河口咸潮入侵研究進(jìn)展

黃洪城, 匡翠萍, 顧 杰, 陳 維, 冒小丹

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海200092; 2. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海201306)

河口地區(qū)是海洋與河流的交匯地帶, 擁有豐富的海洋資源, 交通便利, 是人類生活、生產(chǎn)、貿(mào)易活動(dòng)頻繁的場(chǎng)所。沿海及河口地區(qū)居住著全球三分之二的人口, 孕育了城市, 且其中很多發(fā)展成為重要的經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易、文化中心[1]。然而, 長(zhǎng)期以來, 河口地區(qū)飽受咸潮災(zāi)害侵襲, 包括荷蘭、德國、意大利、美國、中國在內(nèi)的很多國家, 每年均因河口地區(qū)咸潮入侵遭受巨大損失[2]。近年來, 人類對(duì)河口地區(qū)的改造、全球氣候變化引起的河流徑流改變, 特別是全球海平面的不斷上升, 都對(duì)河口地區(qū)的咸潮災(zāi)害造成了一定的影響, 不少河口地區(qū)的咸潮災(zāi)害有頻率增大、災(zāi)害加重的趨勢(shì)。因此, 咸潮入侵作為河口水環(huán)境中普遍存在的問題, 受到越來越多的關(guān)注, 不少學(xué)者都在進(jìn)行咸潮入侵的研究。

20世紀(jì)30年代, 美國的水道試驗(yàn)站(WES)和荷蘭Delft水工實(shí)驗(yàn)所就在咸潮研究上做了很多基礎(chǔ)工作, 而對(duì)河口或三角洲地區(qū)的咸潮研究則始于20世紀(jì)50年代左右, 美國潮汐力學(xué)委員會(huì)在1954年對(duì)哥倫比亞河口的咸潮及其現(xiàn)象首先進(jìn)行調(diào)查分析。國內(nèi)對(duì)河口咸潮的研究起步較晚, 始于20世紀(jì)60年代,到20世紀(jì)80年代才有較為系統(tǒng)的研究, 且研究區(qū)域集中在長(zhǎng)江口、珠江口等區(qū)域[3]。

本文歸納總結(jié)了河口咸潮入侵的研究方法、影響因素及其危害的分析研究, 闡述了與咸潮入侵相關(guān)的河口基本現(xiàn)象和過程。河口咸潮入侵的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過30多年的發(fā)展, 從最初的一維模型到后來的二維模型, 直至今天的三維模型, 不斷地豐富進(jìn)步。最后, 在總結(jié)目前研究的基礎(chǔ)上, 展望了河口咸潮入侵未來的研究方向。

1 河口咸潮入侵的研究方法

咸潮入侵研究的方法主要有 3種, 分別是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型模擬。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析是研究咸潮入侵的基本方法, 該方法主要是通過實(shí)地觀測(cè)獲得大量鹽度數(shù)據(jù), 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 得到一些咸潮入侵的時(shí)空變化規(guī)律, 并且可以分析徑流、潮汐等因素對(duì)咸潮入侵的影響?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)同時(shí)可應(yīng)用于物理模型和數(shù)值模擬的驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)雖然能夠獲得大量實(shí)測(cè)資料, 但其研究成果易受觀測(cè)資料的時(shí)間跨度、觀測(cè)站點(diǎn)布置、觀測(cè)指標(biāo)個(gè)數(shù)等影響, 而且現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)還受測(cè)量準(zhǔn)確性等人為因素和天氣等自然因素的影響。

1.2 物理模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)主要是通過建立研究區(qū)域的物理模型, 設(shè)計(jì)不同的河口水文情況、工況來研究河口咸潮入侵, 分析鹽度的擴(kuò)散機(jī)理及其與河口水環(huán)境、泥沙輸運(yùn)等的關(guān)系。

