南水北调工程对长江口盐水入侵和淡水资源的影响

苏爱平 吕行行 吴宇帆

摘要：南水北调工程为跨流域调水工程，其对于长江口淡水资源变迁的影响是当今研究热点之一，本文应用三维数学模型，研究南水北调东线和中线工程短期和远期调水方案对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响，结果表明，在2月中下旬一个大小潮周期中，东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库取水口盐度大于0.45的不宜取水时间分别为7.74、3.08和2.72d，同时，在东线和中线工程短期调水1000m³/s情况下，长江河口盐水入侵加剧，尤其在北港、北槽和南槽拦门沙区域及其北支上段盐度上升最为明显，出现了量值超过0.5的大面积区域，南支淡水区域减小，在2月中下旬一个大小潮周期中东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库不宜取水的时间分别增长了1.43、2.14和2.13d，在东线和中线工程远期调水1600m³/s情况下，整个河口盐度的上升更为明显，在北港、北槽和南槽拦门沙出现了盐度超过1的大范围区域，小范围区域盐度超过了1.5.南水淡水范围进一步减小，在2月中下旬一个大小潮周期中东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库不宜取水的时间分别增加了1.49、3.08和3.08d。

关键词：长江河口;南水北调工程：盐水入侵：淡水资源：数值模拟

中图分类号：P731.2文献标志码：A DOI：10.3969/j issn，1000-5641.201941031

0引言

河口是淡水和咸水交汇的区域，盐水入侵是河口的普遍现象，盐水入侵能产生河口环流，影响层结㈦，进而影响泥沙输运，形成河口最大浑浊带，河口盐水入侵主要取决于潮汐和径流，但也受河势、风应力和垂向混合的影响，长江是我国第一大河，河口盐水入侵受潮汐、径流量、河势和风应力等动力因子的综合作用，时空变化复杂，存在北支盐水倒灌进入南支的独特现象，北支下段喇叭口形状和上段超浅的地形，导致巨大的潮差和极低的径流分流比，是北支盐水倒灌的动力成因，大潮涨潮期间从北支进入南支的盐水，在落潮期间向南支下游输运扩散，影响南支水源地，是南支水源地盐水入侵的主要来源。

南水北调工程是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程，分别包括东线、中线、西线三条调水线，其中，东线工程从长江下游扬州抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，在20102030年内分为三期完成，第一期、第二期和第三期调水工程规模分别为500、600和800m³/S，中线工程主要供水目标为京津华北平原，近期引水规模约为500m³/s，远期为800m³/s。南水北调工程跨流域调水，势必造成长江人海径流量的减少，加剧河口盐水入侵，不利于水源地取水，

已有一些学者开展了南水北调工程对长江口盐水入侵的影响，沈焕庭等通过分析径流与实测站点盐度的相关关系，预估调水后南支南港盐水入侵距离增量，李燕通过统计1950^-2000年的长江大通站径流资料，计算南水北调东线工程各期调水量与径流量的比例，粗略估计调水的影响，黄惠明通过拟合不同站点盐度流量相关性曲线推算出临界大通流量，利用一维水流及二维水流、盐度数值模拟，分析长江口枯季中潮期间南水北调东线工程对其盐水入侵的影响，Xu等应用三维数值模式，模拟和研究了南水北调东线工程对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响，上述研究大部分集中于南水北调东线工程对长江河口盐水入侵的影响，且以单个测站实测盐度与径流量相关关系的统计方法为主，现阶段，模拟和分析南水北调东线和中线工程近期和远期调水对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响，还未进行过研究，为此，本文通过开展三维数值模拟，分析南水北调东线和中线工程近期和远期调水对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响。

1研究方法

1.1模型设置

三维模式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，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及北槽深水航道工程区域的网格进行了局部加密，垂向采用σ坐标，均匀分为10层，在模式干湿判别法中，临界水深取0.2m。

