长江河口北支倒灌盐水输送机制研究

长江河口北支倒灌盐水输送机制研究

1倒灌盐水的输送机制在旱季，长江河口北支的淹没是一种特殊的盐水入侵现象。这种现象的出现是由地形、直径和潮汐的共同因素造成的。在长江河口自然发展的共同作用和20世纪50年代至70年代人类恢复的共同作用下，北支逐渐缩小，变平，上部和南部支几乎垂直，潮平面更宽，中部和底部呈喇嘛口形状（图1）。由于南北分支的特殊地形，径向流进入北方支流，喇嘛口形状大于南北分支的潮差。因此，在旱季，当排水流量小的情况下，北支盐业被转移到南部支流，这对南部支流的水生景观产生了负面影响。许多科学家在测量数据和二维数值模型的基础上研究了许多关于北支盐水的倒灌。作为一种分叉河口特有的盐水入侵现象,北支在一个或多个潮周期内向南支倒灌输送的盐通量及其输送过程是一个值得关注的问题.对于“通量”这个概念,沈焕庭认为恰当的定义为:在一定时间内通过某一面积的某种物质的质量或者体积,物质可以是水、泥沙或化学元素等.它被广泛应用于河口地区物质输送的研究之中,在以往北支盐水倒灌的研究之中也有所涉及.韩乃斌和卢中一根据北支的倒灌水量与潮差的关系和青龙港站的潮差频率估计,整个枯季北支倒灌南支的水量约为152亿m3,1974年倒灌盐量超过2亿t.2001年4月10～13日大潮期间,茅志昌等在青龙港—牛棚港断面布设3条测量船进行5个潮周期的连续观测,计算出在此期间北支向南支倒灌的盐通量为524万t.倒灌盐水团进入南支后向下游移动,并影响到各个水源地.沈焕庭等指出,倒灌盐水团主体通过白茆沙北水道进入南支,至新建水闸附近分成3路,一路沿崇明南岸进入新桥水道,另一路随主流进入七丫口河段,还有一路漫过白茆沙进入南水道.这些研究成果在定性上对北支倒灌盐水的输送作了客观的描述,但是在定量上还不够深入,特别是倒灌盐水团进入南支后如何输送的定量研究还没有展开.倒灌盐水团进入南支后在径流和潮流的双重作用下向下游输送扩散,其输送的动力机制有待研究.南支河段面积广阔,又被白茆沙、东风沙和下扁担沙等沙体分割成主槽、副槽相间隔的态势,倒灌盐水在各个叉道中的输送比例的定量化研究尚未展开.这些问题都可以归结到盐度通量问题.本文将应用三维河口海岸海洋数值模式ECOM-si,在准确模拟长江河口水动力和盐度变化过程的基础上,对北支倒灌盐水的输送机制进行研究.2学习方法2.1潮周期平均单宽物质通量的计算目前通量机制分析方法主要有两种形式,分别基于断面通量和单宽通量.其中单宽通量不仅可以分析局地物质输送的大小和方向,而且可以通过断面积分得到断面通量来分析整个断面上的输送状态.如果利用数值模拟掌握整个河口范围内的单宽通量分布状况,则各叉道的断面通量也可得知.因此,本文首先研究盐度输送的单宽通量,然后在此基础上考察断面通量.单宽通量机制分析通常取河道流线上的一个单宽作水流、物质通量分析,忽略横向输移,将流速和物质浓度分解成垂线平均及其偏差项,再作潮平均及潮汐振荡项分解,计算潮周期平均的单宽物质通量及其各分解项.Kjerfv提出,对于任意物理量F,记ˉF=∫0-1Fdσ,表示深度平均;<F>=1Τ=∫Τ0Fdt,表示潮周期平均.F可以分解成:F=<ˉF>+F′t2+F′,式中,F′=F-ˉF,表示F和垂线平均值ˉF的偏离;F′t2=ˉF-<ˉF>,表示垂向均值的潮脉动项.类似的,u,v和盐度C分别可以分解成u=<ˉu>+u′t2+u′‚v=<ˉv>+v′t2+v′和C=<C¯>+C′t2+C′,水深项分解为潮周期平均和潮振荡项Η=<Η¯>+Ηt.