2022年長(zhǎng)江口夏季咸潮入侵及影響機(jī)制研究

王玉琦　李鋮　劉安琪　吳倫宇　葛建忠

摘要：2022年長(zhǎng)江流域降雨、干支流來(lái)水均嚴(yán)重偏少，江湖水位持續(xù)走低，發(fā)生了1961年有完整記錄以來(lái)最嚴(yán)重的流域性氣象水文干旱。受此影響，2022年8月下旬長(zhǎng)江河口就遭遇咸潮入侵，為有咸潮入侵監(jiān)測(cè)記錄以來(lái)歷史最早，隨后入侵增強(qiáng)并持續(xù)影響長(zhǎng)江口。針對(duì)2022年長(zhǎng)江口罕見(jiàn)的夏秋季節(jié)咸潮入侵事件，利用長(zhǎng)江口岸基、浮標(biāo)觀測(cè)資料，分析了2022年洪季咸潮入侵的變化過(guò)程，并結(jié)合FVCOM咸潮入侵?jǐn)?shù)值模型，量化分析徑流、潮汐及臺(tái)風(fēng)事件對(duì)咸潮入侵的影響。結(jié)果表明：2022年夏季長(zhǎng)江徑流量為歷史極低值，導(dǎo)致長(zhǎng)江口咸潮入侵時(shí)間提前，入侵頻率增加，上溯距離增大，河道北側(cè)鹽度顯著高于南側(cè)。在低徑流情況下咸潮入侵呈現(xiàn)顯著的漲落潮、大小周期性變化，其中小潮后期為鹽度的快速上升期，大潮至中潮位為鹽度緩慢下降時(shí)段。除此之外，持續(xù)的偏北風(fēng)會(huì)有利于外海水體向海內(nèi)輸送，導(dǎo)致水位抬升，增強(qiáng)咸潮入侵。2022年9月在北向型臺(tái)風(fēng)“軒嵐諾”和“南瑪都”的影響下，隨著漲潮流的作用，長(zhǎng)江口咸潮入侵程度在9月21日達(dá)到最大，上溯至東風(fēng)西沙水庫(kù)北部約10 km處。研究成果可為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)長(zhǎng)江口咸潮入侵規(guī)律及機(jī)理提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：咸潮入侵； 汛期； FVCOM； 長(zhǎng)江口； 2022年長(zhǎng)江流域干旱

中圖法分類號(hào)： P343.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.002

0 引 言

咸潮入侵（又稱咸潮上溯、鹽水入侵）是一種天然的河口水文現(xiàn)象。當(dāng)河流徑流量較低時(shí)，易引起海水倒灌，咸淡水混合造成上游河道水體變咸，即形成咸潮。一般認(rèn)為河口鹽度超過(guò)0.2‰時(shí)，則認(rèn)為該處發(fā)生了咸潮入侵。而對(duì)水源地來(lái)說(shuō)，鹽度超過(guò)250 mg/L （0.45‰）時(shí)，將對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和居民生活產(chǎn)生不利影響，因此一般將0.45‰作為水源地水庫(kù)運(yùn)行的控制性指標(biāo)。河口是人類活動(dòng)密集的區(qū)域，也是多種動(dòng)力因子相互作用的地帶，徑流帶來(lái)的淡水和高鹽海水在此區(qū)域相互作用，由此產(chǎn)生的咸潮入侵是影響河口地區(qū)人民生產(chǎn)生活最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一［1］。

影響河口咸潮入侵的主要因素有徑流量和潮汐，其他還包括風(fēng)應(yīng)力、人類活動(dòng)、河勢(shì)變化和海平面變化等。咸潮入侵強(qiáng)度則主要取決于徑流量和潮流的相互消長(zhǎng)，潮流漲、落強(qiáng)弱和入海徑流量大小的組合造成了咸潮入侵強(qiáng)度的多變性［1］。漲潮流增大水體鹽度，入海徑流沖淡水體鹽度，兩者的主導(dǎo)地位隨徑流量和漲潮流的相對(duì)大小而變［2-3］。除此之外，風(fēng)暴潮和天文大潮疊加時(shí)，將引發(fā)或加劇短時(shí)咸潮入侵過(guò)程，若同時(shí)處于枯水期，極易發(fā)生嚴(yán)重的咸潮入侵過(guò)程［4］。

