持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)天氣下長(zhǎng)江口鹽水入侵對(duì)徑流量的響應(yīng)

仇 威, 朱建榮

（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 200241）

0 引 言

目前, 長(zhǎng)江口已成為上海的主要水源地, 陳行水庫(kù)、青草沙水庫(kù)和東風(fēng)西沙水庫(kù)先后建成 (圖1).在河口建設(shè)水庫(kù)面臨的主要問(wèn)題是鹽水入侵, 當(dāng)鹽度(practical salinity units, PSU)超過(guò)0.45 (飲用水鹽度標(biāo)準(zhǔn)) 就不宜取水. 長(zhǎng)江河口鹽水入侵主要受潮汐和徑流量控制[1-3], 還受風(fēng)應(yīng)力、地形以及水和鹽垂向湍流混合等影響[4-8]. 2014 年2 月長(zhǎng)江徑流量平均值為11 510 m3/s, 接近1950—2014 年2 月平均值12 040 m3/s 的情況下 (圖2(a)), 發(fā)生了極端嚴(yán)重的鹽水入侵事件. 李林江[9]、Zhu 等[10]研究表明,該次鹽水入侵事件是由長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)造成的 (圖2). 2014 年2 月6—14 日, 長(zhǎng)江口發(fā)生了持續(xù)9 d 的強(qiáng)北風(fēng), 平均風(fēng)速10.01 m/s, 2 月10 日最大風(fēng)速 17.6 m/s. 2 月15—16 日出現(xiàn)2 d 南風(fēng)之后,在2 月17—20 日又出現(xiàn)了4 d 的強(qiáng)北風(fēng). 強(qiáng)北風(fēng)產(chǎn)生向岸的艾克曼水體輸運(yùn), 引起沿岸強(qiáng)烈增水, 在北港克服向海的徑流, 形成北港流進(jìn)、南港流出的持續(xù)水平環(huán)流, 導(dǎo)致青草沙水庫(kù)連續(xù)不宜取水時(shí)間達(dá)23 d, 給上海的供水安全造成了嚴(yán)重威脅. Li 等[11]的研究表明, 深水航道北導(dǎo)堤在枯季氣候態(tài)風(fēng)況下阻止北港沖淡水向南輸運(yùn)而聚集于北港攔門沙區(qū)域, 減弱了北港的鹽水入侵; 而在持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)作用下, 蘇北沿岸向南輸運(yùn)的高鹽水受北導(dǎo)堤的阻擋, 聚集于北港攔門沙區(qū)域, 并在向陸艾克曼輸運(yùn)作用下加劇了北港的鹽水入侵. 上述研究揭示了該次鹽水入侵事件的動(dòng)力成因.

圖1 長(zhǎng)江河口形勢(shì)圖Fig. 1 Topography of the Changjiang Estuary

圖2 2014 年2 月大通站實(shí)測(cè)徑流量(a)及崇明東灘氣象站實(shí)測(cè)風(fēng)矢(b)和風(fēng)速(c)隨時(shí)間變化Fig. 2 (a) Temporal variations in measured river discharge at Datong station, (b) wind vector, and (c) wind speed at the weather station on the Chongming eastern shoal in February 2014

該次事件后, 長(zhǎng)江防汛抗旱總指揮部和上海市水務(wù)局編制了《長(zhǎng)江口咸潮應(yīng)對(duì)工作預(yù)案研究》, 提出了三峽水庫(kù)可應(yīng)急放水增加徑流量, 以抵御長(zhǎng)江口嚴(yán)重鹽水入侵, 保障水源地取水安全的應(yīng)對(duì)策略.但在增加徑流量對(duì)抵御鹽水入侵效果方面, 還未做過(guò)深入研究. 本文對(duì)此開展研究, 為流域水庫(kù)放水抵御咸潮提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 數(shù)值模式設(shè)置

