2007-2016年北支河势变化对长江口盐水入侵影响数值研究

李志鹏 朱建荣

关键词：长江河口;北支;河势变化;盐水入侵;数值模拟

0引言

长江河口自徐六泾以下，形成了“三级分汊，四口入海”的河势格局.崇明岛将长江口分割成北支与南支两条入海通道.北支是长江入海口的一级汊道，平面形态呈上窄下宽的喇叭状，西起南北支分汊口，东至下游入海口连兴港，全长约84km，北支上口河宽2.5km，连兴港处河宽约11.5km[1].北支上口与南支河道几乎垂直，致使北支分流比不到5%.极低的分流比以及喇叭形状的河势使得北支潮汐作用显著增强，在枯季大、中潮期间，外海高盐水会随北支涨潮流上溯，并倒灌进入南支，形成长江河口独特的盐水倒灌现象[2].许多学者分析研究了北支盐水倒灌输送机制，普遍认为是由地形、径流和潮汐三方面因素共同作用造成的[2-5].

北支的河口形态使得流入的长江径流量在枯季低于总量的5%，而北支的进潮量约占长江口总进潮量的25%[3]，所以，枯季随潮流上溯至北支上段的盐度仍然很高.由于南、北支不同的地形和潮波运动形式导致北支上段和南支河段出现水位差[4]，在枯季大潮期间，当北支涨潮水位比南支高时，北支高盐水以盐水团的形式向南支倒灌，倒灌的盐水团随南支涨落潮流上下震荡，并在径流的作用下向下游扩散，影响上海市水源地水库取水[5]（位置见图1）.吴辉等[6]利用数值模拟结果采用通量机制分析的方法对北支倒灌盐水的输送机制进行了研究，发现Lagrange余流输送和潮泵输送在倒灌盐水输送中起主导作用，并给出了倒灌的盐水输送的主要路径：大部分高盐水团随落潮流通过白茆沙北水道下泄，少部分漫过白茆沙体进入白茆沙南水道，然后汇合至七丫口附近分成两股，少部分沿崇明南岸进入新桥水道，大部分随主流向下先影响陈行水库，进而影响青草沙水库.

大量观测和研究表明，河势变化是盐水倒灌的重要因子，河势是指河口形状、岸线和水深分布.沈焕庭等[2]指出长江口河势演变改变了水流的流路和汊道的分流比，从而影响盐水入侵.1959年开始在北支发现了水、沙、盐倒灌入南支的现象.之后北支河槽处于淤积萎缩过程，倒灌现象加重，在20世纪70年代达到顶峰.此后随着北支河势变化盐水倒灌逐渐减弱，2007年以来尤其是2012年实施新村沙围垦工程导致中段灵旬港—三和港间河道急剧缩窄至不足2km、中下段淤积严重，河槽容积减少导致盐水倒灌大幅减弱.根据乔红杰等[7]实测水文资料统计表明，2015年以后盐水倒灌已经非常微弱，小潮期间北支上端盐度未超过0.45.南支上段白茆沙形态近些年变化也较为显著，在2016年白茆沙整治工程完成后白茆沙沙体头部淤积、尾部冲刷，逐渐转变为椭圆形沙体形态.其中南水道为主汊，水道顺直，与下游主槽平顺连接，且涨落潮流路基本一致，水道以冲刷为主，北水道为支汊，受北支水沙倒灌影响则趋于淤积萎缩.丁磊等[8]通过2013年12月和2014年2月对长江口南北支分汊口进行全潮同步水文测验得出：倒灌的盐水主要影响白茆沙北水道，北水道盐度会因北支倒灌的盐水在落潮中后期发生突增，在枯季条件下一般沿白茆沙北水道的南侧下泄，南水道仅在潮差较大时会受到较小的影响.

北支河势变化导致水动力发生变化是造成盐水倒灌的直接原因.近些年已有众多学者开展了北支河势变化对水动力和盐水倒灌的影响研究，获得了较多有价值的成果.宋泽坤等[9]通过数值模拟分析长江口北支围垦工程对水动力环境的影响，认为1981—2004年大规模围垦后，北支全河段高、低潮位普遍抬高，启东港以上河段涨、落潮动力均增强，以下河段涨、落潮动力减弱，其后果是北支盐水倒灌进入南支的风险提高，盐水倒灌增强.陈泾等[10]通过数值模拟分析了北支新村沙围垦工程对盐水入侵的影响，认为新村沙南水道封堵后，过水断面缩窄，减弱了北支倒灌.但是关于南北支分汊口新生沙体和北支中下段淤积对附近水动力及盐水倒灌的影响研究却鲜有涉及，本文以北支2007年和2016年实测水深资料为基础，分析近10年间北支河势变化情况，并应用ECOM-si（Estuarine，CoastalandOceanModel（semi-implicit））数值模型模拟分析2007—2016年南北支分汊口新生沙体和北支下段淤积对北支潮位、潮差和盐水入侵的影响.

