潮型对长江河口盐水入侵对大运河断面水沙的影响

潮型对长江河口盐水入侵对大运河断面水沙的影响

1流量对流量的影响研究尚属空白,与现有两种比较关系的,全面解决国内城市发展新趋势,选择合适的河流开边界上的流量比在长江河口的旱季，有盐生植物。以往的研究结果表明，长江河口的盐生植物入侵主要集中在排水和潮汐上。排水和潮汐对大水域的入侵减弱，潮汐大水域的入侵强烈。影响长江河口盐水入侵的径流量采用大通水文站实测值,一是该站具有长期的实测资料,二是它远位于潮流界之上,为潮区界上界,实测径流量受潮汐的影响小。在以往研究长江河口盐水入侵的统计模型中,径流量一般取当日大通径流量;一些数值模式上游开边界并未取在大通站,一般在江阴一带,河流开边界上径流量的给出也采用大通当日的径流量。事实上,大通水文站距离长江河口约620km,大通径流量影响到长江河口需要一段时间,并非当日径流量。研究和确定这段时间,对影响长江河口水动力和盐水入侵的重要因子——径流量的正确给出,具有重要的理论意义。另外,上海水源地已从黄浦江转移到长江口,特大型青草沙水库已经建成,并向上海供水。水库的调度和运行迫切需要知道长江入海径流量,确定采用多少天前的径流量无疑对水库的运行和供水安全具有重要的应用价值。以往对于大通径流量影响到长江河口的滞后时间,一般采用下泄距离与流速的比值进行估算。这个方法计算得到的是水质点从大通输运到长江河口的时间,事实上径流量变化引起的外重力波的传播远比水体平流的速度快得多。唐建华等基于2008年大通及徐六泾水文站流量资料,初步分析了大通流量传播到徐六泾的时间。迄今,尚未有长江河口水动力和盐水入侵对大通径流量变化响应时间的可靠结论,也尚未有使用三维数值模式开展研究。另外,长江下游水动力受潮汐的影响,在不同潮型期间径流量的响应时间可能并不相同,对之也尚未作过研究。本文应用河口海岸三维数值模式,采用较新的河流地形资料(数值化2008年《长江下游航行参考图》),数值模拟不同潮型下长江河口盐水入侵对大通径流量变化的响应时间,并分析径流量变化对青草沙水库取水口盐度的影响。23d模式的构建和验证2.1模式4:非正交曲线网格+潮滩移动边界模拟本文采用作者所在研究组长期改进的三维海洋数值模式ECOM,该模式已应用于长江口水动力过程和盐水入侵等方向的研究,并取得诸多成果。本文计算区域包括长江河口、杭州湾以及附近海区,东边到125°E附近,北面到33.7°N附近,南面到27.5°N附近,上游延伸到大通水文站(图1)。模式采用非正交曲线网格,较好地拟合长江河口及长江河道岸线,对局部区域如深水航道等区域作加密处理,并具有良好的正交性和光滑性。网格数为1004×224,长江河口的分辨率为200~600m,长江河流横穿河道方向的分辨率为100~200m,沿着河道方向的网格分辨率约为1km,河口外最粗分辨率约为10km。模式垂直方向采用σ坐标,均匀分为5层。时间步长取为50s。长江河口区域浅滩较多,模式运用干湿判别法实现潮滩移动边界的模拟,临界水深取0.2m。模式河底高程长江河口徐六泾至口门采用2009年实测资料,徐六泾以上河底高程采用2008年《长江下游航行参考图》,经数值化得到。外海开边界由潮位驱动,考虑16个分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,U2,V2,T2,L2,2N2,J1,M1,OO1,河口内由枯季多次实测资料插值得到。考虑海表面风应力的作用。2.2模型验证本文应用改进的ECOM-si模式,已在长江河口作了大量的验证3长江河口盐水入侵特征为分析长江河口盐水入侵对大通径流量变化的响应时间,本节先设计一个数值试验,径流量取大通枯季1—2月多年平均径流量12000m3/s,模拟长江河口盐水入侵的情况。再设计一组数值试验,改变大通径流量,在径流量12000m3/s的基础上增加3000m3/s,持续时间1d。因受潮汐的影响,在不同潮型期间径流量的变化可能对河口盐水入侵产生不同的影响,故设计4个数值试验,径流量增加分别发生在小潮后中潮期、大潮期、大潮后中潮期和小潮期,见图3中虚线标示的4个时段。各个数值试验中潮汐保持一致,风况均取为定常北风4m/s。模式计算时长62d,前31d为模式水动力调整期,后31d对模式的输出结果作对比分析。在大通径流量恒定12000m3/s情况下,青草沙水库取水口表层盐度随时间变化见图4,盐度具有显著的半月变化,最高盐度发生在大潮后中潮(结合图3中水位过程线),最低盐度发生在小潮后中潮,出现约5d的盐度低于0.45的可取水期。长江口为半日潮,但盐度的日不等性十分明显。