冬季北風(fēng)風(fēng)速對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵的影響

李林江，朱建榮

(1.復(fù)旦大學(xué) 大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院，上海 200438；2.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；3.珠海復(fù)旦創(chuàng)新研究院 海氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)創(chuàng)新中心，廣東 珠海 518057)

1 引言

鹽水入侵是河口地區(qū)最重要的現(xiàn)象之一，不僅與河口環(huán)流、泥沙輸運(yùn)和生態(tài)環(huán)境有關(guān)，還關(guān)系到河口淡水資源的利用，對(duì)其研究具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。河口鹽水入侵受多種動(dòng)力因子的影響，其中徑流[1]和潮汐[2–3]對(duì)河口鹽水入侵有著顯著的影響，但風(fēng)應(yīng)力[4]也起著重要的作用。世界上許多河口鹽水輸運(yùn)都受到了風(fēng)應(yīng)力的影響。例如，Wang[5]發(fā)現(xiàn)在切薩皮克灣，沿岸風(fēng)導(dǎo)致的埃克曼輸運(yùn)顯著改變了河口的余水位進(jìn)而影響水體和鹽分的余輸運(yùn)。不少研究也關(guān)注到了強(qiáng)風(fēng)天氣如臺(tái)風(fēng)以及寒潮對(duì)河口鹽水入侵的影響。例如，Li等[6]發(fā)現(xiàn)在颶風(fēng)作用下，龐恰特雷恩河口的鹽通量大幅增加，其中北河道鹽通量高達(dá)200 t/s，南河道鹽通量可達(dá)16 t/s。研究河口鹽水入侵對(duì)不同風(fēng)速的響應(yīng)，有利于加深了解河口物理過(guò)程。

長(zhǎng)江河口是一個(gè)大型多分汊河口（圖1）。崇明島將其分為南支和北支，南支被長(zhǎng)興島分為北港和南港，南港被九段沙分汊為南槽和北槽。長(zhǎng)江河口臨近國(guó)際大都市上海，為滿(mǎn)足上海市對(duì)淡水資源的需求，上海市政府于北港上段、長(zhǎng)興島西北側(cè)修建了青草沙水庫(kù)（圖1）。青草沙水庫(kù)向上海日供水量在550萬(wàn)噸左右，占全市總用水的70%。但枯季長(zhǎng)江河口存在鹽水入侵的現(xiàn)象，不利于青草沙水庫(kù)的取水工作，當(dāng)取水口鹽度高于0.45時(shí)候，則關(guān)閉閘門(mén)，停止取水。

長(zhǎng)江河口鹽水入侵已有許多研究，主要集中在徑流[1,7]、潮汐[8–9]和地形[10–11]對(duì)鹽水入侵的影響。關(guān)于風(fēng)應(yīng)力對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵的影響也有部分研究。例如，Wu等[8]通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，北風(fēng)導(dǎo)致長(zhǎng)江口形成北港進(jìn)南港出的凈風(fēng)生水平環(huán)流，增加了北港鹽水入侵。Li等[12]通過(guò)觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，冬季寒潮天氣下強(qiáng)北風(fēng)（>10 m/s）能增加北支鹽水倒灌。Zhang等[13]近期研究發(fā)現(xiàn)1994–2008年期間長(zhǎng)江河口鹽水入侵增多是由冬季寒潮頻率增加所致。

