长江河口北支建闸对减轻盐水入侵的数值模拟

朱建荣 鲁佩仪 唐川敏 陈晴 吕行行

摘要：枯季长江河口盐水入侵的最大特色是北支盐水倒灌，它是南支东风西沙、太仓和陈行水库盐水的唯一来源，也是青草沙水库盐水的主要来源，考虑潮汐和气候态1月和2月的径流量与风况，采用已严格验证过的长江河口盐水入侵三维数值模式，模拟和分析北支上段建闸前后盐水入侵的变化，模拟结果表明：在北支上段建闸后，整个南支全为淡水，北支盐水倒灌南支的现象消失，北支上段盐度明显下降;在东风西沙、太仓和陈行水库取水口盐度接近0;在青草沙水库取水口盐度大幅下降，几乎所有时间盐度都低于0.45.全为淡水，数值试验中，闸门的运行方式采用两种方案：全天落潮流期间开闸、夜里涨潮流期间关闸、白天涨潮流期间开闸，以及全天落潮流期间开闸、夜里和白天涨潮流期间关闸，两者的试验结果中南支盐度变化几乎一致，原因在于前者的运行方式已经使得北支上段盐水入侵大幅减弱，出现盐度接近0.45的淡水区域;即使白天涨潮流期间开闸，其间进入南支的也是淡水，并且增加了南支向海的总余流，从数值模拟的结果和闸门运行的成本考虑，推荐前者的北支建闸运行方案，北支建闸极大地提高了上海东风西沙、陈行和青草沙水库取水时间，同样极大地提高了江苏太仓水库的取水时间，保障了两地的供水安全，

关键词：长江河口：盐水入侵：水源地;建闸;数值模拟

中图分类号：P751文献标志码：A DOI：10.3969/j issn，1000-5641.201941017

0引言

长江河口为一特大型分汊河口，径流量巨大，淡水资源丰富，河口旁边有我国经济发达地区上海和江苏，人口密集，随着社会经济的快速发展，对用水数量和质量提出了更高的要求，目前，在长江口已建成了陈行水库、青草沙水库、太仓水库和东风西沙水库（见图1），陈行水库位于南支南岸，建成于1996年，有效库容为8.60×10⁶m³.日供水量2.06×10⁶m³.上海西北地区约有200万人因此而受益，该水库目前供水占上海全部用水的20%，青草沙水库于2010年建成，有效库容为4.35×10⁸m8.日供水量7.19×10⁶m8.受益人口约有1300万人，青草沙水库面积大约为西湖面积的10倍，是世界上最大的河口水库，苏州太仓水库建成于2012年，有效库容为15.0×10⁶m³.日供水量6.0×105+m³.东风西沙水库建成于2014年，有效库容为8.9×10⁶m³.日供水量2.1×105+m³.崇明岛约有70萬人受益，目前，上海大约80%的淡水取自长江口水源地，在长江口建设水源地面临的最大问题是枯季盐水入侵，盐水入侵季节，若取水口盐度高于0.45psu（饮用水盐度标准），水库就不宜从长江取水。

在河口，河流淡水和海洋咸水交汇，盐水入侵是河口的一个普遍现象，在长江河口，盐水入侵主要受径流量和潮汐的控制，但也受风、地形、流域和河口工程，以及海平面上升的影响，发生在长江口盐水入侵最突出的现象是枯季大潮期间北支盐水倒灌进入南支，从20世纪50年代到2000年，北支的自然演变和潮滩的人为圈围，导致北支上段变为几乎垂直于南支，而北支下段变为喇叭口形状_2lJ，北支河势的演变阻碍了径流进入北支，尤其在枯季，导致北支潮差大于南支，北支巨大的潮差产生了显著的水平环流，即在低径流量和大潮期间北支盐水净向陆流动，进入南支后向海流动，这个余输运就是形成北支盐水倒灌进入南支的动力成因，由于落潮期间北支上段大片滩涂露出水面，大潮涨潮期间从北支进入南支的盐水只有小部分退回到北支，倒灌进入南支的盐水在径流作用下向下游输运，在随后的中潮和小潮期间到达南支的中下段，影响太仓、陈行和青草沙水库，东风西沙、太仓和陈行水库取水口的盐水全部来自北支盐水倒灌，青草沙水库取水口的盐度则来自北支倒灌和北港向陆的盐水入侵，

水库的持续供水时间取决于有效库容和日供水量，而有效库容的设计取决于最长连续不宜取水时间，以1978-1979年特枯水文年为计算年（径流量保证率为97%），青草沙水库和东风西沙水库的最长不宜取水时间分别为68d和26d，在水库的运行中，较难预测径流量未来变化，也就难于预测盐水入侵未来变化，目前，长江河口盐水入侵预报时效在10d之内，预报结果可靠，但对长时间尺度预报来说较难正确预报径流量和风况，盐水入侵预报可靠性就较差，这就对水库的取水和淡水资源的安全构成挑战，需要提出减缓盐水入侵、保障水库取水安全的对策，