然而, 該方法作為一個(gè)模型試驗(yàn)方法, 對(duì)于地形地貌復(fù)雜的大河口以及具體的工程, 往往需要進(jìn)行模型概化, 導(dǎo)致物理模型與實(shí)際河口地形地貌存在一定偏差。同時(shí), 物理模型研究咸潮入侵過程中的咸水處理工藝、咸水混合、咸界控制等也存在一定困難, 且鹽水是一種強(qiáng)電解質(zhì), 易對(duì)試驗(yàn)儀器造成腐蝕, 增加了咸潮入侵物理模型試驗(yàn)的成本。

1.3 數(shù)學(xué)模型模擬

數(shù)學(xué)模型模擬方法是目前研究咸潮入侵最為普遍的方法, 該方法從鹽度守恒方程出發(fā), 結(jié)合水動(dòng)力的變化, 分析不同水文條件下的咸潮入侵情況。咸潮入侵的數(shù)值模擬方法包括一維、二維和三維的數(shù)值模擬, 其中二維咸潮入侵?jǐn)?shù)值模擬又可以分為平面二維數(shù)值模擬和垂向二維數(shù)值模擬[1,4-5]。

利用數(shù)值模擬方法研究河口咸潮入侵, 可以直觀地展現(xiàn)出河口鹽度的時(shí)空變化過程, 揭示水文條件變化后河口系統(tǒng)的響應(yīng); 采用單因子敏感性試驗(yàn),能夠清楚地了解不同動(dòng)力因子對(duì)河口咸潮入侵的影響; 而分析數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果, 可以進(jìn)一步研究河口咸潮入侵的機(jī)制[6]。

數(shù)值模擬研究河口咸潮入侵能夠很好地彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)易受觀測(cè)站點(diǎn)布置、測(cè)量精度、天氣影響及物理模型的高投入等不足, 這也是其成為目前主流研究方法的主要原因。

2 河口咸潮入侵相關(guān)的物理現(xiàn)象和過程

20 世紀(jì) 50 年代開始, 以 Pritchard[7-9]、Ippen[10]、Simmons[11]、Dyer[12]、Officer[13]等為代表, 對(duì)與咸潮入侵相關(guān)的基本河口現(xiàn)象和過程, 主要包括: 咸潮入侵長(zhǎng)度、河口的混合過程、河口咸淡水混合類型、河口密度環(huán)流、河口環(huán)流與最大渾濁帶的關(guān)系等, 進(jìn)行了富有開創(chuàng)性和奠基性的研究探索。Simmons[11]將一個(gè)潮周期內(nèi)流入河口的徑流量與潮流量之比定義為混合模數(shù)M, 來判別咸淡水混合的類型。Hansen等[14]根據(jù)實(shí)測(cè)鹽度和流速, 將河口分為 4大類: 充分混合型(余流單一向海)、部分分層型(底部余流出現(xiàn)向陸)、鹽水楔類型(具有明顯的重力環(huán)流結(jié)構(gòu))、高度分層但無明顯重力環(huán)流結(jié)構(gòu)型。Wolanski等[15]通過二維數(shù)學(xué)模型證明 Fly河口最大渾濁帶的形成與潮泵作用、床面侵蝕和沉積過程、密度流、沉降速度等因素有關(guān)。

國內(nèi)對(duì)河口咸潮入侵的相關(guān)現(xiàn)象、過程研究主要集中在長(zhǎng)江口、珠江口等大河口。茅志昌等[16-17]依據(jù)實(shí)測(cè)資料, 對(duì)長(zhǎng)江口咸潮入侵鋒及潮汐分汊河口入侵類型等進(jìn)行了探討。張重樂等[18]利用實(shí)測(cè)資料討論了咸淡水混合及潮差、高潮位的關(guān)系。沈煥庭等[19]在對(duì)長(zhǎng)江口咸潮入侵進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上,編著了《長(zhǎng)江河口鹽水入侵》, 對(duì)長(zhǎng)江口咸淡水混合類型、咸潮入侵的來源以及鹽度的時(shí)空變化規(guī)律等作了全面、深入的探討。周濟(jì)福等[20]建立準(zhǔn)二維鹽度數(shù)學(xué)模型來研究長(zhǎng)江口混合過程, 得到鹽度分布、鹽度鋒強(qiáng)度隨徑流和潮差定量變化的規(guī)律。朱建榮等[21]研究了河口最大渾濁帶形成的動(dòng)力機(jī)制。應(yīng)秩甫等[22]研究珠江口伶仃洋的咸淡水混合時(shí)發(fā)現(xiàn), 伶仃洋橫向存在東咸西淡的鹽度梯度, 鹽度為 5的等鹽度線可侵入珠江口各口門。Mao等[23]基于1998年實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)伶仃洋東槽有明顯的密度環(huán)流。Dong等[24]研究分析了 1999～2000年實(shí)測(cè)資料, 發(fā)現(xiàn)伶仃洋東部存在明顯的重力環(huán)流, 枯季則一致向海。