如圖1b所示為長(zhǎng)江河口崇明東灘氣象站（位置見(jiàn)圖1a）風(fēng)速風(fēng)向觀(guān)測(cè)資料玫瑰圖。玫瑰圖中各方向扇形中不同顏色的區(qū)域表示不同的風(fēng)速分級(jí)，其徑向長(zhǎng)度與該扇形的半徑的比值即表示這段風(fēng)速所在此方位的頻率大小，在右下角給出了不同顏色所代表的風(fēng)速范圍，每個(gè)扇形外側(cè)對(duì)應(yīng)著此方位的平均風(fēng)速大小。玫瑰圖顯示冬季長(zhǎng)江口以北風(fēng)風(fēng)向?yàn)橹?，不過(guò)風(fēng)速變化較大，變化范圍主要在 0～10 m/s，超過(guò) 10 m/s的頻率約為9.5%。目前，長(zhǎng)江河口鹽水入侵對(duì)不同北風(fēng)風(fēng)速的響應(yīng)尚未有系統(tǒng)研究，本文利用數(shù)值模式研究不同北風(fēng)風(fēng)速對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵的影響。

圖1 長(zhǎng)江河口形勢(shì)（a）及崇明東灘氣象站觀(guān)測(cè)風(fēng)玫瑰圖（b）Fig.1 Topography of the Changjiang River Estuary (a) and wind rose of weather station at the Chongming eastern shoal (b)

2 方法

2.1 數(shù)值模型和數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用的數(shù)值模式為作者所在研究小組長(zhǎng)期應(yīng)用和改進(jìn)的ECOM-si模式，該模式已在長(zhǎng)江河口水動(dòng)力過(guò)程和鹽水入侵等方面的研究中得到了充分驗(yàn)證并取得了眾多成果[14–15]。模式使用水平曲線(xiàn)非正交網(wǎng)格[16]，范圍包括整個(gè)長(zhǎng)江河口、杭州灣，上游開(kāi)邊界設(shè)在枯季潮區(qū)界大通水文站，網(wǎng)格在北港等關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格分辨較高。模式垂向采用σ坐標(biāo)，分為10層。水深采用2009年實(shí)測(cè)資料。為節(jié)省篇幅，關(guān)于模式網(wǎng)格，初始條件、邊界條件以及驗(yàn)證可參考文獻(xiàn)[10]。本文采用枯季 1–2 月平均徑流為 11 900 m3/s驅(qū)動(dòng)模型，海表采用不同的風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模型，共采用8種不同的風(fēng)速驅(qū)動(dòng)模型，分別為正北風(fēng) 0 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s。從圖 1b 來(lái)看，長(zhǎng)江口冬季西北風(fēng)和東北風(fēng)也有較高的比例。因此再增加 4 組實(shí)驗(yàn)，分別為東北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s，以及西北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s。每組實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)恒定不變，持續(xù)60 d，前面 30 d 作為調(diào)整，輸出后面 30 d 用作分析。

2.2 分析方法

為了量化不同風(fēng)速下水體和鹽分的輸運(yùn)，定義水體單寬輸運(yùn)為

式中，h是水深；ζ是水位；是水體速度矢量；T是用來(lái)做時(shí)間平均的周期；σ 是相對(duì)深度，表層是0，底層是?1。將水體輸運(yùn)進(jìn)行斷面積分可得到斷面水體通量為

式中， 〈 〉表示40 h低通濾波；A是斷面面積，隨著潮汐變化；L是河道寬度；u是垂直截面方向流速。同理可得斷面鹽通量為

式中，S表示鹽度。

3 結(jié)果

利用數(shù)值模式計(jì)算從第38 d到第53 d半月（約等于1個(gè)大小潮周期14.7 d）平均鹽度分布，并對(duì)鹽度垂向平均，各組不同北風(fēng)風(fēng)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s的時(shí)候，北港的鹽度明顯低于南港（圖2a），