12007—2016年北支河势演变

1.1 河床冲淤变化

图2为2007—2016年长江口北支冲淤分布，总体上北支冲淤演变趋势以淤积为主，局部表现为冲刷.北支河道上段在岸堤的束缚下河势变化稳定，其中南北支分汊口内侧至三和港河段主槽为主要冲刷区域，主槽加深使得过流条件改善.南、北支属于潮汐分汊河口，在双向水流的作用下分汊口存在水沙交换，南北支两股涨潮水流汇流顶托时能量损失，使得泥沙落淤在南北支分汊口形成舌状堆积体，形似巨大的潜式丁坝，本文称之为新生沙体.2007年7月28日和2016年1月26日卫星遥感图片充分展示了南北支分汊口河势变化情况（图3），在这10年中新生沙体发展迅速.根据2007年、2016年实测水深数据可知新生沙体淤积厚度达4～6m.北支中下段三和港至连兴港河段表现为淤积为主，总体上河床抬升，其中下段南侧淤积严重，局部淤积幅度达4～6m.造成这一变化的主要原因是北支为涨潮流控制河口，在地转科式力影响下，涨潮流侵蚀北岸，而将上游带来的泥沙淤积在南岸，使得南岸淤积.在这10年中，人工圈围、促淤工程也大多集中在南岸[11]，尤其2012年实施的新村沙围垦和南水道的封堵，缩窄了近一半北支中段过水断面，加速了北支下段崇明島一侧的萎缩淤浅.

1.2 河槽容积、深泓线沿程变化

基于autoCAD二次开发南方cass9.0软件，将实测的2007年、2016年水深数据采用克里金插值生成数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM），计算0m水深以下（85黄海基面，下同）北支各段河槽容积（表1）.河槽容积是选定区域面积和水深的乘积.将北支划分为上段、中段和下段，如图2所示.在北支上段（包括新生沙体），河槽容积增加4.4%;中段虽然因新村沙围垦工程导致河道缩窄一半，但是河道水深变深，整体容积减少8.8%;下段南岸淤积严重导致河道容积减少20.5%，河槽容积减少会导致北支下段进潮量减少.

根据2007年、2016年北支实测水深，统计北支河道深泓线水深及其变化（表2），并绘制长江口北支深泓线水深剖面图（图4）.从深泓线水深沿程变化可知，北支上段深泓线由海门港改道至崇头，导致深泓线水深由15.8m减至5.8m，减弱了河道过流条件，不利于径流进入北支.北支上段至三和港河槽深泓线近10年整体加深，其中灵旬港至三和港河段在新村沙围垦工程下河床主槽冲刷严重，深泓线水深变化较大，加深幅度达4m，改善了北支涨潮流过流条件，增强了北支涨潮流上溯动力.下段启东港至连兴港由于河床淤积，深泓线水深变浅明显，最大值达2m.从表2可见，2007—2016年北支上段深泓线平均水深增加1.80m，中段增加2.87m，下段减少0.77m.

2研究方法

2.1 数值模式设置和验证

基于上述2007—2016年北支河势演变特征，数值模拟和分析南北支分汊口新形成的沙体以及中下段淤积造成的河势变化对北支盐水入侵的影响.

采用笔者课题组长期改进和应用的三维数值模式ECOM-si，该模式在长江口水动力过程和盐水入侵等方面的研究中得到了广泛的应用，取得了大量研究成果[6，10，12-17].图5为模式计算区域和网格，上游开边界设置在大通水文站.在南北支分汊口网格拟合岸线和局部加密.北支盐水倒灌主要发生在枯季，枯季代表性月份为1月和2月，数值模拟选择多年1—2月大通水文站月平均径流，风场取NCEP（NationalCentersforEnvironmentalPrediction）多年半月平均风场作为模型边界条件驱动模式，外海开边界由潮位和余水位驱动，潮位由16个主要分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MU2、NU2、T2、L2、2N2、J1、M1及OO1的调和常数合成得到，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.模拟时间为1月1日至2月28日.