在自然條件下，長(zhǎng)江河口常在枯水季節(jié)發(fā)生顯著的咸潮入侵事件，即每年的 12月和來(lái)年的1～3月，4～6月隨著長(zhǎng)江流域進(jìn)入洪季咸潮入侵消失［5］。然而自21世紀(jì)以來(lái)全球氣候變化導(dǎo)致長(zhǎng)江口在汛期遭受嚴(yán)重咸潮入侵的現(xiàn)象多次出現(xiàn)［6-7］。例如2006年是上海地區(qū)首個(gè)洪季遭受咸潮入侵的年份，咸潮首次入侵時(shí)間為9月11～16日，比常年提前了3個(gè)月；咸潮入侵的頻率也是2006年之前所未有的［8］，其中2006年10～11月咸潮入侵發(fā)生次數(shù)最多，平均約6 d/次［3］。時(shí)隔5 a后，2011年春末夏初，長(zhǎng)江口再次出現(xiàn)非咸潮入侵季節(jié)發(fā)生咸潮入侵進(jìn)而影響長(zhǎng)江口水源地取水的事件，4月12日長(zhǎng)江口南支中段鹽度仍然超標(biāo)，直至6月，長(zhǎng)江口仍間歇受到咸潮入侵的影響［9］。

隨著全球變暖趨勢(shì)的持續(xù)增強(qiáng)，全球范圍內(nèi)降水的時(shí)空非均勻性和極端性加劇，導(dǎo)致地面蒸散發(fā)等水分平衡過(guò)程發(fā)生顯著改變，干旱頻率和強(qiáng)度呈明顯增加趨勢(shì)，干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大［10-11］。2022年春夏季，北半球經(jīng)歷了史無(wú)前例的高溫干旱，全球大范圍創(chuàng)下了高溫記錄，亞洲和歐美持續(xù)性的高溫天氣均伴隨嚴(yán)重的干旱事件。根據(jù)WMO發(fā)布的報(bào)告，2022年7月已成為全球范圍內(nèi)有氣象記錄以來(lái)最熱的月份前三名之一［12-13］。受此影響，長(zhǎng)江重慶及中下游地區(qū)出現(xiàn)自1961年有完整氣象觀測(cè)記錄以來(lái)最強(qiáng)高溫過(guò)程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，極端性強(qiáng)［14］。由于降雨少、長(zhǎng)期高溫導(dǎo)致蒸發(fā)量大增，長(zhǎng)江干流及主要支流水位持續(xù)退落，出現(xiàn)了“汛期反枯”的罕見(jiàn)現(xiàn)象，其中，8月長(zhǎng)江中下游干流枯水重現(xiàn)期大于100 a一遇［15］。

2022年“洪季反枯”水文災(zāi)害導(dǎo)致長(zhǎng)江口在8月10日就出現(xiàn)了咸潮入侵的事件［16］，比2006年夏秋季咸潮首次入侵提前了一個(gè)月。9月5日咸潮再次入侵，入侵強(qiáng)度增加并持續(xù)影響長(zhǎng)江口水源地的取水安全，上海城市供水安全一度受到嚴(yán)重威脅。長(zhǎng)江口區(qū)域是中國(guó)人口密集度最高、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，洪季咸潮入侵嚴(yán)重程度對(duì)居民生活用水、農(nóng)業(yè)用水和城市工業(yè)生產(chǎn)用水產(chǎn)生重大影響。開(kāi)展長(zhǎng)江口洪季咸潮入侵的研究對(duì)于保障極端條件下的上海市水資源安全具有重大意義。

本次研究基于長(zhǎng)江河口岸基、浮標(biāo)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合天文潮汐、氣象等觀測(cè)資料分析洪季長(zhǎng)江口咸潮入侵的影響機(jī)制；并采用高分辨率三維咸潮數(shù)值模型揭示“洪季反枯”背景下長(zhǎng)江口咸潮入侵的特征和變化機(jī)制，量化其與潮汐、夏秋季節(jié)臺(tái)風(fēng)耦合作用下的時(shí)空響應(yīng)特征，以為洪季反枯背景下的咸潮入侵應(yīng)對(duì)提供科學(xué)和技術(shù)支撐。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與入侵過(guò)程

長(zhǎng)江口屬于特大型分汊河口，鹽度的空間分布和時(shí)間變化規(guī)律比較復(fù)雜，由于特有的河口地貌形態(tài)，一方面外海高鹽水基本上從南港和北港兩條水道進(jìn)入南支區(qū)域；另一方面由于長(zhǎng)江淡水流入北支量較少，大量的高鹽海水進(jìn)入北支后再灌進(jìn)入南支，形成北支倒灌現(xiàn)象［17-18］，即在長(zhǎng)江徑流量較低的情況下河口區(qū)域受到咸潮入侵和倒灌的雙重影響，同時(shí)咸潮入侵事件在潮汐、氣象等動(dòng)力要素的影響下具有短時(shí)、高強(qiáng)度、區(qū)域差異顯著的特征，因此南支水源地鹽度的預(yù)測(cè)難度也大幅增大。

