近60年來長江河口河勢(shì)變化及其對(duì)水動(dòng)力和鹽水入侵的影響Ⅱ.水動(dòng)力

鮑道陽,朱建榮*

(1. 華東師范大學(xué) 河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

近60年來長江河口河勢(shì)變化及其對(duì)水動(dòng)力和鹽水入侵的影響Ⅱ.水動(dòng)力

鮑道陽1,朱建榮1*

(1. 華東師范大學(xué) 河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

本文基于本系列論文Ⅰ中數(shù)值化的長江河口20世紀(jì)50年代、70年代海圖獲得的岸線和水深資料，以及2012年水深實(shí)測資料，設(shè)置不同年代模式網(wǎng)格，考慮徑流量、潮汐和風(fēng)應(yīng)力作用，建立長江河口水動(dòng)力和鹽水入侵三維數(shù)值模式，模擬和分析不同年代潮汐潮流、單寬余通量、分汊口水通量和分流比，及其河勢(shì)變化對(duì)它們的影響。最大潮差在3個(gè)年代間的變化主要在北支區(qū)域，50年代至70年代，北支潮差減小，減小區(qū)域集中在北支中段，2012年相比70年代北支潮差增大。單寬水通量在50年代北港大于南港，北支下段向上游輸運(yùn)、上段量值較小，在70年代南港大于北港，北支下段量值較小、上段向下游，在2012年南北港水通量較為接近，北港稍大，整個(gè)北支水通量向上游。定量給出了50、70年代和2012年南北支、南北港大潮期間和小潮期間漲潮、落潮和凈水量和分流比，結(jié)合河勢(shì)變化分析了不同年代間的變化原因。

長江河口；河勢(shì)變化；潮差；潮流；單寬余通量；分流比

1 引言

影響河口水動(dòng)力過程動(dòng)力因子主要為徑流和潮汐，其他還有風(fēng)應(yīng)力、混合、斜壓效應(yīng)和地形等。水動(dòng)力過程主要包括水位、流場、余流和余通量、分流比等。

朱建榮和胡松[1]數(shù)值試驗(yàn)表明，相對(duì)于平直河口，喇叭形河口對(duì)環(huán)流的影響，因口門河口變寬，造成流的輻散，向海的流速減少，底層向陸的密度流流動(dòng)的距離減少。Li等[2]研究了長江河口枯季漲潮、落潮和潮平均分流比，在1月多年平均風(fēng)速和徑流量情況下，模擬給出了大潮和小潮期間南北支、南北港和南北槽漲潮、落潮和凈分流比，還模擬分析了潮汐、北風(fēng)、徑流量以及它們相互作用對(duì)分流比的影響和動(dòng)力機(jī)制。Wu等[3]模擬和研究了長江河口南槽、北槽和北港口門處鹽水入侵與余流之間的關(guān)系。在南槽，余流輸運(yùn)向陸，在淺灘上向北或西北，而在北槽和北港主要向海；這個(gè)余流特征是由潮汐和淺的水深相互作用造成的，Stokes輸運(yùn)是引起這個(gè)特殊余流輸運(yùn)格局的主要機(jī)制；在這個(gè)水平環(huán)流的作用下，南槽是主要的鹽水通道，北港是長江徑流的主要通道；跟蹤試驗(yàn)結(jié)果表明從南槽到北槽最終到北港存在著活躍的水體交換；北風(fēng)產(chǎn)生繞河口口門的水平環(huán)流，在北港流進(jìn)河口在南港和南槽流出河口。長江口北槽深水航道工程人為地改變了河勢(shì)，Liu等[4]通過座底式近底觀測系統(tǒng)觀測到在深水航道回淤嚴(yán)重區(qū)域表底層余流方向相反，出現(xiàn)了經(jīng)典的河口環(huán)流結(jié)構(gòu)，余流的垂直剖面存在螺旋結(jié)構(gòu)，并且出現(xiàn)了一個(gè)泥沙富集區(qū)域；在南導(dǎo)堤被淹沒期間，出現(xiàn)較強(qiáng)的由九段沙指向北槽的越堤水沙鹽凈輸移運(yùn)動(dòng)；因長江河口多級(jí)分汊特殊的河勢(shì)，長江河口存在著明顯的漲落潮流速和歷時(shí)的不對(duì)稱現(xiàn)象。王彪等[5]數(shù)值試驗(yàn)定量給出了不同徑流量、潮汐和水深下南北支、南北港和南北槽漲潮落潮平均流速和歷時(shí)，通過橫斷面漲潮落潮通量必須滿足質(zhì)量守恒觀點(diǎn)從動(dòng)力機(jī)制上給出了漲潮落潮流速和歷時(shí)不對(duì)稱的成因；北支的喇叭口形狀，導(dǎo)致潮位和潮差沿程復(fù)雜的變化。宋永港等[6]的研究結(jié)果表明，北支平均潮位、最高潮位和最低潮位縱向上呈現(xiàn)從下游往上游逐漸增加的變化規(guī)律，潮差變化呈現(xiàn)出從口門向中段逐漸增大，再從中段向上段逐漸減小的規(guī)律；冬季偏北風(fēng)使青龍港潮位增大，夏季偏南風(fēng)使青龍港潮位和潮差略微減小，風(fēng)對(duì)北支潮差幾乎沒有影響；徑流產(chǎn)生的余水位增加潮位，對(duì)潮汐具有抑制作用，使潮差減小。裘誠和朱建榮[7]數(shù)值模擬和動(dòng)量分析了長江河口北支上端枯季大潮期間一天內(nèi)出現(xiàn)“四漲四落”不規(guī)則周期漲落潮流現(xiàn)象，一日內(nèi)兩次漲潮流和兩次落潮流為常規(guī)漲落潮流，受外海半日潮流控制，兩次漲潮流和落潮流為非常規(guī)漲落潮流，揭示了其動(dòng)力過程和機(jī)制。

