長江口鹽水入侵特征及規(guī)律

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

1 研究背景

長江口自徐六涇以下，河口呈現(xiàn)三級分汊、四口分流格局[1]。崇明島把長江口分為南支、北支，即一級分汊，受徐六涇節(jié)點河段來水來沙控制，徐六涇河寬最窄處為5.7 km；南支在吳淞口以下由長興、橫沙島分為南港、北港，即二級分汊；九段沙又把南港分為南槽、北槽，即三級分汊[2]，其上口代表斷面(橫沙水文站—川揚河口)河寬為11.8 km。由于長江口的三級分汊、四口入海的形態(tài)，長江口外海高鹽度海水經(jīng)由北支、北港、北槽、南槽向上入侵，構(gòu)成長江口鹽水入侵的4條線路。

長江口是鹽淡水交混最為劇烈的水域，由于各汊道河床地形、過水能力、分流比和潮波傳播特性的不同，不同的潮汐強度下表現(xiàn)出的混合程度不同，加之其不同季節(jié)徑流量變化巨大，河口鹽淡水混合在不同的季節(jié)表現(xiàn)出不同的特征，鹽水入侵方式十分復(fù)雜。長江口“三級分汊，四口入?！钡牡乩砀窬謱?dǎo)致鹽水入侵的空間分布非常復(fù)雜，各汊道在不同的潮型及不同徑流量下，不同汊道鹽水入侵各具特點[3-5]。

前人對于長江口鹽水入侵做了很多的研究，國內(nèi)研究者主要集中在分析徑流、潮汐、風(fēng)、地形變化、河口工程等因素對長江口鹽水的侵入影響。本文基于長江口枯季實測水文資料，分析了長江口的鹽水入侵時空分布規(guī)律，并建立大范圍數(shù)學(xué)模型，對相關(guān)規(guī)律進(jìn)一步總結(jié)分析。同時基于多年水文資料，對北支的潮徑動力進(jìn)行了單獨的研究。

2 長江口實測鹽度特征分析

2.1 長江口鹽水入侵的時間分布特征

長江大通流量數(shù)據(jù)來自長江口水文與水資源勘測局實測逐日流量資料。長江口的鹽度資料來自2002年長江口水文測驗資料，此次水文調(diào)查從徐六涇至北支連興港、南支中浚一線，觀測日期為3月1—15日。長江口2002年3月(枯季)水文測點布置見圖1所示，

圖1 長江口2002年3月(枯季)水文測點布置Fig.1 Locations of observation stations in the Yangtze River estuary in March 2002 (dry season)

Z1—Z2斷面位于北支青龍港，Z6—Z9斷面位于北支連興港；Y4—Y6斷面則處于南支上游七丫口；北港包括Y7—Y9斷面，南港則為Y10—Y12斷面；測點Z3和測點Z4分別位于白茆沙和新瀏河沙；測點Y1、測點Y14、測點Z5分別位于白茆港、陳行水庫和中浚。

長江口鹽水入侵在時間上的分布主要受到徑流量及外海潮汐的影響，并隨著周日、朔望、季節(jié)變化及年際呈現(xiàn)一定的變化特性。

長江口鹽度的周日變化主要受到潮波傳播性質(zhì)的影響，長江口內(nèi)潮波性質(zhì)介于前進(jìn)波與駐波之間。南港Y11潮位、流速、鹽度變化曲線見圖2，落潮流速方向為正。南港Y11測站關(guān)系曲線見圖2(a)，最大漲(落)潮流時刻提前于高(低)潮位時刻約1～2 h，漲落憩則提前于中潮位時刻出現(xiàn)，由圖2(b)可知，鹽度的峰值和谷值則基本上與潮流的漲落憩時刻吻合。

圖2 南港Y11潮位、流速、鹽度變化曲線(2002年)Fig.2 Curves of tidal level, flow velocity, and salinity of Y11 in south channel in 2002

圖3 南支Y5流速、鹽度變化曲線(2002年)Fig.3 Curves of velocity and salinity in south branch in 2002

但是長江口地區(qū)存在明顯的北支高鹽水倒灌南支的現(xiàn)象，漲潮時北支鹽水隨漲潮流進(jìn)入南支，落潮時由于落潮流的作用，倒灌的高鹽水沿南支往下游移動，致使南支部分區(qū)域在落憩時鹽度達(dá)到峰值，漲憩時鹽度達(dá)到谷值，具體情況如圖3所示。由此可見，長江口鹽水入侵的周日變化主要受到外海鹽水入侵以及北支鹽水倒灌的共同控制。

2.2 長江口鹽水入侵的空間分布特征

長江口門寬闊，口內(nèi)三級分汊四口入海，水道間灘槽交錯，水下暗沙遍布，加之北支的鹽水倒灌，復(fù)雜的河勢導(dǎo)致其鹽水入侵空間分布異常復(fù)雜，甚至在不同時間，鹽水入侵也不能一概而論。這里主要討論分析鹽度的縱向變化規(guī)律。

