长江河口北支盐度变化分析

长江河口北支盐度变化分析

0河口盐水入侵研究河口是一个复杂的水系，由淡水和淡水组成。淡水和淡水的混合以及潮汐、流量、风、科氏力等因素对河口的循环有重要影响。加上底形和岸线的变化,这些因子使得河口成为独特的系统。环流动力和咸淡水混合导致盐度分布和盐水入侵,它是河口的一个重要特征。底层向陆表层向海的经典的环流普遍地在河口观测到,早在50年代,Prichard在一系列经典的论文中给出了河口盐度分布特征,强调河口经向余环流。Geyer、Smith和Geyer分别在讨论一个高度分层的河口盐水楔的垂向混合过程和Fraser河口盐水入侵时,发现在潮周期的涨潮期间在动量和盐量平衡中水平平流远比垂向混合重要,而垂向混合在高度切变的落潮流期间在动力上起着主要的作用。在长江河口,因三级分叉,四口入海,漕滩相间,口门附近存在水下沙坝,径流量巨大,潮流显著,季风盛行,口外沿岸流和陆架环流交汇,由此造成了长江河口环流和盐水入侵的复杂性。以往观测和研究表明径流量、北支倒灌、大小潮和海平面上升等对长江河口环流和盐水入侵有重要的影响。研究河口海洋,现场观测和资料分析始终是第一位的,它可认识和发现河口海洋现象,也是验证理论和数值模拟结果的标准。在长江河口1958~1960年作了大规模的海洋普查,1982~1983年作了海岸带调查。针对长江河口的盐水入侵,1996年3月在长江河口组织了一次较大规模的现场观测。本文利用这次观测资料,进一步分析研究冬季长江河口的水文特征。1流速和潮位观测图1为长江河口形势图和1996年3月长江河口水文观测站位分布,本次观测共用10条船只,观测从3月5日至3月14日,经历大、中、小潮,观测内容为水深、流速、流向、盐度及个别站位风速和风向。流速流向用直读式海流计观测,盐度为现场取水样实验室化验得出。水深H大于5m测站垂向采用6点法,即在水深的0.0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0处观测;水深大于3m和小于5m测站垂向采用3点法,即在水深的0.2、0.6和0.8处观测。站位号后数字A、B、C分别表示在大、中、小潮期间观测,站位号后无字母的表示大、中、小潮连续观测,如观测点2、7、8、9。从潮位观测站绿华山、九段东和横沙3点潮位过程线可以看到(图略),3月6、7、8日为大潮期,9、10、11日为中潮期,12、13、14日为小潮期。在南支口门附近,由外向里潮位趋于减少。2数据分析由于有较多的同步船只观测,为便于讨论,我们按北支、南支、口门和口外4个区域来分析观测资料,最后简单分析测站余流。2.1涨潮和解读结果北支共有3个测站1A、1B和1C,分别位于北支上游、中游和中下游(图1),观测时间分别为5日16时至8日8时、8日14时至11日9时、11日11时至14日2时。由于北支呈喇叭状、径流量小,且部分水倒灌入南支,使北支成为涨潮槽,涨潮流速明显大于落潮流速,愈向上游它们之间的差值越大。测点1A涨潮表层最大流速2.4米/秒,落潮表层最大流速0.8米/秒,相差1.6米/秒(图2);测点1B涨潮表层最大流速2.1米/秒,落潮表层最大流速0.8米/秒,相差1.3米/秒(图略);测点1C涨潮表层最大流速1.65米/秒,落潮表层最大流速0.8米/秒,相差0.85米/秒(图略)。这种潮汐的不对称性还表现在涨潮历时明显地小于落潮历时,这从水位、流速和流向过程线可得出。在测站1A,涨潮历时约为4小时,而落潮历时约为7小时,相差3小时;在测站1B,涨潮历时约为4小时,而落潮历时约为6.5小时,相差2.5小时;在测站1C,涨潮历时约为4小时,而落潮历时约为6小时,相差2小时。可见,在北支涨潮历时上下游变化不大,而落潮历时向上游增加。测站1A、1B和1C潮周期平均水深分别为4.9、4.6、5.8m,水深浅,底摩擦作用显著,流速在垂直方向存在着明显的差异。在大潮期间测站1A,盐度的潮周期变化明显,一个潮周期内盐度的峰值出现在涨憩,低值出现在落憩。这表明大潮期间北支受外海盐水的入侵,可影响至北支上游,从大潮初期至大潮后期,盐度逐渐增大,至后期最大盐度达到了28。垂向0.2、0.6、0.8m层大潮期平均盐度分别为16.0、16.3、16.6,可见在大潮期北支存在着严重的盐水入侵。中潮期间测站1B和小潮期间测站1C盐度潮周期变化大致与1A相似,但因底形等影响变化较为复杂。2.2潮周期内盐水排放特征口门以内南支共有6个测站2、3A、3B、4A、4B和4C。