朱建榮 魯佩儀 唐川敏 陳晴 呂行行

摘要：枯季長江河口鹽水入侵的最大特色是北支鹽水倒灌，它是南支東風(fēng)西沙、太倉和陳行水庫鹽水的唯一來源，也是青草沙水庫鹽水的主要來源，考慮潮汐和氣候態(tài)1月和2月的徑流量與風(fēng)況，采用已嚴(yán)格驗證過的長江河口鹽水入侵三維數(shù)值模式，模擬和分析北支上段建閘前后鹽水入侵的變化，模擬結(jié)果表明：在北支上段建閘后，整個南支全為淡水，北支鹽水倒灌南支的現(xiàn)象消失，北支上段鹽度明顯下降;在東風(fēng)西沙、太倉和陳行水庫取水口鹽度接近0;在青草沙水庫取水口鹽度大幅下降，幾乎所有時間鹽度都低于0.45.全為淡水，數(shù)值試驗中，閘門的運行方式采用兩種方案：全天落潮流期間開閘、夜里漲潮流期間關(guān)閘、白天漲潮流期間開閘，以及全天落潮流期間開閘、夜里和白天漲潮流期間關(guān)閘，兩者的試驗結(jié)果中南支鹽度變化幾乎一致，原因在于前者的運行方式已經(jīng)使得北支上段鹽水入侵大幅減弱，出現(xiàn)鹽度接近0.45的淡水區(qū)域;即使白天漲潮流期間開閘，其間進(jìn)入南支的也是淡水，并且增加了南支向海的總余流，從數(shù)值模擬的結(jié)果和閘門運行的成本考慮，推薦前者的北支建閘運行方案，北支建閘極大地提高了上海東風(fēng)西沙、陳行和青草沙水庫取水時間，同樣極大地提高了江蘇太倉水庫的取水時間，保障了兩地的供水安全，

關(guān)鍵詞：長江河口：鹽水入侵：水源地;建閘;數(shù)值模擬

中圖分類號：P751文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j issn，1000-5641.201941017

0引言

長江河口為一特大型分汊河口，徑流量巨大，淡水資源豐富，河口旁邊有我國經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)上海和江蘇，人口密集，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對用水?dāng)?shù)量和質(zhì)量提出了更高的要求，目前，在長江口已建成了陳行水庫、青草沙水庫、太倉水庫和東風(fēng)西沙水庫（見圖1），陳行水庫位于南支南岸，建成于1996年，有效庫容為8.60×10⁶m³.日供水量2.06×10⁶m³.上海西北地區(qū)約有200萬人因此而受益，該水庫目前供水占上海全部用水的20%，青草沙水庫于2010年建成，有效庫容為4.35×10⁸m8.日供水量7.19×10⁶m8.受益人口約有1300萬人，青草沙水庫面積大約為西湖面積的10倍，是世界上最大的河口水庫，蘇州太倉水庫建成于2012年，有效庫容為15.0×10⁶m³.日供水量6.0×105+m³.東風(fēng)西沙水庫建成于2014年，有效庫容為8.9×10⁶m³.日供水量2.1×105+m³.崇明島約有70萬人受益，目前，上海大約80%的淡水取自長江口水源地，在長江口建設(shè)水源地面臨的最大問題是枯季鹽水入侵，鹽水入侵季節(jié)，若取水口鹽度高于0.45psu（飲用水鹽度標(biāo)準(zhǔn)），水庫就不宜從長江取水。

在河口，河流淡水和海洋咸水交匯，鹽水入侵是河口的一個普遍現(xiàn)象，在長江河口，鹽水入侵主要受徑流量和潮汐的控制，但也受風(fēng)、地形、流域和河口工程，以及海平面上升的影響，發(fā)生在長江口鹽水入侵最突出的現(xiàn)象是枯季大潮期間北支鹽水倒灌進(jìn)入南支，從20世紀(jì)50年代到2000年，北支的自然演變和潮灘的人為圈圍，導(dǎo)致北支上段變?yōu)閹缀醮怪庇谀现?，而北支下段變?yōu)槔瓤谛螤頮2lJ，北支河勢的演變阻礙了徑流進(jìn)入北支，尤其在枯季，導(dǎo)致北支潮差大于南支，北支巨大的潮差產(chǎn)生了顯著的水平環(huán)流，即在低徑流量和大潮期間北支鹽水凈向陸流動，進(jìn)入南支后向海流動，這個余輸運就是形成北支鹽水倒灌進(jìn)入南支的動力成因，由于落潮期間北支上段大片灘涂露出水面，大潮漲潮期間從北支進(jìn)入南支的鹽水只有小部分退回到北支，倒灌進(jìn)入南支的鹽水在徑流作用下向下游輸運，在隨后的中潮和小潮期間到達(dá)南支的中下段，影響太倉、陳行和青草沙水庫，東風(fēng)西沙、太倉和陳行水庫取水口的鹽水全部來自北支鹽水倒灌，青草沙水庫取水口的鹽度則來自北支倒灌和北港向陸的鹽水入侵，