長江口鹽度沿汊道縱向分布受潮汐強弱及外海鹽水入侵、北支倒灌等的影響，特征復(fù)雜。以“崇頭—白茆沙—陳行水庫—南港—南槽”一線為例進(jìn)行分析，將各站大潮期間月24 h鹽度進(jìn)行平均，中、小潮鹽度亦做如上處理，長江南支枯季全潮平均鹽度統(tǒng)計如表1所示，鹽度沿程變化曲線如圖4所示。

表1 長江南支枯季全潮平均鹽度統(tǒng)計Table 1 Statistics of average salinity in south branch ofYangtze River Estuary

圖4 南支、南港、南槽鹽度沿程變化曲線Fig.4 Curves of salinity along the distance in south branch,south channel, and south passage

由圖4可知，大潮時鹽度沿程變化呈現(xiàn)下凹型，存在2個鹽度較高的點：崇頭及南槽。這是因為大潮期間長江口水域鹽水入侵受控于外海高鹽水及北支倒灌，大潮初期，北支倒灌剛剛開始，此時崇頭附近鹽度很高，大潮平均鹽度達(dá)4.84‰，由于倒灌距離較短，下游白茆沙及陳行水庫鹽度還較低，南槽受外海鹽水控制，鹽度很高，達(dá)8.76‰；中潮期間，倒灌減弱，崇頭鹽度逐漸降低，此時高鹽水下移，導(dǎo)致白茆沙水體鹽度升高，鹽度分布呈現(xiàn)“低—高—低—高”的分布格局。小潮期間，倒灌基本停止，南支河段鹽度迅速降低，此時鹽度沿程變化恢復(fù)常態(tài)，由外海到口內(nèi)，鹽度呈現(xiàn)降低態(tài)勢。

而對于北支的鹽度縱向分布，測點較少，以連興港及青龍港附近測站為例，大、中、小潮期間平均鹽度統(tǒng)計如表2。

表2 北支鹽度統(tǒng)計值Table 2 Statistics of salinity in the north branch

大、中潮期間，北支沿程從連興港到青龍港平均鹽度呈現(xiàn)增大趨勢，而且兩者鹽度都很高，這與一般的規(guī)律不符合，主要原因是因為北支特殊的喇叭形河口導(dǎo)致大潮期間潮波變形劇烈，高鹽水大量涌入南支，加之北支分流比極小[6-7]，加劇了倒灌作用；而在小潮期間鹽度迅速降低，且連興港鹽度大于青龍港鹽度，逐漸恢復(fù)到常態(tài)。

圖5 研究區(qū)域水下地形及計算網(wǎng)格Fig.5 Underwater topographic map and computational grids of the research area

3 長江口水流鹽度數(shù)值模擬

基于MIKE21模型建立了長江口二維水流鹽度數(shù)值模擬，模型東西長約310 km，南北長約311 km，覆蓋長江口、杭州灣及舟山群島大范圍的海域。研究區(qū)域水下地形圖及計算網(wǎng)格如圖5所示。模型選取2002年3月1—9日全潮水文測驗的結(jié)果進(jìn)行驗證，其中包括2個潮位站、4個流速測點及6個鹽度測點。

潮位、流速流向及鹽度驗證對比見圖6—圖8，比對結(jié)果表明，模型模擬結(jié)果能準(zhǔn)確地反映長江口的水流鹽度運動。長江口大潮漲落憩時刻鹽度空間分布如圖9所示。

圖6 各潮位站全潮驗證對比Fig.6 Verifications of tidal level in spring tide attidal stations

圖7 大潮測點流速和流向驗證對比Fig.7 Verifications of velocity and direction of flow in spring tides

圖8 大潮測點鹽度驗證對比Fig.8 Verifications of salinity in spring tides

圖9 長江口大潮鹽度場分布Fig.9 Salinity fields of Yangtze River estuary in spring tides

由圖9可知，在外海區(qū)域，受潮波控制，鹽度等值線變化緩和，逐漸減小，但是接近長江口門區(qū)域，受徑流與潮汐共同作用，鹽淡水混合劇烈，鹽度等值線非常密集，表明鹽度變化劇烈，由南支再往上游，徑流作用占優(yōu)勢，鹽度變化緩和。在口內(nèi)，大潮期間，長江口北支鹽度一直較高。漲憩時刻，由于北支倒灌作用，崇頭附近鹽度特別高，4‰等鹽度線有下移趨勢，落潮時，在落潮流作用下，4‰鹽度線沿白茆沙北水道開始往下移動，落憩時下移距離達(dá)到最大。南支鹽度分布在大潮期間呈現(xiàn)出“高—低—高”的格局，口門處的鹽度在漲憩時明顯大于落憩時。