3 河口咸潮入侵的影響因素

河口地區(qū)是河流與海洋的過渡地帶, 受到二者的雙重作用, 而入侵河口的咸潮又主要來源于海洋咸水, 因此, 徑流與潮汐是河口咸潮入侵的兩大主要影響因素。近年來, 全球海平面不斷上升, 海平面上升對(duì)河口咸潮入侵的影響逐漸變大。此外, 河口區(qū)域歷來是人類的聚居地, 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá), 愈來愈頻繁的人類活動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響不斷加大。風(fēng)也是影響河口咸潮入侵的重要因素。

3.1 徑流

徑流是影響河口咸潮入侵的一個(gè)重要因素, 它主要通過徑流量的大小、徑流的季節(jié)變化和徑流量變化幅度大小等影響河口的咸潮入侵[19]。朱建榮等[25]、胡松等[26]利用ECOM模式研究了徑流對(duì)河口咸潮入侵的影響, 發(fā)現(xiàn)徑流量增大后, 口門內(nèi)咸潮入侵減弱, 口外鹽度減小, 沖淡水?dāng)U展范圍增大?？梢? 徑流量直接影響河口的咸潮入侵, 但因?yàn)閺搅髋c海水的混合需要一定時(shí)間, 使得徑流量變化和鹽度變化通常不同步, 存在一定的時(shí)間滯后, 例如, 肖成猷等[27]在分析徑流對(duì)長(zhǎng)江口咸潮入侵影響時(shí)發(fā)現(xiàn), 長(zhǎng)江口咸潮入侵存在明顯的季節(jié)變化, 徑流量變化與鹽度變化的時(shí)間滯后在小徑流量情況下更加明顯。

3.2 潮汐和潮流

潮汐和潮流分別是天體引潮力引起的海面垂直方向的漲落和海水水平方向的流動(dòng), 是咸淡水混合的“動(dòng)力源”, 對(duì)咸潮入侵的影響是至關(guān)重要的。潮汐、潮流對(duì)咸潮入侵的影響包括: 潮流對(duì)咸潮的對(duì)流輸運(yùn)、潮汐引起的紊動(dòng)混合、潮汐與地形共同作用引起的“潮汐捕集”和“潮汐輸送”[28]。

3.3 風(fēng)

風(fēng)對(duì)咸潮入侵具有較大影響, 風(fēng)速、風(fēng)向不同,河口地區(qū)漲、落潮流的強(qiáng)度就不同, 對(duì)河口地區(qū)的咸潮入侵影響也就會(huì)有差異。不同的風(fēng)速和風(fēng)向作用下, 河口地區(qū)可以產(chǎn)生不同的水平環(huán)流[29], 所產(chǎn)生的水平環(huán)流, 可能對(duì)河口地區(qū)的咸潮入侵產(chǎn)生一定作用。例如, 朱建榮等[30]探討了風(fēng)應(yīng)力對(duì)長(zhǎng)江口沒冒沙淡水帶的影響, 得出枯季北風(fēng)產(chǎn)生向岸的?？寺斶\(yùn), 生成了北港流進(jìn)南港和南槽流出的水平風(fēng)生環(huán)流, 阻礙了南槽外海的咸潮入侵。通過建立珠江口三維水動(dòng)力模型, 匡翠萍等[31]研究風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο募竞涌诃h(huán)流和咸淡水混合的影響, 發(fā)現(xiàn)常南風(fēng)下河口產(chǎn)生強(qiáng)分層現(xiàn)象, 強(qiáng)西南風(fēng)則加強(qiáng)了河口表層的混合, 但河口仍處于弱分層狀態(tài), 而強(qiáng)東北風(fēng)使得香港水域鹽度大大增加, 水體形成強(qiáng)混合現(xiàn)象。