本文使用基于雙向加密嵌套方法的非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格有限差分河口海岸三維數(shù)值模式UnFECOM (unstructured quadrilateral grid, finite-differencing, estuarine and coastal threedimensional ocean numerical model)[12], 模擬和分析2014 年2 月持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)下長(zhǎng)江河口鹽水入侵對(duì)不同徑流量的響應(yīng). 在2014 年2 月嚴(yán)重鹽水入侵事件中, 持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)產(chǎn)生的向岸艾克曼輸運(yùn)及其引起的強(qiáng)烈增水是其動(dòng)力成因. 在原有結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格長(zhǎng)江河口鹽水入侵?jǐn)?shù)值模式中, 外海開邊界上的增水是由渤海、黃海和東海大區(qū)域模式的計(jì)算結(jié)果提供. UnFECOM 可對(duì)長(zhǎng)江河口局部加密, 計(jì)算范圍包含渤海、黃海和東海, 直接模擬強(qiáng)北風(fēng)產(chǎn)生的沿岸增水, 避開了由大區(qū)域模式計(jì)算結(jié)果提供給小區(qū)域模式作為開邊界條件的煩瑣過(guò)程. 有關(guān)UnFECOM 的具體介紹可參閱文獻(xiàn)[13]. 同時(shí), 該模型使用Wu 等[14]開發(fā)的三階精度格式HSIMT-TVD (high-order spatial interpolation at the middle temporal level coupled with a TVD limiter)度方程的平流項(xiàng)計(jì)算進(jìn)行了改進(jìn), 消除了數(shù)值頻散, 降低了數(shù)值耗散, 提高了模式鹽度的計(jì)算精度.

模式使用非正交曲線網(wǎng)格, 計(jì)算范圍覆蓋整個(gè)黃渤海區(qū)域及東海部分區(qū)域 (圖3(a)). 南起臺(tái)灣島北部 (北緯26°附近), 北至北緯41°附近, 西抵長(zhǎng)江口潮區(qū)界大通水文站 (東經(jīng)117.5°附近), 東達(dá)濟(jì)州島附近 (約東經(jīng)126°). 為提高長(zhǎng)江口內(nèi)區(qū)域的計(jì)算精度, 對(duì)口內(nèi)區(qū)域按1∶3 的比例進(jìn)行加密, 得到如圖3(b)所示的嵌套加密網(wǎng)格, 其中加密后北支網(wǎng)格最小分辨率為89 m × 206 m, 深水航道區(qū)域的網(wǎng)格充分?jǐn)M合導(dǎo)堤 (圖3(c)), 網(wǎng)格分辨率最小為699 m × 294 m. 模式在垂向上均勻分為10 個(gè)σ層. 長(zhǎng)江河口地區(qū)淺灘眾多, 使用干濕判別法實(shí)現(xiàn)潮灘移動(dòng)邊界的模擬, 臨界水深取0.2 m. 基于北支超淺的河道和廣闊的潮灘的特點(diǎn), 底摩擦拖曳系數(shù)采用基于曼寧-謝才系數(shù)隨水深變化的計(jì)算公式[15], 以提高北支倒灌的模擬精度.

圖3 模式計(jì)算范圍和網(wǎng)格 (a), 放大的長(zhǎng)江河口網(wǎng)格 (b) 和深水航道工程附近網(wǎng)格 (c)Fig. 3 (a) Model domain and grid, (b) enlarged grid of the Changjiang Estuary, and (c) enlarged grid near the Deepwater Navigation Channel project

模式中粗細(xì)網(wǎng)格之間信息交換所用的更新算法為完整權(quán)重法, 插值算法為HSIMT 拋物線插值法, 算法的詳細(xì)介紹可參閱文獻(xiàn)[12]. 模型外海開邊界潮位以16 個(gè)分潮 (M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,MU2,NU2,T2,L2,2N2,J1,M1和O1) 的潮汐調(diào)和常數(shù)通過(guò)計(jì)算得到, 數(shù)據(jù)下載自NaoTide 數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99). 初始溫鹽場(chǎng)和鹽度開邊界條件, 由課題組長(zhǎng)期使用的黃海、渤海和東海大模式所得的月平均數(shù)據(jù)插值得到. 上游河流水通量邊界條件來(lái)自大通水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù). 采 用 歐 洲 中 尺 度 氣 象 中 心(European Centre for medium-range weather forecasts, ECMWF,https://cds.climate.copernicus.eu/#!/home) 再分析風(fēng)場(chǎng)資料為模式提供海表面邊界條件, 空間分辨率為0.25° × 0.25°, 時(shí)間分辨率為1 h. 為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)外海開邊界水位波動(dòng)對(duì)模式邊界水位的影響, 采 用 全 球 尺 度 模式HYCOM (hybrid coordinate ocean model)提 供 的 余 水 位 再 分 析 數(shù) 據(jù)(https://www.hycom.org/data/glbu0pt08/expt-90pt9), 該數(shù)據(jù)集時(shí)間分辨率為3 h, 空間分辨率為(1/12)° × (1/12)°.