河口局部人為引發(fā)的河勢(shì)變化也會(huì)引起水動(dòng)力的變化，長江河口北支新村沙圍墾和南水道封堵工程于2012年實(shí)施，人為改變了北支局地河勢(shì)。陳涇和朱建榮[8]數(shù)值模擬結(jié)果表明，北支新村沙圍墾工程縮窄了過水?dāng)嗝?，減弱了北支向南支倒灌的水通量；長江河口潮灘圈圍工程，同樣局地改變了河勢(shì)，影響水動(dòng)力過程。李林江和朱建榮[9]模擬和分析了南匯邊灘圍墾工程對(duì)流場和鹽水入侵的影響，結(jié)果表明南匯邊灘圍墾工程實(shí)施后，南槽喇叭口形狀減小，改變了漲潮流和納潮量；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(dǎo)堤的漲潮流減??；因圍墾工程后南槽鹽度鋒面減弱，阻擋徑流進(jìn)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%。在珠江河口，人類活動(dòng)對(duì)河口水動(dòng)力和鹽水入侵的影響主要體現(xiàn)在挖沙上，挖沙導(dǎo)致河床下切，河勢(shì)改變。Yuan和Zhu[10]研究結(jié)果表明，挖沙導(dǎo)致珠江河口北江凈分流比增加，潮差減小、鹽水入侵減弱，而西江正好相反；模擬結(jié)果與近幾十年北江和西江潮汐和鹽水入侵的觀測事實(shí)一致，并揭示了動(dòng)力過程和機(jī)制。

河勢(shì)變化一般是指在較長時(shí)間尺度上的地形變化，對(duì)水動(dòng)力過程有著重要的影響。本系列論文第一部分的分析結(jié)果表明，從20世紀(jì)50年代到70年代，再到2012年，長江河口從二級(jí)分汊到三級(jí)分汊，北支淤積嚴(yán)重和重大工程的建設(shè)導(dǎo)致河勢(shì)發(fā)生了顯著變化。本文建立長江河口三維水動(dòng)力和鹽水入侵?jǐn)?shù)值模式，模擬和分析河勢(shì)變化對(duì)潮汐潮流、單寬余通量、分汊口水通量和分流比的影響。

2 數(shù)值模式的設(shè)置和驗(yàn)證

2.1 模式設(shè)置

數(shù)值模式采用長期應(yīng)用和改進(jìn)的河口海岸三維數(shù)值模式，該模式已長期應(yīng)用于長江河口水動(dòng)力過程和鹽水入侵等方向的研究，取得了眾多的成果[2—5,7—9]。

模式采用水平曲線非正交網(wǎng)格，范圍包括整個(gè)長江河口、杭州灣和鄰近海區(qū)，上游邊界設(shè)在大通，外海開邊界東邊到125°E附近，北邊到33.5°N附近，南邊到27.5°N附近(圖1)?？趦?nèi)網(wǎng)格分辨率為100 m至500 m不等，口外網(wǎng)格較疏，分辨率最大為10 km左右。垂向采用σ坐標(biāo)，均勻分為10層。時(shí)間步長取30 s。長江河口區(qū)域淺灘較多，模式運(yùn)用干濕判別法處理潮灘移動(dòng)邊界，臨界水深取0.2 m。