利用建立的長(zhǎng)江口岸基監(jiān)測(cè)網(wǎng)（見(jiàn)圖1），并整合關(guān)鍵河道浮標(biāo)實(shí)時(shí)觀測(cè)傳輸系統(tǒng)，從而連續(xù)、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)河口潮位、潮流、鹽度等水文動(dòng)力過(guò)程。岸基觀測(cè)站位包含上海市崇明島南門、崇西、堡鎮(zhèn)、青草沙、橫沙島、石洞口等關(guān)鍵站位，其主要監(jiān)測(cè)變量為水體表層鹽度；浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含長(zhǎng)江口北港4，5，6號(hào)以及長(zhǎng)江口南槽區(qū)域1，2，3號(hào)共6個(gè)浮標(biāo)站位，監(jiān)測(cè)變量包含鹽度、流速流向及濁度等水文動(dòng)力要素。

據(jù)大通站歷史資料統(tǒng)計(jì)，近5 a平均洪峰流量約59 940 m3/s，近5 a最低枯水流量約13 140 m3/s （見(jiàn)圖2）。從洪季反枯年系列來(lái)看，歷史上首個(gè)洪季咸潮入侵年份（2006年）大通站1～6月和12月流量在9 500～42 900 m3/s之間變化，與近5 a平均流量相差不大；7～11月流量在11 100～39 100 m3/s之間變化，與近5 a平均流量相比減少2 920～23 540 m3/s，導(dǎo)致9月就發(fā)生嚴(yán)重的北支鹽水倒灌進(jìn)入南支，比一般情況提前了3個(gè)月［11］。2011年出現(xiàn)春季咸潮入侵，其大通站1～5月流量維持在12 600～19 700 m3/s之間變化，4～5月份流量與近5 a平均流量相比減少7 100～16 300 m3/s；7～10月流量在17 700～43 600 m3/s之間變化，與近5 a平均流量相比減少7 000～29 920 m3/s，導(dǎo)致長(zhǎng)江口在4月仍然受到咸潮入侵，并且一直持續(xù)到6月份［6］。

2022年大通站1～7月流量在11 900～57 600 m3/s之間變化，與近5 a平均流量相比略有增加；2022年8～11月流量在7 320～29 500 m3之間變化，出現(xiàn)了歷史同期最小流量，較近5 a年平均徑流量下降12 360～26 950 m3/s，較2006年同期流量下降0～11 000 m3/s，特別是9月30日至10月5日徑流量不足10 000 m3/s，導(dǎo)致2022年8月中下旬長(zhǎng)江口就出現(xiàn)了嚴(yán)重的咸潮入侵事件。

2022年長(zhǎng)江口南北支分流口區(qū)域崇西站、南支堡鎮(zhèn)、青草沙水庫(kù)區(qū)域及石洞口站觀測(cè)的8月15日至11月1日的表層鹽度變化，如圖3所示。在南北支分流口的崇西站最早于8月16日20：00出現(xiàn)鹽度超標(biāo)，為期2 d，該位置的鹽度超標(biāo)是由于徑流量較低而引發(fā)北支咸潮倒灌造成的。而北港南側(cè)青草沙水庫(kù)區(qū)域也隨后于8月24日0：00發(fā)生鹽度超標(biāo)，但整體幅度較低，北港北側(cè)相對(duì)的堡鎮(zhèn)站也同期出現(xiàn)了強(qiáng)度更大的鹽度超標(biāo)，鹽度值最高達(dá)到3.75‰。前期的研究中也發(fā)現(xiàn)咸潮入侵主要的途徑有北偏的趨勢(shì)，這主要是由于北港北汊通道對(duì)咸潮入侵的貢獻(xiàn)以及高鹽水上溯運(yùn)動(dòng)中受科氏力影響右偏共同影響，而同期南支上游南側(cè)的石洞口水域并未發(fā)生明顯的咸潮入侵。

受長(zhǎng)江流量持續(xù)降低的影響，2022年9月5日長(zhǎng)江口再次發(fā)生普遍的咸潮入侵，堡鎮(zhèn)站表層鹽度峰值超過(guò)5‰，青草沙水域鹽度也逐漸增大，至9月9日0：00達(dá)到4.59‰，而同期崇西站已頻繁受到高鹽水控制。9月30日前后徑流量達(dá)到最低值，咸潮入侵也進(jìn)一步增強(qiáng)，堡鎮(zhèn)站于9月21日23：00表層鹽度高達(dá)17.88‰，青草沙站表層鹽度超過(guò)5‰，長(zhǎng)江口主要站普遍受到高鹽水的頻繁影響。

