2007-2016年北支河勢變化對長江口鹽水入侵影響數(shù)值研究

李志鵬 朱建榮

關(guān)鍵詞：長江河口;北支;河勢變化;鹽水入侵;數(shù)值模擬

0引言

長江河口自徐六涇以下，形成了“三級分汊，四口入海”的河勢格局.崇明島將長江口分割成北支與南支兩條入海通道.北支是長江入海口的一級汊道，平面形態(tài)呈上窄下寬的喇叭狀，西起南北支分汊口，東至下游入海口連興港，全長約84km，北支上口河寬2.5km，連興港處河寬約11.5km[1].北支上口與南支河道幾乎垂直，致使北支分流比不到5%.極低的分流比以及喇叭形狀的河勢使得北支潮汐作用顯著增強，在枯季大、中潮期間，外海高鹽水會隨北支漲潮流上溯，并倒灌進入南支，形成長江河口獨特的鹽水倒灌現(xiàn)象[2].許多學者分析研究了北支鹽水倒灌輸送機制，普遍認為是由地形、徑流和潮汐三方面因素共同作用造成的[2-5].

北支的河口形態(tài)使得流入的長江徑流量在枯季低于總量的5%，而北支的進潮量約占長江口總進潮量的25%[3]，所以，枯季隨潮流上溯至北支上段的鹽度仍然很高.由于南、北支不同的地形和潮波運動形式導致北支上段和南支河段出現(xiàn)水位差[4]，在枯季大潮期間，當北支漲潮水位比南支高時，北支高鹽水以鹽水團的形式向南支倒灌，倒灌的鹽水團隨南支漲落潮流上下震蕩，并在徑流的作用下向下游擴散，影響上海市水源地水庫取水[5]（位置見圖1）.吳輝等[6]利用數(shù)值模擬結(jié)果采用通量機制分析的方法對北支倒灌鹽水的輸送機制進行了研究，發(fā)現(xiàn)Lagrange余流輸送和潮泵輸送在倒灌鹽水輸送中起主導作用，并給出了倒灌的鹽水輸送的主要路徑：大部分高鹽水團隨落潮流通過白茆沙北水道下泄，少部分漫過白茆沙體進入白茆沙南水道，然后匯合至七丫口附近分成兩股，少部分沿崇明南岸進入新橋水道，大部分隨主流向下先影響陳行水庫，進而影響青草沙水庫.

大量觀測和研究表明，河勢變化是鹽水倒灌的重要因子，河勢是指河口形狀、岸線和水深分布.沈煥庭等[2]指出長江口河勢演變改變了水流的流路和汊道的分流比，從而影響鹽水入侵.1959年開始在北支發(fā)現(xiàn)了水、沙、鹽倒灌入南支的現(xiàn)象.之后北支河槽處于淤積萎縮過程，倒灌現(xiàn)象加重，在20世紀70年代達到頂峰.此后隨著北支河勢變化鹽水倒灌逐漸減弱，2007年以來尤其是2012年實施新村沙圍墾工程導致中段靈旬港—三和港間河道急劇縮窄至不足2km、中下段淤積嚴重，河槽容積減少導致鹽水倒灌大幅減弱.根據(jù)喬紅杰等[7]實測水文資料統(tǒng)計表明，2015年以后鹽水倒灌已經(jīng)非常微弱，小潮期間北支上端鹽度未超過0.45.南支上段白茆沙形態(tài)近些年變化也較為顯著，在2016年白茆沙整治工程完成后白茆沙沙體頭部淤積、尾部沖刷，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形沙體形態(tài).其中南水道為主汊，水道順直，與下游主槽平順連接，且漲落潮流路基本一致，水道以沖刷為主，北水道為支汊，受北支水沙倒灌影響則趨于淤積萎縮.丁磊等[8]通過2013年12月和2014年2月對長江口南北支分汊口進行全潮同步水文測驗得出：倒灌的鹽水主要影響白茆沙北水道，北水道鹽度會因北支倒灌的鹽水在落潮中后期發(fā)生突增，在枯季條件下一般沿白茆沙北水道的南側(cè)下泄，南水道僅在潮差較大時會受到較小的影響.

