2021年洪季長江口北槽鹽度變化分析

李保 張萌 盛青 唐詩月

摘要：鹽水入侵是河口地區(qū)普遍存在的自然現(xiàn)象，對水生生物、工業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水帶來不利影響。有效應(yīng)對鹽水入侵，對保護長江河口地區(qū)重要的生態(tài)環(huán)境價值和社會經(jīng)濟價值具有重要意義。整理分析了2021年洪季長江口北槽定點鹽度和潮流量等實測資料，分析鹽度的沿程、潮周期以及分層系數(shù)的變化特性。結(jié)果表明：① 鹽度的時空分布呈自上游至河口鹽度沿程顯著增加規(guī)律，大潮期漲潮和落潮期平均增加幅度為16.14‰和14.42‰；小潮期漲潮和落潮期平均增加幅度為15.14‰和14.40‰。② 鹽度在時間上具有明顯的漲落潮變化特征，在漲潮時增大，落潮時減小。③ 北槽中上游鹽度分層系數(shù)在一個潮周期內(nèi)隨著漲落潮流的變化而不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)出由小變大再由大變小的周期性規(guī)律變化；中下游鹽度分層系數(shù)變化周期性不明顯。

關(guān)鍵詞：鹽水入侵； 漲落潮； 分層系數(shù)； 長江口北槽

中圖法分類號：TV148.4

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.018

文章編號：1006-0081（2023）07-0106-05

0 引 言

長江河口是中國第一大河口［1-3］。近年來，隨著經(jīng)濟、人口的增長以及工業(yè)的發(fā)展，上海市對淡水資源的需求日益增長［4］。長江河口是上海市主要的淡水水源地，上海市80%的原水均取自于長江河口，但頻發(fā)的鹽水入侵現(xiàn)象一直威脅著上海市淡水資源的獲取。長江河口鹽水入侵會導(dǎo)致河口水源地水質(zhì)惡化，對上海市以及江蘇省部分沿江地區(qū)的生活用水和工農(nóng)業(yè)用水帶來嚴重危害［5-6］。北槽河段作為長江河口主要的通航水道之一，分析和掌握北槽河段沖淤演變過程和床面微地貌特征對于港口和航道的建設(shè)、治理和維護具有至關(guān)重要的意義，也影響著長江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展［7］。

鹽水入侵是一種自然水文現(xiàn)象，普遍存在于河口海岸地區(qū)，影響泥沙運動和河口環(huán)流，不利于生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活［8］。長江口作為典型的分汊河口，水域除了受到沿河道產(chǎn)生的縱向鹽水入侵（南支咸潮直接入侵）威脅，還會受到側(cè)向鹽水入侵（北支咸潮倒灌）的影響，同時加上潮汐、潮流、徑流和風(fēng)浪等因素的作用，長江口水域的鹽度有著較為復(fù)雜的時間和空間變化特征［9］。

一直以來，咸潮入侵是長江口面臨的重要水環(huán)境問題。由于鹽水入侵不同于一般性的水質(zhì)污染，且鹽度波動對河口地區(qū)污染物的遷移轉(zhuǎn)起到十分重要的作用，應(yīng)系統(tǒng)掌握長江口地區(qū)鹽度波動規(guī)律。本文通過分析2021年洪季長江口北槽的定點鹽度和潮流量等實測資料，分析長江口北槽河段鹽度的沿程、潮周期以及分層系數(shù)的變化特性。

1 研究區(qū)域概況

長江口是一個巨型的三角洲河口，河段平面似喇叭形狀，邊灘河槽等地貌演變復(fù)雜［10］。自徐六涇往下，長江口被崇明島分成了南支北支，南支在瀏河口以下又被橫沙島和長興島分為南港北港，而在九段以下，南港又被分為南槽北槽，從而形成了“三級分汊，四口入海”的地貌格局（圖1）［11-12］。作為長江入海的四大口門之一，北槽是海陸相互作用的關(guān)鍵區(qū)域，徑流、潮汐動力作用強烈，鹽水入侵現(xiàn)象顯著，本文選取北槽為研究區(qū)域，具體見圖1［13］。

2 資料來源及研究方法

選用2021年長江洪季大潮期（8月9～10日）和小潮期（8月16～17日）北槽航道自上游至河口8個測站實測潮流量和鹽度監(jiān)測數(shù)據(jù)［14］。8個測站從上游至下游依次標(biāo)記為CS0S、CS9S、CS6S、CSWS、CS3S、CS7S、CS4S及C10S。

