长江河口水位上升对流场和盐水入侵的影响

唐川敏 朱建荣

摘要：基于长江河口水动力和盐水入侵三维数值模式ECOM-si，通过数值模拟分析长江河口水位上升对径流、潮流和风生流的影响，以及在多种动力因子综合作用下对流场和盐水入侵的影响，数值实验结果表明，在长江河口水位上升30cm的情况下，各河道横截面面积增大，向海的径流流速减小：潮流随水深增深略微增大：枯季北风作用产生的北港进、南港出的水平风生环流加强，在北支向陆的风生流有所加强，水位上升后，北支盐水入侵增强：南支中段盐度变化不明显：北港、北槽盐水入侵随水位增加变化最为显著，小潮期间盐度增大值大于1.大潮期间增幅有所降低，北港北汊受水深增加盐水入侵变化最为强烈：南槽口门处滩地由于水位增加，非线性效应减弱，盐度不同程度的降低，水位上升后南支水源地三个水库取水口盐度均有所上升，减少了可取水时间，不利于供水安全，

关键词：长江河口：水位上升：流场：盐水入侵：数值实验

中图分类号：P731.2文献标志码：A DOI：10.3969/j，issn，1000-5641.201941001

0引言

长江河口地区是中国人口密集度最高、经济最发达的地区之一，长江是我国第一大河，全长约6300km，长江河口是中国最大的河口，地形复杂（见图1），河口是上游下泄淡水与外海高盐水交汇的区域，深受盐水入侵的影响，盐水入侵与自然因子、生态环境、淡水资源分布和城市供水等密切相关，研究长江河口水位上升对长江河口水动力过程和盐度入侵具有重要的理论意义和应用价值，

潮汐、径流量和风应力是影响长江河口盐水入侵的主要因素，周期性潮流变化和涨落潮造成的水位变化在口内盐度分布中扮演着重要角色，在北支盐水倒灌现象中尤为显著，长江径流量具有显著的季節性变化，在低径流的情况下长江口盐水入侵加剧，所有汊道的等盐度线向陆收缩，对长江口水源地取水安全造成不利影响，长江口外风场的季节性变化显著，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，冬季北风的大小和持续时间会显著影响长江河口盐水入侵。

近50年来，我国海平面呈波动上升的趋势，根据国家海洋局2013年以来发布的《中国海平面公报》，1980^-2012年长江河口沿海相对海平面上升幅度超过150mm，即平均每年海平面上升4.5mm左右，径流量变化会造成长江河口水位的变化，洪季高径流量期间水位比枯季低径流量期间水位高约50am，冬季强偏北风产生沿岸增水波，导致长江口水位上升，长江河口水位上升会导致咸淡水交换加强吲，盐度梯度和向陆斜压压强梯度力增大，使得外海高盐水向口内运动，盐水入侵增强，长期的水位上升将加深河口地区的水深、淹没潮滩、影响河口水动力过程、加剧外海盐水入侵，对长江河口淡水资源有重要影响，研究长江河口水位上升对流场和盐水入侵的影响可以为长江口水源地的建设和水库取水调度提供理论依据，保障供水安全。

本文应用长江河口三维水动力数值模式，从多个动力因子着手，逐一对比分析河口区域水位上升对流场和盐水入侵程度的影响，

1研究方法

1.1数值模式设置和验证

本文采用作者课题组长期改进和应用的三维数值模式ECOM-si（semi-implicit Estuarine，Costaland Ocean Model），该模式是基于海洋数值模式POM（Princeton Ocean Model）的基础上研发的，可设置包括潮流、径流、风、波浪等各种动力因子，改进的ECOM-si模式在长江口水动力过程和盐水入侵等方面研究中得到了广泛的应用，取得了大量研究成果，为了节省篇幅，有关模式设置和验证等可参考文献。