本文对北支建闸方案开展数值模拟，对比分析建闸前后盐水入侵变化和南支水源地取水口盐度变化，为长江口淡水资源的充分利用和保障供水安全提供科技指导，

1数值模式和水闸运行方式

本文数值模式采用基于POM模式发展起来的ECOM，之后从正交曲线坐标发展到非正交曲线坐标Wu和Zhu研发了一个物质平流格式的HSIMT-TVD，这个格式以三阶精度有效消除数值频散和大幅降低数值耗散，模式已成功地应用于长江河口水动力和盐水入侵的研究中，

模式范围包括整个长江河口、杭州湾和邻近海区，纬向从117.5°E～125°E，径向从27.5°N～33.7°N（见图2a），总的网格数在水平方向上加密到337×225.在垂向方向上10个均匀的σ层，以较好地分辨河口地形，最小的网格距在南北支分汉口约为100m，以更好地模拟北支盐水倒灌（见图2b）;分辨率在南支下段约为200m（见图2c），模式网格的正交性和平滑性良好，拟合了分汉口河道岸线和深水航道工程的形状，在口门的分辨率为300～500m，随后逐渐减低到外海开边界处的10km，地形资料采用2017年整个长江口实测资料，模式积分时间步长设置为40s。

外海开边界条件来自NaoTide数据集（http：//www，miz，nao，ac，jp/），由16个分潮驱动：M2.s2.N2.K2.K1.O1.P1.Q1.MU2.NU2.T2.L2.2N2.J1.M1和OO1.大通实测月均径流量作为模式河流边界条件，1月和2月为全年径流量最低期间，也是盐水入侵最为严重月份，1950年以来大通1月和2月平均径流量分别为11500m³/8和11800m³/8.风数据采用NECP资料，分辨率0.5°×0.5°，10年半月平均，长江口外盐度初始条件来自黄海东海海洋图集（水文），口门内来自多次观测资料，模式从1月1日开始计算，至2月28日结束计算，从2月下旬模拟结果中给出大潮和小潮期间涨憩和落憩时刻的盐度分布，涨憩和落憩参考点为北支建闸处。

上述数值模式已经在长江河口验证了许多次，结果表明，此模式能成功模拟长江河口水动力过程和盐水入侵，因论文篇幅限制，模式验证过程的详细描述可参见上述文献，

本文设置3个数值试验，数值试验1：不考虑北支建闸，数值试验2：考虑北支建闸f闸门位置见图1），长江河口为典型的半日潮，一天有两次涨潮和两次落潮，北支盐水入侵是由涨潮期间带来的，考虑夜里涨潮流期间关闸，白天涨潮流期间开闸，夜里和白天落潮流期间开闸，数值试验3：考虑北支建闸，与数值试验2唯一不同的是夜里和白天涨潮流期间均关闸，本文数值模式为原代码程序，能方便地设置闸门开启和关闭的条件，与一些商业软件无法修改源代码程序相比，具有明显的优点，

2模拟结果

由大潮期间涨憩和落憩时刻垂向平均盐度分布可见（见图3），在潮汐和枯季气候态径流量和风况作用下，在北支上段建闸前（数值试验1）北支被高盐水所占据，大潮期间南支上段出现高盐水团，这是由北支盐水倒灌产生的，南支下段出现盐度低于0.45的淡水区域，小潮期间，已经倒灌的盐水团和下游的淡水区域在径流作用下向下游移动，在北港、北槽和南槽拦门沙区域，出现强烈的盐度锋面，在这3个分汊河道，盐水入侵南槽最强、北槽次之，北港最弱，北港北侧出现明显的向东北輸运的冲淡水，这是由潮泵输运作用造成的，在数值试验2中，尽管在白天涨潮流期间开闸，整个南支全为淡水，北支盐水倒灌南支的现象消失，北支上段盐度明显下降，小潮落憩时刻长兴岛北侧北港全为淡水，在数值试验3中，白天和夜里涨潮流期间均关闸，北支盐水倒灌现象彻底消失，4个水库的取水口均为淡水，北支盐度下降更明显，为更清楚地显示北支上段建闸前后盐度分布和变化情况，对北支和南支上段作放大展示（见图4），建闸前北支上段为高盐水占据，在数值试验2中，涨潮流期间白天开闸、夜里关闸，南支上段没有盐度高于0.45的区域，北支上段盐度下降，落憩时刻更显著，在数值试验3.涨潮流期间白天和夜里均关闸，北支上段涨憩和落憩时刻均为淡水，落憩时刻淡水区域更大，