3.4 海平面上升

近年來, 全球變暖以及日益密集的人類活動(dòng)使得海平面持續(xù)上升, 這可能使得咸潮上溯的距離增加, 加劇河口的咸潮入侵災(zāi)害。Hong 等[32]利用三維水動(dòng)力—富營養(yǎng)化數(shù)學(xué)模型(HEM-3D)對(duì)美國的Chesapeake Bay的鹽度、咸潮入侵深度、鹽度分層進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)海平面上升后, Chesapeake Bay的平均鹽度、咸潮入侵深度等呈增加趨勢(shì)。Mohsen 等[33]利用2D-FED模型研究海平面上升對(duì)尼羅河三角洲的影響, 發(fā)現(xiàn)海平面上升50 cm將使尼羅河三角洲咸潮入侵距離增加9 km。Bhuiyan等[34]利用數(shù)學(xué)模型研究了海平面上升對(duì) Gorai河咸潮入侵的影響, 發(fā)現(xiàn)海平面上升59 cm后, 河口上游80 km處的鹽度增加了0.9。

據(jù)2011年中國海平面公報(bào)統(tǒng)計(jì), 1980年至2011年, 中國沿海海平面平均上升速率為 2.7 mm/a, 高于全球平均海平面上升速率 1.8 mm/a[35], 海平面上升對(duì)中國河口(珠江口、長(zhǎng)江口等)咸潮入侵的影響受到越來越多學(xué)者的關(guān)注?？滋m等[36]建立一維動(dòng)態(tài)潮流、含氯度數(shù)學(xué)模型, 計(jì)算了海平面上升對(duì)咸潮上溯的影響, 并對(duì)珠江口代表口門在海平面上升 10, 30和60 cm后的咸潮上溯距離進(jìn)行計(jì)算。

3.5 人類活動(dòng)

河口地區(qū)人類活動(dòng)頻繁, 修筑擋潮閘、大量采砂、建造導(dǎo)堤、開挖深水航道等, 均對(duì)河口咸潮入侵有很大影響。其中, 不少人類活動(dòng)會(huì)加劇河口的咸潮入侵, 如南水北調(diào)東線工程若按預(yù)期調(diào)水方案實(shí)施將加劇長(zhǎng)江口的咸潮入侵, 加大長(zhǎng)江口水庫取水口附近的鹽度[37]; 長(zhǎng)江口深水航道工程增大了長(zhǎng)江口南槽和北槽上段的鹽度[29]; 珠江口人工挖沙可能破壞東江咸、淡水的回蕩平衡[38]。還有一些人類活動(dòng)則會(huì)弱化河口的咸潮入侵, 如長(zhǎng)江口南北支整治工程能減少北支鹽水倒灌, 降低陳行水庫附近鹽度[39]; 三峽水庫修建后, 枯水期水庫下泄流量增加, 有利于緩解長(zhǎng)江口水源地的咸潮入侵[37]。也就是說, 人類活動(dòng)對(duì)河口咸潮入侵的影響不一定是負(fù)面的, 也有正面的影響。

河口地區(qū)因其地理位置優(yōu)越, 人類活動(dòng)在未來肯定會(huì)更加頻繁、劇烈, 對(duì)于河口咸潮入侵的影響將不斷擴(kuò)大。

4 河口咸潮入侵的危害及其相關(guān)研究

河口地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá), 人口眾多, 供應(yīng)充足的日常用水是維持河口地區(qū)正常生產(chǎn)生活的必要條件,同時(shí), 河口地區(qū)往往是大型港口所在地, 需要足夠的港口水深, 以滿足船只的正常通航。河口地區(qū)一旦遭遇咸潮入侵影響, 不僅日常用水得不到正常供應(yīng),咸潮入侵造成的泥沙絮凝淤積亦將妨礙港口的正常通航, 甚至造成航運(yùn)事故。