水庫的持續(xù)供水時間取決于有效庫容和日供水量，而有效庫容的設(shè)計取決于最長連續(xù)不宜取水時間，以1978-1979年特枯水文年為計算年（徑流量保證率為97%），青草沙水庫和東風(fēng)西沙水庫的最長不宜取水時間分別為68d和26d，在水庫的運行中，較難預(yù)測徑流量未來變化，也就難于預(yù)測鹽水入侵未來變化，目前，長江河口鹽水入侵預(yù)報時效在10d之內(nèi)，預(yù)報結(jié)果可靠，但對長時間尺度預(yù)報來說較難正確預(yù)報徑流量和風(fēng)況，鹽水入侵預(yù)報可靠性就較差，這就對水庫的取水和淡水資源的安全構(gòu)成挑戰(zhàn)，需要提出減緩鹽水入侵、保障水庫取水安全的對策，

本文對北支建閘方案開展數(shù)值模擬，對比分析建閘前后鹽水入侵變化和南支水源地取水口鹽度變化，為長江口淡水資源的充分利用和保障供水安全提供科技指導(dǎo)，

1數(shù)值模式和水閘運行方式

本文數(shù)值模式采用基于POM模式發(fā)展起來的ECOM，之后從正交曲線坐標(biāo)發(fā)展到非正交曲線坐標(biāo)Wu和Zhu研發(fā)了一個物質(zhì)平流格式的HSIMT-TVD，這個格式以三階精度有效消除數(shù)值頻散和大幅降低數(shù)值耗散，模式已成功地應(yīng)用于長江河口水動力和鹽水入侵的研究中，

模式范圍包括整個長江河口、杭州灣和鄰近海區(qū)，緯向從117.5°E～125°E，徑向從27.5°N～33.7°N（見圖2a），總的網(wǎng)格數(shù)在水平方向上加密到337×225.在垂向方向上10個均勻的σ層，以較好地分辨河口地形，最小的網(wǎng)格距在南北支分漢口約為100m，以更好地模擬北支鹽水倒灌（見圖2b）;分辨率在南支下段約為200m（見圖2c），模式網(wǎng)格的正交性和平滑性良好，擬合了分漢口河道岸線和深水航道工程的形狀，在口門的分辨率為300～500m，隨后逐漸減低到外海開邊界處的10km，地形資料采用2017年整個長江口實測資料，模式積分時間步長設(shè)置為40s。

外海開邊界條件來自NaoTide數(shù)據(jù)集（http：//www，miz，nao，ac，jp/），由16個分潮驅(qū)動：M2.s2.N2.K2.K1.O1.P1.Q1.MU2.NU2.T2.L2.2N2.J1.M1和OO1.大通實測月均徑流量作為模式河流邊界條件，1月和2月為全年徑流量最低期間，也是鹽水入侵最為嚴(yán)重月份，1950年以來大通1月和2月平均徑流量分別為11500m³/8和11800m³/8.風(fēng)數(shù)據(jù)采用NECP資料，分辨率0.5°×0.5°，10年半月平均，長江口外鹽度初始條件來自黃海東海海洋圖集（水文），口門內(nèi)來自多次觀測資料，模式從1月1日開始計算，至2月28日結(jié)束計算，從2月下旬模擬結(jié)果中給出大潮和小潮期間漲憩和落憩時刻的鹽度分布，漲憩和落憩參考點為北支建閘處。

上述數(shù)值模式已經(jīng)在長江河口驗證了許多次，結(jié)果表明，此模式能成功模擬長江河口水動力過程和鹽水入侵，因論文篇幅限制，模式驗證過程的詳細(xì)描述可參見上述文獻(xiàn)，