這與孔亞珍等[17]的觀(guān)測(cè)和Wu等[8]的模擬結(jié)果一致。其中北港上段青草沙取水口附近鹽度低于0.45北港口門(mén)鹽度為2左右。在北港口門(mén)外，長(zhǎng)江淡水與鹽水形成較強(qiáng)的鹽度鋒面[18]。另外，在南北支分汊口到121.25°E附近有一低鹽水團(tuán)，該鹽水團(tuán)來(lái)自于北支鹽水倒灌。圖2顯示，隨著北風(fēng)風(fēng)速變大，北港鹽度隨之增加。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到6 m/s的時(shí)候，北港上段青草沙取水口附近鹽度超過(guò)0.45，北港口門(mén)鹽度增加到5左右，南港和北港鹽度大小較為接近（圖2d）另外，北支倒灌鹽水影響范圍擴(kuò)大到南支下段121.5°E附近。這與 Li等[12]和Zhang等[13]研究發(fā)現(xiàn)北風(fēng)增加北支倒灌的結(jié)論一致。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s的時(shí)候北港鹽度略大于南港（圖2e）。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為12 m/的時(shí)候，整個(gè)北港被鹽度超過(guò)15的高鹽水覆蓋（圖2g）北港口外鋒面全部進(jìn)入北港和南支，口外30等鹽度線(xiàn)在向陸?？寺斶\(yùn)作用下限制在123°E以西。圖2g還顯示在強(qiáng)北風(fēng)作用下，相對(duì)低鹽水體主要集中在南支和南港的南岸，但北港高鹽水能跨過(guò)南北港分汊口增加南港上段、長(zhǎng)興島南側(cè)鹽度。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s的時(shí)候，青草沙取水口鹽度接近25，整個(gè)北港被超過(guò)20的高鹽水覆蓋，鹽度鋒面往上移動(dòng)離開(kāi)北港（圖2h）。

圖2 半月（第38d到第53d）平均鹽度分布Fig.2 Distribution of 15-day (day 38 to day 53) averaged salinity

圖3所示為不同北風(fēng)風(fēng)速實(shí)驗(yàn)半月（第38 d到第53 d）平均水體輸運(yùn)（式（1））分布。無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，受徑流影響，南支、北港和南港水體輸運(yùn)都向海，其中北港朝海水體輸運(yùn)可達(dá)2 m2/s。在南槽，出現(xiàn)了水體朝陸凈輸運(yùn)的現(xiàn)象，這是由于潮汐和南槽淺灘地形相互作用產(chǎn)生朝陸的斯托克斯漂移輸運(yùn)作用造成的[8]。受此影響，南槽鹽水上溯至南港，導(dǎo)致南港鹽度高于北港（圖2a）。另外在蘇北海域附近，存在朝北的水體輸運(yùn)，這是由于朝北的潮汐輸運(yùn)導(dǎo)致的[19]。隨著北風(fēng)風(fēng)速增加，北港朝海的水體輸運(yùn)逐漸減小。如圖3所示為當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為 6 m/s的時(shí)候水體輸運(yùn)，結(jié)果顯示北港朝海的水體輸運(yùn)比起無(wú)風(fēng)的時(shí)候有所減小（顏色變淺），量值約為 1 m2/s，相反南港朝海水體輸運(yùn)有所增強(qiáng)。另外在蘇北海域，朝北的潮致輸運(yùn)水體減弱，部分區(qū)域消失并轉(zhuǎn)為朝南輸運(yùn)。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s的時(shí)候，蘇北海域水體輸運(yùn)在北風(fēng)作用下全部朝南。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速大于等于10 m/s的時(shí)候，北港朝海的水體輸運(yùn)消失，水體轉(zhuǎn)而朝陸輸運(yùn)（圖2f至圖2h）形成北港進(jìn)南港出的水平環(huán)流。且隨著風(fēng)速的增加北港朝陸的輸運(yùn)逐漸增強(qiáng)，在北風(fēng)14 m/s的作用下朝陸水體輸運(yùn)超過(guò)2 m2/s，而南港朝海的水體輸運(yùn)超過(guò)3 m2/s，這與圖2所示強(qiáng)北風(fēng)作用下北港鹽度增加并大幅超過(guò)南港的結(jié)論相符。

圖3 半月（第 38 d 到第 53 d）平均單寬水體輸運(yùn)分布Fig.3 Distribution of 15-day (day 38 to day 53) averaged unit water transport

