枯季三峽庫區(qū)泄流對緩解長江口鹽水入侵的數(shù)值模擬研究

何俊杰+劉富強

摘要：為研究枯季三峽庫區(qū)泄流后對長江河口咸潮入侵的影響，利用三維數(shù)值模式ECOM-si分別模擬了枯季1、2月份徑流量為大通站實測多年平均狀況下和三峽庫區(qū)受上游水庫群調(diào)蓄后保持天然入庫量的情況下泄流后長江河口的鹽水入侵特征，模擬結(jié)果表明：①三峽庫區(qū)泄流對緩解長江口咸潮入侵有一定的作用，表現(xiàn)在徑流量增加，咸潮入侵變?nèi)酰虎谏嫌畏潘笤诖蟪睗q憩期間對北支鹽水入侵影響不大，但使得南支北港和南港部分地區(qū)在大潮漲憩期間出現(xiàn)了淡水；③從等鹽度線垂直分布方向上看，泄流后大小潮漲憩時刻的等鹽度線較之前相比都向海洋方向移動；④從取水時間上來看，三個水庫在泄流后不宜取水天數(shù)和取水時間都發(fā)生了變化，不宜取水時間分別縮短了1～2 d，且青草沙水庫鹽度的日變化幅度也有所縮小。

關(guān)鍵詞：咸潮入侵；數(shù)值模型；ECOM模式；長江河口

中圖分類號：TU991

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2017）22004307

1 引言

河口咸潮入侵是河口普遍現(xiàn)象，受潮汐、徑流、風(fēng)應(yīng)力、混合、地形和口外環(huán)流等的綜合作用，動力過程復(fù)雜，又與河口環(huán)流、泥沙絮凝和生態(tài)環(huán)境等密切相關(guān)[1]。長江河口為特大型多級分汊河口，受多種動力因子的作用，咸潮入侵還受北支倒灌的影響。開展河口咸潮入侵的研究，對豐富河口海岸學(xué)理論具有重要科學(xué)意義。

長江河口地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)，人口密集，對淡水資源的需求量大。2010年后，青草沙水庫建成，使得長江河口水源地的青草沙水庫、陳行水庫和東風(fēng)西沙水庫供水達(dá)到上海市總水量的80%以上[2]。從長江河口取水會遇到河口咸潮入侵問題，開展長江河口咸潮入侵的研究對水源地水庫運行和保障上海用水安全具有重要的應(yīng)用意義。筆者利用數(shù)值模擬的手段，對三峽泄流壓咸做了定量分析，對應(yīng)對長江口枯季咸潮入侵有一定的借鑒意義。

2 ECOM數(shù)值模式概述

本研究采用的三維數(shù)值模式ECOM-si（semi-implicit estuarine，coastal，and ocean model）是基于POM模式（Princeton Ocean Model；Blumberg and Mellor，1987）發(fā)展起來的，已得到了廣泛的應(yīng)用[3，4]。模式可設(shè)置包括風(fēng)、波浪、潮流、徑流等各種動力因子。

ECOM-si模式中海洋原始控制方程組主要包括：動量方程、連續(xù)方程、溫度方程、鹽度和密度方程。在不可壓縮流體、Boussinesq和靜力近似條件下，給出非正交坐標(biāo)系下河口海岸海洋控制方程組。引入水平非正交曲線和垂向σ坐標(biāo)系[5]，ξ=ξ（x，y），η=η（x，y），σ=z-ξH+ξ，其中x，y和z分別為向東、向北和向上的笛卡爾坐標(biāo)軸，垂向坐標(biāo)σ從海底-1（z=-h）變至海表面0（z=ξ），ξ為海表面波動，H為總水深。海洋控制方程組如下[6]。

3 數(shù)值模式的設(shè)置

模式使用水平曲線非正交網(wǎng)格（圖1），范圍包括整個長江河口、杭州灣，上游開邊界設(shè)在枯季潮區(qū)界大通水文站，這樣可直接采用大通水文站的實測徑流量資料來給出模式的徑流邊界條件。模式網(wǎng)格較好地擬合了長江河口的岸線，并主要對南北支分汊口以及北槽深水航道工程區(qū)域的網(wǎng)格進行了局部加密。水深采用2010年實測資料。

研究先設(shè)計一個控制數(shù)值試驗，模式計算時段從2011年12月1日開始計算，至2012年 2 月底結(jié)束，輸出2月計算結(jié)果作分析和比較。12月至翌年1月和2月徑流量取大通1950 年以來月平均值，分別為13600、11300 和11650 m3/s。風(fēng)場取NCEP多年月平均風(fēng)場。外海開邊界考慮16個主要分潮（ M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，U2，V2，T2，L2，2N2，J1，M1，OO1） ，由各分潮調(diào)和常數(shù)合成得到，資料從全球潮汐數(shù)值模式 NAOTIDE 中計算結(jié)果得到。相關(guān)研究表明：在枯季，由于受上游電站消落補水影響，三峽入庫流量較未受上游電站調(diào)蓄影響偏多約2000 m3 /s[7]。因此，設(shè)計對照試驗將1、2兩月大通水文站月平均徑流量的基礎(chǔ)上加2000 m3 /s來表征三峽庫區(qū)泄流后大通站的徑流量，從而來研究枯季三峽庫區(qū)放水對長江口咸潮入侵的影響。由于篇幅原因的限制，模型的驗證結(jié)果請參考文獻[8]。

