长江口盐水入侵特征及规律

(南通航运职业技术学院，江苏 南通 226010)

1 研究背景

长江口自徐六泾以下，河口呈现三级分汊、四口分流格局[1]。崇明岛把长江口分为南支、北支，即一级分汊，受徐六泾节点河段来水来沙控制，徐六泾河宽最窄处为5.7 km；南支在吴淞口以下由长兴、横沙岛分为南港、北港，即二级分汊；九段沙又把南港分为南槽、北槽，即三级分汊[2]，其上口代表断面(横沙水文站—川扬河口)河宽为11.8 km。由于长江口的三级分汊、四口入海的形态，长江口外海高盐度海水经由北支、北港、北槽、南槽向上入侵，构成长江口盐水入侵的4条线路。

长江口是盐淡水交混最为剧烈的水域，由于各汊道河床地形、过水能力、分流比和潮波传播特性的不同，不同的潮汐强度下表现出的混合程度不同，加之其不同季节径流量变化巨大，河口盐淡水混合在不同的季节表现出不同的特征，盐水入侵方式十分复杂。长江口“三级分汊，四口入海”的地理格局导致盐水入侵的空间分布非常复杂，各汊道在不同的潮型及不同径流量下，不同汊道盐水入侵各具特点[3-5]。

前人对于长江口盐水入侵做了很多的研究，国内研究者主要集中在分析径流、潮汐、风、地形变化、河口工程等因素对长江口盐水的侵入影响。本文基于长江口枯季实测水文资料，分析了长江口的盐水入侵时空分布规律，并建立大范围数学模型，对相关规律进一步总结分析。同时基于多年水文资料，对北支的潮径动力进行了单独的研究。

2 长江口实测盐度特征分析

2.1 长江口盐水入侵的时间分布特征

长江大通流量数据来自长江口水文与水资源勘测局实测逐日流量资料。长江口的盐度资料来自2002年长江口水文测验资料，此次水文调查从徐六泾至北支连兴港、南支中浚一线，观测日期为3月1—15日。长江口2002年3月(枯季)水文测点布置见图1所示，

图1 长江口2002年3月(枯季)水文测点布置Fig.1 Locations of observation stations in the Yangtze River estuary in March 2002 (dry season)

Z1—Z2断面位于北支青龙港，Z6—Z9断面位于北支连兴港；Y4—Y6断面则处于南支上游七丫口；北港包括Y7—Y9断面，南港则为Y10—Y12断面；测点Z3和测点Z4分别位于白茆沙和新浏河沙；测点Y1、测点Y14、测点Z5分别位于白茆港、陈行水库和中浚。

长江口盐水入侵在时间上的分布主要受到径流量及外海潮汐的影响，并随着周日、朔望、季节变化及年际呈现一定的变化特性。

长江口盐度的周日变化主要受到潮波传播性质的影响，长江口内潮波性质介于前进波与驻波之间。南港Y11潮位、流速、盐度变化曲线见图2，落潮流速方向为正。南港Y11测站关系曲线见图2(a)，最大涨(落)潮流时刻提前于高(低)潮位时刻约1～2 h，涨落憩则提前于中潮位时刻出现，由图2(b)可知，盐度的峰值和谷值则基本上与潮流的涨落憩时刻吻合。

图2 南港Y11潮位、流速、盐度变化曲线(2002年)Fig.2 Curves of tidal level, flow velocity, and salinity of Y11 in south channel in 2002

图3 南支Y5流速、盐度变化曲线(2002年)Fig.3 Curves of velocity and salinity in south branch in 2002

但是长江口地区存在明显的北支高盐水倒灌南支的现象，涨潮时北支盐水随涨潮流进入南支，落潮时由于落潮流的作用，倒灌的高盐水沿南支往下游移动，致使南支部分区域在落憩时盐度达到峰值，涨憩时盐度达到谷值，具体情况如图3所示。由此可见，长江口盐水入侵的周日变化主要受到外海盐水入侵以及北支盐水倒灌的共同控制。

2.2 长江口盐水入侵的空间分布特征

长江口门宽阔，口内三级分汊四口入海，水道间滩槽交错，水下暗沙遍布，加之北支的盐水倒灌，复杂的河势导致其盐水入侵空间分布异常复杂，甚至在不同时间，盐水入侵也不能一概而论。这里主要讨论分析盐度的纵向变化规律。