1.2 模式驗(yàn)證

UnFECOM 已做了較多的驗(yàn)證[12-13,16], 本文采用華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室布設(shè)在長(zhǎng)江口的潮位站水位資料和浮標(biāo)實(shí)測(cè)流速流向資料驗(yàn)證數(shù)值模式, 潮位站和浮標(biāo)測(cè)站的分布見(jiàn)圖1.

對(duì)水位的驗(yàn)證, 模式從2014 年1 月1 日開始運(yùn)行, 比較2014 年2 月長(zhǎng)江口佘山、蘆潮港及堡鎮(zhèn)水文站的模擬和實(shí)測(cè)水位變化過(guò)程. 水位驗(yàn)證結(jié)果表明, 模式模擬的水位變化過(guò)程與實(shí)測(cè)水位變化過(guò)程基本吻合 (圖4(a—c)). 從堡鎮(zhèn)站的余水位變化過(guò)程看 (圖4(d)), 模式輸出的余水位能準(zhǔn)確抓住強(qiáng)北風(fēng)引起的每一次水位波動(dòng); 在增水的幅值上, 模式計(jì)算的增水和實(shí)測(cè)增水接近.

圖4 2014 年2 月佘山、蘆潮港、堡鎮(zhèn)水文站水位 (a—c) 及堡鎮(zhèn)水文站余水位 (d) 隨時(shí)間變化Fig. 4 Temporal variations (a—c) in water level at Sheshan station, Luchaogang station, Buzhen station,and residual water level (d) at Buzhen station in February 2014

對(duì)流速流向的驗(yàn)證, 模式從2021 年12 月1 日開始運(yùn)行, 選用1 月1—15 日的流速、流向的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證. 因文章篇幅限制, 僅給出位于南槽的3# 浮標(biāo)站、北港下段的5# 浮標(biāo)站的驗(yàn)證結(jié)果 (圖5).為了定量評(píng)價(jià)模式的驗(yàn)證結(jié)果, 采用相關(guān)系數(shù) (correlation coefficient, CC)、均方根誤差 (root mean square error, RMSE)、技術(shù)分?jǐn)?shù) (skill score, SS) 對(duì)模式的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析. 相應(yīng)的公式如下:

圖5 3# 浮標(biāo)站表層(a、b)和底層(c、d)及5# 浮標(biāo)站表層(e、f)和底層(g、h)的流速和流向隨時(shí)間的變化Fig. 5 Temporal variations in current velocity and direction in (a, b) surface and (c, d) bottom layers at buoy 3#,and (e, f) surface and (g, h) bottom layers at buoy 5#

式中:Xmod為模式輸出數(shù)據(jù),Xobs為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),為平均值. CC 表示模式輸出數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的相關(guān)性, 接近1 時(shí)表明模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值的變化趨于相同, 若二者相差一個(gè)恒定值但變化趨勢(shì)一致, 仍會(huì)得到較好的CC 評(píng)價(jià), 故引入RMSE 協(xié)助評(píng)估, 從而得到更客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果. SS 用于描述預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的偏差程度, 當(dāng)SS ≥ 0.65 時(shí)模型模擬為優(yōu)秀, 當(dāng)0.50 ≤ SS ＜ 0.65 時(shí)模型模擬為好, 當(dāng)SS ＜ 0.20 時(shí)模型模擬較差[17-18]. 浮標(biāo)站流速驗(yàn)證結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1, 兩個(gè)浮標(biāo)站流速的模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均在0.75 ～ 0.85 之間, 均方根誤差均小于0.5 m/s, 技術(shù)分?jǐn)?shù)均在0.76 以上, 且位于北港下段的5# 浮標(biāo)站各項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)均優(yōu)于南槽的3# 浮標(biāo)站. 可見(jiàn), 水位、流速、流向的驗(yàn)證結(jié)果表明了UnFECOM 能較好地模擬長(zhǎng)江河口的水動(dòng)力過(guò)程.

表1 浮標(biāo)測(cè)站流速的模擬值和觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù) (CC)、均方根誤差 (RMSE) 和技術(shù)分?jǐn)?shù) (SS)Tab. 1 Comparison of correlation coefficient (CC), root mean square error (RMSE), and technical score (SS)between modeled and observed data from buoys

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析方法

本文先設(shè)計(jì)一個(gè)控制數(shù)值試驗(yàn), 結(jié)合2014 年1—2 月實(shí)際徑流量、風(fēng)況, 模擬長(zhǎng)江河口2014 年2 月極端嚴(yán)重鹽水入侵事件. 在此基礎(chǔ)上, 以1 000 m3/s 為間隔增加徑流量, 分析該次鹽水入侵對(duì)不同徑流量的響應(yīng), 討論上游三峽水庫(kù)放水壓咸的效果.

