引江濟淮工程對長江口咸潮入侵的影響研究

朱建榮，白鳳朋

（1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；2.長江水資源保護科學研究所，武漢 430051）

引江濟淮工程是以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運為主，結合灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境的大型跨流域調(diào)水工程。工程溝通長江、淮河兩大水系，潤澤安徽、惠及河南、造?；春?、輻射長江，具有保障供水、發(fā)展航運、改善水環(huán)境等巨大綜合效益。引江濟淮工程對促進長江經(jīng)濟帶建設和支撐安徽、河南兩省發(fā)展具有重要意義。同時可以實現(xiàn)長江航道網(wǎng)與淮河航道網(wǎng)互聯(lián)互通，加強長江經(jīng)濟帶交通基礎建設，加快綠色生態(tài)廊道建設，促進長江經(jīng)濟帶和中原經(jīng)濟區(qū)的協(xié)調(diào)發(fā)展。長江河口咸潮入侵主要受徑流和潮汐的作用，另外還受風應力、口外陸架環(huán)流和河勢變化等影響。長江徑流量具有顯著的季節(jié)性變化，枯季1-2月平均徑流量約為洪季7-8月平均徑流量的四分之一，故影響水源地取水的咸潮入侵一般發(fā)生在枯季。徑流量大，咸潮入侵弱；徑流量小，咸潮入侵強。除了季節(jié)性自然變化引起徑流量變化外，人類活動，如流域重大工程（三峽大壩、南水北調(diào)工程、引江濟淮工程等），會改變長江入海徑流量，從而影響咸潮入侵和淡水資源。

在研究河口區(qū)域時，為了提高模式計算的精度和網(wǎng)格局部地區(qū)的空間分辨率，目前已有多種優(yōu)秀模型采用了正交曲線網(wǎng)格或非結構網(wǎng)格[1]。CHEN等人[2]發(fā)展了非正交坐標曲線網(wǎng)格下的ECOM模式，以此來擬合復雜彎曲的岸線。CHEN等人[3]采用Euler-Lagrange方法計算物質(zhì)輸運方程的平流項，該方法可以有效地避免數(shù)值頻散；朱建榮等[4]采用預估修正法計算科氏力項，修正了模式在渦動粘滯系數(shù)較小的時候存在的弱不穩(wěn)定性；WU等人[5]開發(fā)了3階精度的HSIMT-TVD數(shù)值格式并用于ECOM-si模式中求解物質(zhì)輸運方程中的平流項，達到消除數(shù)值頻散、降低耗散等目的，提高了鹽度計算的精度；陶英佳等[6]基于FVCOM數(shù)值模型建立了長江口咸潮入侵預報系統(tǒng)；陳祖軍[7]對后三峽工程時代的長江口水源地鹽水入侵特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)一般在農(nóng)歷9月至來年4月間，尤以2月咸潮入侵最為嚴重。

本文采用ECOM-si三維數(shù)值模式，在分析引江濟淮工程對長江入海徑流量影響和模型驗證的基礎上，分別研究在2030年50%，75%和90%徑流保證率和大潮情景下引江濟淮工程對長江口咸水入侵的影響，為研究引江濟淮工程引起的長江口生態(tài)環(huán)境變化提供科學依據(jù)。