模式岸線和水深采用20世紀(jì)50年代、70年代海圖數(shù)字化資料，以及2012年水深實(shí)測資料。外海開邊界由潮位驅(qū)動(dòng)，考慮16個(gè)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，資料取自全球潮汐數(shù)值模式NAOTIDE計(jì)算的結(jié)果(http://www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html)。河流上游開邊界由徑流量確定，海表面考慮風(fēng)應(yīng)力的作用。初始水位和流速取0。

針對(duì)50年代、70年代和2012年河勢(shì)，設(shè)計(jì)3組數(shù)值試驗(yàn)，除河勢(shì)不同外，其余的邊界和初始條件相同。徑流設(shè)為枯季1月平均值11 500 m3/s，風(fēng)場設(shè)為多年該月平均的定常北風(fēng)5 m/s。模式提前運(yùn)行1個(gè)月，待各物理量計(jì)算穩(wěn)定后取第2月的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 模式驗(yàn)證

本文應(yīng)用的數(shù)值模式已作了大量的水位、流速、流向和鹽度驗(yàn)證，大都是基于近10年河勢(shì)下進(jìn)行的[5,7—9],未做過幾十年以前河勢(shì)下的模式驗(yàn)證。由于50年代和70年代的實(shí)測水溫和鹽度資料很少，且難于收集到，故本文利用文獻(xiàn)[11—12]中70年代的實(shí)測資料圖，經(jīng)數(shù)值化得到水位、流速和流向資料，結(jié)合70年代河勢(shì)，作模式的驗(yàn)證。測站A到H的分布見圖2，A～C點(diǎn)觀測時(shí)間為1974年8月4日0點(diǎn)至14點(diǎn)，D～H點(diǎn)觀測時(shí)間為1978年8月7日20點(diǎn)至8日20點(diǎn),觀測時(shí)段徑流量取當(dāng)時(shí)觀測期間大通實(shí)測值，由于缺少實(shí)測風(fēng)況，取近30年月平均值。

圖1 模式計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格(a)，放大的南北支分汊口區(qū)域網(wǎng)格：50年代(b)、70年代(c)和2012年(d)Fig.1 The model domain and grids (a)，the enlarged area near the bifurcation of the South and North Branch in 1950s (b), 1970s (c) and 2012 (d)

圖2 驗(yàn)證模式的測點(diǎn)位置Fig.2 The location of the measured sites for model validation

圖3 測點(diǎn)B、D、E、F、G、H的水位隨時(shí)時(shí)間變化Fig.3 Temporal variation of water level at measured site B, D, E, F, G and H實(shí)線：模式計(jì)算值；虛線：實(shí)測值Solidline: simulated; dashed line: measured

圖5 測點(diǎn)C點(diǎn)表層(上)、中層(中)和底層(下)流速(左)和流向(右)隨時(shí)間變化Fig.5 Temporal variation of current speed (left) and direction (right) at surface (upper)、middle (middle) and bottom (lower) layer atmeasured site C實(shí)線：模式計(jì)算值；虛線：實(shí)測值Solid line: simulated; dashed line: measured

圖6 測點(diǎn)E(左)和H(右)垂向平均流速隨時(shí)間變化Fig.6 Temporal variation of vertical averaged current at measured site E (left) and H (right)實(shí)線：模式計(jì)算值；虛線：實(shí)測值Solid line: simulated; dashed line: measured

圖7 長江河口1月最大潮差分布Fig.7 Distribution of the maximum tidal range in January in the Changjiang Estuarya：50年代；b：70年代；c：2012年a: 1950s; b: 1970s; c: 2012

圖8 長江河口不同年代1月最大潮差變化Fig.8 The change of the maximum tidal range in January in the Changjiang Estuary between different agesa.70年代-50年代；b.2012年-70年代a.1970s-1950s; b.2012-1970s

圖9 50年代大潮漲急(a)和落急(b)時(shí)刻流場Fig.9 Current at the maximum flood (a) and maximum ebb (b) in 1950s

圖10 70年代大潮漲急(a)和落急(b)時(shí)刻流場Fig.10 Current at the maximum flood (a) and maximum ebb (b) in 1970s

圖11 2012年大潮漲急(a)和落急(b)時(shí)刻流場Fig.11 Current at the maximum flood (a) and maximum ebb (b) in 2012