為了量化持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)天氣下長(zhǎng)江口內(nèi)鹽水入侵對(duì)不同徑流量的響應(yīng)過(guò)程, 定義水體單寬輸運(yùn)為

式(1)中:h是靜止水深;ζ是水位;是水體速度矢量;T是做時(shí)間平均的潮周期;σ是數(shù)值模式垂向分層的相對(duì)深度, 表層為0, 底層為—1.

在北港和南港設(shè)置斷面Sec1、Sec2 (圖1). 通過(guò)斷面的凈水通量(Fw) 和凈鹽通量(Fs)分別定義為

式(2)—(3)中:〈〉表示36 h 的低通濾波, 目的是過(guò)濾掉潮汐的影響;L為斷面寬度;為斷面法向流速;S為鹽度.

2 結(jié)果與分析

2.1 2014 年2 月鹽水入侵事件模擬

從水文站鹽度隨時(shí)間的變化過(guò)程看, 2014 年2 月10—13 日南門、崇西和青草沙水文站的鹽度都出現(xiàn)了異常升高 (圖6). 堡鎮(zhèn)站最高鹽度為20.1, 南門站達(dá)13.0, 崇西站達(dá)5.5, 青草沙水庫(kù)取水口為8.1, 最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間 (鹽度連續(xù)超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)0.45 的最長(zhǎng)時(shí)段) 達(dá)23 d. 氣候態(tài)風(fēng)況下的模擬結(jié)果顯示, 南門、堡鎮(zhèn)及青草沙水文站的鹽度遠(yuǎn)小于實(shí)際風(fēng)況下的鹽度, 這表明此次嚴(yán)重鹽水入侵是由持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)引起的北港正面鹽水入侵. 崇西站的鹽度略低于實(shí)際風(fēng)況下的模擬鹽度, 這是因?yàn)樵撜镜柠}度主要來(lái)自北支倒灌.

圖6 崇西(a)、南門(b)、堡鎮(zhèn)(c)和青草沙(d)水文站的鹽度隨時(shí)間的變化Fig. 6 Temporal variations in salinity at (a) Chongxi station, (b) Nanmen station, (c) Buzhen station, and (d)Qingcaosha station

將模型輸出的2 月10—13 日瞬時(shí)鹽度做垂向平均和潮周期平均, 給出平均鹽度分布; 對(duì)瞬時(shí)單寬水通量做潮周期平均, 給出平均單寬水通量分布 (圖7). 受到持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)產(chǎn)生的向陸艾克曼輸運(yùn)的作用, 北港正面鹽水入侵嚴(yán)重, 高鹽水運(yùn)輸至北港上段, 鹽度達(dá)15.0. 南支中段鹽度達(dá)5.0, 另一部分影響到南港, 且南港上段鹽度明顯高于中段, 產(chǎn)生側(cè)向鹽水入侵. 北港的鹽水入侵遠(yuǎn)大于北槽和南槽. 鹽度低于0.45 的區(qū)域被限制在南支上段南岸的極小范圍內(nèi), 位于南支北岸的東風(fēng)西沙水庫(kù)區(qū)域的鹽度略大于南岸的陳行水庫(kù), 青草沙水庫(kù)取水口附近的鹽度在12.0 左右 (圖7(a)). 在持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)的作用下, 長(zhǎng)江口外出現(xiàn)由北向南的沿岸水體輸送, 北支下段出現(xiàn)北側(cè)進(jìn)、南側(cè)出的風(fēng)生橫向環(huán)流. 口外水體在北風(fēng)的作用下克服徑流從北港向口內(nèi)輸運(yùn), 對(duì)長(zhǎng)江口水源地的取水造成嚴(yán)重威脅, 進(jìn)入北港上端后分為兩支: 一支沿著南支北側(cè)上溯至南支中段; 另一支進(jìn)入南港, 形成北港進(jìn)、南港出的水平河口環(huán)流(圖7(b)). 深水航道北導(dǎo)堤阻擋了南下的風(fēng)生水流, 使之沿橫沙東灘向東輸運(yùn), 由于導(dǎo)堤的阻擋使北港朝陸的水體輸運(yùn)增強(qiáng)[11].