實(shí)測(cè)資料顯示：2022年9月5日至11月16日，青草沙水庫(kù)持續(xù)遭受咸潮入侵的影響；位于崇西站南部的東風(fēng)西沙水庫(kù)自9月20日起遭受咸潮入侵，持續(xù)至10月18日，共27 d 19 h，期間鹽度最高達(dá)到3.96‰，東風(fēng)西沙水庫(kù)于10月23日至11月8日又再次遭受咸潮入侵，期間鹽度最高達(dá)到3.24‰。南支南側(cè)石洞口站9月8日10：00發(fā)生鹽水首次入侵，在9月14日至11月1日期間，石洞口表層鹽度值高于0.45‰多達(dá)40 d。同時(shí)位于石洞口站位北部附近的陳行水庫(kù)于9月21日至10月18日、10月22日至11月8日遭受咸潮入侵共41 d 4 h，期間鹽度最高達(dá)到16.03‰。

2 咸潮入侵?jǐn)?shù)值模型

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地捕捉特定站位的鹽度過(guò)程，為預(yù)警預(yù)報(bào)提供及時(shí)的參考。然而有限的岸基、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)難以刻畫(huà)整個(gè)區(qū)域咸潮入侵的高分辨率時(shí)間-空間變化特征，因此需要利用高分辨率合理可靠的數(shù)值模型系統(tǒng)進(jìn)行咸潮入侵機(jī)理、預(yù)報(bào)，為評(píng)估分析提供支撐。

2.1 模型介紹

FVCOM（Finite-Volume Community Ocean Model）是一種無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、有限體積、自由表面的三維海洋數(shù)值模型，垂向上使用σ坐標(biāo)系對(duì)不規(guī)則地形進(jìn)行擬合，水平方向使用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空間離散，綜合來(lái)看，模型能夠較好地?cái)M合島嶼、岸線。其控制方程組包括動(dòng)量、連續(xù)、鹽度方程：

式中：x、y和z分別代表直角坐標(biāo)系中東向、北向和垂向坐標(biāo)；u、v和w分別為x、y和z 3個(gè)方向上的流速分量；θ為溫度，S為鹽度，ρ為密度，p為壓力，f為科氏力參數(shù)，g為重力加速度；Fu，F(xiàn)v，F(xiàn)θ和 FS分別代表水平動(dòng)量、溫度和鹽度擴(kuò)散項(xiàng)；Km 為垂向渦動(dòng)黏性系數(shù)，Kn為熱力垂向渦動(dòng)摩擦系數(shù)。

模型采用Mellor-Yamada 2.5階垂向湍流閉合模型及 Smagorinsky水平湍流模型對(duì)方程組進(jìn)行閉合。模型具有優(yōu)秀的對(duì)復(fù)雜地形和岸線的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合的能力，能很好地刻畫(huà)長(zhǎng)江口的復(fù)雜岸線、島嶼和地形，同時(shí)該數(shù)值模型具有較高的計(jì)算精度，并且質(zhì)量守恒，能有效保證鹽度的高精度計(jì)算，該模型已廣泛應(yīng)用于多個(gè)河口的咸潮入侵?jǐn)?shù)值模擬研究［19-23］。

2.2 模型設(shè)置

模型的計(jì)算區(qū)域如圖4所示。

模型上游河流邊界設(shè)置為長(zhǎng)江大通站，計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)長(zhǎng)江口、杭州灣區(qū)域、舟山群島及東海內(nèi)陸架等區(qū)域，東側(cè)外海開(kāi)邊界拓展至124.5°E。計(jì)算網(wǎng)格共有49 854個(gè)節(jié)點(diǎn)，93 843個(gè)三角形，網(wǎng)格分辨率自外海向河口呈現(xiàn)逐漸加密，在開(kāi)邊界附近網(wǎng)格分辨率為10 km左右，在長(zhǎng)江口附近特別是口門區(qū)域較高，能達(dá)到200 m左右。垂向上模型采用隨地形變化的sigma坐標(biāo)，垂向均勻分為20層。外海開(kāi)邊界采用TPXO 數(shù)據(jù)集中的8個(gè)主要天文分潮M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1合成給出：