4.1 河口地區(qū)供水

中國《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[40]規(guī)定, 飲用水氯化物含氯應(yīng)小于 250 mg/L, 當(dāng)河口地區(qū)發(fā)生咸潮入侵, 導(dǎo)致河口水源地附近鹽度增大, 將威脅河口地區(qū)居民的生活飲水用水, 如 2007～2008年珠江口強(qiáng)咸潮事件影響了廣州地區(qū)和珠海各水廠的供水[41]、2004年珠江口持續(xù)了近5個(gè)月的海水倒灌影響了1 000多萬人的飲用水[42]等。

很多學(xué)者研究了咸潮入侵對(duì)河口地區(qū)供水的影響, 顧玉亮等[43]研究了北支咸潮入侵對(duì)長(zhǎng)江口水源地的影響; 余奕昌等[44]分析長(zhǎng)江口咸潮入侵途徑與規(guī)律, 進(jìn)而探討咸潮入侵對(duì)上海水資源的影響; 李勇等[45]分析了咸潮的成因與危害, 發(fā)現(xiàn)咸潮來臨時(shí)不僅帶來高濃度的氯化物, 同時(shí)也導(dǎo)致了下游污染物的上溯, 使得原水中其他水質(zhì)指標(biāo)上升; 鑒于咸潮入侵對(duì)河口地區(qū)供水的影響越來越大, 孔蘭等[42]對(duì)咸潮影響下磨刀門水道取淡時(shí)機(jī)進(jìn)行了研究, 提出了“最早取淡日”與“最后取淡日”等概念。

河口地區(qū)人口密集, 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá), 一旦遭遇咸潮入侵的影響, 必將對(duì)該地區(qū)居民生產(chǎn)生活用水產(chǎn)生強(qiáng)烈影響, 并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失, 因而河口地區(qū)咸潮入侵對(duì)供水的影響將會(huì)受到更多學(xué)者的關(guān)注。

4.2 泥沙絮凝淤積

河口地區(qū)往往是大型港口所在地, 要求能夠滿足良好的通航條件, 而咸潮入侵會(huì)促使細(xì)顆粒泥沙發(fā)生絮凝沉降, 進(jìn)而造成河口泥沙淤積, 改變河口水動(dòng)力, 影響河口通航。Meade[46]、Sholkovitz[47]和Kate[48-49]等研究發(fā)現(xiàn), 鹽水內(nèi)含有大量強(qiáng)電解質(zhì),使得細(xì)顆粒泥沙在鹽水中具有物理化學(xué)粘結(jié)力, 在水流內(nèi)相互碰撞后粘附在一起, 形成較大絮凝體,加速沉降。關(guān)許為等[50-51]通過室內(nèi)試驗(yàn)證實(shí), 當(dāng)鹽度小于5時(shí), 泥沙沉積速率隨鹽度增加而加快, 而當(dāng)鹽度大于5后, 沉積速度基本與鹽度變化無關(guān)。金鷹等[52]發(fā)現(xiàn), 在徑流與咸水混合初期, 咸水中高價(jià)陽離子的吸附與離子強(qiáng)度的增大, 細(xì)顆粒泥沙的電位突降,從而大大降低了雙電層間的排斥作用, 使細(xì)顆粒泥沙趨于不穩(wěn)定。陳慶強(qiáng)等[53]認(rèn)為鹽度在影響泥沙絮凝淤積的各個(gè)因子(鹽度、含沙量、水溫、有機(jī)質(zhì)等)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

關(guān)于河口泥沙絮凝淤積問題已進(jìn)行了大量研究,但缺少將河口泥沙絮凝淤積與實(shí)際咸潮入侵時(shí)空分布聯(lián)系起來的系統(tǒng)研究。