在一个或多个潮周期内,u方向的物质输送的潮平均单宽通量为:1Τ∫0Τ∫-10ΗuCdσdt=<Η><u¯><C¯>+<Ηtut2´><C¯>+<ΗtCt2´><u¯>+<Ηut2´Ct2´>+<Ηu′C′¯>‚其中,右边第一项称为深度平均Euler余流输送项,第二项称为深度平均Stokes漂移输送项,这两项合称为Lagrange余流输送,是潮周期平均水体输送对应的物质输送;第三项是物质浓度、水深的潮脉动相关项,第四项为流速潮脉动对物质浓度潮脉动的输送,两项合称为潮泵输送;第五项为垂向切变输送.v方向的物质输送具有相同的形式.目前通量机制分析在长江河口得到了一些应用,但主要针对泥沙输送.朱首贤将这一方法拓广到了对任一特定物质输送的研究.专门针对盐度输送的通量机制分析在长江河口尚未普遍展开.2.2潮滩边界的移动本文采用的三维数值模式ECOM-si是在POM(PrincetonOceanModel)的基础上发展起来的,Chen等和Zhu等对它作了一些改进.模式采用水平曲线网格,范围包括整个长江河口、杭州湾和邻近海区,东边到124.5°E附近,北边到33°N附近,南边到28°N附近,上游延伸至江阴以上150km处(见图2).南北支分叉口区域的网格加密,在北支上端横穿河道方向的分辨率为75m左右,平行河道方向为450m左右,且很好地拟合了岸线.口内其余部分分辨率在100m至500m不等,口外较疏,最大为7km左右.垂直方向采用σ坐标,均匀分为5层.时间步长取20s.南北支分叉口区域浅滩众多,这些浅滩在涨潮时淹没、落潮时露出,它们对北支盐水倒灌有着重要的影响.ECOM-si本来未引入动边界,本文参照文献,将干湿网格判别法引入到模式中,临界水深取0.1m,实现了潮滩边界的移动.2.2.1模式1.2回归系数计算模式外海开边界采用8个天文分潮驱动,调和常数应用张衡等的研究成果.模式采用实测潮流、潮位和盐度资料进行了验证.利用2002年9月实测潮流潮位资料进行验证,测站位置遍布整个长江河口.其中,崇头和青龙港两个潮位站(见图1)分别位于南北支分叉口和北支上段,两处在涨、落潮过程中的水位差是驱动北支上段水体流动的主要动力因子.图3为两站潮位验证,模式计算值和实测值大潮期间比较吻合,小潮期间有一定的误差.图4为白茆沙南、北水道两个潮流测点的表、底层流速流向验证.此二站落潮历时远大于涨潮历时,且流速表、底层差异显著,模式计算值与之相吻合.模式对1999年1月22日到2月19日陈行水库取水口和青草沙取水口的表层实测盐度进行了验证(见图5).陈行水库是上海市重要的水源地,位于南支南岸(见图1),在此期间取水口受到了严重的盐水倒灌影响,表层最高盐度可达1.8.在1999年1月25日和2月7日出现了两个盐度峰值,两个时间的农历分别为初九和廿二,潮型都是小潮.这是因为大潮期间从北支倒灌而来的高盐水随着径流逐渐下移,大约在7d后高盐水的核心才到达陈行水库取水口附近.数值模式从1999年1月7日后开始运行,15d后输出计算结果.在1月22日到2月2日期间,计算结果和实测资料比较吻合,在此之后有一定的差别.在青草沙区域将建设上海市第二水源地,该处同样受到严重的盐水倒灌影响.总的来说,模式的验证结果比较良好.2.2.2潮平均单宽盐通量及机制分解项北支盐水倒灌在每年1月和2月份最为严重,在此期间长江径流量多年平均值分别为10400和11200m3/s,但是在特枯年份可低至8000m3/s左右,因此本研究中径流量取9000m3/s.冬季季风对北支盐水倒灌有着重要的影响,本文取定常的正北风5m/s,约为长江河口冬季月平均风速风向.模式先运行20d,对初始盐度场进行调整,然后计算输出大潮期间长江河口的潮平均单宽盐通量及各通量机制分解项.