不同潮型和風況下青草沙水庫取水口鹽水入侵來源

王紹祥, 朱建榮

(1. 上海城投原水有限公司 青草沙水庫管理分公司，上海 201913;2. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

不同潮型和風況下青草沙水庫取水口鹽水入侵來源

王紹祥1, 朱建榮2

(1. 上海城投原水有限公司 青草沙水庫管理分公司，上海 201913;2. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

本文應(yīng)用2013年12月和2014年2月青草沙水庫取水口實測鹽度和數(shù)值模式計算的流速流向，分析水庫取水口鹽水入侵的來源.2013年12月枯季在一般徑流量和風況的情況下，大潮、大潮后中潮和小潮前期水庫取水口鹽水來源于上游的北支倒灌，小潮中后期、小潮后中潮鹽水入侵來源于北港下游外海的鹽水入侵.觀測資料發(fā)現(xiàn)2014年2月長江河口鹽水入侵是近幾十年來發(fā)生過的最嚴重鹽水入侵事件，導(dǎo)致青草沙不宜取水的時間達到23 d，對上海的安全供水造成了嚴重威脅.2014年2月枯季在一般徑流量和持續(xù)偏北大風15 d情況下，所有4個潮型中青草沙水庫取水口鹽水均來自北港外海的正面入侵.

青草沙水庫； 鹽水入侵； 潮型； 風況

0 引 言

青草沙水庫位于南北港分汊口附近、長興島西北側(cè)(見圖1)，水域面積達到66.15 km2，相當于10個杭州西湖的面積，是迄今為止世界上最大的潮汐河口蓄淡避咸水庫.青草沙水源地原水工程于2007年6月5日正式開工，于2010年12月建成并開始向上海供水.該水庫承擔了上海市約50%的原水供應(yīng)，設(shè)計規(guī)劃供水規(guī)模為719萬m3/d，受益人口超過1 300萬人，是繼黃浦江上游、長江陳行水庫之外，上海建設(shè)的第三個水源地.

注：白色區(qū)域為青草沙水庫圖1 長江河口形勢圖Fig.1 Situation map of the Changjiang Estuary

2010年青草沙水庫供水前，上海的用水主要取自黃浦江，原水供水規(guī)模約為622萬m3/d，約占全市集約化原水供應(yīng)量的80%，長江原水供水規(guī)模為176萬m3/d，約占全市集約化原水供應(yīng)量的20%.黃浦江水質(zhì)較差，水量不足，而長江河口得益于長江巨量徑流，淡水資源豐沛，水質(zhì)較好.隨著上海經(jīng)濟、人口和社會的發(fā)展，淡水資源不足.青草沙水庫的興建，大大緩解了上海供水緊張的局面，為上海城市發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有利的保障.然而，青草沙水庫位于長江河口水域，存在枯季鹽水入侵的不利影響.

長江河口枯季經(jīng)常面臨鹽水入侵，最大的特點是南支除受外海鹽水入侵外，還受上游北支鹽水倒灌的影響[1].已有的大量觀測和研究表明，潮汐和徑流量是影響鹽水入侵的主要原因，其他還受風應(yīng)力[2]、口外陸架環(huán)流[3]和河勢變化[1，4]等影響.以往對長江河口鹽水入侵來源的研究，沈煥庭等[1]指出長江口南支、南北港受北支鹽水倒灌影響后，改變了鹽度周日變化規(guī)律，具體反映為鹽度周日變幅小，周日的鹽度峰值和谷值出現(xiàn)在落憩和漲憩附近.茅志昌等[5]通過分析現(xiàn)場觀測資料，指出青草沙水源地的鹽水源自外海鹽水入侵和北支鹽水倒灌，其中以北支倒灌鹽水團過境作用為主.顧玉亮等[6]根據(jù)觀測資料分析，指出影響南支水源地的鹽水來源有兩個，為北支鹽水倒灌和南北港外海鹽水入侵.樂勤[7]等根據(jù)多年監(jiān)測數(shù)據(jù)指出, 影響青草沙水庫水域鹽度變化的咸潮入侵來源有3個, 為北支咸潮倒灌、南港咸潮入侵和北港咸潮入侵，其中最主要的入侵為北支咸潮倒灌.以往對長江河口鹽水入侵來源的研究，主要針對陳行水庫.陳行水庫于1992年建成啟用，運行時間較早，對其研究較多.青草沙水庫于2010年建成啟用，運行時間較晚，對其鹽水入侵來源研究相對較少.開展青草沙水庫取水口鹽水入侵來源的研究，可為保障水庫安全取水提供科技依據(jù).

