。最大潮差极大值出现在1988年2月18日，量值达到4.03 m（图5）。最大潮差的中值出现在1996年2月21日，最大潮差为3.90 m（图6），由于水动力趋于准稳定需要时间，对应不同保证率下的径流量对应月份，模式提前1个月运行，相应的典型大潮期间潮位给出2个月的变化过程线，前一月对应模式的调整，后一月为输出和分析咸潮入侵和淡水资源分布变化的时段。

图5 长江口中浚站设计典型大潮时段(1988年1，2月)Fig.5 Design of typical high tidal periods in the Zhongjun sta⁃tion of the Yangtze River Estuary

图6 长江口中浚站设计一般潮型时段(1996年1，2月)Fig.6 Design of general tidal periods in the Zhongjun station of the Yangtze River Estuary

3 结果和分析

3.1 50%保证率径流量下工程对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响

在50%保证率径流量9 666 m3/s情况下，未考虑引江济淮工程时2030年情景径流量修正为11 073 m3/s。在此基础上，再考虑引江济淮工程，径流量修正至11 072 m3/s。也就是说，至2030年情景引江济淮工程引水流量仅为1 m3/s。定性上讲如此小的径流量减少对长江河口咸潮入侵和淡水资源的影响

图7 50%保证率径流量下大潮期间平均表层盐度差值分布（引江济淮工程后减去引江济淮工程前，下同）Fig.7 Distribution of average surface salinity difference dur⁃ing the period of the high tide at 50%guaranteed rate runoff

3.2 75%保证率径流量下工程对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响

在75%保证率径流量8 614 m3/s情况下，未考虑引江济淮工程时2030年情景径流量修正为11 210 m3/s。在此基础上，再考虑引江济淮工程，径流量修正至11 038 m3/s。也就是说，至2030年情景引江济淮工程引水流量为172 m3/s。入海径流量减少172 m3/s，定性上讲径流量减少会增强长江河口咸潮入侵和减少淡水资源。

因引江济淮工程2030年情景减小径流量172 m3/s，导致咸潮入侵有所加强，淡水资源有所减小。大潮落憩时刻考虑引江济淮工程长江河口淡水体积为5.771 6 km3，比引江济淮工程前减小了0.114 3 km3。从引江济淮工程前后大潮期间潮周期平均表层和底层的盐度差异（图9、10）看，因径流量减小应是微小的。

图7和图8分别为引江济淮工程前后大潮期间潮周期平均的表层和底层盐度分布的差值。因引江济淮工程2030年情景仅减小径流量1 m3/s，导致咸潮入侵和淡水资源的变化十分微小。大潮落憩时刻考虑引江济淮工程的长江河口盐度小于0.45的淡水体积为5.793 3 km3，比引江济淮工程前减小了0.003 7 km3，几乎无变化。从引江济淮工程前后大潮期间潮周期平均表层和底层的盐度差异看，因径流量仅减小1 m3/s，整个长江河口盐度几乎无变化。172 m3/s，整个长江河口盐度有所上升，在北港、南港拦门沙区域和北支上段盐度上升约为0.1。

图8 50%保证率径流量下大潮期间平均底层盐度差值分布Fig.8 Distribution of average bottom salinity difference during the period of the high tide at 50%guaranteed rate runoff

图9 75%保证率径流量下大潮期间平均表层盐度差值分布Fig.9 Distribution of average surface salinity difference dur⁃ing the period of the high tide at 75%guaranteed rate runoff

图10 75%保证率径流量下大潮期间平均底层盐度差值分布Fig.10 Distribution of average bottom salinity difference dur⁃ing the period of the high tide at 75%guaranteed rate runoff

3.3 90%保证率径流量下工程对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响

在90%保证率径流量7 780 m3/s情况下，未考虑引江济淮工程时2030年情景径流量修正为8 858 m3/s。在此基础上，再考虑引江济淮工程，径流量修正至8 658 m3/s。也就是说，至2030年情景引江济淮工程引水流量为200 m3/s。入海径流量减少200 m3/s，定性上讲径流量减少会增强长江河口咸潮入侵和减少淡水资源。

因引江济淮工程2030年情景减小径流量200 m3/s，导致咸潮入侵有所加强，淡水资源有所减小。大潮落憩时刻考虑引江济淮工程长江河口淡水体积为2.052 5 km3，比引江济淮工程前减小了0.167 0 km3。从引江济淮工程前后大潮期间潮周期平均表层和底层的盐度差异（图11、图12）看，因径流量减小200 m3/s，整个长江河口盐度有所上升，在北港、南港拦门沙区域和北支上段盐度上升超过0.1。

图11 90%保证率径流量下大潮期间平均表层盐度差值分布Fig.11 Distribution of average surface salinity difference dur⁃ing the period of the high tide at 90%guaranteed rate runoff

图12 90%保证率径流量下大潮期间平均底层盐度差值分布Fig.12 Distribution of average bottom salinity difference dur⁃ing the period of the high tid eat 90%guaranteed rate runoff

4 结论

应用三维数值模式ECOM-si研究引江济淮工程对长江河口咸潮入侵和淡水量的影响，采用2011年12月至2012年1月期间长江河口盐度观测资料对模型计算盐度结果进行验证，模式计算结果与实测值吻合良好。

设计计算工程，分别分析了在2030年50%、75%和90%保证率径流量引江济淮工程对长江入海径流的影响。在此基础上，应用验证后的数学模型对三个保证率下引江济淮工程引起的长江口咸水入侵状况进行了数值计算。结果表明，50%保证率径流量下工程对长江河口咸潮入侵和淡水资源的影响可以忽略；75%和90%保证率径流量下工程引起长江河口盐度上升，在北港和南港拦门沙区域、北支上段盐度上升约为0.1，淡水资源略微减小。总体来讲，引江济淮工程对长江咸潮入侵和淡水资源的影响较小。