式中：ξ為潮位，ξo為余水位，f為節(jié)點(diǎn)因子，Hi為振幅，ωi為角頻率，gi為遲角，（Vi+ui）為訂正角。上游河流邊界考慮逐日實(shí)測(cè)流量，初始場(chǎng)使用夏季氣候態(tài)溫鹽場(chǎng)，該初始場(chǎng)來(lái)自《渤海、黃海、東海海洋圖集》數(shù)字化資料。

氣象強(qiáng)迫數(shù)據(jù)由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF，http：∥apps.ecmwf.int/）ERA5數(shù)據(jù)集提供，分辨率達(dá)到0.125°×0.125°，每3 h輸入海表面10 m高處風(fēng)速數(shù)據(jù)。模型計(jì)算時(shí)間為2022年6月10日至11月1日。

2.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用2022年8～11月長(zhǎng)江口鹽度調(diào)查數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)鹽度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況如圖5所示。

用相關(guān)性系數(shù)來(lái)判斷對(duì)以上各鹽度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬效果，其中相關(guān)性系數(shù)R的公式為

式中：xi，yi分別為模擬值和實(shí)測(cè)值；x-，y-分別為模擬值和實(shí)測(cè)值的均值；n為樣本的個(gè)數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用均方根（RMSE）和絕對(duì)平均誤差（AME）來(lái)表征模擬效果的優(yōu)劣。橫沙北站點(diǎn)由于觀測(cè)儀器故障，部分時(shí)段數(shù)據(jù)缺失，同時(shí)發(fā)生傳感器鹽度上限限制的問(wèn)題，造成部分過(guò)程未成功捕捉（見(jiàn)圖5（b）），因此未參考橫沙北觀測(cè)站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

模擬值與實(shí)測(cè)值的模擬結(jié)果對(duì)比較好，說(shuō)明該模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬咸潮入侵的發(fā)生時(shí)段和強(qiáng)度。需要注意的是，由于全計(jì)算時(shí)段由模型根據(jù)邊界和驅(qū)動(dòng)條件自行約束未進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，在計(jì)算中也出現(xiàn)部分誤差較顯著的時(shí)段和位置。同時(shí)，由于觀測(cè)儀器故障，堡鎮(zhèn)站部分時(shí)段數(shù)據(jù)缺失（見(jiàn)圖5（a））。但從整體看模型能較好刻畫(huà)咸潮入侵在主要站位的變化過(guò)程和強(qiáng)度，可用于咸潮入侵過(guò)程的分析。

3 結(jié)果分析

3.1 “洪季反枯”背景下咸潮入侵動(dòng)力過(guò)程

因咸潮上溯具有沿河道偏右側(cè)增強(qiáng)的趨勢(shì)，因此長(zhǎng)江口南支北側(cè)、崇明島南側(cè)區(qū)域是受咸潮入侵最顯著的區(qū)域，本文采用長(zhǎng)江口南支中段堡鎮(zhèn)站作為控制站進(jìn)行咸潮入侵分析。采用2022年8～11月大通實(shí)站測(cè)流量，運(yùn)用FVCOM數(shù)值模型，模擬得到8～11月潮位過(guò)程，并考慮ERA5的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)結(jié)合分析長(zhǎng)江徑流量“洪季反枯”背景下河口區(qū)域咸潮入侵與徑流、天文潮汐及氣象要素的響應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)圖6）。

在2022年8月23～25日天文小潮時(shí)段，大通站流量下降至17 300 m3/s，堡鎮(zhèn)站鹽度高于0.45‰，發(fā)生該站位當(dāng)年首次咸潮入侵事件，鹽度峰值出現(xiàn)在漲潮期間，且漲潮前出現(xiàn)6 m/s的偏北大風(fēng)。9月5日處于天文小潮期間，大通站流量持續(xù)下降至12 600 m3/s，堡鎮(zhèn)站表層鹽度再次超過(guò)0.45‰，至9月15日期間鹽度一直處于高位，該時(shí)段鹽度出現(xiàn)兩次接近10‰的峰值。第一次峰值出現(xiàn)9月5日小潮落憩時(shí)刻，且當(dāng)日臺(tái)風(fēng)“軒嵐諾”登陸上海市，期間產(chǎn)生較強(qiáng)偏北風(fēng)，造成堡鎮(zhèn)站表層鹽度迅速升高。第二次峰值出現(xiàn)在9月8～9日漲潮期間；谷值出現(xiàn)在落潮時(shí)刻，但鹽度值仍高于0.45‰。