同时在10个断面(见图1):北支上端(Sec1)、白茆沙北水道(Sec2)、白茆沙南水道(Sec3)、新桥水道上段(Sec4)、南门水道(Sec5)、七丫口附近南支主槽(Sec6)、新桥水道下段(Sec7)、陈行水库附近南支主槽(Sec8)、北港上端(Sec9)和南港上端(Sec10)上将潮平均单宽盐通量及其各机制分解项进行积分,计算了大、中、小潮三期间各断面盐通量及各机制分解项.3计算3.1主、副原因的分布和产水的结构图6是大潮落憩时刻长江河口口内的表层盐度分布.此时整个北支充斥着高盐水,从北支倒灌而来的高盐水在南支形成一个盐水团,其表层最高盐度在1.5以上.高盐水主要集中在白茆沙北水道、南门水道和新桥水道之中,南支南侧的盐度较低.南港和北港河段的盐水入侵此时仍以外海直接入侵为主.外海直接入侵和北支盐水倒灌的共同作用使得南支及其以下河段的盐度从上游到下游呈现高—低—高的结构,或称作马鞍型结构,这种结构在以往北支盐水倒灌的研究中多有提及.3.2白沙纵向配置图7是大潮期间潮平均单宽盐通量.北支向南支输送了大量的盐分,巨量的盐分出南北支分叉口后被南支涨潮流带往上游输送一段距离,然后在落潮流的作用下分成两部分向下输移,主体部分进入白茆沙北水道,另有一部分进入白茆沙南水道.南、北水道中输送的盐分在七丫口附近河段中汇合,其中小部分通过南门水道进入新桥水道,然后在新桥水道涨潮优势流的作用下向上游输移,从而在平面上形成一个环流结构;其余大部分通过南支主槽下泻,并分别进入南港和北港.3.3原水流输送的计算如上文所述,水体对盐度的输送可以在机制上分解成5项,其中第一、二项合称为Lagrange余流输送,第三、四项合称为潮泵输送,第五项称为垂向切变输送.3.3.1潮平均输送区域占主导地位Lagrange余流对盐度的输送在绝大多数区域占主导地位,尤其在北支河道中(图8).这表明水体的潮平均输送对北支倒灌盐分的输送起到主导作用.3.3.2南北支生长的区域图9是盐度的潮泵输送,它对北支倒灌盐水的输送起到不可忽视的作用.潮泵输送是由涨、落潮时盐度的不对称造成的.造成这种不对称的原因主要有两个,即混合和不同叉道之间的水体交换.南北支分叉口区域是南北支水流交汇的区域,在涨潮的初期,来自南支的冲淡水体进入北支上段;进入涨潮中、后期和落潮初期后,北支的高盐水体以舌状进入南支,并与南支水体混合、移动.因此,不同叉道之间的水体交换是这一区域涨落潮盐度不对称的主要原因,也是产生潮泵输送的主要原因.从另外一个角度来看,南北支水体交换的结果是北支在涨落潮过程中向南支有节奏的输送盐分,北支盐水是南支上段盐度的来源.同泥沙的输送机制相类似,这种源汇效应造成了涨落潮期间盐度的不对称.因此,南支上段盐度的潮泵输送又可以看作是由于源汇效应造成的.3.3.3垂向切变输送特征图10是盐度的垂向切变输送.河口地区的水动力、盐度分布具有三维特性,单用垂向平均输送来刻画盐度输送是不完备的.垂向切变输送实质上是对平均输送的一个补充,在盐度垂向混合均匀的区域可以忽略.由于河口地区流速垂向分布的一般规律是表层大,底层小,盐度则表层低,底层高,因此瞬时垂向切变输送的方向多数时候与流速方向相反,潮平均后的输送方向与盐度在涨、落潮过程中垂向分布的差别相关.从量值上看,垂向切变输送要远小于Lagrange余流输送和潮泵输送.在南支紧邻分叉口的区域,北支盐水刚进入南支,尚未充分混合,垂向差异比较显著,因此有较强的垂向切变输送.输送的方向指向上游,表明落潮时期盐度的垂向差异更为显著.