圖12 大潮期間的單寬余水通量分布Fig.12 Distribution of the unit width residual water transport in spring tidea.50年代；b.70年代；c.2012年a.1950s; b.1970s; c.2012

測點(diǎn)B位于南槽的南匯邊灘附近，模式計(jì)算的潮差略小于實(shí)測值，但水位過程線與實(shí)測值吻合良好(圖3)。測點(diǎn)F位于吳淞口上游附近，水位過程線與實(shí)測值十分接近。測點(diǎn)D位于南支南岸、瀏河口附近，在落潮過程中水位計(jì)算值比實(shí)測值低，漲潮過程中比實(shí)測值高。測點(diǎn)G位于南支北岸、堡鎮(zhèn)上游，同樣在落潮過程中水位計(jì)算值比實(shí)測值低，漲潮過程中比實(shí)測值高，但誤差比測點(diǎn)D要小。測點(diǎn)E位于南支南岸、測點(diǎn)F上游，在落潮過程中計(jì)算值比實(shí)測值小，漲潮過程中兩者吻合良好。測點(diǎn)H位于堡鎮(zhèn)附近，同樣在落潮過程中計(jì)算值比實(shí)測值小，漲潮過程中兩者吻合較好。

對(duì)流速和流向的驗(yàn)證，在測點(diǎn)A(圖4)，在1974年8月4日0時(shí)至5時(shí)落潮流過程中模式計(jì)算流速位相比實(shí)測超前，尤其在表層達(dá)到了1.5 h；在隨后的漲潮流過程中，流速計(jì)算值與實(shí)測值溫和良好，但流向誤差相對(duì)較大。在測點(diǎn)C(圖5)，在表層落憩至漲急過程中計(jì)算流速位相超前觀測值，在漲急至漲憩過程中計(jì)算流速位相落后于實(shí)測值，中層和底層流速計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好；計(jì)算的表層和中層流向往復(fù)性比實(shí)測的要強(qiáng)。在測點(diǎn)E和H(圖6)，僅有實(shí)測垂向平均流速，模式計(jì)算值位相略微落后于實(shí)測值，流速量值吻合良好。總體上，模式計(jì)算的70年代水位、流速和流向與實(shí)測值吻合較好，表明模式能模擬70年代長江河口水動(dòng)力過程。

3 潮汐和潮流

3.1 最大潮差

為分析河勢(shì)變化引起的潮汐變化，本文計(jì)算50年代、70年代和2012年1月潮差最大值的空間分布，以及50年代至70年代、70年代至2012年期間最大潮差變化的空間分布。從最大潮差分布圖中可以看出(圖7)，3個(gè)年代的潮差空間變化基本相同。潮差從口外往上游逐漸減小，在口門附近最大潮差均在4 m左右，到南北支分汊口附近最大潮差降到3 m左右，北支潮差大于南支潮差，各汊道北岸潮差大于南岸。在50年代，南支最大潮差從口外至口內(nèi)逐步減小，從橫沙島至崇頭約90 km內(nèi)最大潮差減小約1 m；北支中下段最大潮差幾乎不變，在上段最大潮差迅速減小，從永隆沙至崇頭約26 km內(nèi)最大潮差減小約1 m。在70年代，南支最大潮差從橫沙島至崇頭減小約0.8 m；北支下段最大潮差往上游逐漸減小，北支口往上25 km內(nèi)最大潮差減小約0.4 m，而在中上段最大潮差不變。在2012年，南支最大潮差從橫沙島至崇頭減小約0.8 m；由于崇明北緣北灘的嚴(yán)重淤積，北支下段北岸最大潮差比南岸大0.4 m左右；上段在轉(zhuǎn)彎處至崇頭最大潮差減小十分顯著，在13 km內(nèi)減小了約0.6 m。

從最大潮差變化分布圖中可以看出(圖8)，最大潮差在3個(gè)年代間的變化主要在北支區(qū)域。50年代至70年代，北支潮差減小，減小區(qū)域集中在北支中段，最大潮差減小量值達(dá)到0.8 m。潮差的減小的原因是由于70年代北支水深較50年代變淺，潮汐在傳播的過程中底摩擦作用增強(qiáng)，減小了潮波能量。但2012年相比70年代北支潮差增大，最大潮差增大達(dá)到0.6 m，原因是北支岸線的束窄作用，使北支喇叭口形狀愈發(fā)顯著，北支成為漲潮流為主的漲潮槽，潮差隨之增大。

