長江口南匯邊灘圍墾工程對流場和鹽水入侵的影響

李林江, 朱建榮

(華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

長江口南匯邊灘圍墾工程對流場和鹽水入侵的影響

李林江, 朱建榮

(華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062)

考慮枯季一般狀況的徑流量和風況，數(shù)值計算和動力分析南匯邊灘圍墾工程對長江河口流場和鹽水入侵的影響.南匯邊灘圍墾工程實施后，南槽喇叭口形狀減小，改變了漲潮流和納潮量.研究表明，圍墾工程導致南槽大潮期間納潮量減少13%，小潮期間減少16%，越過深水航道導堤的漲潮流減??；從南槽向北的越堤鹽通量減小，導致北槽向海的鹽通量減弱，中上段向陸的鹽通量減弱，工程東南側(cè)向陸的鹽通量減弱，但因南槽口門處縮窄向陸的鹽通量增強.圍墾工程后南槽鹽度鋒面減弱，大潮期間南槽口門處和工程東南側(cè)鹽度上升，量值超過1.0；因納潮量、越堤流和向陸鹽通量減小，南槽中上段、北槽和橫沙東灘鹽度下降，量值超過0.5；北港和崇明東灘鹽度上升，鹽度超過0.5.小潮期間因潮動力減弱口門處的漲潮流和向陸鹽通量減小，整個南槽鹽度下降，量值超過1.5.因圍墾工程后南槽鹽度鋒面減弱，阻擋徑流進入南港的作用減弱，大潮和小潮期間北港凈分流比略微減小，南槽的分流比大潮和小潮期間分別比工程前增加了1.57%和1.50%.

長江河口； 圍墾工程； 鹽水入侵； 納潮量； 分流比

0 引 言

河口是海洋與河流交匯的區(qū)域，潮汐、徑流、風、地形、斜壓等多種地貌動力因子及其相互作用，使得河口水動力過程、鹽水入侵和泥沙輸運復雜多變.河口工程會改變局地河勢，影響河口水動力過程、鹽水入侵和泥沙輸運.南匯邊灘地處長江口和杭州灣的交匯處，范圍包括長江口南槽南側(cè)、臨港以東潮灘，北起浦東國際機場，南至蘆潮港前緣(見圖1).長江入海泥沙在南匯邊灘落淤，潮灘發(fā)育較快，灘涂資源豐富，是上海發(fā)展所急需的土地資源[1].

注：A，B，C分別為南槽上中下3個模式輸出站點，S1北港斷面，S2南港斷面，S3北槽斷面，S4南槽上斷面，S5南槽下斷面圖1 長江河口形勢圖Fig.1 Situation map of the Changjiang estuary

南匯邊灘圍墾工程總面積約為147 km2，是近年來長江口規(guī)模最大的一次灘涂圈圍工程[2].工程改變了南槽中下段局部地形，勢必會影響河口局地動力環(huán)境和鹽水入侵，但該工程實施對鄰近水域水動力和鹽水入侵的影響缺乏深入研究.本文采用改進的ECOM數(shù)值模式，數(shù)值計算和動力分析南匯邊灘圍墾工程對長江河口流場和鹽水入侵的影響.利用數(shù)值方法研究該重大工程對水動力過程鹽水入侵的影響，不僅有助于對鹽水入侵規(guī)律的深入理解，也有助于河口淡水資源的利用，具有重要的科學和應用意義.

1 數(shù)值模式的設(shè)置

本文采用的數(shù)值模式為作者所在研究小組長期應用和改進的ECOM-si模式，該模式已在長江河口水動力過程和鹽水入侵等方面的研究中得到了充分驗證并取得了眾多成果[3-6].模式使用水平曲線非正交網(wǎng)格[7]，范圍包括整個長江河口、杭州灣，上游開邊界設(shè)在枯季潮區(qū)界大通水文站(見圖2)，對圍墾工程區(qū)域網(wǎng)格作局部加密處理(見圖3).水深采用2009年實測資料.為節(jié)省篇幅，關(guān)于模式初始條件、邊界條件以及驗證可參考文獻[3，4].

本文先設(shè)計一個控制數(shù)值試驗，模式計算時段從2010年12月15日開始計算，至2011年2月底結(jié)束，輸出2月計算結(jié)果作分析和比較.12月至翌年1月和2月徑流量取大通1950年以來月平均值，分別為13 600、11 100和12 000 m3/s.風場取NCEP多年月平均風場.外海開邊界考慮16個主要分潮(M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，U2，V2，T2，L2，2N2，J1，M1，OO1)，由各分潮調(diào)和常數(shù)合成得到，資料從全球潮汐數(shù)值模式NAOTIDE中計算結(jié)果得到(http://www.miz.nao.ac.jp/staffs/ nao99/index_En.html).在控制數(shù)值試驗的基礎(chǔ)上，考慮南匯邊灘圍墾成陸(見圖1和圖3)，設(shè)計南匯邊灘圍墾工程數(shù)值試驗.將南匯邊灘圍墾工程后的計算結(jié)果與控制試驗結(jié)果進行對比，定量分析該工程對鄰近水域流場和鹽水入侵的影響.