随着混合的加强,其余区域的垂向切变输送可以忽略不计.3.4断面积分的确定将潮平均盐度输送单宽通量、单宽Lagrange余流输送、单宽潮泵输送和单宽垂向切变输送进行断面积分,可以分别得到断面盐通量、断面Lagrange余流输送、断面潮泵输送和断面垂向切变输送.表1是大、中、小潮期间各断面上的盐通量、机制分解项及所占的百分比,表2是南支各叉道输送盐量的比例.3.4.1潮泵、大桥和长丝束盐量的分布大潮期间,北支向南支输送了大量的盐分.在Sec1,潮平均断面盐量输送约每秒21.05t,其中潮泵输送占总量的27%.由于水深较浅,盐度上下混合均匀,垂向切变输送为零.大潮期间从北支倒灌过来的盐水尚在南支上段振荡而未下移,因此南支河段的断面盐量输送从上游到下游呈现递减的趋势.白茆沙南水道(Sec3)、北水道(Sec2)断面盐量输送的总和要大于北支上端的盐量输送,这是因为不断倒灌下来的盐水除了在径流的作用下往下游移动外,也有一部分在当地累积了下来.北水道是南支盐水下泻的主要通道,从中输送的盐量占到南、北水道总和的79%.南、北水道中的潮泵输送占总输送量的比例都很高,在北水道中甚至超过了Lagrange余流输送.垂向切变输送比较显著,方向指向上游,和总体输送方向相反,表明落潮时期南、北水道中盐度的垂向差异更为显著.南门水道是东风沙和下扁担沙之间的一条串沟,是南支主槽和新桥水道之间水、盐交换的重要途径.在七丫口附近河段,大多数的盐水通过南支主槽(Sec6)下泻,也有相当一部分的盐量通过南门水道(Sec5)进入新桥水道,两者分别占总量的79%和21%.受下移速度的影响,通过南支主槽和南门水道的盐量总和要小于白茆沙南、北水道之和.在南门水道,潮泵输送占主要地位(65%),南支主槽中的潮泵输送也比较重要(25%).新桥水道是一条涨潮槽,盐水通过南门水道进入其中后被输送往上游(Sec4).在陈行水库附近河段,通过南支主槽(Sec8)的盐量进一步减小.新桥水道(Sec7)中上溯的盐度通量为0.84t/s,要小于上游(Sec4为2.31t/s),表明新桥水道中的高盐水主要是从南门水道中进入其中的北支倒灌盐水.中央沙两侧的南(Sec10)、北港(Sec9)断面盐通量较陈行水库断面更小.北港断面盐通量占南、北港总量的41%.3.4.2中潮、小潮、海潮之间的盐排放量变化中潮期间,北支向南支输送的盐量减小到每秒16.73吨,小潮期间进一步减小到3.31t/s.由于倒灌盐量的减小,南支上段的断面盐度通量减小.盐水团随径流往下游输移,南支中、下段的断面盐度通量增加.中潮时期白茆沙北水道输送的盐量占南、北水道总量的82%,较大潮时有所增加,进入小潮后这一比例增加到了90%.这是由于随着潮差的减小,倒灌入南支的盐量减小,盐水绕过白茆沙进入南水道的难度加大所致.通过南门水道进入新桥水道的盐量占下泻总量的比例在中潮期间下降到了12%,小潮时下降到了11%.通过北港断面下泻的盐量占总量的比例在中潮期间为41%,和大潮期间一致,进入小潮后超过南港增加到57%.4潮潮水位的输送本文基于三维数值模式ECOM-si,采用通量机制分析的方法,对长江河口北支倒灌盐水的输送进行了定量研究.北支在大、中潮期间向南支倒灌输送了巨量的盐分,倒灌盐水团随径流逐渐下移,使南支河段的盐度升高.从盐量输送的机制上看,Lagrange余流输送和潮泵输送是北支盐水进入南支并往下游各处输送的主要动力机制,在多数地区前者起主导作用,局部地区两者作用相当.潮泵输送的方向在多数地区都和Lagrange余流输送方向一致,但在新桥水道中,有时潮泵作用的方向和Lagrange余流输送的方向相反.这是因为新桥水道是一条涨潮槽,潮平均水体的输送方向指向上游,但新桥水道中的高盐水主要