為了量化河口與外海之間的交換，在北港口選取一斷面（位置如圖1a sec1）計(jì)算不同北風(fēng)風(fēng)速下斷面水通量（式（2））和鹽通量（式（3））結(jié)果如圖4 所示。為了顯示河口潮汐的影響，圖4疊加了北港口門(mén)sec1斷面的潮差。如圖4b所示，無(wú)風(fēng)時(shí)sec1斷面水通量持續(xù)朝海，最高可達(dá) 11 000 m3/s，可占入?？倧搅鞯?0%以上。但在小潮期間，朝海水通量顯著減小，最小約為 5 700 m3/s，這是因?yàn)?，小潮期間潮差較小，潮汐在南槽產(chǎn)生朝陸斯托克斯漂移輸運(yùn)較小[8]，從而更多徑流從南港下泄入海，因此北港入海水通量減小。風(fēng)速的變化并不改變水通量的大小潮變化特征，但隨著風(fēng)速增加存在整體朝陸移動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速不超過(guò)6 m/s的時(shí)候，整個(gè)大小潮期間水體始終是朝海，說(shuō)明風(fēng)應(yīng)力的作用尚未超過(guò)徑流的作用。但當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s的時(shí)候，小潮期間sec1斷面水通量出現(xiàn)為朝陸輸運(yùn)的現(xiàn)象，最大可達(dá)–2 300 m3/s（用負(fù)表示朝陸，下同，包括鹽通量）。隨著北風(fēng)風(fēng)速增加，朝陸輸運(yùn)逐漸增加。而當(dāng)風(fēng)速為14 m/s的時(shí)候，整個(gè)大小潮周期水體始終朝陸輸運(yùn)，最高可達(dá)–21 600 m3/s，出現(xiàn)在小潮期間。

圖4 北港口門(mén)斷面潮差（a）、水通量（b）和鹽通量（c）隨時(shí)間變化Fig.4 The temporal variation in tidal amplitude (a),water (b) and salt (c) fluxes across the section at the mouth of the North Channel

水通量引起的鹽通量變化可見(jiàn)圖4c。當(dāng)風(fēng)速為0時(shí)，北港斷面的鹽通量持續(xù)向海，其鹽分主要來(lái)源可能是北支倒灌。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到2 m/s的時(shí)，鹽通量和無(wú)風(fēng)時(shí)相差不大。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到4 m/s時(shí)，雖然大潮期間鹽分依舊朝口外輸運(yùn)，但在小潮期間出現(xiàn)了朝陸的鹽分輸運(yùn)，最大約為–4 t/s。這是由于小潮期間潮汐混合減弱，鹽度垂向分層和河口環(huán)流增強(qiáng)，從而增加了朝陸的鹽分垂向切變輸運(yùn)[20]，這個(gè)現(xiàn)象在珠江口[3]以及哈德遜[2,21]等部分混合河口也有出現(xiàn)。這種小潮進(jìn)大潮出的鹽分凈輸運(yùn)維持了河口的鹽度平衡。隨著北風(fēng)風(fēng)速的增加，朝陸輸運(yùn)的時(shí)間也逐漸增加。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s的時(shí)候，北港口門(mén)鹽分持續(xù)朝陸輸運(yùn)，小潮期間最高可達(dá)–639 t/s。在此強(qiáng)北風(fēng)條件下，由北港進(jìn)入的鹽分最后經(jīng)由南港流入大海。