圖2 模式計算區(qū)域和網(wǎng)格Fig.2 The model domain and grids

圖3 南匯工程區(qū)域局部放大后網(wǎng)格Fig.3 The enlarged grids near the Nanhui reclamation project

2 結(jié)果與分析

因南匯邊灘東南走向和北槽深水航道南導堤的建成，南槽成了一個口門寬、向陸快速變小的喇叭口形狀的河槽.南槽這個特殊的形狀導致了南槽嚴重的鹽水入侵和出現(xiàn)強烈的鹽度鋒面，抑制徑流進入南槽，同時大量水體和高鹽水越過南導堤進入北槽，大部分向下游輸運入海，部分越過北導堤進入北港，形成橫向的水體和鹽水輸運，影響長江河口南北港、南北槽余流和分流比[6].南匯邊灘圍墾工程大幅改變了南槽的局地河勢，使得南槽喇叭口形狀減弱.下面先分析圍墾工程前漲潮高潮位時刻流場、納潮量、潮周期平均單寬鹽通量和鹽度、分流比，再分析圍墾工程后它們的變化和原因.

2.1 南匯邊灘圍墾工程前

大潮期間南槽高潮位時刻漲潮流沿河槽向上游流動，在南槽九段沙下游和上游因河槽縮窄、水位上升，水體越過南導堤進入北槽(見圖4上).北槽部分水體越過北導堤進入橫沙東灘，繼而進入北港，在口門處從南往北出現(xiàn)越灘的漲潮流.

本文統(tǒng)計了通過南槽口門斷面S5(位置見圖1)大潮和小潮期間3天內(nèi)6個完整的漲潮流期間的納潮量(見表1).在圍墾工程前，大潮和小潮期間的納潮量分別為3.35×109m3和1.38×109m3，大潮期間的納潮量遠大于小潮期間的納潮量.

表1 南槽口門斷面在圍墾工程前后納潮量及其變化Tab.1 Tidal prism cross the transect at the mouth of South Passage before and after the reclamation project, and its difference due to the project

圖4 圍墾工程前大潮期間高潮位漲潮流場分布(上)，及其工程引起的變化(下，圍墾工程后減去圍墾工程前)Fig.4 Flood current distribution at the highest water level in spring tide before the project (upper)，and its difference caused by the project (lower, after the project minus before the project)

從鹽通量場分布中可以看出(見圖5上)，在口門處有一個顯著的從南往北的越灘鹽分輸運，原因在于上述的南槽高鹽水的向北越堤流.鹽通量在南槽向陸輸運，越過南導堤進入北槽，在北槽受徑流作用向海輸運，形成一個從南槽進北槽出的順時針方向鹽分輸運.

潮周期平均的鹽度分布表明(見圖6上)，北支被高鹽水占據(jù)，鹽水入侵北支遠大于南支.在南支，鹽水入侵南槽最強、北槽次之，北港最弱，大潮期間出現(xiàn)北支鹽水倒灌現(xiàn)象，這些與以前研究結(jié)果一致[3-6].小潮期間，北港攔門沙北側(cè)鹽水入侵遠比大潮期間嚴重，原因在于北風在小潮期間作用比大潮期間顯著，它產(chǎn)生的向陸Ekman水體輸運導致北港北側(cè)鹽水入侵加劇[3].

圖5 圍墾工程前大潮期間單寬鹽通量分布(上)，及其工程引起的變化(下，圍墾工程后減去圍墾工程前)Fig.5 Distribution of unit width salinity flux during spring tide before the project (upper), and its difference caused by the project (lower, after the project minus before the project)

通過計算北港、南港、北槽和南槽各橫斷面S1、S2、S3和S4(位置見圖1)大潮和小潮期間水通量，可得南北港和南北槽的凈分流比(見表2).南匯邊灘圍墾工程前，大潮期間北港的凈分流比為53.21%，比南港大6.42%；南槽凈分流比僅為7.13%，比北槽小85.74%.原因在于一是南槽嚴重的鹽水入侵產(chǎn)生的強鹽度鋒面(見圖6上)導致向陸的斜壓壓強梯度力，阻礙徑流流入南槽；二是南槽喇叭口形式導致漲潮期間水體越堤進入北槽.因此，北槽相對于南槽巨大的凈分流比并非相對于一般意義上的徑流分流比.小潮期間，北港凈分流比為28.62%，遠小于南港的分流比71.38%，與大潮期間北港分流比大于南港的情況相反，原因在于如上鹽度分布中所述，小潮期間北風的作用趨于顯著，它產(chǎn)生的向陸水體輸運和加強了的向陸斜壓壓強梯度力均阻礙徑流進入北港.南槽的分流比為31.18%，相對于大潮期間有顯著的增加，原因在于小潮期間南槽鹽度鋒面減弱，向陸的斜壓壓強梯度力減小，有利于南港徑流進入南槽.