圖7 2014 年2 月10—13 日垂向和潮周期平均鹽度 (a) 及潮周期平均單寬水通量 (b) 分布Fig. 7 Distribution of (a) vertically- and tidally-averaged salinity and (b) tide-averaged unit water flux from February 10 to 13, 2014

本文應(yīng)用UnFECOM 模擬的2014 年2 月嚴(yán)重鹽水入侵過(guò)程, 與本研究組以往應(yīng)用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模式模擬的結(jié)果一致, 表明該模式能正確模擬極端風(fēng)況下長(zhǎng)江河口鹽水入侵.

2.2 鹽水入侵對(duì)不同徑流量的響應(yīng)

限于篇幅, 僅給出徑流量增加2 000、4 000、6 000 和8 000 m3/s 情況下鹽度和凈單寬水通量分布(圖8). 隨著徑流量的增加, 長(zhǎng)江口鹽度等值線向口外緩慢移動(dòng), 鹽度低于0.45 的范圍在南支南側(cè)逐漸擴(kuò)大. 同時(shí), 在北港攔門沙區(qū)域深水航道北導(dǎo)堤北側(cè)逐漸出現(xiàn)低鹽水舌, 向東延伸, 這主要是由于強(qiáng)北風(fēng)壓制了低鹽水舌向北擴(kuò)展. 在氣候態(tài)風(fēng)況下, 北港的沖淡水是沿崇明東灘向北擴(kuò)展的[5-7]. 當(dāng)徑流量增加2 000 m3/s 時(shí) (圖8(a)), 相比于實(shí)際徑流量, 南支上段鹽度低于0.45 的范圍略有擴(kuò)大, 但下游鹽度仍高于0.45, 無(wú)淡水出現(xiàn), 鹽度小于1.0 的區(qū)域增大. 當(dāng)徑流量增加4 000 m3/s 時(shí) (圖8(b)), 在南支南岸出現(xiàn)淡水帶, 青草沙水庫(kù)取水口鹽度下降到7 左右. 當(dāng)徑流量增加6 000 m3/s 時(shí) (圖8(c)), 南支南側(cè)鹽度低于0.45, 淡水區(qū)域顯著增大, 北港上段鹽度下降至5 左右. 當(dāng)徑流量增加8 000 m3/s 時(shí)(圖8(d)), 0.45 等鹽度線移動(dòng)到南港上段南側(cè), 南港大部分區(qū)域鹽度低于1.0, 北港依舊被高鹽水占據(jù),絕大部分區(qū)域鹽度大于5, 攔門沙區(qū)域鹽度在20 ～ 25 之間. 然而此時(shí)徑流量已經(jīng)達(dá)到19 150 m3/s, 遠(yuǎn)高于控制試驗(yàn)中的2 月平均徑流量, 整個(gè)北港仍被高鹽水占據(jù), 表明長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的強(qiáng)北風(fēng)對(duì)北港鹽水入侵仍起著主導(dǎo)作用.

圖8 2014 年2 月10—13 日垂向和潮周期平均鹽度平面分布Fig. 8 Distribution of vertically- and tidally-averaged salinity from February 10 to 13, 2014

圖9 為增加不同徑流量下2014 年2 月10—13 日凈水體輸運(yùn)平面分布. 當(dāng)徑流量增加2 000 m3/s時(shí), 北港上段的凈水體輸運(yùn)仍然向陸. 隨著徑流量的增加, 量值減小. 當(dāng)徑流量增加8 000 m3/s 時(shí), 北港上端的凈水體輸運(yùn)仍然向陸, 量值進(jìn)一步變小, 在青草沙水庫(kù)中下段北側(cè), 凈水體輸運(yùn)已轉(zhuǎn)為向海.可見(jiàn), 增加徑流量能減弱長(zhǎng)時(shí)間北風(fēng)產(chǎn)生的向陸艾克曼水體輸運(yùn), 且需要連續(xù)一個(gè)月增加8 000 m3/s的徑流量才能大致消除, 如此長(zhǎng)時(shí)間、大幅度的增加徑流量, 對(duì)三峽水庫(kù)的實(shí)際調(diào)度是較難實(shí)現(xiàn)的.

