錢塘江河口七堡段氯度時(shí)空變化及與水文的關(guān)系

李若華, 夏冬梅, 姚凱華

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

錢塘江河口潮強(qiáng)流急,涌潮洶涌,山潮水比值僅為0.01,是典型的強(qiáng)涌潮河口,在極端枯水條件下,鹽水可上溯至離杭州灣口207 km處的聞家堰以上,其鹽水入侵長度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于一般潮汐河口[1]。鹽水入侵對(duì)河口的水動(dòng)力、水質(zhì)和生態(tài)具有重要影響[2],會(huì)影響河口地區(qū)的取用水[3],同時(shí)鹽度作為保守的示蹤劑,還經(jīng)常用于研究河口的水循環(huán)和混合過程[4]。因此,鹽水入侵研究具有重要學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值,一直是河口研究的熱點(diǎn)[5-9]。

從20世紀(jì)60年代開始,不少學(xué)者研究了錢塘江河口的鹽水入侵規(guī)律。毛漢禮等[10]分析了錢塘江河口沿程月平均氯度,認(rèn)為其符合Aron和Stommel混合長度理論。韓曾萃等[11]首次采用一維水流鹽度數(shù)值模型研究了錢塘江河口鹽水入侵規(guī)律,預(yù)測(cè)了錢塘江水體含氯度,在此基礎(chǔ)上建立了錢塘江河口鹽水入侵中長期動(dòng)床預(yù)報(bào)數(shù)值模型,并將該模型應(yīng)用于富春江水庫每年枯季泄水流量調(diào)度[4],同時(shí)還分析了新安江建庫、河口治江縮窄對(duì)河口鹽水入侵的影響[12]。史英標(biāo)等[13]采用錢塘江河口段長歷時(shí)實(shí)測(cè)水文、氯度資料,分析了強(qiáng)潮作用下鹽水入侵的時(shí)空變化特征。潘存鴻等[1,14]通過實(shí)測(cè)資料及數(shù)學(xué)模型分析,研究了徑流、潮汐、涌潮等對(duì)錢塘江河口鹽水入侵的影響。

錢塘江河口是一個(gè)強(qiáng)沖淤的河口,其鹽水入侵強(qiáng)度及鹽度在河口的時(shí)空分布不僅受上游徑流和外海潮汐控制,還深受河床沖淤的影響,這也是錢塘江河口的鹽水入侵規(guī)律較其它河口更加復(fù)雜的原因所在。隨著現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料和研究成果的累積,錢塘江河口的鹽水入侵規(guī)律研究也逐漸深入。錢塘江河口七堡河段是杭州市最重要的水源地,本文基于多年的水文、地形、氯度等實(shí)測(cè)資料及現(xiàn)有研究成果,結(jié)合鹽水入侵與水文之間的關(guān)系特性,分析錢塘江河口七堡河段鹽水入侵的一些新規(guī)律。

表3 2009年9月大潮定點(diǎn)實(shí)測(cè)氯度

注:分層系數(shù)為底表層鹽度差與垂線平均鹽度之比;橫向差異系數(shù)為深槽平均和淺灘平均之差與深槽平均之比。

1 氯度空間分布特征

1.1 縱向分布特征

錢塘江河口長期觀測(cè)氯度的水文站有閘口、七堡、倉前、鹽官、澉浦5個(gè)站(圖1),每日采用滴定法觀測(cè)日最大、最小氯度(氯離子的質(zhì)量濃度),已積累了近50年的資料。本文采用尖山河灣治江縮窄后的2000—2015年年均氯度資料,統(tǒng)計(jì)錢塘江河口沿程各站多年氯度特征值如表1所示,這16年中包括了豐、平、枯水年,具有較好的代表性。表2為1953年以來錢塘江河口各站潮汐特征值。

圖1 錢塘江河口形勢(shì)圖及站點(diǎn)位置

表1 錢塘江河口2000—2015年沿程各站氯度特征值

注:變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比;采用的河床容積為閘口—鹽官河段吳淞高程7 m以下的年均河床容積,下同。

表2 錢塘江河口各站潮汐特征值

由表1、表2可見,澉浦以上河段潮差快速減小,漲潮歷時(shí)大幅縮短,至七堡后多年平均潮差由澉浦的5.64 m減小至0.79 m,平均漲潮歷時(shí)也由澉浦的5.47 h縮短至1.42 h,說明潮汐在河口上溯過程中潮汐能量快速減弱;與此相對(duì)應(yīng)的是年平均氯度也由澉浦的4.29 g/L減小至0.11 g/L,表明鹽水在上溯過程中,潮量逐漸減小,受下泄淡水徑流的稀釋作用逐漸增強(qiáng),氯度逐漸降低;同時(shí)還可以看到,越往上游,氯度的變異系數(shù)越大,其中閘口—倉前河段變異系數(shù)較大,七堡達(dá)到最大,表明閘口—倉前河段是徑流、潮流勢(shì)力彼消此長的區(qū)域,淡水、鹽水摻混強(qiáng)烈,徑流大則可有效壓制鹽水。杭州的多個(gè)取水口布置在閘口—七堡河段,該特點(diǎn)為杭州在秋季大潮期調(diào)度上游水庫加大下泄流量抗咸提供了可行性[15]。