注：上表示圍墾工程前；中表示圍墾工程后；下表示差值(工程后減去工程前)圖6 大潮(左)和小潮(右)垂向平均鹽度分布Fig.6 Depth-averaged salinity distribution during spring (left) and neap (right) tide

表2 南匯邊灘圍墾工程前后各個河槽的凈分流比Tab.2 Net water diversion ratio of different outlets before and after the reclamation project %

南槽模式輸出點A、B和C在2月鹽度隨時間變化見圖7—9.鹽度具有半日變化，日不等較明顯，半月大小潮的變化顯著，靠近外海的下游站點鹽度高于中段和上段.在南槽中段和下段，表層和底層鹽度受潮流混合作用變化不大，具有大潮期間鹽水入侵強、小潮期間鹽水入侵弱的特點.但在南槽上段底層鹽度遠大于表層，且鹽度高值出現(xiàn)在小潮期間.原因在于小潮期間弱的垂向混合有利于鹽水楔的生成，鹽水楔產(chǎn)生向陸的斜壓壓強梯度力將南槽下游底層高鹽水帶向上游.

注：黑色為圍墾工程前，紅色為圍墾工程后圖7 南槽上段站點A表層(上)和底層(下)模式計算的鹽度隨時間變化Fig.7 Temporal variation of model calculated surface (upper) and bottom (lower) salinity at site A at upper reaches of the South Passage

注：黑色為圍墾工程前，紅色為圍墾工程后圖8 南槽中段站點B表層(上)和底層(下)模式計算的鹽度隨時間變化Fig.8 Temporal variation of model calculated surface (upper) and bottom (lower) salinity at site B at middle reaches of the South Passage

2.2 南匯邊灘圍墾工程后

為清楚地表達圍墾工程對流場和鹽度場的影響，將工程后模式計算結(jié)果減去工程前模式計算結(jié)果，得到差值場的分布.南匯邊灘圍墾工程實施后，南槽南側(cè)大面積潮灘成陸，改變漲潮流和納潮量.從大潮期間高潮位漲潮流場差值場(見圖4下)可見，因工程導致南槽喇叭口形狀減小越深水航道導堤的漲潮流減小(漲潮流偏北，差值場偏南)，大潮期間納潮量減少13%，小潮期間減少16%(見表1)，導致南港和南槽中上段漲潮流減小，但南槽口門處因橫斷面的減小漲潮流增加.在圍墾工程的東南側(cè)因工程的阻擋，漲潮流減弱.

注：黑色為圍墾工程前，紅色為圍墾工程后圖9 南槽下段站點C表層(上)和底層(下)模式計算的鹽度隨時間變化Fig.9 Temporal variation of model calculated surface (upper) and bottom (lower) salinity at site C at lower reaches of the South Passage

從單寬鹽通量差值分布看(見圖5下)，圍墾工程使得從南槽向北的越堤鹽通量減小，導致北槽向海的鹽通量減弱，南槽口門處向陸的鹽通量增強，中上段向陸的鹽通量減弱，工程東南側(cè)向陸的鹽通量減弱，這與高潮位漲潮流差值分布是一致的.

從鹽度場的平面分布看(見圖6中)，圍墾工程后南槽鹽度鋒面減弱(鹽度等值線邊疏).從工程前后鹽度變化看(見圖6下)，大潮期間南槽口門處和工程東南側(cè)鹽度上升，量值超過1.0，范圍大；因納潮量、越堤流和向陸鹽通量減小，南槽中上段、北槽和橫沙東灘鹽度下降，量值超過0.5的范圍連成一片；北港和崇明東灘鹽度上升，鹽度超過0.5.小潮期間，整個南槽鹽度下降，量值超過1.0的范圍大，原因在于小潮期間潮動力減弱口門處的漲潮流和向陸鹽通量是減小的.

圍墾工程對分流比的影響，大潮和小潮期間北港凈分流比略微減小，原因在于圍墾工程后南槽鹽度鋒面減弱，阻擋徑流進入南港的減弱.同樣的原因，使得圍墾工程后南槽的分流比大潮和小潮期間分別比工程前增加了1.57%和1.50%.