不同北風(fēng)風(fēng)速條件下北港口門(mén)sec1斷面半月平均水通量和鹽通量分別由圖5a和圖5b所示。無(wú)風(fēng)時(shí)，半月平均的北港口門(mén)斷面水體通量約為9 000 m3/s，高于徑流的一半，這個(gè)結(jié)論與Li等[22]通過(guò)模型計(jì)算的北港分流比超過(guò)50%的結(jié)論一致。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為6 m/s的時(shí)候，朝海的水通量降為 6 200 m3/s，大約為徑流的一半。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速大于10 m/s時(shí)，北港口門(mén)水通量轉(zhuǎn)為朝陸凈輸運(yùn)。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s，朝陸水通量高達(dá)–10 000 m3/s。圖 5b 所示，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速只需超過(guò)7 m/s，北港口門(mén)鹽度即朝陸凈輸運(yùn)，而圖5a顯示水通量朝陸凈輸運(yùn)則需要北風(fēng)風(fēng)速超過(guò)10 m/s驅(qū)動(dòng)。其原因是由于河口環(huán)流導(dǎo)致底層高鹽水朝陸輸運(yùn)，表層低鹽水體朝海輸運(yùn)，即使垂向積分后水體朝海凈輸運(yùn)，但鹽分也可以朝陸凈輸運(yùn)。在強(qiáng)北風(fēng)（>10 m/s）作用下，鹽分還可以通過(guò)水體平流進(jìn)入北港從而大幅增加北港鹽通量。如圖5b所示，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為 14 m/s的時(shí)候，朝陸的鹽通量高達(dá)–306 t/s。鹽分的來(lái)源主要是蘇北的高鹽水在北風(fēng)作用下往南輸運(yùn)至長(zhǎng)江口。

隨著北風(fēng)的增大，在向陸?？寺斶\(yùn)的影響下，蘇北沿岸以及長(zhǎng)江河口水位有所抬升。圖5c展示了不同風(fēng)速作用下，北港口門(mén)斷面的半月平均水位。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s的時(shí)候，北港口門(mén)水位只有0.13 m。當(dāng)風(fēng)速增大到 8 m/s時(shí)，北港口門(mén)水位超過(guò) 0.2 m。隨著風(fēng)速增大，北港口門(mén)水位快速增加。風(fēng)速為12 m/s時(shí)，北港口門(mén)水位超過(guò) 0.3 m。當(dāng)風(fēng)速增大到14 m/s時(shí)，北港口門(mén)水位增加到 0.42 m。由于風(fēng)速的增大，北港口門(mén)水位抬升，使得徑流導(dǎo)致的坡降減小，朝海水通量減小，隨著水位的繼續(xù)抬升，最終可使得水體朝陸凈輸運(yùn)，如圖5a所示。

圖5d顯示了不同風(fēng)速作用下，北港半月平均的鹽度。鹽度采用北港口門(mén)至北港上游南北港分汊口所有網(wǎng)格點(diǎn)的體積平均鹽度。當(dāng)風(fēng)速在0～4 m/s之間變化的時(shí)候，北港鹽度變化微弱，且鹽度較低都在1以下。當(dāng)風(fēng)速為 6 m/s的時(shí)候，鹽度增大到2.6。隨著風(fēng)速繼續(xù)增大，鹽度迅速上升。這主要有兩方面的原因，一是北風(fēng)將蘇北高鹽水輸送到了長(zhǎng)江口，二是北風(fēng)減小了北港下泄徑流。當(dāng)風(fēng)速增大到12 m/s的時(shí)候，北港鹽度為24.1。隨著北港被高鹽水所覆蓋，鹽度增加放緩，當(dāng)風(fēng)速增大到14 m/s，北港鹽度為27.8。

圖5 不同風(fēng)速作用下北港口門(mén)斷面半月（第 38 d 到第 53 d）平均水通量（a）、鹽通量（b）、水位（c）和整個(gè)北港半月平均鹽度（d）Fig.5 Modeled 15-day (day 38 to day 53) averaged water flux (a),salt flux (b),water level (c) across section at the mouth of the North Channel and volume-averaged salinity in the North Channel (d) under various wind speed