长江口盐度沿汊道纵向分布受潮汐强弱及外海盐水入侵、北支倒灌等的影响，特征复杂。以“崇头—白茆沙—陈行水库—南港—南槽”一线为例进行分析，将各站大潮期间月24 h盐度进行平均，中、小潮盐度亦做如上处理，长江南支枯季全潮平均盐度统计如表1所示，盐度沿程变化曲线如图4所示。

表1 长江南支枯季全潮平均盐度统计Table 1 Statistics of average salinity in south branch ofYangtze River Estuary

图4 南支、南港、南槽盐度沿程变化曲线Fig.4 Curves of salinity along the distance in south branch,south channel, and south passage

由图4可知，大潮时盐度沿程变化呈现下凹型，存在2个盐度较高的点：崇头及南槽。这是因为大潮期间长江口水域盐水入侵受控于外海高盐水及北支倒灌，大潮初期，北支倒灌刚刚开始，此时崇头附近盐度很高，大潮平均盐度达4.84‰，由于倒灌距离较短，下游白茆沙及陈行水库盐度还较低，南槽受外海盐水控制，盐度很高，达8.76‰；中潮期间，倒灌减弱，崇头盐度逐渐降低，此时高盐水下移，导致白茆沙水体盐度升高，盐度分布呈现“低—高—低—高”的分布格局。小潮期间，倒灌基本停止，南支河段盐度迅速降低，此时盐度沿程变化恢复常态，由外海到口内，盐度呈现降低态势。

而对于北支的盐度纵向分布，测点较少，以连兴港及青龙港附近测站为例，大、中、小潮期间平均盐度统计如表2。

表2 北支盐度统计值Table 2 Statistics of salinity in the north branch

大、中潮期间，北支沿程从连兴港到青龙港平均盐度呈现增大趋势，而且两者盐度都很高，这与一般的规律不符合，主要原因是因为北支特殊的喇叭形河口导致大潮期间潮波变形剧烈，高盐水大量涌入南支，加之北支分流比极小[6-7]，加剧了倒灌作用；而在小潮期间盐度迅速降低，且连兴港盐度大于青龙港盐度，逐渐恢复到常态。

图5 研究区域水下地形及计算网格Fig.5 Underwater topographic map and computational grids of the research area

3 长江口水流盐度数值模拟

基于MIKE21模型建立了长江口二维水流盐度数值模拟，模型东西长约310 km，南北长约311 km，覆盖长江口、杭州湾及舟山群岛大范围的海域。研究区域水下地形图及计算网格如图5所示。模型选取2002年3月1—9日全潮水文测验的结果进行验证，其中包括2个潮位站、4个流速测点及6个盐度测点。

潮位、流速流向及盐度验证对比见图6—图8，比对结果表明，模型模拟结果能准确地反映长江口的水流盐度运动。长江口大潮涨落憩时刻盐度空间分布如图9所示。

图6 各潮位站全潮验证对比Fig.6 Verifications of tidal level in spring tide attidal stations

图7 大潮测点流速和流向验证对比Fig.7 Verifications of velocity and direction of flow in spring tides

图8 大潮测点盐度验证对比Fig.8 Verifications of salinity in spring tides

图9 长江口大潮盐度场分布Fig.9 Salinity fields of Yangtze River estuary in spring tides

由图9可知，在外海区域，受潮波控制，盐度等值线变化缓和，逐渐减小，但是接近长江口门区域，受径流与潮汐共同作用，盐淡水混合剧烈，盐度等值线非常密集，表明盐度变化剧烈，由南支再往上游，径流作用占优势，盐度变化缓和。在口内，大潮期间，长江口北支盐度一直较高。涨憩时刻，由于北支倒灌作用，崇头附近盐度特别高，4‰等盐度线有下移趋势，落潮时，在落潮流作用下，4‰盐度线沿白茆沙北水道开始往下移动，落憩时下移距离达到最大。南支盐度分布在大潮期间呈现出“高—低—高”的格局，口门处的盐度在涨憩时明显大于落憩时。