1.2 橫向及垂向分布特征

錢塘江河口雖屬強(qiáng)潮河口,但不同河段的混合程度仍有所差別,尤其是倉前上游的杭州段,處于河口段的上游,山潮水比值逐漸增大,涌潮逐漸消失,潮流速減小,水體紊動(dòng)摻混作用較中、下游弱,加之在復(fù)式河槽中淺灘與深槽的水深相差較多,還有彎道環(huán)流的影響等,導(dǎo)致橫向流速分布不均勻,致使氯度在江道斷面橫向分布上不一致。一般認(rèn)為,因深槽水流流速大,鹽度隨潮流運(yùn)動(dòng)的速度較快,在漲憩前后,深槽的鹽度大于淺灘,且深槽與淺灘水深之比越大越顯著[16]。

表3為2009年9月大潮定點(diǎn)實(shí)測(cè)氯度情況,由表3可見,錢塘江河口在一個(gè)潮中的最大氯度,上、下游均呈現(xiàn)出深槽大于淺灘的現(xiàn)象,總體趨勢(shì)是下游差異小,上游差異大,但橫向差異最大的閘口斷面的橫向差異系數(shù)也小于0.3。同時(shí)可以看到,七堡—澉浦河段氯度分層差異也較小,分層系數(shù)均在0.16以下,閘口氯度已低于0.25 g/L的飲用水標(biāo)準(zhǔn),可看作為淡水。因此,錢塘江河口氯度的差異基本在0.3以內(nèi),屬強(qiáng)混合型河口[17]。

2 氯度時(shí)間變化特征

2.1 年際變化

以倉前站為例,由表1可知,其年均氯度最大可達(dá)0.85 g/L,最小僅0.16 g/L,同時(shí)也可看到影響鹽水入侵的徑流量及河床容積變化也很大。繪制倉前站年均氯度與年均徑流量、潮差、河床容積的關(guān)系如圖2～4所示。

圖2 倉前站年均氯度與年均徑流量

圖3 倉前站年均氯度與年均潮差

圖4 倉前站年均氯度與年均河床容積

由圖2～4可見,豐水年(2002年、2010年、2012年和2015年)時(shí)河道沖刷,河床容積和潮差大,但因徑流量大壓制了鹽水入侵,倉前站氯度較小;連續(xù)枯水年(2005—2009年)后,河床淤高容積變小,潮差小,潮流上溯能力弱,雖然此時(shí)徑流量小,但倉前站氯度也較小;徑流從豐轉(zhuǎn)枯的第一年(2003年),雖徑流量大幅減小,因河床容積和潮差還較大,氯度也較高。同時(shí)也可看到,潮差與河床容積的變化趨勢(shì)基本是一致的,河床容積大,則潮流上溯能力強(qiáng),導(dǎo)致潮差大,由此可見,潮差大小可在一定程度上反映河床的沖淤程度。

2.2 季節(jié)變化

因徑流和潮汐的季節(jié)性變化,導(dǎo)致錢塘江河口氯度在年內(nèi)變化十分明顯。統(tǒng)計(jì)2000—2015年各月平均日最大氯度,繪制各月氯度與月均徑流、潮差、河床容積(錢塘江河口每年4月、7月、11月進(jìn)行3次地形測(cè)驗(yàn))的關(guān)系見圖5～7。從圖5～7可見,3—7月為豐水期,徑流較大,且潮汐相對(duì)較弱,氯度較小;8—11月徑流大幅減小,平均不足豐水期的一半,對(duì)鹽度的稀釋能力大幅減弱,且河床經(jīng)過汛期的強(qiáng)烈沖刷,河床容積較4月大幅增加,另外秋季是大潮期,外海潮汐較強(qiáng),故河口段潮流上溯能力大幅增強(qiáng),導(dǎo)致氯度較大;12月至次年2月雖為枯水期,徑流量較小,但河口段的河床經(jīng)過秋季大潮期4個(gè)月的回淤,容積大幅減小,潮流上溯能力弱,河口進(jìn)潮量將大幅減少,氯度也較小。