4 北支潮徑動力分析

長江口為潮汐河口，自18世紀(jì)中葉以來，長江入海主汊道轉(zhuǎn)移到南支水道，北支轉(zhuǎn)化為淤積型的潮汐水道。隨著水文、泥沙與河勢的變化，南北支分流比也發(fā)生了變化。分析表明，通過控制北支的咸潮入侵，可以緩解長江河口段特別是南支以下段的鹽水入侵問題。以北支為例，若采用落潮分流比，表示的僅為落潮分入北支的水量比，無法反映北支漲潮水體上溯對北支鹽水倒灌的影響；而凈泄分流比反映了長江上游徑流的分入量，北支的衰退就是分入北支徑流減少所造成的。建立長江流域感潮段模型模擬計算2000年枯季長江口主要河道的凈泄分流比，并將20世紀(jì)90年代長江口的地形與2000年的地形分別代入該數(shù)學(xué)模型，分析不同地形下北支枯季全潮凈泄分流比變化特征。當(dāng)凈泄分流比出現(xiàn)負(fù)值時，表明外海鹽水通過北支上溯倒灌南支的情形較為顯著。凈泄分流比能更好地揭示分汊河道的水體運動趨勢，也能反映出北支近年來的動力演變趨勢。

分析2次不同地形條件的北支漲、落潮量特征，并計算全潮凈泄分流比，如表3所示。從表3中可看出，大潮期間北支以漲潮流為主，對應(yīng)此時北支鹽水入侵最劇烈；中、小潮期間北支以落潮流為主，北支鹽水入侵減緩。南支全潮以落潮流為主。在大潮期間，形成了北支海水上溯，南支徑流下泄的局面，符合長江口水動力場的一般規(guī)律，反映了各分流口的水動力特征。結(jié)果反映由于長江口地形河勢的變化導(dǎo)致北支枯季凈泄分流比產(chǎn)生了相應(yīng)的調(diào)整，尤以大潮期最為明顯，這主要是由于從20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，北支上段的圍墾使北支上口河寬由2.7 km縮窄至2.5 km，從而使北支上段的河床顯著抬高，涌潮增大，上游徑流分流量減少，這也加劇了北支的鹽水入侵。

表3 枯季長江口主要河道全潮凈泄分流比Table 3 Runoff-discharge ratio of main channels inthe Yangtze River estuary during dry season

改變上游徑流量、外海潮差，用長江流域感潮段模型模擬計算枯季北支大潮期間全潮凈泄分流比，如圖10所示?？芍谏嫌螐搅髁坎蛔兊那闆r下，外海潮差越大，北支凈泄分流比絕對值越大，即外海潮差越大，漲潮量越大，外海高鹽海水入侵北支越劇烈；且相同潮差下，上游徑流量越大，北支凈泄分流比絕對值越小，即上游來水可減緩北支鹽水入侵的趨勢。潮汐是咸水入侵的動力，潮汐大，鹽水入侵大，鹽水上溯遠(yuǎn)，反之亦然。而徑流量大小代表了上游落潮流的大小，對北支鹽水的入侵起到了抑制作用。數(shù)學(xué)模型計算表明：當(dāng)上游徑流量達(dá)10 000 m3/s，外海潮差<3.22 m；上游徑流量達(dá)20 000 m3/s，外海潮差<3.57 m；上游徑流量達(dá)30 000 m3/s，外海潮差<4.02 m時，枯季北支大潮期間凈泄分流比>0，北支水體不會出現(xiàn)倒灌。

圖10 枯季北支大潮凈泄分流比與流量、外海(中浚)潮差關(guān)系Fig.10 Relationship between runoff-discharge ratio and tidal range in open sea in the presence of varying runoff during dry season

通過回歸分析得到枯季大潮期間北支分流比與上游徑流量和北支口外海潮差關(guān)系式為

δ=1.31exp(0.084 3Qf)-0.392 8ΔH。

(1)

式中：δ為北支分流比(%)；Qf為上游徑流量(104m3/s)；ΔH為北支口外海潮差(m)。

北支凈流量Qb表達(dá)式則為

Qb=Qfδ。

(2)

由式(1)和式(2)可見，長江口的分流與外海潮差、上游徑流量和河床形態(tài)等因素有關(guān)，外海潮差越大，上游徑流量越小，北支鹽水倒灌南支的可能性越大，即北支口分流比隨上游徑流量呈指數(shù)增長，而與外海潮差成反比。

5 結(jié) 論

(1)對枯季實測資料的分析表明長江口水域鹽水入侵受外海及北支倒灌的影響，時空分布特征復(fù)雜。時間上南支某些水域不同于一般情況下漲(落)憩時鹽度達(dá)到峰(谷)值，而是漲憩時鹽度達(dá)到谷值，落憩時鹽度達(dá)到峰值，這是受到北支鹽水倒灌的影響所致?？臻g分布受大、中、小潮及北支倒灌、主槽與淺灘等因素影響，鹽度的變化分布亦相當(dāng)復(fù)雜。

(2)通過建立長江口大范圍二維水動力鹽度數(shù)學(xué)模型，模擬了長江口大潮期間漲、落潮鹽度場，結(jié)果顯示長江口北支鹽度一直較高。南支鹽度分布在大潮期間呈現(xiàn)出“高—低—高”的格局，口門處的鹽度在漲憩時明顯大于落憩時。

(3)基于回歸分析得到枯季大潮期間北支分流比與上游徑流和北支口外海潮差關(guān)系式，結(jié)果表明長江口的分流與外海潮差、上游徑流量和河床形態(tài)等因素有關(guān)，且北支口分流比隨上游徑流量呈指數(shù)增長，而與外海潮差成反比。