1 三維數(shù)值模式的設置和驗證

1.1 模式設置

本項目采用三維數(shù)值模式ECOM-si,該模式長期應用于長江河口地區(qū)水動力過程和鹽水入侵等方面的研究，并取得諸多成果[4，5，8]。模型計算范圍包括整個長江河口、杭州灣和鄰近海區(qū)，外海開邊界東邊界到125°E附近，北邊界到33.5°N附近，南邊界到27.5°N附近[圖1（a）]。上游邊界設在長江潮區(qū)界大通，這樣可直接采用大通水文站的實測徑流量資料來給出模式的徑流邊界條件。模式網(wǎng)格較好地擬合了長江河口的岸線，并主要對南北支分汊口以及北槽深水航道工程區(qū)域的網(wǎng)格進行了局部加密。在長江河口內(nèi)網(wǎng)格分辨率為100～500 m，口外網(wǎng)格較疏，分辨率最大為10 km。垂向采用σ坐標，均勻分為10層。模式干濕判別法中，臨界水深取0.2 m。模式初始水位和流速場均取0，溫度和鹽度初始場在長江口外由《渤海黃海東海海洋圖集（水文）》數(shù)字化得到，河口內(nèi)由枯季多次實測資料插值得到。上游開邊界以通量（徑流量）形式給出，取大通水文站實測資料不同保證率下的徑流量。

模型采用隱式格式求解水位，代替了POM模式中利用分裂算法求解水位的方法。模式水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格配置，垂直方向采用σ坐標。模式采用隱式方法求解正壓梯度力，連續(xù)方程利用半隱格式進行求解，從而提高模式的計算效率，回避了因CFL判據(jù)而限制的時間步長條件。模式對水平粘滯和擴散項采用顯示差分以增加計算效率，對垂向粘滯項和垂向擴散項采用隱式差分求解，從而保證其垂向上的分辨率和穩(wěn)定性。采用Mellor和Yamada提出的2.5階湍流閉合模型來計算垂向粘滯系數(shù)和垂向擴散系數(shù)[9]。

圖1 長江口鹽度模型計算網(wǎng)格圖Fig.1 The calculation grid of the salinity model for the Yangtze River Estuary

1.2 模式驗證

采用2011年12月至2012年1月期間長江河口鹽度觀測資料對模型計算鹽度結果進行驗證。其中，在2011年12月24日至2012年1月13日期間，在A，B，C和D測點位置利用航道浮標懸掛CTD，對各點表層鹽度值進行長時間序列的觀測。在2012年1月2日至5日小潮期間和1月10日至13日大潮期間利用OBS進行多船準同步，對E，G，H，I和J測點進行鹽度觀測。測站位置如圖2。徑流、風等因素對鹽水入侵有很強的影響，因此給出觀測期間的徑流量和風應力情況，其中風場僅給出崇明東灘附近一個網(wǎng)格點的風速、風向以作示意（圖3）。模式計算結果和實測值對比如圖4，吻合良好。

圖2 2011年12月至2012年1月鹽度驗證點位置Fig.2 Map of salinity verification point position

圖3 2011年12月至2012年1月大通站徑流量和崇明東灘附近風速、風向Fig.3 Discharge of Datong Station and wind velocity and di?rection of Chongmingdongtan Station

A，B兩個測站位于北支口，該區(qū)域大小潮期間均為高鹽水覆蓋，鹽度值介于25～30，受漲落潮影響，鹽度日變化顯著。C測站位于青草沙取水口附近，在66～71 d期間鹽度明顯增加，表明該時段鹽水入侵對水庫取水造成嚴重影響。D測站位于北港口，63 d前鹽度值基本低于10，之后鹽度值陡增至25，表明外海來的高鹽水增多，鹽水入侵增強。C測站和D測站鹽度明顯升高均發(fā)生在62～71 d期間，該時間段為小潮及小潮后的中潮。對比徑流量和風速風向可以發(fā)現(xiàn)，這段時間內(nèi)徑流量偏低，易造成鹽水入侵，同時在60～70 d北風極強，外海高鹽水在科氏力作用下向北港內(nèi)輸運，造成鹽水入侵加劇。

圖4 表層鹽度實測值（點）與模型計算結果（線）比較Fig.4 Comparison of measured values(points)with model cal?culation results(lines)of surface salinity