测站2位于南支分叉口附近,为大、中、小潮连续观测站。因进入南支的径流量大,测站2在大潮期落潮流速大于涨潮流速,落潮表层最大流速1.3米/秒,涨潮表层最大流速1.1米/秒。因测站2位于白茆沙北水道涨潮槽中,流速的差值不是很大,仅0.2米/秒;落潮时间约为8小时,涨潮时间约为4小时,差值达4小时(图略)。这种潮流不对称性不同于北支情况,那里涨潮流大于落潮流。因该点平均水深达19.7m,中上层流速垂向相差不大,底摩擦对近底层流速有较大的影响。盐度呈现出明显的潮周期变化,在近底层盐度高,高盐度值是在落潮期间,低盐度值是在涨潮期间。这表明南支分叉口高盐度水来自上游,受北支盐水的入侵。大潮期间表底层平均盐度分别为0.85和4.21,愈到大潮的后期,盐度值愈高,北支盐水倒灌愈强。在中潮和小潮期间,涨憩时盐度最大,落憩时盐度最小(图略),这表明大潮期间北支入侵的高盐水在中小潮期间已处在测点的下游,随径流往下游运动,南支分叉处的水体逐渐被上游来的淡水所稀释。这样完成了盐度的一个半月变化,等待下一个大潮期北支高盐水的再次入侵。在南支中游扁担沙以南和南港,测点4A、4B和4C共同特点是落憩时盐度最小,涨憩时盐度最大,表明该段盐水的来源来自下游外海盐水的入侵,如测点4C所示(图3)。但测点3A盐度变化为落潮初期盐度最大、落憩时盐度最小。这表明北支倒灌进入南支的高盐水是以似“水团”状的形式向下运动的(图略)。这也可从1988年1月17日至3月10日盐度观测资料可见,崇头在1月21日和2月19日出现高盐水之后,杨林、宝钢和吴淞才相继出现高盐水。另外,在测点3A,落潮表层最大流速1.8米/秒,对应潮周期内涨潮表层最大流速1.4米/秒,相差0.4米/秒。落潮时间约为7.5小时,涨潮时间约为2.5小时,差值达5小时。从落憩到涨急很快,大约只有1小时,而从涨憩到落急则很慢,需要大约6小时(图略)。这从其它方面体现了潮流的不对称性。测点4A位于南支落潮槽主漕中以及下扁担沙和青草沙之间东北偏北向的串沟西南侧,使得该点潮流具有特殊性。在落潮流还很大达到1.0m/s的情况下,流就转向成涨潮流,也就是说没有落憩(图略)。在涨憩时,流向转为东北方向,而非西北方向。测站4B在中潮的前期,落潮流略大于涨潮流;在中潮的后期,涨潮流和落潮流趋于持平。落潮时间一般为7小时,涨潮时间为5小时,差值为2小时(图略)。测站4C位于长兴岛南侧的涨潮漕中,涨潮流大于落潮流。落潮历时略大于涨潮历时,相差约1小时(图3)。测点3B位于堡镇附近的涨潮槽中,涨潮流大于落潮流,落潮历时大于涨潮历时,但到中潮后期,这种差别趋于减少(图略)。中潮前期涨憩时盐度最大,落憩时盐度有一小峰值;中潮中后期涨憩时盐度最小,落憩时盐度最大。这表明在堡镇附近,盐度的变化在大潮和中潮前期受外海盐水的入侵影响,中潮中后期和小潮期受北支盐水倒灌的高盐水团影响。以往的观测结果也说明了这一点,这表明在南支中上游,盐度的变化受外海盐水的入侵和北支盐水的倒灌的共同影响,呈现出十分复杂的现象。在大潮和中潮前期,盐度主要受下游外海盐水入侵的影响,在中潮后期和小潮期间,盐度主要受大潮期间上游北支倒灌水团下移的影响,盐度的半月变化与一般河口变化规律不同。2.3增深型和涨潮时水文变化口门附近共有5个测站3C、5A、5B、6A和6B。3C位于北港,5A、5B位于北漕,6A、6B位于南漕。这些测点水文变化相对较有规律,落潮流大于涨潮流,落潮历时大于涨潮历时;盐度最大值发生在涨憩附近,最小值发生在落憩附近,盐度受外海盐水入侵的影响(图略)。口外共有5个测站7、8、9、10A和10BC,潮流由口内的往复流转变为旋转流,落潮流大小与涨潮流趋于相同。盐度最大值发生在涨憩附近,最小值发生在落憩附近(图略)。2.4南支涌水流量对潮周期作平均后,可得测点大潮、中潮和小潮期间的余流(图4)。在北支,因部分水量倒灌进入南支,涨潮流量大于落潮流量,余流指向上游。在南支,因长江径流余流指向下游。口外余流主要受径流、风(图略)和压强梯度力的作用。从余流分布看,高盐水在北支向上游输运,进入南支后受经流作用向下游移动。3涨潮时稳定性分析1996年3月长江河口现场观测为历史上专门针对盐水入侵的一次大规模的观测,较全面地得到了长江河口盐度和余流的空间分布,经资料分析得出如下结论:因北支呈喇叭状、进入的径流量小,且部分水倒灌入南支,导致北支涨潮流速明显大于落潮流速。涨潮历时明显地小于落潮历时,涨潮历时上下游变化不大,而落潮历时向上游增加。余流指向上游,存在着严重的外海盐水入侵。在南支中上游,盐度的