本文設(shè)置3個數(shù)值試驗，數(shù)值試驗1：不考慮北支建閘，數(shù)值試驗2：考慮北支建閘f閘門位置見圖1），長江河口為典型的半日潮，一天有兩次漲潮和兩次落潮，北支鹽水入侵是由漲潮期間帶來的，考慮夜里漲潮流期間關(guān)閘，白天漲潮流期間開閘，夜里和白天落潮流期間開閘，數(shù)值試驗3：考慮北支建閘，與數(shù)值試驗2唯一不同的是夜里和白天漲潮流期間均關(guān)閘，本文數(shù)值模式為原代碼程序，能方便地設(shè)置閘門開啟和關(guān)閉的條件，與一些商業(yè)軟件無法修改源代碼程序相比，具有明顯的優(yōu)點，

2模擬結(jié)果

由大潮期間漲憩和落憩時刻垂向平均鹽度分布可見（見圖3），在潮汐和枯季氣候態(tài)徑流量和風(fēng)況作用下，在北支上段建閘前（數(shù)值試驗1）北支被高鹽水所占據(jù)，大潮期間南支上段出現(xiàn)高鹽水團，這是由北支鹽水倒灌產(chǎn)生的，南支下段出現(xiàn)鹽度低于0.45的淡水區(qū)域，小潮期間，已經(jīng)倒灌的鹽水團和下游的淡水區(qū)域在徑流作用下向下游移動，在北港、北槽和南槽攔門沙區(qū)域，出現(xiàn)強烈的鹽度鋒面，在這3個分汊河道，鹽水入侵南槽最強、北槽次之，北港最弱，北港北側(cè)出現(xiàn)明顯的向東北輸運的沖淡水，這是由潮泵輸運作用造成的，在數(shù)值試驗2中，盡管在白天漲潮流期間開閘，整個南支全為淡水，北支鹽水倒灌南支的現(xiàn)象消失，北支上段鹽度明顯下降，小潮落憩時刻長興島北側(cè)北港全為淡水，在數(shù)值試驗3中，白天和夜里漲潮流期間均關(guān)閘，北支鹽水倒灌現(xiàn)象徹底消失，4個水庫的取水口均為淡水，北支鹽度下降更明顯，為更清楚地顯示北支上段建閘前后鹽度分布和變化情況，對北支和南支上段作放大展示（見圖4），建閘前北支上段為高鹽水占據(jù)，在數(shù)值試驗2中，漲潮流期間白天開閘、夜里關(guān)閘，南支上段沒有鹽度高于0.45的區(qū)域，北支上段鹽度下降，落憩時刻更顯著，在數(shù)值試驗3.漲潮流期間白天和夜里均關(guān)閘，北支上段漲憩和落憩時刻均為淡水，落憩時刻淡水區(qū)域更大，

在小潮期間（見圖5），在北支建閘前，南支上段和南支南側(cè)為鹽度小于0.45的淡水區(qū)域，大潮期間北支倒灌進(jìn)入南支的鹽水在徑流作用下向下游移動，影響陳行和青草沙水庫，在北港、北槽和南槽攔門沙區(qū)域，等鹽度線向海移動，相比于大潮期間鹽水入侵減弱，北港北側(cè)向東北輸運的沖淡水消失，原因在于小潮期間潮泵運輸作用減弱，北風(fēng)作用相對占優(yōu)勢，在數(shù)值試驗2中，南支全域均為淡水，北支上段鹽水入侵減弱，在數(shù)值試驗3中，與數(shù)值試驗2比較，南支鹽度變化不明顯，但北支上段和中段鹽度下降更為顯著，從北支和南支上段局部放大鹽度分布來看（見圖6），上述鹽度變化更為清晰，建閘前北支上段被高鹽水占據(jù);在數(shù)值試驗2中，北支上段為淡水;在數(shù)值試驗3中，淡水區(qū)域已移至北支中段，由此可見，建閘后，不僅完全消除了南支來自北支的鹽水入侵，在北支上段和中段也出現(xiàn)了持續(xù)的淡水。