4 北支潮径动力分析

长江口为潮汐河口，自18世纪中叶以来，长江入海主汊道转移到南支水道，北支转化为淤积型的潮汐水道。随着水文、泥沙与河势的变化，南北支分流比也发生了变化。分析表明，通过控制北支的咸潮入侵，可以缓解长江河口段特别是南支以下段的盐水入侵问题。以北支为例，若采用落潮分流比，表示的仅为落潮分入北支的水量比，无法反映北支涨潮水体上溯对北支盐水倒灌的影响；而净泄分流比反映了长江上游径流的分入量，北支的衰退就是分入北支径流减少所造成的。建立长江流域感潮段模型模拟计算2000年枯季长江口主要河道的净泄分流比，并将20世纪90年代长江口的地形与2000年的地形分别代入该数学模型，分析不同地形下北支枯季全潮净泄分流比变化特征。当净泄分流比出现负值时，表明外海盐水通过北支上溯倒灌南支的情形较为显著。净泄分流比能更好地揭示分汊河道的水体运动趋势，也能反映出北支近年来的动力演变趋势。

分析2次不同地形条件的北支涨、落潮量特征，并计算全潮净泄分流比，如表3所示。从表3中可看出，大潮期间北支以涨潮流为主，对应此时北支盐水入侵最剧烈；中、小潮期间北支以落潮流为主，北支盐水入侵减缓。南支全潮以落潮流为主。在大潮期间，形成了北支海水上溯，南支径流下泄的局面，符合长江口水动力场的一般规律，反映了各分流口的水动力特征。结果反映由于长江口地形河势的变化导致北支枯季净泄分流比产生了相应的调整，尤以大潮期最为明显，这主要是由于从20世纪90年代至21世纪初，北支上段的围垦使北支上口河宽由2.7 km缩窄至2.5 km，从而使北支上段的河床显著抬高，涌潮增大，上游径流分流量减少，这也加剧了北支的盐水入侵。

表3 枯季长江口主要河道全潮净泄分流比Table 3 Runoff-discharge ratio of main channels inthe Yangtze River estuary during dry season

改变上游径流量、外海潮差，用长江流域感潮段模型模拟计算枯季北支大潮期间全潮净泄分流比，如图10所示。可知在上游径流量不变的情况下，外海潮差越大，北支净泄分流比绝对值越大，即外海潮差越大，涨潮量越大，外海高盐海水入侵北支越剧烈；且相同潮差下，上游径流量越大，北支净泄分流比绝对值越小，即上游来水可减缓北支盐水入侵的趋势。潮汐是咸水入侵的动力，潮汐大，盐水入侵大，盐水上溯远，反之亦然。而径流量大小代表了上游落潮流的大小，对北支盐水的入侵起到了抑制作用。数学模型计算表明：当上游径流量达10 000 m3/s，外海潮差<3.22 m；上游径流量达20 000 m3/s，外海潮差<3.57 m；上游径流量达30 000 m3/s，外海潮差<4.02 m时，枯季北支大潮期间净泄分流比>0，北支水体不会出现倒灌。

图10 枯季北支大潮净泄分流比与流量、外海(中浚)潮差关系Fig.10 Relationship between runoff-discharge ratio and tidal range in open sea in the presence of varying runoff during dry season

通过回归分析得到枯季大潮期间北支分流比与上游径流量和北支口外海潮差关系式为

δ=1.31exp(0.084 3Qf)-0.392 8ΔH。

(1)

式中：δ为北支分流比(%)；Qf为上游径流量(104m3/s)；ΔH为北支口外海潮差(m)。

北支净流量Qb表达式则为

Qb=Qfδ。

(2)

由式(1)和式(2)可见，长江口的分流与外海潮差、上游径流量和河床形态等因素有关，外海潮差越大，上游径流量越小，北支盐水倒灌南支的可能性越大，即北支口分流比随上游径流量呈指数增长，而与外海潮差成反比。

5 结 论

(1)对枯季实测资料的分析表明长江口水域盐水入侵受外海及北支倒灌的影响，时空分布特征复杂。时间上南支某些水域不同于一般情况下涨(落)憩时盐度达到峰(谷)值，而是涨憩时盐度达到谷值，落憩时盐度达到峰值，这是受到北支盐水倒灌的影响所致。空间分布受大、中、小潮及北支倒灌、主槽与浅滩等因素影响，盐度的变化分布亦相当复杂。

(2)通过建立长江口大范围二维水动力盐度数学模型，模拟了长江口大潮期间涨、落潮盐度场，结果显示长江口北支盐度一直较高。南支盐度分布在大潮期间呈现出“高—低—高”的格局，口门处的盐度在涨憩时明显大于落憩时。

(3)基于回归分析得到枯季大潮期间北支分流比与上游径流和北支口外海潮差关系式，结果表明长江口的分流与外海潮差、上游径流量和河床形态等因素有关，且北支口分流比随上游径流量呈指数增长，而与外海潮差成反比。