本文研究长江河口水位上升对流场和盐水入侵的影响，模式计算范围包括整个长江河口、杭州湾和邻近海域（见图2a），河流上游边界设置在大通，动量方程的边界条件采用大通水文站实测径流量，模式采用非正交坐标曲线网格，较好地拟合长江河口岸线，并对局部地区如南北支分汉口、深水航道等进行了加密处理（见图2b和2c），外海开边界由潮位和余水位驱动，潮位考虑由16个主要分潮M2、s2、N2、K2、K1、01、P1、Q1、MU2、NU2、T2、L2、2N2、J1、M1及001的调和常数合成得到，余水位由黄海东海大区域模式计算结果提供，初始温盐场在长江口外通过《渤海黄海东海海洋图集（水文）》数字化数据插值得到，口内由多年枯季实测资料插值获得，

1.2数值实验

长江河口盐水入侵主要受制于径流量、潮汐和风况，长江径流量具有明显的季节性变化，5-10月为长江洪季，11月到次年4月为枯季，一般一年中1、2月份径流量最小，自1950年以来大通水文站1月和2月的平均值分别为11200m³/s和11800m³/s，枯季代表性月份为1月和2月，这期间长江口盐水入侵最为严重，为了数值实验更具有普遍性，选取1、2月份大通水文站月平均径流量11550m³/s，即1^-2月长江径流量气候态平均值作为上游开边界条件，同样，长江河口风场也取1^-2月气候态平均值，为北风5m/s，数值模拟时段为1月1日至2月28日，

对于长江河口水位上升值，主要考虑海平面变化，根据李永平等的研究成果及国家海洋局发布的中国海平面上升公告等，得出至2050年长江口及邻近海域相对水平面上升值约为30cm，本文综合上述因素设置余水位（水位上升）为30cm，即通过模式全域增加水深30cm来体现。

为分析长江河口水位上升对流场和盐水入侵的影响，设置4组数值实验，先仅考虑径流、潮汐、风单个动力因子，分别讨论水位上升30cm前后对流场的影响，最后综合考虑多个动力因子模拟和分析水位上升30cm前后对流场、盐水入侵和水库取水口盐度的影响。

2结果与分析

2.1水位上升对径流的影响

在径流量为11550m³/s和水位未上升前，长江河口径流流速最大可达18cm/s，整体呈现出由陆向海河势转宽流速逐渐减小的变化趋势（见图3a），极少长江水进入北支，径流流速约为2cm/s，南支径流受科氏力作用右偏，沿南岸向海，至青草沙分为南、北港，北港为径流的主要人海口，北港径流受口门浅滩影响，一部分沿北港北汊流出，流速快速减小;另一部分继续向东并向右偏转，南港径流被九段沙分流后，沿深水航道向海保持约10cm/s的速度，而南槽部分由于滩地众多，流速不断减小，

长江河口水位上升30cm后，因为水位上升、河道横断面增大，在径流量不变的情况下，径流流速减小，变化量小于0.2cm/s，且流速大的区域变化更显著（见图3b），而北支则因为过水断面的增大，流入的径流量增加，导致流速增大，最大可增加1.5cm/s左右。

2.2水位上升对潮流的影响

潮流受水位上升影响变化微小，平面图难以区别，故本文选取模式结果3个输出点s1、s2、s3（位置见图1），对潮流流速和流向随时间变化过程作比较分析，s1位于北支上段，大、小潮流速差异大，水位上升前，大潮期间流速最大约为1.3m/s，小潮期间最大仅为0.5m/s左右（见图4），水位上升后，流速有较明显的增加，且大潮期间增幅大于小潮期间，最大增幅约为0.2m/s，点s2在青草沙水库取水口附近，s3位于北港拦门沙，最大流速均在2m/s左右，水位上升后流速有微小增加。