4 結(jié)果分析

為便于分析咸潮入侵沿程變化，給出北支、南支-北港、南支-南港縱向斷面的分布（圖2）。

4.1 徑流量為多年月平均的情況

在枯季徑流量為1、2月多年平均的情況下，大潮漲憩時刻長江口表層鹽度分布見（圖3a），北支鹽水倒灌進入南支，使得南支鹽度從上段到下段呈現(xiàn)出“高—低—高”的變化趨勢。陳行水庫和青草沙水庫鹽度低于國家飲用水鹽度標(biāo)準(zhǔn)0.45（GB5749-85），南支上段因受北支鹽水倒灌的影響，等鹽度線1已到達(dá)了東風(fēng)西沙水庫，北港和南港均無淡水出現(xiàn)。

小潮漲憩時刻（圖3b），北支鹽水倒灌消失。東風(fēng)西沙水庫和陳行水庫為淡水，鹽度低于0.45，而青草沙水庫鹽度值大于0.45，無淡水可取。青草沙水庫取水口無淡水可取，相比大潮漲憩時刻的咸潮入侵嚴(yán)重。主要是因為北支倒灌的鹽水在徑流的作用下，3～5 d后到達(dá)南支中下段。這就是長江河口咸潮入侵相比于其他河口，時空變化復(fù)雜的原因。

由北支鹽度縱向剖面（圖4）可以看出，大潮漲憩和小潮漲憩期間，北支幾乎全部為海水。大潮漲憩時刻北支下段鹽度為25，比北支中段小潮漲憩期間鹽度低，主要是受到南支長江沖淡水向東北擴張的影響，使得鹽度降低。

沿南支—北港縱向鹽度剖面（圖5），在大潮漲憩時刻，鹽度出現(xiàn)了兩頭高中間低的情況，上段因受北支鹽水倒灌的影響出現(xiàn)等鹽度線1，而下段鹽度值為20，0.45的等鹽度線出現(xiàn)在20 km和54 km（為離縱斷面上端的距離，見圖2）處，之間為淡水。在小潮漲憩時刻南支上段出現(xiàn)淡水，等鹽度線0.45在表層出現(xiàn)在14 km處，因大潮期間進入南支的北支倒灌鹽水已輸運擴散至南支的中下段，導(dǎo)致鹽度在1～2之間，無淡水出現(xiàn)。下端的攔門沙區(qū)域出現(xiàn)鹽水楔，垂向分層十分顯著。

沿南支-南港縱向斷面（圖6），在大潮漲憩時刻，鹽度垂向變化，底層比表層高。等鹽度線0.45在表層出現(xiàn)在8 km和50 km處，兩者之間為鹽度低于0.45的淡水。在小潮漲憩時刻南支上段均為淡水，等鹽度線0.45在表層出現(xiàn)在40.0 km處，大潮期間進入南支的北支倒灌鹽水已輸運擴散至南支的中下段，無淡水出現(xiàn)。下端的南槽攔門沙區(qū)域出現(xiàn)強烈的鹽水楔，底層鹽度大于表層，垂向分層十分顯著。

由陳行水庫取水口水位和鹽度隨時間變化見（圖7上），潮汐呈現(xiàn)明顯的半日和半月變化，鹽度半日變化很小，但半月變化十分顯著。在大潮和大潮后中潮，鹽度超過了0.45，最長連續(xù)不宜取水時間約為6 d，在小潮和小潮后中潮鹽度低于0.45，可取淡水，能取淡水的時間大于不宜取淡水的時間。

東風(fēng)西沙水庫取水口（圖7b），鹽度超過0.45的時刻出現(xiàn)在大潮期間，最長連續(xù)不宜取水時間約為9 d，小潮期間鹽度低于0.45。能取水時間小于不宜取淡水的時間。

青草沙水庫取水口（圖7c），鹽度超標(biāo)的時刻出現(xiàn)在大潮后中潮，連續(xù)不宜取水時間約為6 d，且鹽度日變化較大。出現(xiàn)淡水的時段為小潮后中潮。大部分時間鹽度低于0.45，能取淡水的時間遠(yuǎn)大于不宜取水時間。

4.2 枯季三峽庫區(qū)泄流的情況

在枯季三峽庫區(qū)泄流的情況下，大潮漲憩時刻長江口表層鹽度分布見（圖8a），北支鹽水倒灌進入南支，使得南支上段出現(xiàn)了鹽度等值線1。陳行水庫和青草沙水庫鹽度值低于0.45均為淡水，而東風(fēng)西沙水庫鹽度高于國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)的0.45，主要受北支鹽水倒灌的影響，鹽度較高。受徑流增強的作用，北港南港部分地區(qū)均出現(xiàn)了淡水。