圖9 2014 年2 月10—13 日潮周期平均單寬水通量平面分布Fig. 9 Distribution of tidally-averaged unit water flux from February 10 to 13, 2014

結(jié)合北港上端斷面Sec1 的潮位, 對(duì)通過(guò)Sec1 的凈水通量和鹽通量進(jìn)行定量分析. 在控制試驗(yàn)中,2 月7 日8 時(shí)之前, 通過(guò)Sec1 的向海的凈水通量最大值達(dá)11 000 m3/s, 約占總徑流量的90%. 在2 月7 日11 時(shí)—11 日16 時(shí), 處于小潮期間 (圖10(a)), 凈水通量為負(fù)值, 出現(xiàn)向陸的凈水體輸運(yùn). 一方面是因?yàn)樾〕逼陂g風(fēng)應(yīng)力的作用比大潮期間更顯著, 另一方面該段時(shí)間受到強(qiáng)北風(fēng)作用 (見(jiàn)圖2), 在潮汐和強(qiáng)北風(fēng)的共同作用下北港出現(xiàn)水體的向陸輸運(yùn), 最大值達(dá)到8 000 m3/s. 進(jìn)入北港的水體一部分從南港流出, 形成風(fēng)生水平環(huán)流[9,19]. 2 月16 日向海的凈水通量開始驟減, 16 時(shí)水體凈輸運(yùn)開始向陸,在17 日達(dá)到最大3 000 m3/s. 此后凈水通量一直向海輸運(yùn). 從實(shí)測(cè)風(fēng)矢隨時(shí)間變化過(guò)程來(lái)看, 向陸的凈水體輸運(yùn)發(fā)生在持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)期間. 隨著徑流量的增加, 向陸的凈水通量逐漸降低, 向海的凈水通量逐漸增加. 當(dāng)徑流量增加7 000 m3/s 時(shí), 2 月10 日通過(guò)Sec1 的凈水通量開始向海輸運(yùn), 但是2 月7 日11 時(shí)—11 日16 時(shí)大部分時(shí)段的凈水通量是向陸輸運(yùn)的. 當(dāng)徑流量增加8 000 m3/s 時(shí), 向陸的最大水體凈輸運(yùn)減少至3 000 m3/s (圖10(b)). 水通量的變化會(huì)引起鹽通量的變化, 向陸的凈鹽通量發(fā)生的時(shí)段與向陸的凈水通量時(shí)段相同. 控制試驗(yàn)中, 2 月8—11 日小潮期間潮動(dòng)力弱, 鹽度垂向分層增強(qiáng), 底層形成強(qiáng)烈的鹽水楔, 產(chǎn)生向陸的斜壓壓強(qiáng)梯度力, 增加了向陸的鹽分輸運(yùn). 為了維持鹽度平衡, 隨后的大潮期間鹽分向海輸運(yùn). 隨著徑流量的增加, 向陸的凈鹽通量逐漸減小. 控制試驗(yàn)中, 向陸的凈鹽通量在2 月11 日達(dá)到最大, 量值為167 t/s. 當(dāng)徑流量增加6 000 m3/s 時(shí), 在2 月10 日前后, 通過(guò)斷面Sec1 的凈鹽通量在小潮時(shí)仍向陸輸運(yùn), 量值為66 t/s. 這是由于小潮期間鹽度垂向分層強(qiáng)烈, 形成底層高鹽水向陸輸運(yùn), 表層淡水向海輸運(yùn)的河口環(huán)流. 因此, 垂向平均后可能出現(xiàn)凈水通量向海, 凈鹽通量向陸的情況. 當(dāng)徑流量增加8 000 m3/s 時(shí), 2 月8—10 日16 時(shí)凈鹽通量仍然是向陸的, 但最大值下降至40 t/s (圖10(c)).

圖10 增加不同徑流量下2014 年2 月青草沙水庫(kù)取水口潮位 (a)及通過(guò)北港斷面Sec1 凈水通量 (b)和鹽通量 (c)隨時(shí)間的變化Fig. 10 Temporal variation of tidal level (a) at Qingcaosha Reservoir intake, (b) net water flux, and (c) salt flux cross Sec1 in the North Channel in February 2014 under different increasing discharge rates