圖6展示了長(zhǎng)江口更多斷面的半月平均水通量隨北風(fēng)風(fēng)速變化。結(jié)果顯示，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速超過(guò)11 m/s時(shí)，北港上段sec2斷面水通量朝陸凈輸運(yùn)，而南港上段sec3斷面的水通量超過(guò)徑流量的11 900 m3/s。由于北支sec4倒灌的水通量比起南北港小至少1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此北支倒灌對(duì)南北港水通量貢獻(xiàn)較小，南港多余的水通量必然來(lái)自北港高鹽水倒灌進(jìn)入南港說(shuō)明在強(qiáng)北風(fēng)（>11 m/s）作用下，從北港口門(mén)進(jìn)入的水通量和鹽通量部分從南北港分汊口倒灌進(jìn)入南港，最后通過(guò)南港平流進(jìn)入大海，增加了南港朝海的水通量（圖3）。

圖6 不同風(fēng)速條件下斷面 sec2（a）、sec3（b）和 sec4（c）半月（第 38 d 到第 53 d）水通量Fig.6 Modeled 15-day (day 38 to day 53) averaged water flux across section at sec2 (a),sec3 (b) and sec4 (c) versus wind speed

4 討論

為了保證上海淡水資源的利用，有必要預(yù)測(cè)在不同風(fēng)速情形下鹽水入侵對(duì)青草沙水庫(kù)取水時(shí)間的影響。本文利用模型，輸出不同風(fēng)速條件下，青草沙水庫(kù)取水口的鹽度，統(tǒng)計(jì)30 d內(nèi)可取水天數(shù)和最長(zhǎng)不宜取水天數(shù)。如圖7所示，當(dāng)風(fēng)速不超過(guò)4 m/s的時(shí)候，青草沙水庫(kù)取水口的鹽度1月內(nèi)絕大部分時(shí)間都沒(méi)有超過(guò)0.45。其中無(wú)風(fēng)時(shí)，最長(zhǎng)不宜取水天數(shù)為0.1 d，共可取水天數(shù)為 29.7 d（表1）。當(dāng)風(fēng)速增大到 4 m/s的時(shí)候，相較于無(wú)風(fēng)情形變化不大，最長(zhǎng)不宜取水天數(shù)為0.2 d，共可取水天數(shù)為28.6 d。隨著風(fēng)速繼續(xù)增大，最長(zhǎng)不宜取水天數(shù)顯著增加，總可取水天數(shù)顯著減少。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)10 m/s的時(shí)候，青草沙取水口鹽度一直在0.45以上，水庫(kù)持續(xù)無(wú)法取水。對(duì)于這種情形，應(yīng)當(dāng)引起注意。歷史上，在2014年2月由于持續(xù)的強(qiáng)北風(fēng)，導(dǎo)致水庫(kù)連續(xù)23 d未能取到淡水，對(duì)上海的淡水資源造成了威脅[23]。

圖7 不同風(fēng)速作用下青草沙取水口鹽度隨時(shí)間變化Fig.7 Temporal variation in salinity at the intake of the Qingcaosha Reservoir under different wind speeds

表1 30 d內(nèi)不同風(fēng)速下最長(zhǎng)不宜取水天數(shù)和共可取水天數(shù)Table 1 The longest continuous days unsuitable and total days suitable for water intakes within 30 days under different wind speeds