2.3水位上升对风生流的影响

在枯季平均北风作用下，苏北沿岸和长江口外南向风生流流速较大，北支口门附近受浅滩影响，向陆流减弱，少量水体从北支向口内输移，最终从南北支分汊口进入南支（见图5a）;另一部分进入北港，北港北汊流速最大约0.25m/s，水体上溯至青草沙上端，向南转向进入南港，在南北港间形成风生水平环流，南港至深水航道段流速维持在0.1m/s，向海流出，汇入南下的沿岸流中，而南槽流速在九段沙附近迅速减小。

水位上升30cm后，北风作用导致北支倒灌加强，从北支进入南支的水体增多（见图5b），南北港水平环流增强，北港口门附近流速增大0.17m/s，南支下段流速增大约0.2m/s，进而南港下泄的流速增大，最大增值为0.2m/s左右，深水航道由于水深较大，河道阻碍较少，为南港区域主要下泄通道，向海流速显著增强，约0.15m/s;南槽向海流减弱，水位上升后，沿岸流增强，在科氏力作用下右偏进入南槽，流速变化值可达0.25m/s。

2.4水位上升对流场和盐水入侵的影响

选取大小潮周期内各3个完整潮周期的数据进行统计分析，涨、落潮分别取6个涨潮、6个落潮的平均值，本文取青草沙水库取水口作为流速涨、落急和涨、落憩的参考点，

在多个动力因子综合作用下，大潮期间，水位上升之后涨潮流、落潮流均增强，涨潮变化程度大于落潮（见图6），北支涨潮流整体增加约0.02m/s，部分水体进入南支，南支中段以下流速增幅明显，越靠近口门增幅越大，口门附近流速增大0.1m/s左右，其中深水航道涨潮流变化最大，约为0.16m/s，落潮流时，北支落潮流由陆向海表现为先增大后减小再增大，北支中上段流速增大约0.05m/s，南支落潮流变化趋势与北支相似，北港在北汊附近流速增幅较大，为0.07m/s左右，深水航道北岸外侧落潮流流速变化最大，约0.1m/s，深水航道流速均增大约0.02m/s，而南槽流速变化最大值出现在南槽上段，约为0.09m/s。

大潮期间，整个北支都被高盐水占据（见图7a），北支上端盐度变化剧烈，分汊口处盐度锐减，南支上段盐度值大于0.45.再现北支盐水倒灌现象，北港是径流的主要出海口，出口门的冲淡水向北延伸至北支口门附近，大潮期间南港盐水入侵略强于北港，但从九段沙开始下端盐度有所降低，水位上升后，盐水入侵增强主要体现在北支和南、北港（见图7b），北支盐度增加约0.2.北支上段增加0.4左右，北支倒灌增強，南支上段盐度略微增加，南、北港上段盐度基本不变，中下段外海高盐水入侵明显增强，北港盐度增大值及增大范围均大于南港，北港中下段为盐度锋面，盐度梯度较大，尤其是拦门沙区域盐度值增加约0.5.南、北槽整体盐度增加，增大约0.3.而横沙东滩后端和崇明东滩随水位上升盐度明显降低，崇明东滩盐度降低约1.5.横沙东滩降低约0.4.吴辉引指出由于潮滩水深较浅，在涨落潮期间会形成非线性效应，横沙东滩后端和崇明东滩区域形成局地环流，促进高盐水汇集，大潮期间由于潮汐强度较大，效应显著，水位上升后，滩地附近水深加深，相应的非线性效应减弱，这就解释了本文模拟的水位上升后潮滩盐度下降的现象。

长江河口水位上升后小潮期间涨、落潮流平面分布（见图8）与大潮期间相似，但流速变化更小，涨潮流依旧在深水航道区域变化最大，深水航道上段流速增大约0.04m/s，下段最大值可达0.2m/s左右，北港北汊流速增大值最大约为0.05m/s，而拦门沙外涨潮流略微减小，南槽九段沙以外流速大面积增大，靠近深水航道南岸流速增大0.1m/s左右，落潮时，南、北支上段落潮流显著增强，北支增大0.02m/s，而南支上端增大约0.05m/s，选取青草沙水库取水口为参考点时口外部分区域已经开始涨潮，横沙东滩以外靠近深水航道北岸外侧落潮流变化最大，落潮流流速增大0.3m/s左右。