模式地形采用2010年的岸线及水深资料，外海开边界由潮位和余水位驱动，潮位考虑16个分潮（M2.s2.N2.K2.K1.O1.P1.Q1.u2.V2.T2.L2.2N2.J1.M1.O1），由各分潮調和常数合成给出，资料来源于NAOTIDE数据库（http：//WWW/miz，nao，ac，jp），上游开边界以通量形式给出，取大通水文站实测资料，其中每日实测资料用于模式验证，月平均资料用于模式控制实验和对比实验，模式初始水位场和流速场均取零，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，河口内由枯季或洪季多次实测资料插值得到，模式考虑海表面风应力的作用，模式验证中应用WeatherResearch Forecast Model（WRF模型）计算得到时间分辨率为6h的风场数据，WRF模型中的原始条件由National Centers for Environmental Prediction（NCEP）提供，控制实验和对比实验中的风场数据则由NCEP数据库多年半月平均风场资料给出，外海的盐度开边界条件由多年月平均的实测资料给出，模式每个计算时步线性插值边界盐度，再根据边界处水体流进和流出情况，最终由辐射边界条件确定边界盐度。

1.2模型验证

本文采用2018年3月919日在南槽实测资料进行验证（3个船只测站和3个浮标测站位置见图1），采用三个技术评价指标用来量化模式对流速和盐度的验证：相关系数（cc）、均方差（RMSE）和技术分数（ss），流速评价指标分数的总结见表1.盐度评价指标分数的总结见表2。

限于篇幅，仅给出船只测站B中潮后小潮期间和浮标观测站浮标2观测和模拟流速及盐度随时间变化（见图2和图3）。

1.3计算工况

为模拟和分析南水北调东线和中线工程跨流域引水对长江河口盐水入侵和淡水资源影响，设置3组计算工况，工况1：考虑常规状况下径流，取1950年以来1月和2月平均来水流量分别为11600m³/s和12300m。/s，工况2：考虑近期南水北调东线和中线工程，来水流量各减少500m³/s;工况3：考虑远期南水北调东线和中线工程，来水流量各减少800m³/s。

数值模拟时段为1月1日至2月28日，输出和分析2月下旬计算结果。

2结果与分析

2.1长江口盐水入侵特征

选取大潮和小潮期间3个完整潮周期内的盐度做算术平均，得出大潮和小潮期间盐度的平面和断面分布，在1、2月多年平均径流量情况下，整个北支都被高盐水占据，南支大部分区域为盐度小于0.45的淡水区域，北港、北槽和南槽口门处出现强烈的盐度锋面（见图4），除了北支外，在北港、北槽和南槽中盐水入侵最强的是南槽，其次是北槽，最弱的是北港，这与以往的研究结果是一致的，Wu等㈣给出了其动力机制，大潮期间（见图4左侧），北支上端南北支分汉口处盐度变化剧烈，盐度超过0.45盐水从北支进入南支，再现了北支盐水倒灌现象，底层比表层明显，东风西沙水库取水口处盐度大于0.45.不宜取水;陈行水库和青草沙水库取水口处盐度小于0.45.能取到淡水，北港北侧崇明东滩外侧海域，出现盐度较低的冲淡水向东北口扩展，导致北支口门处出现低盐水舌，小潮期间（见图4右侧），北支上段等值线退回北支，盐度下降，北支倒灌现象消失，大潮期间北支倒灌进入南支的盐水，在径流作用下在下游输运，南门以下沿崇明岛南岸出现盐度大于0.45的区域，东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库能取到淡水，青草沙水库取水口盐度略小于0.45.随着潮汐的减弱，北港、北槽和南槽表层等盐度线向海移动，盐水入侵减弱，但底层向陆移动，显示出盐水楔现象。