在增加不同徑流量情形下, 北港斷面Sec1 和南港斷面Sec2 在2 月10—13 日凈分流比、凈水通量和鹽通量隨徑流量增加的變化見(jiàn)圖10. 北港的凈分流比隨著徑流量增加而非線性增加, 徑流量增加一方面直接增加了北港的入海徑流量, 另一方面減弱了北港進(jìn)入南港流出的風(fēng)生水平環(huán)流. 在控制試驗(yàn)中, 北港分流比為 —29% (負(fù)號(hào)表示凈水通量向陸). 當(dāng)徑流量增加值為3 000 m3/s 時(shí), 北港凈分流比接近零 (圖11(a)). 當(dāng)徑流量增加值為8 000 m3/s 時(shí), 北港分流比為21.5%, 凈水通量向海輸運(yùn). 隨著徑流量的增加, 各斷面的水通量線性增加. 在控制試驗(yàn)中, 北港凈水通量為 —2 300 m3/s, 這表明受到向陸艾克曼輸運(yùn)的作用, 北港凈水通量向陸. 當(dāng)徑流量增加值為3 000 m3/s 時(shí), 北港凈水通量為零. 當(dāng)徑流量增加值為8 000 m3/s 時(shí), 北港凈水通量為3 550 m3/s. 南港的凈水通量隨著徑流量的增加而增加, 量值從10 800 m3/s 增加到12 500 m3/s (圖11(b)). 通過(guò)各斷面的凈鹽通量隨著徑流量的增加呈非線性變化.在控制試驗(yàn)中, 通過(guò)Sec1 的凈鹽通量向陸輸運(yùn)達(dá)68 t/s, 一部分通過(guò)風(fēng)生水平環(huán)流從Sec2 流出, 量值達(dá)33 t/s, 隨著徑流量的增加通過(guò)Sec1 和Sec2 的凈鹽通量減少. 當(dāng)徑流量增加值為3 000 m3/s 時(shí),北港向陸的凈鹽通量為34 t/s. 當(dāng)徑流量增加值為8 000 m3/s 時(shí), 北港向陸的凈鹽通量為6 t/s(圖11(c)). 可見(jiàn), 徑流量增加3 000 m3/s, 北港凈分流比和水通量接近零, 徑流量繼續(xù)增加, 凈水通量向海輸運(yùn), 但即使徑流量增加到8 000 m3/s 凈鹽通量仍向陸輸運(yùn). 原因在于北支鹽水倒灌進(jìn)入南支后,凈鹽通量在徑流作用下始終向海輸運(yùn).

圖11 增加不同徑流量下2014 年2 月10—13 日通過(guò)Sec1、Sec2 斷面凈分流比 (a) 及潮周期平均水通量 (b)和鹽通量 (c)Fig. 11 The net diversion ratio (a), tidally-averaged water flux (b) and salt flux (c) cross Sec1 and Sec2 during February 10—13, 2014, under various increasing discharge rates

2014 年2 月極端嚴(yán)重鹽水入侵事件對(duì)長(zhǎng)江口水源地影響最嚴(yán)重的是青草沙水庫(kù). 青草沙水庫(kù)是上海最主要的水源地, 提供了整個(gè)上海50%以上的用水. 本文分析了增加不同徑流量與實(shí)際徑流量下青草沙水庫(kù)取水口鹽度隨時(shí)間變化過(guò)程 (圖12), 并統(tǒng)計(jì)了青草沙水庫(kù)2014 年2 月最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水天數(shù) (表2). 當(dāng)徑流量增加1 000 m3/s 時(shí), 2 月鹽度下降最大值為1.3, 水庫(kù)最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間達(dá)22.5 d, 與實(shí)際徑流量下的23.0 d 相比下降不明顯. 當(dāng)徑流量增加2000 m3/s 時(shí), 2 月鹽度下降最大值為2.7, 水庫(kù)最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間達(dá)20.5 d. 當(dāng)徑流量增加3 000 m3/s 時(shí), 2 月鹽度下降最大值為4.3,水庫(kù)最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間達(dá)19.5 d. 當(dāng)徑流量增加4 000 m3/s 時(shí), 2 月11—17 日期間鹽度下降最明顯, 2 月鹽度峰值下降5.6, 最長(zhǎng)不宜取水時(shí)間為19 d (圖12(a)). 當(dāng)徑流量增加值為5 000 m3/s 時(shí),2 月11—15 日期間鹽度降低顯著, 下降最大值為6.7, 最長(zhǎng)不宜取水時(shí)間為12.5 d. 可見(jiàn), 當(dāng)徑流量增加5 000 m3/s 時(shí), 青草沙水庫(kù)取水口最長(zhǎng)不宜取水時(shí)間才大幅下降. 然而，徑流量增加超過(guò)3 000 m3/s 時(shí),通過(guò)北港斷面的水通量已經(jīng)開始向海輸運(yùn) (圖10(b)), 這表明壓制正面鹽水入侵具有滯后效應(yīng). 當(dāng)徑流量增加6 000 m3/s 時(shí), 2 月鹽度下降最大值為7.8, 連續(xù)最長(zhǎng)不宜取水時(shí)間為10.0 d. 當(dāng)徑流量增加8 000 m3/s 時(shí), 2 月鹽度下降最大值為9.8, 最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間達(dá)4.5 d (圖12(b)). 這些結(jié)果表明,通過(guò)三峽大壩增加徑流量可以有效降低青草沙水庫(kù)取水口鹽度, 縮短最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水天數(shù), 當(dāng)徑流量增加值達(dá)到5 000 m3/s 時(shí), 取水口鹽度降低顯著.