在2022年9月16日至10月1日，堡鎮(zhèn)站持續(xù)遭受咸潮入侵，該時(shí)段鹽度峰值出現(xiàn)在9月21日漲潮期間，臺(tái)風(fēng)“南瑪都”于9月19日出現(xiàn)在上海市同緯度地區(qū)，受其影響9月19～23日均為偏北大風(fēng)。在此期間大通站流量減少至10 200～10 900 m3/s，咸潮入侵增強(qiáng)，鹽度峰值約17.88‰，鹽度低值均出現(xiàn)在落潮期間。在10月6～15日，大通站流量回升至13 800 m3/s，堡鎮(zhèn)觀測(cè)點(diǎn)表層鹽度仍然維持在0.45‰以上，鹽度峰值出現(xiàn)在10月8日和10月23日，均為漲潮期間。10月8日伴隨較強(qiáng)偏北風(fēng)，鹽度峰值超過(guò)11.0‰。11月1日，大通站流量又減少至9 790 m3/s，鹽度低值均出現(xiàn)在落潮期間。

縱觀2022年夏秋8～11月期間的咸潮入侵過(guò)程，以堡鎮(zhèn)站為例其鹽度整體受“洪季反枯”徑流量的影響之外，仍呈現(xiàn)顯著的大小潮、漲落潮周期性特征（見(jiàn)圖6（d））。咸潮入侵具有在小潮期間快速上升，隨后中潮、大潮、中潮期間逐漸降低，至下一個(gè)小潮前期鹽度降至最低。小潮期間由于潮汐引起的垂向混合較弱，水體易形成較為穩(wěn)定的層化，河道中從海向陸的鹽度梯度增大，造成斜壓梯度力增強(qiáng)，更易形成顯著的縱向河口環(huán)流，從而外海高鹽水入侵加劇。而中潮、大潮期間潮汐潮流引起的垂向混合逐漸增強(qiáng)，水平方向的潮泵作用也顯著增強(qiáng)，水體鹽度逐漸降低。

3.2 咸潮入侵平面分布和變化

咸潮入侵由于受地形、風(fēng)場(chǎng)、潮汐等多種動(dòng)力要素的綜合影響，具有復(fù)雜的時(shí)空分布變化，本文利用經(jīng)驗(yàn)證的咸潮入侵?jǐn)?shù)值模型揭示并量化“洪季反枯”對(duì)河口鹽度過(guò)程的影響。采用2022年及近5 a（2017～2021年）平均流量分別作為模型流量輸入，其他潮汐、風(fēng)場(chǎng)及地形等邊界和驅(qū)動(dòng)條件保持一致，進(jìn)行模擬對(duì)比分析。由堡鎮(zhèn)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，2022年長(zhǎng)江口咸潮上溯最為嚴(yán)重的時(shí)刻發(fā)生在9月21日23：00，選取該時(shí)刻進(jìn)行長(zhǎng)江口表層鹽度空間平面分布特征對(duì)比分析。

在“洪季反枯”條件下，2022年9月21日23：00長(zhǎng)江口表層鹽度分布及變化如圖7所示。表層鹽度平面分布自上游向下游遞增，北支咸潮倒灌已影響南北支分流口，整個(gè)北支鹽度值均在15.0‰以上，南支區(qū)域鹽度具有顯著的北側(cè)高、南側(cè)低的特征，北港咸潮入侵一直上溯至東風(fēng)西沙水庫(kù)下段，北港外到南門之間北槽鹽度均在5.0‰以上；青草沙水源地在該時(shí)刻被高鹽水包圍。遭受咸潮入侵最弱的是南支南港，但是在咸潮入侵最嚴(yán)重的情況下整個(gè)南槽鹽度也均高于0.45‰。北港、南槽口門區(qū)域被高鹽水控制，沖淡水特征較弱，呈現(xiàn)枯季低流量情況下的分布特征。

以近5 a平均流量為河流邊界條件得到同時(shí)刻長(zhǎng)江口表層鹽度分布（見(jiàn)圖8）。近5 a，7～8月期間長(zhǎng)江大通站流量在40 620～59 940 m3/s之間，在此情況下雖然長(zhǎng)江口北支仍然具有較高的鹽度，但并未上溯至南北支分流口。而南支、北港、南槽等區(qū)域內(nèi)部均為淡水。河口區(qū)域?yàn)榈望}水控制，口外也呈現(xiàn)明顯的沖淡水?dāng)U展特征。