本文應(yīng)用2013年12月和2014年2月青草沙水庫取水口鹽度實測資料，結(jié)合數(shù)值模擬的流速和流向，分析不同潮型和風況下青草沙水庫取水口鹽水入侵的來源.

1 結(jié)果與分析

青草沙水庫取水口位于水庫西北側(cè)北堤上端(見圖1)，上海城投原水有限公司在取水口外建有鹽度自動監(jiān)測站.研究取水口鹽水入侵來源，需要鹽度和流速流向的過程線，但測站僅有鹽度資料，沒有流速流向資料.為此，本文應(yīng)用改進的三維數(shù)值模式ECOM-si[8-10]，模擬觀測時段長江河口流場和鹽度場.該模式長期應(yīng)用于長江河口地區(qū)水動力過程和鹽水入侵等方面的研究，已經(jīng)嚴格率定和驗證，并取得諸多成果[2, 4, 11-13].

1.1 2013年12月不同潮型下鹽水入侵來源

2013年12月大通實測徑流量在10 500～13 500 m3/s之間變化(見圖2)，月平均值約為12 000 m3/s，比多年月平均值14 060 m3/s小2 060 m3/s.長江徑流量的下降會加重河口鹽水入侵，這從下面2013年12月4個潮型時段的青草沙水庫取水口鹽度量值可見.風況資料取自長江口崇明東灘自動氣象站，12月9日前風況南北風相間，風速較小，絕大部分時間在5 m/s以下.12月10—29日以偏北風為主，但風速超過8 m/s以上的時段不長.采用2013年12月實測徑流量和風況，運行數(shù)值模式，可得出12月水位、流速和流向等.為詳細分析不同潮型下青草沙水庫取水口鹽度變化過程，需要首先確定不同潮型對應(yīng)的時段.

在12月2—5日的大潮時段，青草沙水庫取水口落潮流速小于漲潮流速，最大漲潮流速達到0.65 m/s，落潮歷時明顯大于漲潮歷時(見圖3).因前期11月底徑流量相對較大，達到13 000 m3/s以上，故在該大潮時段青草沙水庫取水口鹽度很低，小于飲用水鹽度標準0.45.12月1—3日鹽度小于0.1，不受鹽水入侵的影響.4日出現(xiàn)小的鹽度峰值，從流速上判斷峰值出現(xiàn)于落憩時刻，表明鹽水入侵來源于上游，即北支鹽水倒灌.

在12月6—9日大潮后中潮時段,前2天落潮流速小于漲潮流速，最大漲潮流速達到0.60 m/s，后2天最大漲潮流速和落潮流速相當，落潮歷時同樣明顯大于漲潮歷時(見圖4).青草沙水庫取水口鹽度相比于大潮期間顯著升高，越到中潮后期鹽度越高，鹽度峰值均出現(xiàn)于落憩時刻，表明鹽水入侵來源于上游，即北支鹽水倒灌.水庫取水口大潮后中潮時段鹽度明顯大于大潮時段，原因在于大潮時段大量的北支高鹽水倒灌進入南支后，受徑流量作用向下游移動，至青草沙水庫取水口大約需要5 d左右的時間，故水庫取水口大的鹽度不出現(xiàn)在大潮時段，而出現(xiàn)在大潮后中潮時段.

注：水位圖中的A、B、C和D分別表示大潮、大潮后中潮、小潮和小潮后中潮時段圖2 2013年12月大通實測徑流量、崇明東灘實測風速、風矢和青草沙水庫取水口水位隨時間變化Fig.2 Temporal variations of measured river discharge at Datong station, wind speed and vector at Chongming eastern shoal, water level at water intake of Qingcaosha reservoir in December 2013

在12月10—13日小潮時段,相比于大潮時段最大漲潮和落潮流速顯著降低，小于0.5 m/s(見圖5).9—10日和11日前半日青草沙水庫取水口鹽度在1.7上下波動，遠超飲用水標準.原因在于9—10日出現(xiàn)大的北風，它會加劇北港的外海鹽水入侵[12]，同時北支倒灌的鹽水仍滯留在水庫附近，因此導(dǎo)致水庫取水口鹽度值偏大且波動較小.12日下半天后鹽度逐漸趨于下降，峰值出現(xiàn)在漲憩時刻，表明鹽水入侵來源于下游北港外海.總體上，小潮時段的前期，水庫取水口鹽水入侵來源于北支倒灌，后期來源于北港外海鹽水入侵.

注：虛線為飲用水鹽度標準0.45，下同圖3 2013年12月2—5日大潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.3 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the spring tide from 2nd to 5th December, 2013

圖4 2013年12月6—9日大潮后中潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.4 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after spring tide from 6th to 9th December, 2013

圖5 2013年12月10—13日小潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.5 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the neap tide from 10th to 13th December, 2013

在12月14—17日小潮后中潮時段,再次出現(xiàn)最大漲潮流速大于最大落潮流速(見圖6).鹽度繼續(xù)下降，取水口絕大部分時段能取到淡水，峰值出現(xiàn)在漲憩時刻，表明鹽水入侵來源于北港外海.