在小潮期间（见图5），在北支建闸前，南支上段和南支南侧为盐度小于0.45的淡水区域，大潮期间北支倒灌进入南支的盐水在径流作用下向下游移动，影响陈行和青草沙水库，在北港、北槽和南槽拦门沙区域，等盐度线向海移动，相比于大潮期间盐水入侵减弱，北港北侧向东北输运的冲淡水消失，原因在于小潮期间潮泵运输作用减弱，北风作用相对占优势，在数值试验2中，南支全域均为淡水，北支上段盐水入侵减弱，在数值试验3中，与数值试验2比较，南支盐度变化不明显，但北支上段和中段盐度下降更为显著，从北支和南支上段局部放大盐度分布来看（见图6），上述盐度变化更为清晰，建闸前北支上段被高盐水占据;在数值试验2中，北支上段为淡水;在数值试验3中，淡水区域已移至北支中段，由此可见，建闸后，不仅完全消除了南支来自北支的盐水入侵，在北支上段和中段也出现了持续的淡水。

从青草沙水库取水口水位和4个水源地取水口盐度随时间变化可见（见图7），长江口潮汐为半日潮，具有日不等现象，半月的大小潮变化明显，在东风西沙水库取水口，建闸前最高盐度达到1.5.在一个大小潮周期内约三分之一的时段盐度低于0.45.建闸后，在数值试验2中和数值试验3中盐度均接近0.在太仓水库取水口，建闸前大约有一半时间盐度小于0.45.建闸后盐度接近0.在陈行水库取水口，情况与太仓水库一致，在青草沙水库取水口，建闸前最高盐度约为1.2.在一个大小潮周期内大约五分之二时段能取到淡水，建闸后几乎全部时间均能取到淡水，值得注意的是，数值试验3的盐度反而比数值试验2的盐度高，原因在于数值试验3白天和夜里涨潮流期间均关闭水闸，彻底消除了北支水体倒灌进入南支，使得南支向海的总余流减小，北港海外向陆的盐水入侵增强。

从上述模拟的盐度平面分布和水库取水口盐度变化过程可以看到，数值试验2和数值试验3的结果几乎一致，原因在于在数值试验2中，尽管白天涨潮流期间开闸，但因夜里涨潮流期间关闸、白天和夜里落潮流期间开闸，使得北支上段盐水入侵大幅减弱，出现盐度接近0.45的淡水，这样，即使白天涨潮流期间开闸，其间进入南支的也是淡水，与来自徐六泾上游的河水无异，从数值模拟的结果和闸门运行的成本考虑，本文推荐数值试验2中的北支建闸运行方案。

3结语

长江河口盐水入侵的最大特色是北支盐水倒灌，它是南支东风西沙、太仓和陈行水库盐水入侵的唯一来源，也是青草沙水库盐水入侵的主要来源，减轻北支盐水倒灌是延长水源地取水口取水时间和保障供水安全的有效方法，考虑潮汐和气候态1月和2月的径流量和风况，本文采用已严格验证的长江河口盐水入侵三维数值模式，模拟和对比北支上段建闸前后盐水入侵的变化，建闸方案分为2个，全天落潮流期间打开闸门，一个是涨潮流期间夜里关闸、白天开闸（数值试验2），另一个是涨潮流期间夜里和白天均关闸（数值试验3），模拟结果再现了建闸前（数值试验1）长江河口北支被高盐水占据、北支盐水倒灌、拦门沙盐度锋面和空间差异等特征，在数值试验2中，整个南支全为淡水，北支盐水倒灌南支的现象消失，北支上段盐度明显下降，在东风西沙、太仓和陈行水库取水口盐度接近0.在青草沙水库取水口，盐度大幅下降，几乎所有时间盐度都低于0.45.在数值试验3中，北支盐水倒灌现象彻底消失，北支盐度下降更明显，北支上段和中段为淡水区域，小潮期间北支上段和中段淡水范围比大潮期间大，建闸后，不仅完全消除了南支来自北支的盐水入侵，在北支上段和中段也出现了持续的淡水，在东风西沙、太仓和陈行水库取水口，盐度接近0.与数值试验2结果一致，在青草沙水库取水口，几乎所有时间都能取淡水，但盐度反而比数值试验2的盐度高，原因在于数值试验3的水闸运行方式彻底消除了北支水体倒灌进入南支，使得南支向海的总余流减小，北港海外向陆的盐水入侵增强，

数值试验2和数值试验3的结果几乎一致，原因在于数值试验2的运行方式已经使得北支上段盐水入侵大幅减弱，出现盐度接近0.45的淡水，即使白天涨潮流期间开闸，其间进入南支的也是淡水，从数值模拟的结果和闸门运行的成本考虑，本文推荐数值试验2中的北支建闸运行方案。

北支建闸后可极大地提高上海的陈行水库、青草沙水库和东风西沙水库取水时间，保障供水安全，同样可极大地提高江苏太仓水库的取水时间，北支建闸工程对沪苏两地均是有益的。