本研究中鹽度測量分析方法采用鹽度計直接測定，并結(jié)合硝酸銀滴定法進行比測。通過統(tǒng)計8個測站大、小潮期間漲落潮平均鹽度，以及漲急、漲憩、落急和落憩特征時刻的平均鹽度，分析平均鹽度沿程分布變化特征，繪制鹽度時間變化圖，分析鹽度隨潮周期變化過程。引入選取分層系數(shù)評估鹽淡水混合強弱指標(biāo)，分析不同階段鹽度的垂向分布特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 鹽度沿程分布特征

分別統(tǒng)計8個測站大、小潮期間漲落潮平均鹽度，以及漲急、漲憩、落急和落憩特征時刻的平均鹽度，繪制平均鹽度沿程分布變化圖（見圖2）。由圖2可知，長江口北槽鹽度沿程變化顯著，總體表現(xiàn)為越往下游，平均鹽度越高。各時刻CS0S等8個測站平均鹽度沿程變化明顯。

（1） 大潮期間，漲潮期平均最大鹽度值為16.67‰，為CS10S；最小鹽度值為0.53‰，為CS9S，從上游至下游，漲潮期沿程平均鹽度有增加趨勢，最大增幅為16.14‰。落潮期平均最大鹽度值為14.99‰，為CS10S；最小鹽度值為0.57‰，為CS0S，從上游至下游，落潮期沿程平均鹽度仍然呈現(xiàn)增加趨勢，最大增幅為14.42‰。漲急時刻最大鹽度值為18.74‰，為CS10S；最小鹽度值為0.37‰，為CS9S。漲憩時刻最大鹽度值為17.94‰，為CS10S；最小鹽度值為1.57‰，為CS0S。落急時刻最大鹽度值為14.02‰，為CS10S；最小鹽度值為0.25‰，為CS0S。落憩時刻最大鹽度值為14.18‰，為CS10S；最小鹽度值為0.14‰，為CS9S。漲急、漲憩、落急和落憩4個特征時刻，從上游至下游，沿程鹽度呈現(xiàn)增加趨勢。

（2） 小潮期間，漲潮期平均最大鹽度值為15.28‰，為CS10S；最小鹽度值為0.14‰，為CS0S，從上游至下游，漲潮期沿程平均鹽度有增加趨勢，最大增幅為15.14‰。落潮期平均最大鹽度值為14.53‰，為CS10S；最小鹽度值為0.13‰，為CS0S，從上游至下游，落潮期沿程平均鹽度仍然呈現(xiàn)增加趨勢，最大增幅為14.40‰。漲急時刻最大鹽度值為13.49‰，為CS4S；最小鹽度值為0.09‰，為CS9S。漲憩時刻最大鹽度值為16.50‰，為CS10S；最小鹽度值為0.25‰，為CS0S。落急時刻最大鹽度值為13.15‰，為CS10S；最小鹽度值為0.08‰，為CS0S。落憩時刻最大鹽度值為13.00‰，為CS10S；最小鹽度值為0.08‰，為CS0S。漲急、漲憩、落急和落憩4個特征時刻，從上游至下游，沿程鹽度呈現(xiàn)增加趨勢。

3.2 鹽度潮周期變化特征

長江口內(nèi)潮汐為非正規(guī)半日潮，北槽河段一個完整潮汐周期一般在26～30 h。為了能完整體現(xiàn)鹽度在一個潮周期內(nèi)（包括兩個完整的漲落潮過程）的變化規(guī)律，鹽度水樣采集歷時30 h，涵蓋了一個完整的潮汐周期。圖3為北槽8個測點鹽度隨潮周期變化過程。

（1） 大潮漲潮期間，前半潮漲潮期8個測站的平均鹽度由3.22‰增至7.55‰；后半潮漲潮期8個測站的平均鹽度由2.70‰增至10.55‰。大潮落潮期間，前半潮落潮期8個測站的平均鹽度由8.65‰降至2.78‰；后半潮落潮期8個測站的平均鹽度由10.23‰降至3.20‰。

（2） 小潮漲潮期間，前半潮漲潮期8個測站的平均鹽度由3.91‰增至6.16‰；后半潮漲潮期8個測站的平均鹽度由3.73‰增至6.01‰。小潮落潮期間，前半潮落潮期8個測站的平均鹽度由6.80‰降至3.94‰；后半潮落潮期8個測站的平均鹽度由6.85‰降至3.76‰。