將2022年特枯流量與近5 a平均流量下模擬結(jié)果進(jìn)行差值對(duì)比（見(jiàn)圖9）。可見(jiàn)長(zhǎng)江“洪季反枯”造成河口區(qū)域鹽度全面上升，特別是在南支北港上下游區(qū)域其上升幅度在5.0‰以上，北支口處鹽度增幅約10.0‰，北港下段鹽度增幅在10.0‰～20.0‰之間。南槽鹽度也顯著升高，其量級(jí)在5‰以下，但南槽口門處鹽度增幅達(dá)到10.0‰。

3.3 垂向特征及入侵距離

選取從徐六涇至北港外的沿程斷面（見(jiàn)圖4），同樣選擇2022年9月21日23：00和以近5 a平均流量為河流邊界條件下9月21日23：00進(jìn)行咸潮入侵垂向結(jié)構(gòu)特征分析（見(jiàn)圖10）。以5 a平均流量為河流邊界條件得到同時(shí)刻長(zhǎng)江口咸潮入侵垂向特征及沿程表層鹽度（見(jiàn)圖10（b）、（c））。從徐六涇至北港外段表層鹽度變化不大，鹽度范圍為0～5‰。在堡鎮(zhèn)至北港口外段，水體層化較為明顯，北港外底層鹽度達(dá)到15‰。

2022年（見(jiàn)圖10（a）、（c））在咸潮入侵最嚴(yán)重時(shí)刻，咸潮入侵可上溯至崇明頭部，青草沙水源地、堡鎮(zhèn)區(qū)域是咸潮入侵較為顯著的區(qū)域，表層鹽度高達(dá)7.5‰，底層鹽度高達(dá)20‰。從徐六涇至北港口外段鹽度變化比較大，鹽度范圍為0～25‰，呈現(xiàn)從上游到下游、從底層到表層增大的趨勢(shì)。其中，在青草沙水庫(kù)至青草沙B觀測(cè)點(diǎn)之間，表層鹽度較近5 a平均流量邊界下的鹽度值增幅在5‰～15‰之間，青草沙B觀測(cè)點(diǎn)至北港外增幅在15‰～20‰之間。另外在距離徐六涇站150～175 km河段，表層鹽度出現(xiàn)下降，之后又趨于增大，在這段范圍內(nèi)表層鹽度下降的原因是北槽內(nèi)的低鹽水體經(jīng)橫沙通道向北槽輸運(yùn)，降低了該北港-橫沙通道周邊區(qū)域的鹽度。但青草沙水庫(kù)下游至橫沙島及北港外水域鹽度快速上升至25‰左右。在此咸潮入侵最強(qiáng)時(shí)刻，水體層化較為明顯，特別是堡鎮(zhèn)-青草沙水源地區(qū)域。

3.4 臺(tái)風(fēng)影響

從2022年8月中旬咸潮入侵出現(xiàn)開(kāi)始，9月長(zhǎng)江口海域經(jīng)歷了2210號(hào)“軒嵐諾”、2211號(hào)“梅花”、2214號(hào)“南瑪都”臺(tái)風(fēng)襲擊（見(jiàn)圖6）。其中“軒嵐諾”和“南瑪都”為北向型臺(tái)風(fēng)，且路徑位于長(zhǎng)江口東側(cè)較遠(yuǎn)海域，其影響長(zhǎng)江口主要為北風(fēng)為主，有利于外海水體向口內(nèi)輸運(yùn)。由于“軒嵐諾”影響時(shí)段潮汐為小潮，且長(zhǎng)江流量處于1.2萬(wàn)～1.5萬(wàn)m3/s量級(jí)，造成咸潮入侵顯著增強(qiáng)。同樣“南瑪都”末期由于流量下降至10 200 m3/s，并疊加天文小潮汛造成河口鹽度快速上升?！懊坊ā迸_(tái)風(fēng)為登陸型臺(tái)風(fēng)，其影響期間風(fēng)速風(fēng)向變化顯著，從登陸前較弱的東北風(fēng)轉(zhuǎn)為登陸時(shí)段的強(qiáng)勁南風(fēng)（見(jiàn)圖6（a）），有利于水體向外海輸運(yùn)，且處于大潮-中潮時(shí)段，水體混合較強(qiáng)，因此河口區(qū)域鹽度降低，咸潮入侵有所緩解?？梢?jiàn)，夏季咸潮入侵的發(fā)生、增強(qiáng)和緩解受到徑流、潮汐及臺(tái)風(fēng)事件的復(fù)雜耦合作用。

4 結(jié)論和討論

基于2022年洪季8月15日至11月1日的長(zhǎng)江口岸基、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合FVCOM數(shù)值模型試驗(yàn)，分析了2022年“洪季反枯”極端情形下長(zhǎng)江口咸潮入侵特征和變化機(jī)制，并得出以下主要結(jié)論：