5 河口咸潮入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展

20世紀(jì)80年代, 咸潮入侵相關(guān)的數(shù)學(xué)模型開始發(fā)展。Savenije等[54-56]通過對(duì)大量河口咸潮入侵曲線的研究, 發(fā)展了一系列咸潮上溯模型, 用來模擬預(yù)測(cè)河口的咸潮。Gillibrand等[57]利用一維數(shù)學(xué)模型對(duì)Ythan河口的水位、鹽度及總氧氮進(jìn)行了模擬, 并將迎風(fēng)差分與中心差分相結(jié)合以模擬強(qiáng)潮流。Wolanski等[15]模擬研究 Fly河口的咸潮入侵情況, 探討了淺水效應(yīng)、潮波等對(duì)咸潮入侵的影響。Essink[58]采用MOCDENS3D模擬了北部Nether島嶼附近的淡水、鹽水的分布, 研究了其三維空間的咸潮入侵情況。Thain等[59]對(duì)部分混合型河口的咸潮上溯和潮汐入侵鋒進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

現(xiàn)今國際上使用較廣泛、發(fā)展較成熟的三維水動(dòng)力海洋數(shù)學(xué)模型主要有: POM模型[60]、ECOM模型[60]、ROMS模型[61]、TRIM 模型[62]等結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模式, 以及 FVCOM模型[63]、ELCIRC模型[64]、UNTRIM模型[65]等無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模式, 它們均可應(yīng)用于河口咸潮入侵的數(shù)值模擬研究。其中ECOM模式和FVCOM模式已在許多河口海岸地區(qū)得到廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證。還有一些可視化的商業(yè)軟件, 如Delft 3D和Mike等, 都能很好地模擬水流、咸潮入侵、泥沙輸運(yùn)等物理過程。

國內(nèi)學(xué)者同樣建立了大量一維、二維和三維數(shù)學(xué)模型。

一維咸潮入侵?jǐn)?shù)值模擬主要是對(duì)一維鹽度擴(kuò)散方程進(jìn)行離散和數(shù)值計(jì)算, 并利用計(jì)算結(jié)果研究鹽度縱向分布及入侵長(zhǎng)度等。黃昌筑[66]利用一維鹽度擴(kuò)散方程分析了長(zhǎng)江口咸潮入侵現(xiàn)象; 韓乃斌[67]基于一維鹽度擴(kuò)散方程研究了南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江口咸潮入侵深度的影響; 易家豪[68]采用一維河口分汊水流數(shù)學(xué)模型研究河口縱向各斷面水流、鹽度均值的變化。

二維咸潮入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型包括平面和垂向二維模型, 周濟(jì)福等[20]、王義剛[69]、匡翠萍[70]等建立的長(zhǎng)江口垂向二維咸潮入侵模型, 以及肖成猷等[71]、陶學(xué)為[72]、羅小峰[73]等建立的長(zhǎng)江口平面二維咸潮入侵模型, 對(duì)長(zhǎng)江口的咸潮入侵進(jìn)行了很好的模擬研究。

關(guān)于三維咸潮入侵模型, 匡翠萍[74]、宋元平等[75]分別建立了長(zhǎng)江口咸潮入侵的三維數(shù)學(xué)模型, 研究長(zhǎng)江口鹽度分層現(xiàn)象。嚴(yán)以新等[76]建立了河口三維非線性斜壓水流鹽度數(shù)學(xué)模型。羅小峰[73]通過三維數(shù)值模擬研究了長(zhǎng)江口深水航道工程實(shí)施后北槽咸潮入侵的變化。

近年來, 國內(nèi)也有很多學(xué)者基于國外數(shù)學(xué)模型和商業(yè)軟件(如Delft 3D、Mike 21等)來研究河口的咸潮入侵。龔政等[77-78]基于POM模型得到適合長(zhǎng)江口的 σ坐標(biāo)下的三維非線性斜壓流場(chǎng)及鹽度數(shù)學(xué)模型。朱建榮等[79]、馬鋼鋒等[80]在ECOM模式基礎(chǔ)上,分別建立了長(zhǎng)江口三維鹽度數(shù)值模式。劉均衛(wèi)[81]利用 ELCIRC模型對(duì)長(zhǎng)江口的咸潮入侵作了研究。王彪[6]基于 FVCOM 模型建立了珠江口三維咸潮入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型, 模型中考慮了徑流、潮汐、風(fēng)、斜壓以及陸架環(huán)流等各種動(dòng)力因子。匡翠萍等[31]利用Delft 3D模型建立珠江口水動(dòng)力模型, 研究風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο愀鬯颦h(huán)流和咸淡水混合的影響。