2.2 数值试验

2007—2016年北支河势在自然、人工因素影响下变化显著（图2），东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库分布在南支不同区域（图1），为上海主要水源地.其中东风西沙水库、陈行水库盐水入侵完全受北支倒灌影响，青草沙水库主要受来自北支盐水倒灌影响，也受北港外盐水入侵[17]影响.

以2016年北支水深为数值试验本底水深，其中包含南北支分汊口新生沙体和北支下段的淤积引起的较浅水深.在此基础上，分别用2007年南北支分汊口水深和北支下段的水深替代2016年的水深（图2绿色区域），模拟和对比分析南北支分汊口新生沙体和北支下段淤积对北支盐水入侵的影响.模式的各个数值试验中风场、径流设置一致.

在南北支分汊口布设sec1、sec2断面（图1），分析新生沙体对南北支水通量、分流比的影响.在北支下段三和港、启东港、连兴港布设sec3、sec4、sec5（图1）3条断面，分析下段淤积对北支涨落潮水通量的影响.

3结果与分析

3.1 新生沙体对南北支分汊口水通量和流场的影响

表3所示为经过南支上段横断面sect2和北支上段横断面sec1大潮、小潮和全潮期间净水通量和分流比.由表3可见，大潮期间新生沙体导致北支倒灌量增加15.0%，分流比由–2.8%上升至–3.2%;小潮期间南支径流进入北支减少1.2%，分流比无变化;一个大小潮周期内盐水倒灌量增加24.9%，分流比由–1.0%上升至–1.2%.新生沙体增加了大潮及大潮后中潮期间北支进入南支的水通量，而在小潮期间沙体阻水作用较弱，新生沙体形成前后水通量几乎无变化.从整个大小潮周期倒灌水通量变化来看，新生沙体明显增强了北支盐水倒灌.

新生沙体形成前后南北支分汊口附近涨落急时刻（参考点为崇头）流场分布见图6和图7.大潮期间，南北支涨潮流汇潮点位于青龙港附近，沙体的形成对分汊口处流速减弱作用明显，阻碍了大潮南支涨潮流进入北支和落潮时落潮流进入北支.小潮期间，涨潮流南北支汇流点位于分汊口，新生沙体也阻碍北支涨潮流进入南支和南支落潮流进入北支，但是北支河道相对南支河道较窄较浅且流速较小，新生沙体对小潮期间南、北支分汊口处流场影响较小.

3.2 新生沙体临界水深确定

从南北支分汊口有无新生沙体的模拟结果来看，有新生沙体相比于无新生沙体北支净倒灌南支的水通量和分流比增大，与一般认为新生沙体阻碍北支倒灌水量的感知不一致.新生沙体在阻碍涨潮期间北支水体越滩进入南支的同时，也在阻碍落潮期间南支水体进入北支，尤其是阻碍大小潮期间径流进入北支.总体上后者的作用超过了前者.但如果新生沙体继续淤积增高，若把北支分汊口阻断，那么就不存在北支盐水倒灌的现象了.因此，这里存在着新生沙体的临界水深，即再淤积到多浅，北支盐水倒灌不再增加，若继续淤浅北支盐水倒灌将减小.本节将通过数值试验找出新生沙体的临界水深.

以2016年实测北支水深为基础，调浅新生沙体处水深，数值试验和计算给出断面水通量和水源地取水口的盐度变化过程.表4为新生沙体不同淤浅下大潮、小潮和全潮期间通过断面sec2净水通量.由表4可见，新生沙体再淤浅0.6m，大潮期间北支倒灌净水通量为419.26m3/s，随着继续淤浅到0.7m、0.8m、0.9m和1.0m时，倒灌净水通量繼续增加，淤浅到1.0m时为423.05m3/s，达到最大值.若继续淤浅到1.1m，倒灌水通量将下降.小潮期间，随着淤浅继续，北支倒灌净水通量几乎不变，量值在227.2m3/s上下发生微小变化.从全潮净水通量来看，均呈现北支倒灌的现象，新生沙体淤积至0.8m后北支倒灌水通量不再增加.取不同淤浅数值试验东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库取水口表层盐度变化，分辨相对比较明显的时段（图8），可见在新生沙体淤积0.9m左右时东风西沙、陈行等水库取水口盐度不再增加.取水口盐度变化代表定点的盐度变化，断面水通量是跨河道横断面的潮周期平均的量值.综合考虑，得出–0.85m为新生沙体继续淤积导致盐水倒灌量不再增加的临界值.