2 計算工況

長江河口咸潮入侵主要受徑流和潮汐的作用。長江徑流量具有顯著的季節(jié)性變化，枯季1-2月平均徑流量約為洪季7-8月平均徑流量的四分之一，故影響水源地取水的咸潮入侵一般發(fā)生在枯季。徑流量大，咸潮入侵弱；徑流量小，咸潮入侵強。除了季節(jié)性自然變化引起徑流量變化外，人類活動，如流域重大工程（三峽大壩、南水北調(diào)工程、引江濟淮工程等），會改變長江入海徑流量，從而影響咸潮入侵和淡水資源。不同保證率下徑流量不同，引水工程對咸潮入侵和淡水資源的影響不同。為此，本研究給出了50%，75%和90%保證率下徑流量分別為9 666 m3/s、8 614 m3/s、7 780 m3/s，對應1976年2月、1962年2月和1972年1月的實測平均徑流量，同時考慮了2030年引水工程改變徑流量的情景。由于三峽工程和南水北調(diào)東線、中線工程已建，一起考慮它們的影響，剝離它們對咸潮入侵和淡水資源的影響，即不考慮引水工程2030前景流量。詳細的徑流量參見表1。

表1 不同保證率2030年情景長江徑流量（m3/s）Tab.1 Discharges of the Yangtze River for different assurance rates of the 2030 scene(m3/s)

不同的潮汐會產(chǎn)生不同強度的咸潮入侵，本研究考慮最近20年內(nèi)大潮期間潮差最大值對應的潮型為典型大潮。利用潮汐調(diào)和常數(shù)計算近35年中浚潮差，作為典型大潮和一般大潮時段的依據(jù)。最大潮差極大值出現(xiàn)在1988年2月18日，量值達到4.03 m（圖5）。最大潮差的中值出現(xiàn)在1996年2月21日，最大潮差為3.90 m（圖6），由于水動力趨于準穩(wěn)定需要時間，對應不同保證率下的徑流量對應月份，模式提前1個月運行，相應的典型大潮期間潮位給出2個月的變化過程線，前一月對應模式的調(diào)整，后一月為輸出和分析咸潮入侵和淡水資源分布變化的時段。

圖5 長江口中浚站設計典型大潮時段(1988年1，2月)Fig.5 Design of typical high tidal periods in the Zhongjun sta?tion of the Yangtze River Estuary

圖6 長江口中浚站設計一般潮型時段(1996年1，2月)Fig.6 Design of general tidal periods in the Zhongjun station of the Yangtze River Estuary

3 結果和分析

3.1 50%保證率徑流量下工程對長江河口鹽水入侵和淡水資源的影響

在50%保證率徑流量9 666 m3/s情況下，未考慮引江濟淮工程時2030年情景徑流量修正為11 073 m3/s。在此基礎上，再考慮引江濟淮工程，徑流量修正至11 072 m3/s。也就是說，至2030年情景引江濟淮工程引水流量僅為1 m3/s。定性上講如此小的徑流量減少對長江河口咸潮入侵和淡水資源的影響

圖7 50%保證率徑流量下大潮期間平均表層鹽度差值分布（引江濟淮工程后減去引江濟淮工程前，下同）Fig.7 Distribution of average surface salinity difference dur?ing the period of the high tide at 50%guaranteed rate runoff

3.2 75%保證率徑流量下工程對長江河口鹽水入侵和淡水資源的影響

在75%保證率徑流量8 614 m3/s情況下，未考慮引江濟淮工程時2030年情景徑流量修正為11 210 m3/s。在此基礎上，再考慮引江濟淮工程，徑流量修正至11 038 m3/s。也就是說，至2030年情景引江濟淮工程引水流量為172 m3/s。入海徑流量減少172 m3/s，定性上講徑流量減少會增強長江河口咸潮入侵和減少淡水資源。

因引江濟淮工程2030年情景減小徑流量172 m3/s，導致咸潮入侵有所加強，淡水資源有所減小。大潮落憩時刻考慮引江濟淮工程長江河口淡水體積為5.771 6 km3，比引江濟淮工程前減小了0.114 3 km3。從引江濟淮工程前后大潮期間潮周期平均表層和底層的鹽度差異（圖9、10）看，因徑流量減小應是微小的。

