长江口深水航道整治工程对盐水入侵的影响

长江口深水航道整治工程对盐水入侵的影响

长江口3级，4号位于徐六井以下。该河口受到上游径向流和外部潮汐波的共同影响。据大通水文站1950—2009年流量资料统计,长江口径流量的分配在时间上表现出年内的不均匀性。洪季(5—10月)径流量占全年径流总量的70.5%,枯季(11月—翌年4月)径流量占全年径流量的29.5%。长江口是咸淡水交汇的地方,受径流和大洋海流的影响,长江口外30‰的含盐度洪季可以延伸到125°E以东,枯季在122°30′E附近,变化范围可达300km以上。长江口外高盐度水体沿北支、北港、北槽、南槽四口上溯,基本属于缓混合型,但由于各汊道的地形、径流以及潮汐特性不同,长江口的盐水入侵特性十分复杂。流域和海洋环境因子的变化都会给长江河口的动力和生态环境带来影响。近20年来,长江流域已兴建了三峡工程、南水北调工程、深水航道治理工程和众多的大中小型水库以及下游一系列的引水工程。这些水利工程建设后,将改变长江的入海水量及其原有的季节分配,直接引起河口水文情况的变化,从而影响到与径流相关的若干环境因子,如盐度、输沙量、水质等。外海入侵的咸水锋面在垂线分布上显示了密度环流形态,受径流影响明显,上游径流的变化对盐水入侵的影响范围和影响程度起着至关重要的作用。基于此,许多学者对河口盐水入侵问题进行了相关研究。徐建益等和肖成猷等利用二维盐度模型模拟了长江口北支倒灌,说明了倒灌水团在南支河段的运动过程。罗小峰等利用盐度实测资料验证了平面二维盐度数学模型,并在此基础上进行了4种不同水文组合的模拟计算,获得长江河口盐水入侵的平面分布规律。胡松等建立理想的河口数值模式,研究径流变化、海平面上升及河口形状对河口环流和盐水入侵的影响。吴辉等采用三维ECOM模式对长江口盐度进行了模拟研究,对长江口北支倒灌盐水的输送机制进行了定量研究。本文通过长江口三维斜压水流和盐水入侵数值模型,对长江口深水航道整治工程后上游径流变化对盐水入侵的影响进行了研究,以期为盐水入侵的预测提供科学依据。1三维数学模型与验证1.1紊流耦合动力学模型本文采用河口海岸三维斜压水流模型模拟长江口海域的流场和盐度场分布。模型基于静压假设和Boussinesq近似,水平采用正交曲线坐标,垂向采用σ坐标,变量空间配置采用ArakawaC格式、自由海平面,采用2.5阶紊流闭合模型求解垂向紊流黏滞和扩散系数,水平紊流黏滞和扩散系数基于Smagorinsky参数化方法、耦合完整的热力学方程。模拟计算采用的动力学方程和温、盐对流扩散方程详见文献。1.2模型网格划分模型计算范围包括长江口及口外较大海区,模型范围及网格见图1。上游边界取在洪季潮流界江阴,外海开边界的北边界取在连兴港以北10km处,东边界取在123°E附近,南边界取在芦潮港。模型计算域东西总长270km,南北总宽180km。模型水平方向采用正交曲线网格,计算网格数为7021个。对长江口内区域网格进行加密,加密区域网格最小分辨率为50m,口外网格相对较疏,最大分辨率为4.7km。垂向σ坐标网格点位置按线性均匀分布布置,共分成10层。计算时间步长取15s。取初始水位和流速0,初始盐度场根据长江口区实测资料插值给出。上游开边界采用江阴实测水位过程,外海开边界水位由东中国海潮波数学模型提供。根据长江口外常年观测统计资料,模型东边界盐度值由南至北由20‰到36‰的线性插值,北边界盐度从连兴港到东边界取为16‰到36‰线性插值,南边界盐度从芦潮港到东边界取为12‰到20‰的线性插值。取江阴断面盐度为0。1.3各站位验证结果模型验证采用2006年2月的现场观测资料,主要观测站位布置如图2所示。