6 總結(jié)

(1) 河口咸潮入侵的研究方法有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型模擬 3種。數(shù)值模擬研究河口咸潮入侵能夠很好地彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)易受觀測(cè)站點(diǎn)布置、測(cè)量精度、天氣影響及物理模型的高投入等不足。

(2) 與咸潮入侵相關(guān)的現(xiàn)象和過程的機(jī)理研究主要包括: 咸潮入侵長(zhǎng)度、河口的混合過程、河口咸淡水混合類型、河口密度環(huán)流、河口環(huán)流與最大渾濁帶的關(guān)系等, 對(duì)于這些基本河口現(xiàn)象、過程的研究,國外早在20世紀(jì)50年代便已經(jīng)開始, 國內(nèi)的研究則相對(duì)起步較晚, 且主要集中在長(zhǎng)江口、珠江口等大河口。

(3) 影響河口咸潮入侵的因素包括徑流、潮汐、潮流、風(fēng)、海平面上升、人類活動(dòng)等, 近年來由于全球氣候的變化, 海平面不斷上升, 海平面上升以及人類活動(dòng)對(duì)河口咸潮入侵的影響越來越大, 當(dāng)然,人類活動(dòng)對(duì)咸潮入侵有正面和負(fù)面兩方面的影響。

(4) 河口咸潮入侵會(huì)造成河口地區(qū)生產(chǎn)、生活供水困難、河口泥沙絮凝淤積等危害, 進(jìn)而影響河口地區(qū)的生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 學(xué)者們?cè)谙坛比肭謱?duì)河口地區(qū)供水危害方面作了很多研究, 但關(guān)于咸潮入侵對(duì)河口泥沙絮凝淤積影響方面的研究, 主要集中在鹽度對(duì)泥沙絮凝淤積影響的機(jī)理研究, 而缺少將咸潮入侵過程、時(shí)空分布與河口泥沙絮凝淤積聯(lián)系起來的系統(tǒng)研究。

(5) 河口咸潮入侵的數(shù)學(xué)模型在國外的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟, 國際上目前也已經(jīng)有一大批先進(jìn)的咸潮入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型得到廣泛應(yīng)用; 國內(nèi)的學(xué)者們同樣建立了大量一維、二維和三維咸潮入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型, 而近年來國內(nèi)不少學(xué)者利用國外先進(jìn)的咸潮入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型和可視化的商業(yè)軟件研究河口咸潮入侵, 并取得不少成果。

7 展望

(1) 利用數(shù)學(xué)模型方法研究河口的咸潮入侵,伴隨著計(jì)算機(jī)功能的快速發(fā)展, 未來將受到更多學(xué)者的青睞, 物理模型和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析是機(jī)理性方面研究和驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型不可缺少的研究手段。

(2) 對(duì)于咸潮入侵相關(guān)的基本河口現(xiàn)象和過程的研究, 可以從對(duì)長(zhǎng)江口、珠江口等大河口地區(qū)的重點(diǎn)關(guān)注延伸擴(kuò)展到國內(nèi)的其他中小型河口, 為解決中國整體的咸潮入侵問題服務(wù)。

(3) 伴隨著全球氣候變化, 以及人類日益密集的生產(chǎn)生活活動(dòng), 海平面上升、人類活動(dòng)對(duì)于河口咸潮入侵的影響將越來越大, 尤其是海平面的上升,近些年全球海平面上升速度不斷加快, 海平面上升對(duì)河口咸潮入侵的影響應(yīng)受到更多關(guān)注。

(4) 河口咸潮入侵引起的生產(chǎn)生活用水問題將繼續(xù)保持研究熱度, 對(duì)河口咸潮入侵引起的泥沙絮凝淤積問題, 應(yīng)該加強(qiáng)泥沙絮凝淤積機(jī)理與咸潮入侵過程、時(shí)空分布之間關(guān)系的系統(tǒng)研究。

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