表2 不同徑流量情況下2014 年2 月青草沙水庫(kù)最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水天數(shù)Tab. 2 The longest continuous unsuitable days for water intake under different discharge conditions in February 2014

圖12 2014 年2 月青草沙水庫(kù)取水口增加不同徑流量與實(shí)際徑流量下鹽度隨時(shí)間的變化Fig. 12 Temporal differences in salinity between various increased river discharge scenarios and real river discharge at the Qingcaosha Reservoir water intake in February 2014

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用UnFECOM, 模擬和分析2014 年2 月持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)下長(zhǎng)江河口極端嚴(yán)重鹽水入侵對(duì)增加不同徑流量的響應(yīng). 結(jié)果表明, 隨著徑流量的增加, 在2014 年2 月10—13 日長(zhǎng)江口鹽水入侵最嚴(yán)重時(shí)段, 北港上段的凈水體輸運(yùn)仍然向陸, 但量值趨于減小; 鹽度等值線向口外緩慢移動(dòng), 鹽度低于0.4 的范圍在南支南側(cè)逐漸擴(kuò)大. 北港上段的凈分流比、凈水通量和鹽通量隨著徑流量增加而增加. 在控制試驗(yàn)中, 北港分流比為 —29% (負(fù)號(hào)表示凈水通量向陸), 凈水通量為 —2 300 m3/s, 凈鹽通量為—68 t/s, 表明受到持續(xù)強(qiáng)北風(fēng)產(chǎn)生的向陸艾克曼輸運(yùn)作用, 北港凈水通量和鹽通量向陸. 當(dāng)徑流量增加3 000 m3/s 時(shí), 北港凈分流比和水通量接近零, 凈鹽通量為 —34 t/s. 當(dāng)徑流量增加8 000 m3/s 時(shí), 北港分流比為21.5%, 凈水通量為3 550 m3/s, 凈水通量向海輸運(yùn), 凈鹽通量為—6 t/s, 向陸輸運(yùn). 在青草沙水庫(kù)取水口, 當(dāng)徑流量從1 000 增加至8 000 m3/s(間隔1 000 m3/s), 最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間與實(shí)際徑流量下最長(zhǎng)連續(xù)不易取水時(shí)間 (23 d) 相比, 分別減小了0.5、2.5、3.5、4.0、10.5、13.0、15.0 和18.5 d.當(dāng)徑流量增加小于4 000 m3/s 時(shí), 最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間下降不明顯, 但當(dāng)徑流量增加值達(dá)到5 000 m3/s 時(shí), 最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水時(shí)間開始大幅下降.

以往的研究結(jié)果表明, 三峽水庫(kù)正式運(yùn)行后, 9—10 月蓄水至175 m, 1—2 月放水量增加約為1 709 m3/s[20]; 枯季三峽大壩在大中小潮期間分別增加徑流量后, 青草沙水庫(kù)取水口鹽度下降達(dá)到最大時(shí)的平均響應(yīng)時(shí)間為17.5 d[21]. 本文模擬結(jié)果表明, 針對(duì)2014 年2 月長(zhǎng)江口極端嚴(yán)重鹽水入侵事件,通過(guò)三峽大壩增加徑流量可以抑制河口鹽水入侵. 但增加徑流量達(dá)到5 000 m3/s 且持續(xù)一個(gè)月時(shí), 青草沙水庫(kù)取水口鹽度最長(zhǎng)連續(xù)不宜取水天數(shù)才明顯下降. 但是, 這個(gè)增加徑流量的量值和持續(xù)時(shí)間對(duì)三峽水庫(kù)的實(shí)際調(diào)度是較難做到的. 建設(shè)和完善長(zhǎng)江口鹽度監(jiān)測(cè)網(wǎng), 預(yù)警和預(yù)報(bào)鹽水入侵, 在嚴(yán)重鹽水入侵來(lái)臨之前將上游水庫(kù)蓄至高水位, 保證有充足的庫(kù)容進(jìn)行水資源調(diào)度, 是保障水庫(kù)取水安全的一種有效方法.