（1） 迄今為止，3次罕見(jiàn)的洪季咸潮入侵事件都出現(xiàn)“洪季反枯”水文年。入海徑流量是影響長(zhǎng)江口咸潮入侵的決定因素，2022年7月以來(lái)長(zhǎng)江流域發(fā)生特大干旱事件，徑流量為歷史極低值，導(dǎo)致長(zhǎng)江口咸潮入侵時(shí)間提前，入侵頻率增加，上溯距離增大，長(zhǎng)江河口主要站位都受到咸潮入侵的影響，河道北側(cè)鹽度顯著高于南側(cè)。

（2） 咸潮入侵與徑流量、天文潮汐有緊密聯(lián)系，在低徑流量情況下呈現(xiàn)顯著的漲落潮、大小潮周期性變化，其中小潮后期為鹽度的快速上升期，大潮至中潮位為鹽度緩慢下降時(shí)段。除此之外，持續(xù)的北風(fēng)會(huì)產(chǎn)生向岸水體輸送和水位抬升，增強(qiáng)咸潮入侵。

（3） 強(qiáng)勁北風(fēng)有利于咸潮上溯。在北向型臺(tái)風(fēng)“軒嵐諾”和“南瑪都”的影響下，長(zhǎng)江口咸潮入侵程度增強(qiáng)，2022年9月21日入侵強(qiáng)度達(dá)到最大，堡鎮(zhèn)站表層鹽度高達(dá)17.88‰，在南支咸潮上溯和北支咸潮倒灌的綜合影響下，南北支分流口至北港外大范圍出現(xiàn)周期性鹽度超標(biāo)情況。

進(jìn)入秋冬季節(jié)后將盛行持續(xù)北風(fēng)，同時(shí)冬季頻發(fā)的寒潮天氣也會(huì)顯著增強(qiáng)咸潮入侵，對(duì)水源地取水和水資源調(diào)度產(chǎn)生更加不利影響，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，充分利用中潮-小潮前半段鹽度較低的時(shí)段開(kāi)展取水調(diào)度工作。

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（編輯：鄭 毅）

Dynamic mechanism of saltwater intrusion at Yangtze River estuary in summer，2022

WANG Yuqi1，LI Cheng2，LIU Anqi1，WU Lunyu3，GE Jianzhong1

（1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Sciences，East China Normal University，Shanghai 200241，China； 2.Shanghai Marine Monitoring and Forecasting Center，Shanghai 200062，China； 3.National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081，China）

Abstract：

In 2022，the rainfall in the Yangtze River Basin and the water discharge from the main tributaries were severely low，and the water level of rivers and lakes continued to decline，the worst basin-wide meteorological and hydrological drought occurred since complete records began in 1961.Affected by this，the Yangtze River estuary had encountered saltwater intrusion in late August 2022，which was the earliest event monitored.The saltwater intrusion was then intensified and continued to affect the Yangtze River estuary.This study analyzed the dynamic process of saltwater intrusion in the flood season by using the data of the Yangtze River estuary observation system including shore stations and buoys.FVCOM numerical model was used to quantify the effects of runoff，tides and typhoon events on saltwater intrusion.The summer runoff in 2022 was the lowest in history，resulting in the earliest saltwater intrusion，with the frequency as well as the intrusion distance both increased.The salinity on the north side of the river was significantly higher than that on the south side.The saltwater intrusion under low runoff conditions showed a significant variation with tide from flood-ebb to spring-neap cycles.During late neap tide，there was rapid increasing in salinity.It then turned to slow decrease of salinity during spring and transient tide.In addition，the persistent northerly winds also enhanced the magnitude of saltwater intrusion resulting from increased onshore water transport and raised water levels.In September 2022，under the influence of Hinnamnor and Nanmadol typhoons，the saltwater intrusion reached up to about 10 km north of the Dongfengxisha Reservoir during the flood tide period.The saltwater intrusion reached its greatest extent on September 21.

Key words： saltwater intrusion；flood season；FVCOM；Yangtze River estuary；drought in Yangtze River Basin of 2022

收稿日期：2022-12-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41776104，41906143）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFE0117500）

作者簡(jiǎn)介：王玉琦，女，碩士研究生，主要從事河口動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：51253904062@stu.ecnu.edu.cn

通信作者：葛建忠，男，教授，博士，主要從事近海環(huán)境動(dòng)力學(xué)研究。E-mail： jzge@sklec.ecnu.edu.cn