圖7和圖8分別為引江濟淮工程前后大潮期間潮周期平均的表層和底層鹽度分布的差值。因引江濟淮工程2030年情景僅減小徑流量1 m3/s，導致咸潮入侵和淡水資源的變化十分微小。大潮落憩時刻考慮引江濟淮工程的長江河口鹽度小于0.45的淡水體積為5.793 3 km3，比引江濟淮工程前減小了0.003 7 km3，幾乎無變化。從引江濟淮工程前后大潮期間潮周期平均表層和底層的鹽度差異看，因徑流量僅減小1 m3/s，整個長江河口鹽度幾乎無變化。172 m3/s，整個長江河口鹽度有所上升，在北港、南港攔門沙區(qū)域和北支上段鹽度上升約為0.1。

圖8 50%保證率徑流量下大潮期間平均底層鹽度差值分布Fig.8 Distribution of average bottom salinity difference during the period of the high tide at 50%guaranteed rate runoff

圖9 75%保證率徑流量下大潮期間平均表層鹽度差值分布Fig.9 Distribution of average surface salinity difference dur?ing the period of the high tide at 75%guaranteed rate runoff

圖10 75%保證率徑流量下大潮期間平均底層鹽度差值分布Fig.10 Distribution of average bottom salinity difference dur?ing the period of the high tide at 75%guaranteed rate runoff

3.3 90%保證率徑流量下工程對長江河口鹽水入侵和淡水資源的影響

在90%保證率徑流量7 780 m3/s情況下，未考慮引江濟淮工程時2030年情景徑流量修正為8 858 m3/s。在此基礎上，再考慮引江濟淮工程，徑流量修正至8 658 m3/s。也就是說，至2030年情景引江濟淮工程引水流量為200 m3/s。入海徑流量減少200 m3/s，定性上講徑流量減少會增強長江河口咸潮入侵和減少淡水資源。

因引江濟淮工程2030年情景減小徑流量200 m3/s，導致咸潮入侵有所加強，淡水資源有所減小。大潮落憩時刻考慮引江濟淮工程長江河口淡水體積為2.052 5 km3，比引江濟淮工程前減小了0.167 0 km3。從引江濟淮工程前后大潮期間潮周期平均表層和底層的鹽度差異（圖11、圖12）看，因徑流量減小200 m3/s，整個長江河口鹽度有所上升，在北港、南港攔門沙區(qū)域和北支上段鹽度上升超過0.1。

圖11 90%保證率徑流量下大潮期間平均表層鹽度差值分布Fig.11 Distribution of average surface salinity difference dur?ing the period of the high tide at 90%guaranteed rate runoff

圖12 90%保證率徑流量下大潮期間平均底層鹽度差值分布Fig.12 Distribution of average bottom salinity difference dur?ing the period of the high tid eat 90%guaranteed rate runoff

4 結論

應用三維數(shù)值模式ECOM-si研究引江濟淮工程對長江河口咸潮入侵和淡水量的影響，采用2011年12月至2012年1月期間長江河口鹽度觀測資料對模型計算鹽度結果進行驗證，模式計算結果與實測值吻合良好。

設計計算工程，分別分析了在2030年50%、75%和90%保證率徑流量引江濟淮工程對長江入海徑流的影響。在此基礎上，應用驗證后的數(shù)學模型對三個保證率下引江濟淮工程引起的長江口咸水入侵狀況進行了數(shù)值計算。結果表明，50%保證率徑流量下工程對長江河口咸潮入侵和淡水資源的影響可以忽略；75%和90%保證率徑流量下工程引起長江河口鹽度上升，在北港和南港攔門沙區(qū)域、北支上段鹽度上升約為0.1，淡水資源略微減小?？傮w來講，引江濟淮工程對長江咸潮入侵和淡水資源的影響較小。