圖6 2013年12月14—17日小潮后中潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.6 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after neap tide from 14th to 17th December, 2013

1.2 2014年2月長時間持續(xù)強北風作用下鹽水入侵來源

2014年2月大通實測徑流量在10 000～13 800 m3/s之間變化(見圖7)，月平均值約為11 800 m3/s，比多年月平均值12 060 m3/s略小260 m3/s，十分接近平均狀態(tài).對風況變化，2月2—4日為東北風，風速在4 m/s上下；5—6日為東南風，風速約為6 m/s；7—15日為持續(xù)的偏北風，期間大部分時間風速超過6 m/s；16日為較弱的東南風，但隨后17—20日又出現(xiàn)4 d強北風，風速超過6 m/s.從7—20日，除了16日1 d，出現(xiàn)了長達13 d的偏北大風，它嚴重地加劇了長江河口鹽水入侵(見下分析).采用2014年2月實測徑流量和風況，運行數(shù)值模式，可得出2月水位、流速和流向等.為詳細分析不同潮型下青草沙水庫取水口鹽度變化過程，需要首先確定不同潮型對應(yīng)的時段.因偏北大風持續(xù)時間長，按時間次序分為大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮、大潮后中潮、小潮這6個時段來分析不同潮型和風況下青草沙水庫取水口鹽水入侵來源.

注：水位圖中的A、B、C、D、E和F分別表示大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮時段圖7 2014年2月大通實測徑流量、崇明東灘實測風速、風矢和青草沙水庫取水口水位隨時間變化Fig.7 Temporal variations of measured river discharge at Datong station, wind speed and vector at Chongming eastern shoal, water level at water intake of Qingcaosha reservoir in February 2014

在2月3—6日大潮后中潮時段,前2.5 d出現(xiàn)鹽度低于0.45的時段，水庫能取到淡水，取水口大部分時段能取到淡水，后1.5 d鹽度逐漸升高，取不到淡水(見圖8).鹽度峰值出現(xiàn)在落憩時刻，谷值出現(xiàn)在漲憩時刻，表明鹽水入侵來源于上游的北支倒灌.這與上述12月大潮后中潮時段的情況一致.

圖8 2014年2月3—6日大潮后中潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.8 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after spring tide from 3rd to 6th February, 2014

在2月7—10日小潮時段,均為6 m/s以上的偏北大風，水庫取水口鹽度均大于1.0，無淡水可取(見圖9).在7日前半天鹽度谷值出現(xiàn)在漲潮期間，表明鹽水入侵來源來自上游北支倒灌.9日鹽度峰值出現(xiàn)在漲潮期間，谷值出現(xiàn)在落潮期間，表明鹽水入侵來自北港外海.總體上，這這段小潮期間鹽度約為2，與該潮型下鹽度一般情況下明顯偏高，另外絕大部分時段波動很小，這與前期北支倒灌的鹽水位于北港上段和期間大風造成的北港下游鹽水入侵有關(guān).

在2月11—14日小潮后中潮時段,期間仍為偏北大風，水庫取水口鹽度異常升高，最大值超過7.0(因儀器量程的設(shè)置，鹽度大于7的值未能測到，下同)，鹽度的高值均出現(xiàn)在漲潮期間，低值均出現(xiàn)在落潮期間，這表明鹽水入侵來源來自北港下游外海(見圖10).持續(xù)的強北風造成了北港極為嚴重的鹽水入侵，這在以前的研究中分析過其動力機制[12].

在2月15—18日大潮時段,期間仍為偏北大風為主，水庫取水口鹽度仍異常高，最大值超過7.0，鹽度的高值均出現(xiàn)在漲潮期間，低值均出現(xiàn)在落潮期間，這表明鹽水入侵來源來自北港下游外海(見圖11).一般風況情況下，大潮期間水庫取水口鹽水入侵來自于上游北支倒灌，但在持續(xù)的強北風情況下造成了極為嚴重的北港外海鹽水入侵.

圖9 2014年2月7—10日小潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.9 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the neap tide from 7th to 10th February, 2014

圖10 2014年2月11—14日小潮后中潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.10 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after neap tide from 11th to 14th February, 2014

在2月19—22日大潮后中潮時段,前2天為較強偏北風，后2天為偏東南風，隨著風況變化水庫取水口鹽度下降，但仍大于2.0(見圖12).在前2天，鹽度的峰值均出現(xiàn)在漲憩時刻，谷值均出現(xiàn)在落憩之后，這仍表明鹽水入侵來源來自北港下游外海.在后2天，鹽度基本維持在2.0，波動很小，可能北支倒灌的鹽水已經(jīng)達到.