圖1b顯示長(zhǎng)江口冬季西北風(fēng)和東北風(fēng)兩種風(fēng)向也有較高的比例。為此，本文另有4組數(shù)值實(shí)驗(yàn)分別是東北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s，以及西北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s驅(qū)動(dòng)。不同風(fēng)向條件下青草沙水庫(kù)取水口鹽度模擬結(jié)果見(jiàn)圖8。結(jié)果顯示當(dāng)風(fēng)速為6 m/s的時(shí)候，不同時(shí)段風(fēng)向的影響是不同的（圖8a）。小潮后期（41～45 d潮差見(jiàn)圖4a），取水口鹽度在西北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下最強(qiáng)，東北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下最小。其原因可能是由于小潮后期青草沙水庫(kù)鹽分主要是受北港鹽水正面入侵影響，其鹽分向上游輸運(yùn)機(jī)制為垂向切變輸運(yùn)[20]，這與其他部分混合河口類(lèi)似（如珠江口，哈德遜河口）。Scully等[24]Chen和Sanford[4]研究發(fā)現(xiàn)，沿河道向上的風(fēng)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)應(yīng)變能夠減小垂向切變和分層，沿河道向下的風(fēng)相反能增加垂向切變和分層。因此猜測(cè)西北風(fēng)能夠增加長(zhǎng)江口北港垂向切變輸運(yùn)，而東北風(fēng)則減小北港垂向切變輸運(yùn)。如圖9a和圖9c所示分別為小潮后期東北風(fēng) 6 m/s和西北風(fēng) 6 m/s與正北風(fēng) 6 m/s的鹽度場(chǎng)差值。結(jié)果顯示在東北風(fēng)情形下，整個(gè)北港從下到上鹽度有所減小，最高北港口門(mén)鹽度減小6（圖9a）。而西北風(fēng)情況正好相反，北港從下到上鹽度增加，最高口門(mén)鹽度增加3（圖9c）。在大潮以及大潮后期，青草沙取水口在東北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下鹽度最高，西北風(fēng)驅(qū)動(dòng)下最低（圖8a）。其原因可能是由于大潮期間，青草沙鹽度主要受北支倒灌影響。北支不同于北港，其水深較淺（<5 m），長(zhǎng)江徑流分配少，潮汐作用強(qiáng)，所以北支鹽度和流速垂向結(jié)構(gòu)均一。而東北分能直接拖曳北支水體朝上游輸運(yùn)，增加北支倒灌。如圖9b和圖9d所示分別為大潮期東北風(fēng) 6 m/s 和西北風(fēng) 6 m/s 與正北風(fēng)6 m/s的鹽度場(chǎng)差值。結(jié)果顯示在東北風(fēng)情形下，大潮期間從南北支分汊口到青草沙水庫(kù)整個(gè)南支河段鹽度略微有所增加（圖9b），其增加的鹽分主要來(lái)源為北支增加的倒灌鹽水從南支往下游平流輸運(yùn)。東北風(fēng)仍然減小了大潮期北港下游的鹽度，但比起小潮下降幅度明顯減小（圖9b和圖9a，注意鹽度標(biāo)尺）。西北風(fēng)減小了北支倒灌和南支上段鹽度，并導(dǎo)致大潮期間青草沙取水口鹽度降低（圖9d）。同理，大潮期西北風(fēng)仍然增加了北港下游的鹽度，但比起小潮增加幅度明顯減小（圖9d和圖9c）。

圖8 不同風(fēng)速和風(fēng)向作用下青草沙取水口鹽度隨時(shí)間變化Fig.8 Temporal variation in salinity at the intake of the Qingcaosha Reservoir under different wind directions and speeds

圖9 不同風(fēng)向和正北風(fēng)鹽度場(chǎng)差值Fig.9 Differences in salinity between north wind and other directions