圍墾工程后南槽模式輸出點A、B和C在2月鹽度隨時間變化見圖7—9，在南槽的上段A輸出點表層和底層鹽度在大潮、中潮和小潮期間均下降，原因如上工程導致納潮量和向陸鹽通量的減小.在南槽的中段B輸出點，小潮期間鹽度減小，大潮期間鹽度增加.在南槽下段C輸出點，小潮期間鹽度有所下降，但大潮期間鹽度顯著上升，其動力成因如上所述.表3給出了2月12—14日小潮，2月18—20日大潮，站點A、B和C南匯邊灘圍墾后表層和底層鹽度平均變化值，負數(shù)表示圍墾后鹽度減小，正表示增加，可見圍墾工程使得南槽鹽度變化空間和時間上是不同的.

3 結(jié) 論

長江口南匯邊灘圍墾工程為上海解決土地資源緊缺的重大工程.工程顯著改變了局地河勢，影響水動力過程和鹽水入侵.本文應用三維數(shù)值模式，定量研究在枯季一般狀況的徑流量和風況下南匯邊灘圍墾工程前漲潮高潮位時刻流場、納潮量、潮周期平均余流、單寬鹽通量和鹽度、分流比，以及圍墾工程后它們的變化和原因.南匯邊灘圍墾工程實施后，南槽南側(cè)大面積潮灘成陸，南槽喇叭口形狀減小，改變了漲潮流和納潮量.工程導致大潮期間納潮量減少13%，小潮期間減少16%，越過深水航道導堤往北的漲潮流減小，南港和南槽中上段漲潮流減小，但南槽口門處因橫斷面的減小大潮期間漲潮流增加.在圍墾工程的東南側(cè)因工程的阻擋，漲潮流減弱.圍墾工程使得從南槽向北的越堤鹽通量減小，導致北槽向海的鹽通量減弱，南槽口門處向陸的鹽通量增強，中上段向陸的鹽通量減弱，工程東南側(cè)向陸的鹽通量減弱.圍墾工程后南槽鹽度鋒面減弱，大潮期間南槽口門處和工程東南側(cè)鹽度上升，量值超過1.0，范圍大；因納潮量、越堤流和向陸鹽通量減小，南槽中上段、北槽和橫沙東灘鹽度下降，量值超過0.5的范圍連成一片；北港和崇明東灘鹽度上升，鹽度超過0.5.小潮期間，整個南槽鹽度下降，量值超過1.0的范圍大，原因在于小潮期間潮動力減弱口門處的漲潮流和向陸鹽通量是減小的.因圍墾工程后南槽鹽度鋒面減弱，阻擋徑流進入南港的作用減弱，大潮和小潮期間北港凈分流比略微減小，南槽的分流比大潮和小潮期間分別比工程前增加了1.57%和1.50%.

表3 圍墾工程對南槽3個站點A、B、C潮平均鹽度的影響Tab.3 Influences of the reclamation project on the tidally-averaged salinity at the 3 model output sites in the South Passage

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(責任編輯 李萬會)

Impacts of the reclamation project of Nanhui tidal flat on the currents and saltwater intrusion in the Changjiang estuary

LI Lin-jiang, ZHU Jian-rong

(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Considering the averaged river discharge and wind in dry season, the impacts of reclamation project of Nanhui tidal flat on the currents and saltwater intrusion were numerically calculated and dynamically analyzed. The funnel shape was reduced, flood current and tidal prism in the South Passage were changed after the reclamation project. The reclamation project resulted in tidal prism in the South Passage reducing 13% in spring tide and 16% in neap tide, and the flood currents spilling over the dikes of the deep water channel decreased; The northward salt fluxes spilling over the dykes from the South Passage were weakened which made the seaward salt flux in the North Passage reduced, the landward salt flux decreased the upper and middle reaches of the South Passage and on the southeast side of the project, whereas was increased at the mouth of the South Passage. After the reclamation project, the salinity front in the South Passage was weakened, the salinity in spring tide increases with exceeding 1.0 in the area near the mouth of the South passage and on the southeast side of the project; the salinity decreased with greater than 0.5 at the upper and middle reaches of the South Passage, in the North Passage and in the Hengsha eastern beach due to the decreases of the tidal prism, current spilling over the dikes and landward salt flux. The salinity in neap tide decreased in the whole South passage with greater than 1.5 because of the decreases of the flood current and salt flux at the mouth caused by the weaker tide. The net water diversion ratios were reduced slightly in spring and neap tide in the North Channel, increased 1.57% in spring tide and 1.50% in neap tide in the South Passage because the salinity front in the South Passage was weakened after the reclamation project, which weakened the block effect of the river water into the South Channel.

Changjiang estuary; reclamation project; saltwater intrusion; tidal prism; water diversion ratio

1000-5641(2015)04-0077-10

2014-07

上海市科委海洋專項(12231203101)；水利部公益性項目(201201068)

李林江，男，碩士研究生，從事河口海岸動力學研究. E-mail: li_linjiang@126.com.

朱建榮，男，教授，博士生導師，從事河口海洋學研究. E-mail: jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn.

P731.23

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.009