沿北支纵向断面P1（见图5a和5b），大潮期间最上端盐度为2.大部分区域盐度在5-15之间，在距起点30～80km区域盐度大于25.在80km下游中低层盐度大于25.但表层小于25.这是由于大潮期间北港冲淡水扩展到北支口门处造成的（见图4a和4c），小潮期间，北支上段盐度显著减小，出现盐度小于2的区域，北支下段盐度上升，盐度小于25的区域消失，110km处出现了盐度大于30的现象，沿南支北港断面P2（见图5c和5d），大潮期间南支崇头附近盐度大于0.45.在10km以西底层盐度大于1.在20.05～73km之间，出现盐度小于0.45的淡水区域，73km以东盐度逐渐增大，在110km处大于15.在80～110km拦门沙区域，大潮期间强烈的潮混合导致盐度垂向混合强、盐度分布较均匀，在小潮期间，在22.0km以西盐度小于0.45.上段没有盐度大于0.45的北支倒灌现象，在22.0km以东盐度大于0.45.原因与盐度平面分布中说明一样，在80～110km拦门沙处，潮混合较弱导致盐度垂向分层显著，盐水楔明显，沿南支南港南槽断面P3（见图5e和5f），大潮期间57km以西盐度小于0.45.拦门沙处盐度在5^-20之间，垂向混合较为均匀，小潮期间，0.45等值线略有上移，位于55km处，表明南港盐水入侵小潮期间强于大潮期间，原因在于下游南槽小潮期间强烈的盐水楔上溯造成的，底层等盐度线5上溯了12km。

青草沙水库取水口水位，以及东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库3个取水口表层盐度随时间的变化见图6.东风西沙水库位于南北支分汉口下游较近地方，盐度大于0.45时段发生在大潮和大潮后中潮期间，盐水源自北支盐水倒灌，盐度最大值约为1.7.在2月中下旬一个大小潮周期中盐度大于0.45的时间为7.74d，陈行水库位于南支中段南岸，盐水也源自北支盐水倒灌，受长江上游淡水的稀释，盐度峰值约为0.6.小于东风西沙水库取水口盐度峰值，时间上滞后2-3d，盐度半日变化远没有东风西沙水库处明显，在2月中下旬的一个大小潮周期中，盐度超标的时间为3.08d，在青草沙水库取水口，盐度超标出现在大潮后中潮期间，时间较短，在2月中下旬一个大小潮周期内大部分时间为盐度小于0.45的淡水，盐度超标的时间为2.72d。2.2南水北调东线和中线工程近期调水对盐水入侵和淡水资源的影响

径流量的减小，会导致河口盐水入侵的加强，南水北调东线和中线工程短期调水方案，径流量共减小1000m³/s，长江河口盐水入侵加剧，尤其在北港、北槽和南槽拦门沙区域，以及其北支上段盐度上升最为明显，出现了量值超过0.5的较大区域（见图7），大潮期间，北港拦门沙区域盐度上升量值比小潮期间大，但在北槽和南槽外侧，小潮期间盐度上升0.5的范围比大潮期间大。

相比于工况1.沿北支纵向断面P1（见图8a和8b），大潮期间最上端等盐度线1几乎消失，小潮期间北支上段盐度小于1和2的区域变小，沿南支北港断面P2f见图8c和8d），大潮期间南支崇头附近底层盐度大于1的范围变大，在22.0～69.95km之间盐度小于0.45.淡水区域比数值试验1减小了5.0km，小潮期间，盐度等值线位于20.0km处，淡水范围减小了2.0km，沿南支南港南槽斷面P3（见图8e和8f），大潮期间53.0km以西盐度小于0.45.淡水范围减小了4.0km，小潮期间，0.45等值线位于42km处，上移了13km，随着径流量的减小，北支倒灌增强，南支淡水区域减小，拦门沙区域等盐度线向上游移动，外海盐水入侵加剧。

东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库3个取水口，表层盐度随径流量减小明显上升（见图6），在东风西沙水库取水口，在2月中下旬一个大小潮周期中盐度大于0.45的时间为9.17d，在陈行水库取水口，在一个大小潮周期中盐度超标的时间为5.22d，在青草沙水库取水口，在2月中下旬一个大小潮周期内盐度超标的时间为4.85d，可见，随着径流量的减小，水源地不宜取水的时间增长了。

2.3南水北调东线和中线工程远期调水对盐水入侵和淡水资源的影响

南水北调东线和中线工程远期调水方案，来水流量共减小1600m³/s，长江河口盐水入侵加剧更趋严重（见图9），相比于工况2.整个河口盐度的上升更为明显，在北港、北槽和南槽拦门沙出现了盐度超过1的大范围区域，小范围区域盐度超过了1.5。