小潮期间，北支盐度值依然增加且增加量比大潮期间略有上升，北支上段盐度增加值均可达1以上（见图9），北港在小潮期间受水位上升影响更为剧烈，北港中下段连接北支口门，整个区域盐度增加，北港北汊附近盐度变化最大，约1.5左右，李路对北港北汊受盐水入侵的影响进行了数值模拟，认为该汊道加深后盐水入侵加强，本文模拟结果与这一结论一致，河口水位上升后，北港北汊水深增加，从而增加沿该汊道进入北港的水、盐通量，南港及南、北槽上段盐度增大0.3左右，深水航道下段盐度值增加0.1左右;南槽九段沙下段及横沙东滩往外盐度值降低，最小区域减小1左右，原因同样是浅滩水位上升导致水深增加潮汐非线性效应减弱产生的。

东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库3个水库取水口分布在南支不同区域，其表、底层盐度随时间的变化见图10.水位上升后盐度值均有增加，可以看出水位上升前后盐度值及变化趋势基本相同，底层变化明显比表层剧烈，东风西沙水库和陈行水库位于南支上段，盐度只受北支倒灌下移的盐水团影响，东风西沙水库由于更靠近南北支分汉口，北支倒灌发生时，盐度最大值高于陈行水库取水口，表层盐度小至0.05大到1.75.有明显的半日周期性，盐度落憩时最大、涨憩时最小，水位上升导致的盐度变化最小;底层盐度变化与表层相似，但盐度增大值最大约0.8.陈行水库取水口盐度比东风西沙水库低，但因为落潮流受科氏力作用右偏沿南岸向海，因而水位上升后盐度增长大于东风西沙水库取水口，盐度值在大潮后中潮达到最大，最大值约1.此时盐度差值也达到最大，约为0.3.又因为其地理位置离南北支分汊处更远具有延迟性，盐度最大值比涨憩略晚几小时，青草沙水库位于南北港分汉口，小潮后中潮盐度值最大，表层盐度最大值在3左右，底层为4.5左右，水位上升后盐度增大，不利于青草沙水库取水口取水。

3结论

本文采用三维数值模式ECOM-si，数值模拟长江河口水位上升30cm前后流场和盐度的变化，从动力因子上分析水位上升对长江河口的影响，该模式包括潮流、径流、风应力等多种动力因子，选取多年1月、2月平均径流作为上游开边界条件和冬季平均5m/s北风计算海表面风应力，分别从流场和盐度的分布及其变化定量分析了潮流、径流、风应力对长江河口水位上升的响应，分析了水位上升对东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库取水口取水的影响。

长江河口水位上升30cm，各河道垂向横截面面积增大，径流向海流速整体减小，相反，潮流随水深增深增强，风生流加强，使得北支水体、盐分倒灌加剧和南北港水平风生环流加剧，长江河口大、小潮期间，涨落潮整体流速随水深增加而增大，其中北港的流场分布受水深变化影响最大。

长江河口水位上升，进入北支的径流量增加，北支上段盐度有不同程度的降低，但潮流和风生流受水位上升影响更大，总体上北支受外海盐水入侵增强，南支中段盐度主要来源于随北支倒灌向下的高盐水团，水深增加的情況下，盐度无显著变化，北港中下段在水位上升之后，大、小潮盐度变化相似，盐度增加最为明显，且北港北汊由于水深增加盐水入侵尤为显著，南北槽中上段在大潮期间盐度略微增加，口门处滩地由于水位增加，非线性效应减弱，盐度下降，水位上升后南支水源地3个水库取水口盐度均有所上升，减少了可取水时间，不利于水库取水。