圖5 倉前站多年月均日最大氯度與月均徑流量

圖6 倉前站多年月均日最大氯度與月均潮差

圖7 倉前站多年月均日最大氯度與河床容積

2.3 月相變化

2007年10—11月,在七堡斷面進(jìn)行了連續(xù)半個(gè)月逐時(shí)的氯度、潮位、潮流觀測(cè),其結(jié)果如圖8所示。由圖8可見,小潮期潮位低,潮差小,隨著小潮期向大潮期過渡,潮差逐漸增大,高、低潮位均逐漸抬升,10月23—29日低潮位抬升1.3 m,高潮位抬升2.1 m,表明潮差同步增大了0.8 m。小潮時(shí)氯度很低,水體為淡水,進(jìn)入大潮期后,氯度快速升高,10月26—30日氯度波動(dòng)劇烈,最高氯度達(dá)到1.3 g/L。大潮期過后,氯度又恢復(fù)至低值。由此可見,七堡河段的鹽水入侵主要集中在大潮期的這幾天,其他時(shí)間基本不受鹽水入侵的影響。

圖8 2007年七堡斷面氯度和潮位月相變化

3 大潮期氯度變化與潮位、流速的關(guān)系

圖9 大潮期七堡斷面氯度與潮位的關(guān)系

圖10 大潮期七堡斷面氯度與流速的關(guān)系

圖11 大潮期七堡斷面水深與潮差的關(guān)系

由上述分析可知,錢塘江河口鹽水入侵主要發(fā)生在大潮期。圖9～11展示了2007年10月25—29日大潮期間七堡斷面的潮位、垂線平均流速(設(shè)定漲潮流速為正,落潮流速為負(fù))、垂線平均氯度的變化。由圖9～10可見,由于涌潮的存在[18],漲潮初期潮位急劇抬高,同時(shí)水流迅速從落潮流轉(zhuǎn)為漲潮流,并在半小時(shí)內(nèi)漲潮流速達(dá)到極值,大潮期間漲潮最大流速可以達(dá)到1.8 m/s,而落潮最大流速僅0.8 m/s,由此可見,該河段漲潮歷時(shí)雖然小于落潮歷時(shí),但漲潮期的水動(dòng)力遠(yuǎn)大于落潮期的水動(dòng)力。同時(shí)可看到,因鹽分需由下游隨水流帶至上游,故氯度抬升滯后于潮位和流速,高潮位和漲潮最大流速過后氯度才出現(xiàn)最大值,而泥沙含量基本與潮流同步達(dá)到最大值[19],這是因?yàn)槟嗌巢粌H可被漲潮流從下游帶至上游,本地河床的泥沙還會(huì)被涌潮掀起懸浮,這也是錢塘江河口鹽度和泥沙輸運(yùn)特征不同的主要機(jī)制之一。由圖11可見,在前5個(gè)潮(約60 h內(nèi))期間,該河段處于蓄潮階段,潮平均水深逐漸增加,潮位、潮差、漲落潮流速逐漸增大,氯度也逐漸增大。在第5個(gè)潮,高潮位、潮差、漲潮最大流速、氯度均達(dá)到最大值。之后低潮位基本保持不變,高潮位呈現(xiàn)一高一低交替的現(xiàn)象,相應(yīng)的潮平均水深、潮差和漲潮最大流速也呈現(xiàn)一大一小交替的現(xiàn)象。在前60 h內(nèi),每個(gè)潮周期的氯度峰值逐漸升高,60 h后氯度出現(xiàn)最大值,為1.28 g/L,之后與高潮位(或潮差)對(duì)應(yīng),每個(gè)潮周期的氯度峰值呈現(xiàn)一高一低交替的現(xiàn)象,但氯度峰值逐漸減小。整個(gè)大潮期間每個(gè)潮周期的最小氯度基本相同,約0.05 g/L,說明該河段在落潮后期已為淡水。

4 結(jié) 論

a. 閘口—倉前河段是徑流、潮流勢(shì)力彼消此長的區(qū)域,淡水、鹽水摻混強(qiáng)烈,徑流對(duì)鹽水入侵有較好的壓制作用。氯度垂向分布比較均勻,橫向差異小,主槽氯度大于邊灘。

b. 受年際、年內(nèi)的徑流，潮汐，地形的影響,年際、年內(nèi)氯度差異較大,徑流從豐轉(zhuǎn)枯的第一年,每年的8—11月,鹽水入侵較強(qiáng)。

c. 河口段的潮差和氯度不僅在大、小潮期間差異大,大潮期間波動(dòng)也較大,且氯度變化滯后于潮位的變化。

d. 潮差是錢塘江河口潮動(dòng)力的重要指標(biāo),也是鹽水入侵強(qiáng)度的重要指標(biāo),咸潮入侵強(qiáng)度與潮差呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。

e. 大潮期的前期,河口處于蓄潮階段,鹽度快速升高,此時(shí)應(yīng)快速加大上游的下泄流量,抵御咸潮入侵。大潮期的后期,因潮位和氯度仍較高,此時(shí)仍應(yīng)保持較大的下泄流量,避免受咸潮入侵影響用水。