3.2 潮流

給出50年代、70年代和2012年大潮最大潮差時(shí)漲急和落急的垂向平均流場分布(圖9～圖11)，分析河勢(shì)變化對(duì)潮流的影響。漲急和落急的參考點(diǎn)為堡鎮(zhèn)水文站。大潮漲急時(shí)刻，在50年代，口門外水流朝北，近口門區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)向西北；在口門內(nèi)南支流速在1.5 m/s左右，流速分布均勻，空間變化不大；北支流速在1 m/s左右，中下段流速變化不大，上段流速減小。在70年代，南支下段流速在1.5 m/s左右，往上游流速逐漸減小，到南北支分汊口流速幾乎為0；北支流場和南支類似，在下段流速在1.5 m/s左右，在永隆沙區(qū)域流速顯著減小，北支上段流速幾乎都為0。至2012年，南支流速分布均勻，為1.5 m/s左右；北支下段流速北側(cè)大于南側(cè)，北側(cè)流速為0.8 m/s左右，向南逐漸減小，至南岸流速減為0，往上游流速逐漸增大，中上段流速可達(dá)1.5 m/s，在崇頭附近流速朝下游，大小為0.7 m/s左右。

大潮落急時(shí)刻，在50年代，南支流速在主槽較大，為1.5 m/s左右，兩側(cè)較小，為1.2 m/s左右；在南北港分流后北港流速略大于南港；北支中上段流速為1 m/s左右，下段北側(cè)流速大，為1 m/s左右，南側(cè)流速小，為0.6 m/s左右。在70年代，南支上段流速分布均勻，為1.4 m/s左右，中下段主槽靠南側(cè)，導(dǎo)致流速南側(cè)大，為1.5 m/s左右，北側(cè)小，為1.2 m/s左右；南北港流速相差不大，都為1.5 m/s左右；北支流速上段小，為0.5 m/s，往下游流速逐漸變大，下段流速縱向變化不大，量值1 m/s左右。至2012年，南支上段流速分布均勻，為1.4 m/s左右，中段流速南側(cè)大、北側(cè)小，南側(cè)流速達(dá)到1.6 m/s，北側(cè)流速為0.5 m/s；南北港流速接近，均在1.5 m/s左右；北支上段流速很小，僅為0.17 m/s，往下游流速逐漸變大，下段北側(cè)流速為0.8 m/s，下段南側(cè)流速為0。

4 單寬余通量、斷面水通量和分流比

4.1 單寬余通量

選取6個(gè)完整的大潮周期內(nèi)的單寬余通量數(shù)據(jù)，將其分解成Euler余流和Stokes漂流，分析3個(gè)年代河勢(shì)變化對(duì)水體輸運(yùn)的影響。

單寬余通量的表達(dá)式為：

(1)

D=〈D〉+Dt，

(2)

(3)

(4)

等式右邊第一項(xiàng)表示Euler單寬余通量，第二項(xiàng)表示Stokes單寬漂流通量。

從大潮期間單寬水通量的分布來看(圖12)，在50年代，南支水通量靠南岸向下游輸運(yùn)，量值約為5 m3/s，至南北港分汊口后，水通量方向轉(zhuǎn)向北港；北支下段水通量向上游輸運(yùn)，量值約為0.45 m3/s，上段水通量較小。在70年代，南支水通量仍靠南岸輸運(yùn)，量值約為5 m3/s，至南北港分汊口后，南港水通量大于北港水通量；北支上段水通量向下游，量值約為0.5 m3/s，下段水通量較小。在2012年，南支水通量仍靠南岸輸運(yùn)，量值約為5 m3/s，至南北港分汊口后，南北港水通量較為接近，北港稍大；整個(gè)北支水通量向上游，量值約為0.55 m3/s，表明在大潮期間北支水體凈向上游和南支輸運(yùn)。

從單寬Euler水輸運(yùn)分布來看(圖13)，在50年代，受徑流作用Euler輸運(yùn)向海，南支量值約為5.5 m3/s，北支約為0.75 m3/s；在南北港分汊口Euler輸運(yùn)轉(zhuǎn)向北港，北港Euler輸運(yùn)輸運(yùn)大于南港。在70年代，Euler輸運(yùn)在南支量值約為5.5 m3/s，在北支約為0.48 m3/s；在南北港分汊口Euler輸運(yùn)指向南港，導(dǎo)致Euler輸運(yùn)南港大于北港；在2012年，南支Euler輸運(yùn)約為5.5 m3/s，北支無固定的輸運(yùn)方向；在南北港分汊口Euler輸運(yùn)分為兩路，南港分流較大。3個(gè)年代Euler輸運(yùn)在北支的變化表明北支對(duì)徑流的分流作用隨年代逐漸減小，南北港分流的變化是由于主河道的變遷導(dǎo)致的，其變化與主河道的走向變化一致。