相比于数值试验1.沿北支纵向断面P1（见图10a和10b），北支上端的盐度在上升，沿南支北港断面P2（见图10c和10d），大潮期间在22.5～67.0km之间盐度小于0.45.淡水区域比数值试验1减小了8.35km，小潮期间，盐度等值线位于18.0km处，淡水范围减小了4.0km，沿南支南港南槽断面P3（见图10e和10f），大潮期间50.0km以西盐度小于0.45.淡水范围减小了7.0km，小潮期间，0.45等值线位于38km处，上移了17km，随着径流量的进一步减小，南支淡水范围更趋于缩小，盐水入侵更为严重。

东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库3个取水口，表层鹽度随径流量减小明显上升（见图6），在东风西沙水库取水口，在2月中下旬一个大小潮周期中盐度大于0.45的时间为9.23d，在陈行水库取水口，在一个大小潮周期中盐度超标的时间为6.16d，在青草沙水库取水口，在2月中下旬一个大小潮周期内盐度超标的时间为5.80d，可见，随着南水北调工程远期调水方案的实施，径流量进一步减小，水源地不宜取水的时间相对更长。

3结论

本文建立了长江口盐水入侵三维数值模型，并采用2018年3月南槽3个船只测站和3个浮标测站流速和盐度资料进行了验证，水流和盐度的相关系数（cc）、均方差（RMSE）和技术分数（ss）分别达0.77、0.23m/8、0.86和0.83、1.60、0.90.表明模型能够反映长江口盐水入侵的基本过程，据此，就南水北调近期及远期调水工程对枯季12月期间长江口盐水入侵的影响进行了研究，结论如下：

（1）在1、2月多年平均径流量情况下，沿南支北港断面，南支出现盐度低于0.45的淡水区域，大潮期间范围为52.95km，小潮期间在22.0km以西盐度小于0.45.沿南支南港南槽断面，大潮期间57km以西盐度小于0.45.小潮期间0.45等值线略有上移，位于55km处，表明南港盐水入侵小潮期间强于大潮期间，这是由于下游南槽小潮期间强烈的盐水楔上溯造成的，在2月中下旬一个大小潮周期中，东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库取水口不宜取水的时间分别为7.74、3.08和2.72d，

（2）在东线和中线工程近期调水1000m³/s的情况下，长江河口盐水入侵加剧，尤其在北港、北槽和南槽拦门沙区域及其北支上段盐度上升最为明显，出现了量值超过0.5的大面积区域，相比于未调水前（工况1），沿南支北港断面，大潮期间淡水区域减小了5.0km，小潮期间淡水范围减小了2.0km，沿南支南港南槽断面，大潮期间淡水范围减小了4.0km，小潮期间淡水范围减小了13km，随着径流量的减小，北支倒灌增强，南支淡水区域减小，拦门沙区域等盐度线向上游移动，外海盐水入侵加剧，在2月中下旬一个大小潮周期中东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库不宜取水的时间分别为9.17、5.22和4.85d，随着径流量的减小，水源地不宜取水的时间有所增长。

（3）在东线和中线工程远期调水1600m。/s的情况下，长江河口盐水入侵更趋于严重，相比于近期调水方案（工况2），整个河口盐度的上升更为明显，在北港、北槽和南槽拦门沙出现了盐度超过1的大范围区域，小范围区域盐度超过了1.5.相比于未调水前（工况1），沿南支北港断面大潮期间，淡水区域减小了8.35km，小潮期间淡水范围减小了4.0km，沿南支南港南槽断面，大潮期间淡水范围减小了7.0km，小潮期间淡水范围减小了17km，随着径流量的进一步减小，南支淡水范围更趋于缩小，盐水入侵更为严重，在2月中下旬一个大小潮周期中东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库不宜取水的时间分别为9.23、6.16和5.80d，随着径流量的进一步减小，水源地不宜取水的时间更长。