而小潮漲憩期間（圖8b），沒有出現(xiàn)北支鹽水倒灌現(xiàn)象。東風(fēng)西沙水庫和陳行水庫鹽度低于0.45均為淡水，而青草沙水庫鹽度值略大于0.45。主要是北支倒灌的鹽水幾天后到達(dá)南支中下段所致。在北港、南槽和北槽，由于潮汐作用減弱，等鹽度線1、2、5、10較大潮漲憩時刻相比均出現(xiàn)了向海方向的移動。

沿北支縱向鹽度剖面（圖9），大潮漲憩和小潮漲憩期間，北支幾乎全部為海水。大潮漲憩時刻，北支下段表層鹽度為25，低于北支中段鹽度，由于受長江沖淡水的影響，沖淡水向東北方向擴張，使得北支下段鹽度降低。

沿南支—北港鹽度斷面（圖10），大潮漲憩期間，上段由于鹽水倒灌出現(xiàn)了1的鹽度等值線，0.45的鹽度等值線在16 km和67 km處，期間全部為淡水。小潮漲憩時刻，無鹽水倒灌現(xiàn)象。表層鹽度0.45的等值線在19 km處，下段出現(xiàn)了十分顯著的垂向鹽度分層。

沿南支—南港縱向鹽度剖面（圖11），同樣表現(xiàn)為小潮漲憩較大潮漲憩時刻，垂向鹽度分層顯著。

陳行水庫取水口（圖12a）鹽度值大于0.45的時刻出現(xiàn)在大潮和大潮后中潮，最長連續(xù)不宜取水時間為5 d，小潮和小潮后中潮，鹽度低于0.45，可取淡水。可取水天數(shù)大于不可取水天數(shù)。

東風(fēng)西沙水庫取水口（圖12b）鹽度大于0.45的時刻出現(xiàn)在大潮期間，連續(xù)不宜取水時間約為7 d，小潮期間可取淡水。可取水天水和不宜取水天數(shù)基本持平。

青草沙水庫（圖12c）鹽度超標(biāo)時刻出現(xiàn)在大潮后中潮，連續(xù)不宜取水時間約為4 d。可取水時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不可取水時間。且青草沙水庫鹽度日變化在放水后變小。

5 結(jié)論

通過對比三峽庫區(qū)泄流后和枯季多年平均徑流量下長江口漲落憩時刻的表層鹽度，縱向鹽度剖面和水位鹽度的時間序列圖，可以得出以下結(jié)論。

（1）三峽庫區(qū)泄流對緩解長江口咸潮入侵有一定的作用，表現(xiàn)為徑流量增加，咸潮入侵變?nèi)酢?/p>

（2）在大潮漲憩時刻，北支鹽水在三峽庫區(qū)泄流和未泄流情況下均會出現(xiàn)倒灌如南支的現(xiàn)象，因此三峽庫區(qū)泄流對漲憩時的北支鹽水倒灌影響不大。但是，在多年平均徑流量的情況下，北港和南港幾乎無淡水出現(xiàn)，而在三峽泄流后使得南支北港和南港部分地區(qū)出現(xiàn)了淡水。

（3）在三峽庫區(qū)泄流前和泄流后小潮漲憩時刻較大潮漲憩時刻相比，南支均表現(xiàn)出了十分顯著的鹽度垂向分層。從等鹽度線垂直分布方向上看，泄流后大潮漲憩時刻和小潮漲憩時刻的等鹽度線較之前相比都向海洋方向移動了一定的距離。

（4）從取水時間上來看，3個水庫在泄流后不宜取水天數(shù)和取水時間都發(fā)生了變化，最長連續(xù)不宜取水時間都有所縮短，大約為1～2 d，且青草沙水庫鹽度的日變化幅度隨著徑流作用的增強也有所縮小。

參考文獻：

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[8]Li L，Zhu J R，Wu H. Impacts of wind stress on saltwater intrusion in the Yangtze Estuary[J]. Science China Earth Sciences，2012，55（7）：1178～1192.

Abstract： In order to study the influence of the discharge of the Three Gorges Reservoir on the saltwater intrusion in the Yangtze estuary after the drainage in the dry season， the three-dimensional numerical model ECOM-si was used to simulate the runoff in January and February in the dry season respectively.The results showed that： （1）The discharge from the Three Gorges Reservoir Area plays a certain role in alleviating the saltwater intrusion in the Yangtze Estuary， showing in the increase of flow rate and the decrease of saltwater intrusion. （2） The upper and lower water diversions have little effect on the salt water intrusion in the northern branch during the spring tide， while the northern part of Nanzhibei North Port and some parts of South Port appeared fresh water during the spring tide； （3）In the vertical direction of the salinity line， the salinity line of the tidal wave after the discharge of the discharge is moving in the direction of the sea. （4）From the point of water in time， three days after discharge is unfavorable for water reservoir and water time has changed， not for water， respectively， to shorten the time of 1 to 2 days.The diurnal variation of the grass and sand reservoir salinity range is narrow.

Key words： saltwater intrusion；numerical modelling； ECOM model； Changjiang Estuary