圖13 大潮期間的單寬Euler水通量分布Fig.13 Distribution of the unit width Euler residual water transport in spring tidea.50年代；b.70年代；c.2012年a.1950s; b.1970s; c.2012

圖14 大潮期間的單寬Stokes漂流水通量分布Fig.14 Distribution of the unit width Stokes drift water flux in spring tidea.50年代；b.70年代；c.2012年a.1950s; b.1970s; c.2012

從Stokes漂流分布來看(圖14)，3個(gè)年代長江口內(nèi)外Stokes漂流方向均向陸。在50年代，南支Stokes漂流通量大小約為1.5 m3/s，北支約為1 m3/s。在70年代，南支Stokes漂流分布和50年代基本沒有變化，但北支上段和中段Stokes漂流比50年代減小顯著，量值僅為0.47 m3/s左右，這是由于北支水深變淺，潮差減小，導(dǎo)致向陸的Stokes漂流減小。在2012年，南支Stokes漂流仍與上兩個(gè)年代類似，北支Stokes漂流較70年代略有增加，量值約為0.58 m3/s。

4.2 分汊口水通量和分流比

本節(jié)給出南北支、南北港斷面大潮和小潮期間漲潮、落潮和凈水通量和分流比，漲落潮通量由6個(gè)完整潮周期內(nèi)漲潮、落潮時(shí)的總通量除以總時(shí)間計(jì)算，凈水通量由6個(gè)潮周期內(nèi)的總通量除以總時(shí)間計(jì)算,結(jié)果正值表示向海通量，負(fù)值表示向陸通量。分汊口橫斷面位置見本系列論文Ⅰ中圖4所示[13]，北支通量由斷面sec 1計(jì)算得到，南支通量由斷面sec 5計(jì)算得到，南北港通量分別由斷面sec 7南北側(cè)部分計(jì)算得到。

4.2.1 南北支

大潮期間南北支漲潮、落潮和凈水通量和分流比見表1和表2。從50年代至70年代，再從70 年代至2012年，南支漲潮、落潮和凈通量先減小、再增大，而北支一直處于減小中，至現(xiàn)代北支甚至出現(xiàn)凈水通量為負(fù)的情況，即北支水體倒灌南支。在50、70年代和2012年，北支的漲潮分流比分別為12.9%、7.3%和3.4%，落潮分流比分別為9.6%、5.4%和1.5%，兩者一直處于下降中，凈分流比分別為2.2%、6.8%和-2.5%，呈現(xiàn)先增加、后減小，再至水體倒灌。從上文 Ⅰ[13]中河勢(shì)分析可知，北支一直處于縮窄和淤積狀態(tài)，容積變小，導(dǎo)致漲潮和落潮水通量減小，但從50年代至70年代，北支凈通量和凈分流比增加，原因是北支向陸Stokes漂流減小明顯，北支向海凈通量變大。從70年代至2012年，北支凈通量和凈分流比減小、甚至出現(xiàn)水體倒灌，原因是北支喇叭口形狀趨于明顯、上段淤淺且與南支幾成直角，導(dǎo)致向陸Stokes漂流的增大。

表1 大潮期間南北支漲潮、落潮和凈水通量(m3/s)

表2 大潮期間南北支漲潮、落潮和凈分流比(%)

小潮期間南北支漲潮、落潮和凈水通量和分流比見表3和表4。南北支水通量和分流比從50年代至70年代，再從70 年代至2012年的變化趨勢(shì)與大潮期間一致。由于小潮期間潮動(dòng)力弱，漲落潮水通量都比大潮期間小，對(duì)凈通量由于小潮期間潮汐的減弱，長江上游來水進(jìn)入北支，沒有出現(xiàn)北支水體倒灌進(jìn)入南支現(xiàn)象。在50年代、70年代和2012年，北支的漲潮分流比分別為14.4%、8.4%和2.6%，落潮分流比分別為11.5%、5.6%和1.3%，同樣兩者一直處于下降中，凈分流比分別為3.0%、5.0%和0.6%，呈現(xiàn)先增加、后減小的趨勢(shì)。

表3 小潮期間南北支漲潮、落潮和凈水通量(m3/s)

表4 小潮期間南北支漲潮、落潮和凈分流比(%)