圖11 2014年2月15—18日大潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.11 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the spring tide from 15th to 18th February, 2014

圖12 2014年2月19—22日大潮后中潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.12 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after spring tide from 19th to 22th February, 2014

在2月23—26日小潮時段,前3天以偏東風為主，后1天為北風，隨著不利于鹽水入侵風況的出現(xiàn)和潮型的變化，水庫取水口鹽度持續(xù)下降，25日出現(xiàn)了鹽度小于0.45時段，能時段性取到淡水，解決了當時水庫的燃眉之急(見圖13).鹽度的峰值出現(xiàn)在漲潮期間，表明鹽水入侵來源來自北港下游外海.

圖13 2014年2月23—26日小潮時段青草沙水庫取水口流速、流向和鹽度隨時間變化Fig.13 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the neap tide from 23th to 26th February, 2014

2 結(jié)論和討論

本文應(yīng)用2013年12月和2014年2月青草沙水庫取水口實測鹽度和數(shù)值模式計算的流速流向，分析水庫取水口鹽水入侵的來源.在枯季一般徑流量和風況情況下，大潮、大潮后中潮和小潮前期水庫取水口鹽水入侵來源于上游的北支倒灌，小潮中后期、小潮后中潮時段鹽水入侵來源于北港下游外海的鹽水入侵.我們注意到在2013年12月15—30日出現(xiàn)持續(xù)的北風，持續(xù)北風時間長達16 d，12月18和27日風速超過8 m/s，但時間短，并且風速大于6 m/s的風時間不長.因為風應(yīng)力與風速之間存在二次率的關(guān)系，大風持續(xù)時間不長，青草沙水庫取水口在12月該段時間并未出現(xiàn)較嚴重的鹽水入侵.

在冬季一般會頻繁發(fā)生南下的冷空氣，出現(xiàn)偏北大風，但時間一般僅2—3 d，較短時段的偏北大風不會改變上述青草沙水庫取水口不同潮型下的鹽水入侵來源.2014年2月長江口持續(xù)出現(xiàn)偏北大風15 d，持續(xù)偏北大風產(chǎn)生向岸水體輸運和水位抬升，導(dǎo)致北港極其嚴重的正面鹽水入侵，水庫取水口鹽度超過7，偏北大風期間所有的4個潮型鹽水入侵均來自北港下游的外海.2014年2月長江河口鹽水入侵是近幾十年來從未發(fā)生過的嚴重鹽水入侵事件，導(dǎo)致青草沙不宜取水的時間達到23 d，對上海的安全供水造成了嚴重威脅.本文基于實測資料對該事件過程作了描述和初步分析，對其動力機制和過程還待深入研究.

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(責任編輯 李萬會)

Saltwater intrusion sources at the water intake of Qingcaosha reservoir in different tidal pattern and wind case

WANG Shao-xiang1, ZHU Jian-rong2

(1.QingcaoshaReservoirManagementBranch,RawWaterCo.Ltd.ofShanghaiCityInvestment,Shanghai201913,China;2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

The measured salinity and numerical simulated current speed and direction in December 2013 and February 2014 were used to analyze the source of saltwater intrusion at the water intake of Qingcaosha reservoir. Under the general river discharge and wind case in dry season December 2013, the saltwater sources at the water intake during spring tide, medium tide after spring tide, early neap tide came from the upstream saltwater-spill-over from the North Branch into the South Branch, whereas during late neap tide and medium tide after neap tide came from the downstream open sea, i.e., through the saltwater intrusion in the North Channel. It was found that the saltwater intrusion in the Changjiang Estuary in February 2014 was very severe and had never been happened in recent decades, which resulted in the not suitable take water days of the reservoir reach to 23 days, and serious threat of safety water supply in Shanghai. Under the general river discharge and long continue strong northerlies lasting 15 days in February 2014, the saltwater sources at the water intake of Qingcaosha reservoir during the all four tidal patterns came from the downstream open sea saltwater intrusion through the North Channel.

Qingcaosha reservoir; saltwater intrusion; tidal pattern; wind case

1000-5641(2015)04-0065-12

2014-07

上海市科學技術(shù)委員會重點項目(14231200402)；上海城投總公司項目(CTKY-重大-2011-01-02) 第一作者：王紹祥，男，高級工程師，從事水源管理和應(yīng)急處理研究.E-mail: wsx080@hotmail.com. 通信作者：朱建榮，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事河口海洋學研究.E-mail: jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn.

P731.23

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.008