3.3 北支下段淤积对涨落潮量、沿程潮差变化的影响

2007—2016年北支下段淤积严重，经计算，下段河道0m等深线以下容积减少了20.5%，通过布设sec3（三和港）、sec4（启东港）、sec5（连兴港）3条断面分析淤积前后北支进潮量变化情况.长江口潮汐为非正规半日潮，日不等现象较为明显，选取两个潮周期取平均值，统计大小潮涨落潮量，涨落潮量见表5和表6.北支下段淤积导致连兴港断面大潮涨潮量减少15.2%，落潮量减少16.4%;小潮涨潮量减少21.2%，落潮量减少19.0%.随着潮流上溯，整个淤积河段涨落潮量减少量都有不同程度的下降.三和港大潮涨落潮量分别减少了7.3%、9.7%，启东港分别减少了9.9%、11.2%;三和港小潮涨落潮量分别减少了7.1%、6.2%，启东港分别减少了10.2%、8.2%.越靠上游涨落潮量的变化量越小.

淤积前后大小潮期间北支沿程高潮位、低潮位、潮差及其变化见表7、表8.总体来说，淤积后大潮期间高潮位均有所下降，低潮位有所抬升.其中河段淤积最严重的启东港、三条港潮位变化最显著，高潮位分别下降了0.16m、0.17m，低潮位均抬升了0.21m，潮差分别减少0.37m、0.38m.最下游的连兴港由于靠近北支口，高低潮位变化较小;其他站点越往上游潮差变化越小，青龙港高潮位几乎无变化，潮差减少0.07m.小潮期间淤积前后沿程潮位变化均不大.北支下段淤积主要造成大小潮期间进潮量减少、大潮潮差减小、潮动力减弱，导致北支盐水入侵减弱.

3.4 北支河势变化对南支水源地取水口盐度的影响

本章节给出北支不同河势特征下南支水源地取水口盐度随时间的变化情况，以及不同潮型期间平均盐度分布和变化情况，分析2007—2016年北支河势变化下北支盐水倒灌对水源地的影响.

2007—2016年在北支下段普遍淤积，中段新村沙围垦缩窄过水断面以及南北支分汊口深泓线改道至崇头一侧等河势变化的影响下，3个水库取水口盐度普遍降低（图9）.在大潮、大潮后中潮期间，东风西沙水库取水口平均盐度分别降低了0.41、0.21，陈行水库取水口分别降低了0.34、0.18，青草沙水库取水口分别降低了0.28、0.17（表9）.3个取水口盐度普遍降低表明这10年间河势变化导致盐水倒灌明显减弱，这与乔红杰等[7]根据近些年北支水文观测数据得出的分析结果相一致.

南北支分汊口形成的新生沙体使得3个水库取水口盐度增加.与无新生沙体时相比，在盐水倒灌严重的大潮、大潮后中潮期间东风西沙水库取水口平均盐度分别增加了0.14、0.15，陈行水库取水口分别增加了0.12、0.11，青草沙水库取水口分别增加了0.11、0.09.这表明，2016年形成的新生沙体对北支盐水倒灌有着明显的增强作用，与前面得出的新生沙体增加了北支水体倒灌的结论是一致的.

北支下段淤积导致北支中下段纳潮量明显减少，南支3个水库取水口盐度普遍降低.与淤积前相比，在大潮、大潮后中潮期间东风西沙水库取水口平均盐度分别降低了0.11、0.02，陈行水库取水口分别降低了0.13、0.06，青草沙水库取水口分别降低了0.09、0.05.这表明，2007年以来下段淤积减弱了北支盐水倒灌.

3.5 盐度场分布及其变化

选取大小潮期间的3个完整潮周期，计算潮周期平均表底层盐度平面场和河势变化导致的盐度差值分布（图10、图11）.在1月、2月多年平均径流情况下，整个北支被高盐水占据，南支大部分区域出现盐度小于0.45的淡水区域.大潮期间南北支分汊口盐度变化剧烈，盐水倒灌底层比表层强.2016年河势下南支各水源地取水口盐度均较低，只有东风西沙水库取水口盐度超过了0.45，北支盐水倒灌大幅减弱.