从小潮后中潮期间t0时刻表层盐度平面分布图可见(见图5),盐水入侵在各分汊河道中的强度依次为北支、南槽、北槽和北港,在南槽、北槽和北港拦门沙区域存在盐度锋面,北侧盐水入侵大于南侧盐水入侵。长江河口盐水入侵最大的特征是北支盐水倒灌进入南支,数值模式也较好的模拟出了这一现象。在t0时刻南支表层盐度分布存在着两头高中间低的现象,中段出现大范围的淡水区域。本文模拟的长江河口盐水入侵与以往的观测和研究结果是一致的。在小潮后中潮期间径流量增加3000m3/s情况下,青草沙水库取水口表层盐度及其差值(本数值试验与径流量不变数值试验盐度差值,下同)随时间变化见图6a,总体上径流量的增加盐度下降,盐水入侵减弱。径流量开始增大约1d后,盐度出现微小的扰动,并随时间增大,最大值约0.025。外重力波传播的波速为gh−−√gh,从大通至长江口平均水深约10m,那么波速为10m/s,大通至长江口距离约620km,那么外重力波传播所需时间为0.72d。实际传播过程中可能受潮汐顶托和摩擦的作用,传播所需时间稍微长一些。这样与模式计算得出的盐度开始微小变化的时间1d较为接近。也就是说,因大通径流量变化产生的外重力波,传播至长江河口所需时间很短,仅约1d,对盐度的影响微小。在实际观测中,测量盐度的仪器误差可能达到0.01,太小的盐度变化是难于观测到的。因此,我们定义盐度变化达到0.05,才作为盐度响应的时间。这样,盐度对径流量变化响应的时间为4.4d,持续时间5.7d,盐度下降最大值0.10。在大潮期间径流量增加3000m3/s情况下,青草沙水库取水口盐度对径流量变化响应的时间为4.5d,持续时间4.9d,盐度下降最大值0.11(图6b)。在图6a和图6b中都出现了流量增加一段时间后,盐度先增大然后减小的现象,并在3d后盐度增加达到峰值。在河口下游潮流不变的情况,河道断面向下水通量的变化会引起盐度过程线出现小量的相位差异。对于图6a,b而言,大通径流增加一段时间后,长江河口断面向下的水通量开始出现增大,但水通量的变化量不大,导致青草沙上游河段大潮后期北支倒灌南支的高盐水团下移加快,而出现径流量增加盐度反而出现暂时增大的现象;但随着上游径流量对下游河口的影响加大,河口盐水入侵开始减弱,从而导致青草沙盐度开始下降。在大潮后中潮期间径流量增加3000m3/s情况下,青草沙水库取水口盐度对径流量变化响应的时间为4.0d,持续时间5.6d,盐度下降最大值0.11(图6c)。在小潮期间径流量增加3000m3/s情况下,青草沙水库取水口盐度对径流量变化响应的时间为6.2d,持续时间2.5d,盐度下降最大值0.07(图6d)。综上,不同潮型期间大通径流量的增加,河口盐度开始响应的时间、持续响应时间和下降量值是不同的,小潮期的响应时间明显长于其他潮型的响应时间。上面讨论了在不同潮型期间大通径流量变化对青草沙水库取水口表层盐度及其变化的影响过程,为节省篇幅这里仅给出在小潮后中潮期间径流量增加3000m3/s情况下潮周期平均的盐度及其变化的平面分布(见图7),潮周期平均时段如图6a中所示。对潮周期平均的盐度场,盐度低于1.0的区域仅出现在南支上段和北港上段,北支被高盐水占据,北港、北槽和南槽拦门沙区域存在盐度锋面。大通径流量增加后,整个长江河口盐度下降,但因北支进入的径流量微小,盐度下降很小;南支拦门沙区域盐度下降最为明显,量值在0.10~0.18之间,这与该区域盐度锋面有关,长江径流量增加促使盐度锋面下移,从而导致河口盐度锋面处盐度变化较为明显;南港盐度下降大于北港,量值约为0.10;南支中上段盐度下降值在0.02~0.09。4小潮、强潮期、低潮期河流盐度的响应本文应用河口海岸三维数值模式,计算区域包括大通至长江河口及其邻近海域,设计高分辨率网格,长江河口采用2009年实测地形资料,长江河流采用2008年地形资料,数值模拟和分析不同潮型下长江河口盐水入侵对大通径流量变化的响应时间。枯季径流量取大通1—2月多年平均径流量12000m3/s,模式较好地模拟出了长江河口盐水入侵的特征。设计径流量增加3000m3/s、持续时间1d、分别发生在小潮后中潮期、大潮期、大潮后中潮期和小潮期的4个数值试验。计算结果表明,在小潮后中潮期间径流量增加的情况下,青草沙水库取水口表层盐度对径流量变化响应的时间为4.4d,持续时间5.7d,盐度下降最大值0.10。整个长江河口盐度下降,北支盐度下降很小,南支拦门沙区域盐度下降最为明显,量值在0.10~0.18之间,南港盐度下降大于北港,量值约为0.10。在大潮期间径流量增加的情况下,青草沙水库取水口盐度对径流量变化响应的时间为4.5d,持续时间为4.9d,盐度下降最大值为0.11;在大潮后中潮期间径流量增加的情况下,青草沙水库取水口盐度对径流量变化响应的时间为4.0d,持续时间5