潮位验证有天生港、徐六泾、崇头、青龙港、杨林、南门、石洞口、堡镇、六滧、长兴、共青圩、横沙以及连兴港共13个站位,流速、流向和盐度验证在南支,南、北港和南、北槽共有8个站位。限于篇幅,本文仅列举天生港、杨林2个潮位站的验证曲线,如图3所示,计算结果与实测值吻合良好。同样,由于流速、流向和盐度验证图幅较多,本文仅列举北槽和南槽(CB1,NC1)两个站位大潮期间的验证结果(见图4)。由图可见,流速、流向、盐度验证良好。CB1站表层盐度在0.9‰~3.6‰波动,底层盐度在1.0‰~6.3‰波动,底层盐度明显大于表层,存在盐水楔现象。NC1站表层盐度在0.7‰~5.6‰波动,底层盐度在0.8‰~8.9‰波动。2河口段盐水入侵发生季节长江口入海径流量大,洪枯季节变化明显。洪季径流量相对较大,河口段基本为淡水控制,较严重的盐水入侵一般发生在枯季。利用上述已验证的三维模型,研究深水航道三期工程实施后枯季分级流量下长江口盐水入侵的特性。2.1枯季流量模拟及约束据1950—2009年大通径流量资料统计(枯季统计时间为11月至次年4月),大通站多年枯季最小流量平均值为9900m3/s,多年枯季平均流量为16400m3/s,多年枯季最大流量平均值为25700m3/s,多年枯季最小流量为6100m3/s,多年枯季最大流量为38200m3/s。考虑仅有南水北调工程的枯季流量7090m3/s、三峡工程影响下的枯季流量10090m3/s及两个工程联合调节后的枯季流量9070m3/s,选取18组径流量进行模拟试验,从6000m3/s到40000m3/s,按2000m3/s递增,基本可以包括长江口枯季的流量范围。模型上游边界设定在江阴,为了合理给出不同径流量下的潮位过程,建立了江阴站日均增水与大通径流增量的非线性关系,修正江阴潮位过程。大通流量增量与江阴日均增水的相关关系为式中:Y为江阴日均增水值,m;x为大通流量增量,104m3/s。外海开边界的潮位过程给定为典型潮型,由东中国海潮波模型提供。2.2水流强、深度分布特征为了分析不同径流量对盐水入侵的影响,选取了大通站枯季多年最大流量(38000m3/s)和最小流量(6000m3/s)遭遇口外典型大潮和典型小潮组合下的盐水入侵情况进行分析。从图5可以看出,上游枯季多年最小流量遭遇典型大潮时,涨憩时刻北支0.5‰的盐水入侵越过南、北支分流口进入南支,转流以后,倒灌的盐水不能全部退回北支,而是随南支落潮流下移,再次涨潮时这部分高盐水又退回南、北支分流口附近。经过几个潮周期,该高盐水体在潮流作用下来回摆动,不断下移,影响范围不断扩大。上游枯季多年最小流量遇到典型小潮时,北支0.5‰等盐度线只上溯到青龙港附近,南支0.5‰等盐度线也只上溯到南、北港分流口附近,说明同样径流情况下,盐水入侵距离与外海潮汐强弱密切相关,潮差越大,外海盐水入侵程度越高。枯季多年平均最大流量无论遭遇典型大潮还是典型小潮,北支上溯盐水都无法到达南、北支分流口,上游径流对北支盐水倒灌的形成起决定作用。典型大潮涨憩时刻,北支盐水上溯到青龙港附近,北港盐水上溯较南港远,同一断面上南港的盐度比北港低1.5‰~3.0‰。典型小潮涨憩时刻,北支0.5‰等盐度线在三和港附近,南、北港2‰的盐水均退至横沙以下。2.3半月体系与国内大流量指数相关关系根据18组模拟结果,对大通流量与河口区半月最大盐度进行曲线回归分析,发现各站半月最大盐度与大通流量都呈良好的指数关系,相关系数在0.99以上。图6为吴淞和青草沙的半月最大盐度与大通流量的相关关系。根据拟合曲线,可以对上游径流量变化引发的长江口水源地最大盐度作出初步判断。3径流和潮流变化的影响基于河口海岸海洋三维数值模式,建立了长