8個測站的鹽度在時間上具有明顯的漲落潮變化特征，鹽度在漲潮時呈增大趨勢，落潮時呈減小趨勢。由于鹽度是漲潮流從口外輸移進來，漲潮階段鹽度較落潮時高。

3.3 鹽度分層變化特征

鹽淡水混合會使水體產(chǎn)生層化，為了分析不同階段鹽度的垂向分布特征，引入分層系數(shù)用于評估鹽淡水混合強弱指標(biāo)。分層系數(shù)N定義為測點底層與表層之間的鹽度差與測點垂線平均鹽度的比值，是反映水體垂向混合程度的重要參數(shù)。

N=ABS［（Ss-Sb）/S］

式中：Ss為底層鹽度，Sb為表層鹽度，Symbol`A@S為垂線平均鹽度。根據(jù)Hansen和Rattray的劃分，當(dāng)N>1時，水體處于弱混合狀態(tài)，水體層化明顯，為高度分層型；當(dāng)N<0.01時，水體處于充分混合狀態(tài)或強混合狀態(tài)；當(dāng)0.01≤N≤1時，水體處于部分混合狀態(tài)或緩混合狀態(tài)［15-18］。

圖4分別展示了8個測站大小潮期間的鹽度分層系數(shù)變化。從圖4可以看出，北槽鹽淡水的混合強度在一個潮周期內(nèi)隨著漲落潮流的變化而不斷變化，一般情況下呈現(xiàn)出由弱變強再由強變?nèi)醯闹芷谛砸?guī)律變化。

大潮漲潮期間，前半潮漲潮期8個測站的平均分層系數(shù)由0.95增至1.56；后半潮漲潮期8個測站的平均分層系數(shù)由0.87增至1.60。大潮落潮期間，前半潮落潮期8個測站的平均分層系數(shù)由1.51降至0.73；后半潮落潮期8個測站的平均分層系數(shù)由1.35降至0.54。小潮漲潮期間，前半潮漲潮期8個測站的平均分層系數(shù)由0.91增至1.84；后半潮漲潮期8個測站的平均分層系數(shù)由1.28增至1.69。小潮落潮期間，前半潮落潮期8個測站的平均平分層系數(shù)由2.30降至1.15；后半潮落潮期8個測站的平均分層系數(shù)由2.25降至1.13。

8個測站的分層系數(shù)在時間上具有明顯的漲落潮的變化特征，不論大潮或是小潮，漲潮時分層系數(shù)呈增大趨勢，落潮時分層系數(shù)呈減小趨勢。漲潮初期，水體呈部分混合狀態(tài)；漲潮末期，水體呈弱混合狀態(tài)，層化現(xiàn)象明顯。落潮初期，水體呈弱混合或?qū)踊癄顟B(tài)；落潮末期，水體呈部分混合狀態(tài)。

小潮期間，CS3S、CS7S、CS4S及CS10S測站分層系數(shù)幾乎全部大于1。這表明，小潮期這4個測站的水體幾乎全部處于弱混合或高度分層狀態(tài)，北槽中下游水體大部分時間均呈高度分層狀態(tài)?？偟目磥?，4個測站大潮期鹽度分層系數(shù)小于小潮期分層系數(shù)。

由圖5可知，除CS0S測站外，其余7個測站小潮鹽度平均分層系數(shù)均大于大潮期，這表明，小潮期北槽水體鹽度分層現(xiàn)象較大潮期較強，而且，河道內(nèi)鹽淡水混合狀態(tài)存在顯著的大小潮差異，潮流流速的大小潮變化是導(dǎo)致這種差異的主要原因。

4 結(jié) 論

（1） 基于鹽度沿程變化分析，北槽河段CS0S等8個測站平均鹽度沿程變化明顯，總體趨勢為越往下游、越靠近入海口，鹽度越高。

（2） 基于鹽度隨潮周期變化分析，由于鹽度是漲潮流從口外輸移進來的，北槽河段鹽度在時間上具有明顯的漲落潮變化特征，鹽度在漲潮時增大，落潮時減小。

（3） 從鹽淡水的混合強度變化特征來看，北槽中上游鹽度分層系數(shù)在一個潮周期內(nèi)隨著漲落潮流的變化呈現(xiàn)出由小變大再由大變小的周期性規(guī)律變化。北槽下游鹽度分層系數(shù)隨漲落潮流的變化規(guī)律性不如中上游河段周期性明顯，北槽下游水體大部分時間均呈高度分層狀態(tài)。

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（編輯：李 慧）