從青草沙水庫取水口水位和4個水源地取水口鹽度隨時間變化可見（見圖7），長江口潮汐為半日潮，具有日不等現(xiàn)象，半月的大小潮變化明顯，在東風(fēng)西沙水庫取水口，建閘前最高鹽度達(dá)到1.5.在一個大小潮周期內(nèi)約三分之一的時段鹽度低于0.45.建閘后，在數(shù)值試驗2中和數(shù)值試驗3中鹽度均接近0.在太倉水庫取水口，建閘前大約有一半時間鹽度小于0.45.建閘后鹽度接近0.在陳行水庫取水口，情況與太倉水庫一致，在青草沙水庫取水口，建閘前最高鹽度約為1.2.在一個大小潮周期內(nèi)大約五分之二時段能取到淡水，建閘后幾乎全部時間均能取到淡水，值得注意的是，數(shù)值試驗3的鹽度反而比數(shù)值試驗2的鹽度高，原因在于數(shù)值試驗3白天和夜里漲潮流期間均關(guān)閉水閘，徹底消除了北支水體倒灌進(jìn)入南支，使得南支向海的總余流減小，北港海外向陸的鹽水入侵增強。

從上述模擬的鹽度平面分布和水庫取水口鹽度變化過程可以看到，數(shù)值試驗2和數(shù)值試驗3的結(jié)果幾乎一致，原因在于在數(shù)值試驗2中，盡管白天漲潮流期間開閘，但因夜里漲潮流期間關(guān)閘、白天和夜里落潮流期間開閘，使得北支上段鹽水入侵大幅減弱，出現(xiàn)鹽度接近0.45的淡水，這樣，即使白天漲潮流期間開閘，其間進(jìn)入南支的也是淡水，與來自徐六涇上游的河水無異，從數(shù)值模擬的結(jié)果和閘門運行的成本考慮，本文推薦數(shù)值試驗2中的北支建閘運行方案。

3結(jié)語

長江河口鹽水入侵的最大特色是北支鹽水倒灌，它是南支東風(fēng)西沙、太倉和陳行水庫鹽水入侵的唯一來源，也是青草沙水庫鹽水入侵的主要來源，減輕北支鹽水倒灌是延長水源地取水口取水時間和保障供水安全的有效方法，考慮潮汐和氣候態(tài)1月和2月的徑流量和風(fēng)況，本文采用已嚴(yán)格驗證的長江河口鹽水入侵三維數(shù)值模式，模擬和對比北支上段建閘前后鹽水入侵的變化，建閘方案分為2個，全天落潮流期間打開閘門，一個是漲潮流期間夜里關(guān)閘、白天開閘（數(shù)值試驗2），另一個是漲潮流期間夜里和白天均關(guān)閘（數(shù)值試驗3），模擬結(jié)果再現(xiàn)了建閘前（數(shù)值試驗1）長江河口北支被高鹽水占據(jù)、北支鹽水倒灌、攔門沙鹽度鋒面和空間差異等特征，在數(shù)值試驗2中，整個南支全為淡水，北支鹽水倒灌南支的現(xiàn)象消失，北支上段鹽度明顯下降，在東風(fēng)西沙、太倉和陳行水庫取水口鹽度接近0.在青草沙水庫取水口，鹽度大幅下降，幾乎所有時間鹽度都低于0.45.在數(shù)值試驗3中，北支鹽水倒灌現(xiàn)象徹底消失，北支鹽度下降更明顯，北支上段和中段為淡水區(qū)域，小潮期間北支上段和中段淡水范圍比大潮期間大，建閘后，不僅完全消除了南支來自北支的鹽水入侵，在北支上段和中段也出現(xiàn)了持續(xù)的淡水，在東風(fēng)西沙、太倉和陳行水庫取水口，鹽度接近0.與數(shù)值試驗2結(jié)果一致，在青草沙水庫取水口，幾乎所有時間都能取淡水，但鹽度反而比數(shù)值試驗2的鹽度高，原因在于數(shù)值試驗3的水閘運行方式徹底消除了北支水體倒灌進(jìn)入南支，使得南支向海的總余流減小，北港海外向陸的鹽水入侵增強，

數(shù)值試驗2和數(shù)值試驗3的結(jié)果幾乎一致，原因在于數(shù)值試驗2的運行方式已經(jīng)使得北支上段鹽水入侵大幅減弱，出現(xiàn)鹽度接近0.45的淡水，即使白天漲潮流期間開閘，其間進(jìn)入南支的也是淡水，從數(shù)值模擬的結(jié)果和閘門運行的成本考慮，本文推薦數(shù)值試驗2中的北支建閘運行方案。

北支建閘后可極大地提高上海的陳行水庫、青草沙水庫和東風(fēng)西沙水庫取水時間，保障供水安全，同樣可極大地提高江蘇太倉水庫的取水時間，北支建閘工程對滬蘇兩地均是有益的。