當(dāng)風(fēng)速為12 m/s的時(shí)候，無(wú)論任何潮型青草沙取水口鹽度都是正北風(fēng)最強(qiáng)，西北風(fēng)次之，東北風(fēng)最弱。其原因可能是由于在強(qiáng)北風(fēng)作用下，北港鋒面向上游移動(dòng)離開(kāi)北港（圖2g至圖2h），且在強(qiáng)風(fēng)攪動(dòng)下，北港分層大幅減弱，所以其鹽分朝陸輸運(yùn)機(jī)制主要是朝陸的平流輸運(yùn)，垂向切變輸運(yùn)貢獻(xiàn)次之[20]。平流輸運(yùn)的鹽分來(lái)源主要來(lái)自蘇北向南輸運(yùn)的高鹽水。無(wú)論是西北風(fēng)還是東北風(fēng)，經(jīng)向風(fēng)分量只有8.5 m/s，遠(yuǎn)小于正北風(fēng) 12 m/s。所以同樣的風(fēng)速下，正北風(fēng)能導(dǎo)致蘇北更多的高鹽水輸運(yùn)至長(zhǎng)江口，進(jìn)而平流進(jìn)入北港的鹽分更多。因此如圖9e至圖9h所示，相比正北風(fēng)，其他兩個(gè)風(fēng)向鹽度都降低了。唯一例外是小潮期間，西北風(fēng)12 m/s顯著增強(qiáng)了南槽鹽度（圖9g）。其原因在于北風(fēng)導(dǎo)致的北港進(jìn)南港出的水平環(huán)流增加了南港下泄徑流，南槽鹽度鋒面（圖2）和鹽度分層使得朝陸的垂向切變輸運(yùn)隨之加強(qiáng)，而西北風(fēng)能進(jìn)一步增加南槽的垂向切變輸運(yùn)。另外，西北風(fēng)相比東北風(fēng)，鹽度整體要高的原因也是由于風(fēng)的應(yīng)變作用。關(guān)于長(zhǎng)江口河口環(huán)流和風(fēng)應(yīng)變之間的相互作用后期還需更加深入細(xì)致的研究。

5 結(jié)論

本文采用三維數(shù)值模式ECOM-si，模擬冬季長(zhǎng)江口鹽水入侵對(duì)不同北風(fēng)風(fēng)速的響應(yīng)。研究結(jié)果表明，北風(fēng)風(fēng)速提高能夠顯著增加北港鹽度，不利于青草沙水庫(kù)取水。無(wú)風(fēng)時(shí)，北港半月平均鹽度小于1，明顯小于南港；長(zhǎng)江口南北港兩汊道水體凈輸運(yùn)都朝海，北港鹽分持續(xù)朝海凈輸運(yùn)。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到4 m/s，北港小潮期出現(xiàn)朝陸的鹽分凈輸運(yùn)。北風(fēng)風(fēng)速為6 m/s時(shí)，南北港鹽度接近，北港半月平均鹽度約為2.6。北風(fēng)風(fēng)速超過(guò)7 m/s時(shí)，北港半月平均鹽通量開(kāi)始朝陸凈輸運(yùn)。北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s時(shí)，小潮期北港出現(xiàn)朝陸的水通量，北港鹽度明顯大于南港。北風(fēng)風(fēng)速超過(guò)10 m/s時(shí)，半月平均水通量朝陸凈輸運(yùn)。北風(fēng)風(fēng)速超過(guò)11 m/s時(shí)，北港鹽水倒灌至南港。北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s時(shí)，北港水通量持續(xù)朝陸，半月平均水通量和鹽通量分別為?10 000 m3/s和?306 t/s；整個(gè)北港被外海進(jìn)入的高鹽水覆蓋，平均鹽度高達(dá)27.8。

北風(fēng)風(fēng)速變化也對(duì)青草沙水庫(kù)的可取水時(shí)間造成了影響。當(dāng)風(fēng)速低于4 m/s的時(shí)候，青草沙取水時(shí)間寬裕，1個(gè)月內(nèi)共可以取水時(shí)間超過(guò)28 d，最長(zhǎng)不宜取水天數(shù)不超過(guò) 1 d。當(dāng)風(fēng)速超過(guò) 10 m/s，青草沙水庫(kù)1個(gè)月共可取水時(shí)間降為0 d。北風(fēng)風(fēng)速增強(qiáng)對(duì)青草沙取水極為不利，未來(lái)隨著氣候變化，極端天氣事件可能越來(lái)越多，出現(xiàn)強(qiáng)北風(fēng)的頻率也會(huì)加大，其對(duì)淡水資源的影響應(yīng)該引起更多研究和重視。