4.2.2 南北港

大潮期間南北港漲潮、落潮和凈通量和分流比見表5和表6。在50年代、70年代和 2012年，漲潮通量在南港變小，在北港先變大、后減小，落潮通量在南港變小，在北港增大。在50年代、70年代和2012年，北港的漲潮分流比分別為47.8%、51.5%和52.7%，落潮分流比分別為47.5%、49.0%和50.7%，漲潮和落潮分流比均處于增加中，變化原因是在這3個(gè)年代北港河道不斷變寬變深，南港河道水深變淺。從50年代至70年代，再從70 年代至2012年，南港凈通量先增加、后減小，北港凈通量先減小、后增大，在這3個(gè)年代北港凈分流比分別為60.8%、44.8%和55.2%，先減小、后增大。南北港凈通量的變化是由于南支下段主河道的遷移，50年代瀏河沙靠近南岸，主河道向北轉(zhuǎn)向，北港凈分流比大于南港。到70年代老瀏河沙北靠，新瀏河沙逐漸發(fā)育，使主河道轉(zhuǎn)到南港，導(dǎo)致南港凈分流比增加。到2012年，新瀏河沙形成，主流再次轉(zhuǎn)向北港，使北港分流增加。凈分流比的變化與上文單寬水通量的分布變化一致。

表5 大潮期間南北港漲潮、落潮和凈水通量(m3/s)

表6 大潮期間南北港漲潮、落潮和凈分流比(%)

小潮期間南北支漲潮、落潮和凈水通量和分流比見表7和表8。在50年代、70年代和 2012年，漲潮通量在南港變小，在北港先變大、后減小，變化趨勢(shì)與大潮期間一致，落潮通量在南港變大，在北港也增大。在50年代、70年代和2012年，北港的漲潮分流比分別為47.0%、51.2%和51.8%，落潮分流比分別為48.4%、49.6%和50.2%，漲潮和落潮分流比均增加，從50年代至70年代，再從70 年代至2012年，南港凈通量先增加、后減小，北港凈通量先減小、后增大，在這3個(gè)年代北港凈分流比分別為61.2%、48.9%和56.0%，先減小、后增大，變化原因與大潮期間一致。

表7 小潮期間南北港漲潮、落潮和凈通量(m3/s)

表8 小潮期間南北港漲潮、落潮和凈分流比(%)

5 結(jié)論

本文基于本系列論文 Ⅰ 中數(shù)值化的長江河口20世紀(jì)50年代、70年代海圖獲得的岸線和水深資料，以及2012年水深實(shí)測資料，設(shè)置不同年代數(shù)值模式網(wǎng)格，考慮多年1月平均徑流量、外海16個(gè)主要分潮和氣候態(tài)海表面風(fēng)應(yīng)力，建立長江河口水動(dòng)力和鹽水入侵三維數(shù)值模式，模擬和分析河勢(shì)變化對(duì)潮汐潮流、單寬余通量、分汊口水通量和分流比和變化原因。利用70年代的實(shí)測水位、流速和流向資料，結(jié)合70年代河勢(shì)，驗(yàn)證數(shù)值模式，結(jié)果表明模式計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好。

50年代、70年代和2012年長江河口潮差空間變化基本相同，從口外往上游逐漸減小，最大潮差在3個(gè)年代間的變化主要在北支區(qū)域。50年代至70年代，北支潮差減小，減小區(qū)域集中在北支中段，最大潮差減小量達(dá)到0.8 m，原因是由于70年代北支水深較50年代變淺。2012年相比70年代北支潮差增大，最大潮差增大達(dá)到0.6 m，原因是北支岸線的束窄作用，使北支喇叭口形狀愈發(fā)顯著。

單寬凈水通量在南支主要沿主河道向下游輸運(yùn)，在50年代北港凈水通量大于南港水通量，北支下段凈水通量向上游輸運(yùn)、上段凈水通量較??；在70年代南港凈水通量大于北港水通量，北支下段凈水通量較小、上段凈水通量向下游；在2012年，南北港凈水通量較為接近，北港稍大，整個(gè)北支凈水通量向上游。單寬Euler水輸運(yùn)受徑流作用向海輸運(yùn)，在北支隨年代逐漸減小，在南北港的變化是由于主河道的變遷造成的。3個(gè)年代長江口內(nèi)外Stokes漂流方向均向陸，相比50年代和70年代南支Stokes漂流分布基本沒有變化，北支上段和中段減小顯著，這是由于北支水深變淺，潮差減小導(dǎo)致的。在2012年，南支Stokes漂流與上兩個(gè)年代類似，北支Stokes漂流較70年代略有增加。