从2007—2016年河势变化导致的盐度差值变化来看，整个北支盐度差值较大，北支上段盐度下降达2～3，下段盐度下降达1～2.南支盐度差值变化整体较小，大小潮有明显差异.大潮期间，东风西沙水库口附近盐度差值达0.3，陈行水库附近达0.2;小潮期间，东风西沙水库附近达0.1，陈行水库、青草沙水库附近均小于0.1.

南北支分汊口新生沙体形成前后大小潮期间平均盐度变化如图12.沙体形成后整个南北支盐度均有不同程度的增加.北支启东港至上段口门处盐度增加最多，最大增幅达到3.0，启东港以下增幅逐渐降低，到连兴港处盐度差值几乎为0.南支从分汊口处盐度增加0.4，往下增幅逐渐下降.大潮期间0.1差值等值线位于陈行水库附近，陈行水库以下盐度差值变化均小于0.1.小潮期间0.1差值等值线位于东风西沙水库附近，东风西沙水库以下增加幅度逐渐增大，青草沙水库附近增幅达0.3.

北支中下段淤积前后大小潮期间平均盐度变化如图13.淤积后整个南北支盐度均有不同程度的下降.其中北支盐度下降最多，连兴港至南北支分汊口盐度下降幅度达1～3，北支上段盐度下降最大.南支在分汊口处盐度下降幅度较大，约0.2，往下盐度差值均小于0.1.

4结论

本文基于长江河口北支2007年和2016年实测水深资料，分析这10年间北支河势变化，并数值模拟和分析北支河势变化对水动力和盐水入侵的影响.

总体上2007—2016年北支河势演变以淤积为主，局部表现为冲刷.在南北支分汊口出现新生沙体，淤积厚度达4～6m.南北支分汊口内侧至三和港河段主槽冲刷，中下段三和港至连兴港河段以淤积为主，下段南侧淤积严重，局部淤积幅度达4～6m.河槽容积北支上段增加4.4%，中段减少8.8%，下段减少20.5%.2007—2016年深泓线平均水深北支上段增加1.80m，中段增加2.87m，下段減少0.77m.

数值模拟结果表明，新生沙体导致大潮期间北支倒灌量增加15.0%，分流比由–2.8%变化至–3.2%;新生沙体也导致大小潮周期内盐水倒灌量增加24.9%，分流比由–1.0%变化至–1.2%;新生沙体明显增强了北支盐水倒灌.数值试验结果得出新生沙体若继续淤浅至0.85m，北支盐水倒灌量将不再增加.新生沙体导致整个南北支盐度均有不同程度的增加，在北支启东港至上段盐度增加最为明显，最大值达到3.0.南支3个水库取水口盐度增加，在大潮、大潮后中潮期间，东风西沙水库取水口平均盐度分别增加了0.14、0.15，陈行水库取水口分别增加了0.12、0.11，青草沙水库取水口分别增加了0.11、0.09.

2007—2016年北支下段淤积导致了：连兴港断面大潮涨落潮量分别减少15.2%和16.4%，小潮涨落潮量分别减少21.2%和19.0%;三和港断面大潮涨落潮量分别减少7.3%和9.7%，小潮涨落潮量分别减少7.1%和6.2%;启东港大潮涨落潮量分别减少9.9%和11.2%，小潮涨落潮量分别减少10.2%和8.2%.越靠上游，涨落潮量减少呈下降趋势.北支下段淤积后，北支大潮期间高潮位均有所下降，低潮位有所抬升.其中，河段淤积最严重的启东港、三条港潮位变化最为显著，高潮位分别下降0.16、0.17m，低潮位均抬升0.21m，潮差分别减少0.37m、0.38m.小潮期间沿程潮差变化不大.北支下段淤积导致北支中下段纳潮量明显减少，北支盐水倒灌减弱.连兴港至南北支分汊口盐度下降幅度达1～3.南支3个水库取水口盐度普遍降低，在大潮、大潮后中潮期间，东风西沙水库取水口平均盐度分别降低了0.11、0.02，陈行水库取水口分别降低了0.13、0.06，青草沙水库取水口分别降低了0.09、0.05.

2007—2016年北支河势变化总体上导致北支盐水倒灌明显减弱.整个北支盐度下降较大，在北支上段达到了2～3，在下段达到了1～2.南支3个水库取水口盐度普遍降低，在大潮、大潮后中潮期间，东风西沙水库取水口平均盐度分别降低了0.41、0.21，陈行水库取水口分别降低了0.34、0.18，青草沙水库取水口分别降低了0.28、0.17.