定量給出了南北支、南北港大潮期間和小潮期間漲潮、落潮和凈水水量和分流比。大潮期間，從50年代至70年代，再從70 年代至2012年，南支漲落、落潮和凈通量先減小、再增大，北支一直處于減小中，至現(xiàn)代北支出現(xiàn)凈水通量為負(fù)、水體倒灌南支的情況；北支的漲潮和落潮分流比處于下降中，3個(gè)年代凈分流比分別為2.2%、6.8%和-2.5%，呈現(xiàn)先增加、后減小，再至水體倒灌。從河勢(shì)變化上說明了凈通量和凈分流比變化的原因。小潮期間，南北支水通量和分流比從50年代至70年代，再從70 年代至2012年的變化趨勢(shì)與大潮期間一致，由于小潮期間潮動(dòng)力弱，漲落潮通量都比大潮期間小。3個(gè)年代北支凈分流比分別為3.0%、5.0%和0.6%，呈現(xiàn)先增加、后減小的趨勢(shì)。

對(duì)南北港，大潮期間，南港漲潮通量在3個(gè)年代在變小，北港先變大、后減小，落潮通量南港在變小，北港在增大。北港的漲潮和落潮分流比在3個(gè)年代處于增加中。從50年代至70年代，再從70 年代至2012年，南港凈水通量先增加、后減小，北港凈通量先減小、后增大，北港凈分流比分別為60.8%、44.8%和55.2%，先減小、后增大。小潮期間，3個(gè)年代漲潮和落潮通量變化與大潮期間基本一致，北港漲潮和落潮分流比均增加；南港凈通量先增加、后減小，北港凈通量先減小、后增大，3個(gè)年代北港凈分流比分別為61.2%、48.9%和56.0%，先減小、后增大。漲潮、落潮、凈通量和分流比在3個(gè)年代的變化與河勢(shì)變化、單寬水通量的分布變化一致。

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Zhu Jianrong, Bao Daoyang. The effects of river regime changes in the Changjiang Estuary on hydrodynamics and salinity intrusion in the past 60 years I. River regime changes[J]. Haiyang Xuebao, 2016,38(12):11-22.

The effects of river regime changes in the Changjiang Estuary on hydrodynamics and salinity intrusion in the past 60 years Ⅱ. Hydrodynamics

Bao Daoyang1, Zhu Jianrong1

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

In this paper, with the digitized data of 1950s and 1970s and measured date of 2012, model grids were designed. Considering the effects of runoff, tide and wind stress, a 3D numerical model of Changjiang Estuary was built to simulate and analyze the tide, residual water transport, water flux and split ratio in bifurcations and the effects of river regime changes on them. The changes of the maximum tidal range occurs mainly in the North Branch, the tidal range of middle reaches of the North Branch decreased from 1950s to 1970s, and increased from 1970s to 2012.In 1950s, the residual water transport was greater in the North Channel than in the South Channel,transported toward the upper reaches in the lower reaches of the North Branch and its value was low in the upper reaches of the North Branch. In 1970s, the residual water transport was greater in the South Channel than in the North Channel, transported toward the lower reaches in the upper reaches of the North Branch and its value was low in the lower reaches of the North Branch. In 2012, the residual transport was equivalent in the North Channel and the South Channel,transported toward the upper reaches in the North Branch. The flood, ebb and net water split ratio during spring and neap tide in the North and South Branch, and the North and South Channel in the three times was given and the reason of change was analyzed based on the change of river regime.

Changjiang Estuary; river regime change; tidal range; tidal current; residual transport;split ratio

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.02.001

2016-03-04；

2016-05-07。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41476077)；上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(14231200402)。

鮑道陽(1991—)，男，上海市人，從事河口海岸動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:bdy1991@hotmail.com

*通信作者：朱建榮(1964—)，男，浙江省海寧市人，研究員，從事河口海岸動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn

P731.23

A

0253-4193(2017)02-0001-15

鮑道陽，朱建榮. 近60年來長江河口河勢(shì)變化及其對(duì)水動(dòng)力和鹽水入侵的影響Ⅱ.水動(dòng)力[J].海洋學(xué)報(bào)，2017，39(2)：1—15,

Bao Daoyang, Zhu Jianrong. The effects of river regime changes in the Changjiang Estuary on hydrodynamics and salinity intrusion in the past 60 years Ⅱ. Hydrodynamics[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(2)：1—15, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.02.001