北支河勢變化導致水動力發(fā)生變化是造成鹽水倒灌的直接原因.近些年已有眾多學者開展了北支河勢變化對水動力和鹽水倒灌的影響研究，獲得了較多有價值的成果.宋澤坤等[9]通過數(shù)值模擬分析長江口北支圍墾工程對水動力環(huán)境的影響，認為1981—2004年大規(guī)模圍墾后，北支全河段高、低潮位普遍抬高，啟東港以上河段漲、落潮動力均增強，以下河段漲、落潮動力減弱，其后果是北支鹽水倒灌進入南支的風險提高，鹽水倒灌增強.陳涇等[10]通過數(shù)值模擬分析了北支新村沙圍墾工程對鹽水入侵的影響，認為新村沙南水道封堵后，過水斷面縮窄，減弱了北支倒灌.但是關(guān)于南北支分汊口新生沙體和北支中下段淤積對附近水動力及鹽水倒灌的影響研究卻鮮有涉及，本文以北支2007年和2016年實測水深資料為基礎(chǔ)，分析近10年間北支河勢變化情況，并應用ECOM-si（Estuarine，CoastalandOceanModel（semi-implicit））數(shù)值模型模擬分析2007—2016年南北支分汊口新生沙體和北支下段淤積對北支潮位、潮差和鹽水入侵的影響.

12007—2016年北支河勢演變

1.1 河床沖淤變化

圖2為2007—2016年長江口北支沖淤分布，總體上北支沖淤演變趨勢以淤積為主，局部表現(xiàn)為沖刷.北支河道上段在岸堤的束縛下河勢變化穩(wěn)定，其中南北支分汊口內(nèi)側(cè)至三和港河段主槽為主要沖刷區(qū)域，主槽加深使得過流條件改善.南、北支屬于潮汐分汊河口，在雙向水流的作用下分汊口存在水沙交換，南北支兩股漲潮水流匯流頂托時能量損失，使得泥沙落淤在南北支分汊口形成舌狀堆積體，形似巨大的潛式丁壩，本文稱之為新生沙體.2007年7月28日和2016年1月26日衛(wèi)星遙感圖片充分展示了南北支分汊口河勢變化情況（圖3），在這10年中新生沙體發(fā)展迅速.根據(jù)2007年、2016年實測水深數(shù)據(jù)可知新生沙體淤積厚度達4～6m.北支中下段三和港至連興港河段表現(xiàn)為淤積為主，總體上河床抬升，其中下段南側(cè)淤積嚴重，局部淤積幅度達4～6m.造成這一變化的主要原因是北支為漲潮流控制河口，在地轉(zhuǎn)科式力影響下，漲潮流侵蝕北岸，而將上游帶來的泥沙淤積在南岸，使得南岸淤積.在這10年中，人工圈圍、促淤工程也大多集中在南岸[11]，尤其2012年實施的新村沙圍墾和南水道的封堵，縮窄了近一半北支中段過水斷面，加速了北支下段崇明島一側(cè)的萎縮淤淺.

1.2 河槽容積、深泓線沿程變化

基于autoCAD二次開發(fā)南方cass9.0軟件，將實測的2007年、2016年水深數(shù)據(jù)采用克里金插值生成數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM），計算0m水深以下（85黃?；?，下同）北支各段河槽容積（表1）.河槽容積是選定區(qū)域面積和水深的乘積.將北支劃分為上段、中段和下段，如圖2所示.在北支上段（包括新生沙體），河槽容積增加4.4%;中段雖然因新村沙圍墾工程導致河道縮窄一半，但是河道水深變深，整體容積減少8.8%;下段南岸淤積嚴重導致河道容積減少20.5%，河槽容積減少會導致北支下段進潮量減少.

根據(jù)2007年、2016年北支實測水深，統(tǒng)計北支河道深泓線水深及其變化（表2），并繪制長江口北支深泓線水深剖面圖（圖4）.從深泓線水深沿程變化可知，北支上段深泓線由海門港改道至崇頭，導致深泓線水深由15.8m減至5.8m，減弱了河道過流條件，不利于徑流進入北支.北支上段至三和港河槽深泓線近10年整體加深，其中靈旬港至三和港河段在新村沙圍墾工程下河床主槽沖刷嚴重，深泓線水深變化較大，加深幅度達4m，改善了北支漲潮流過流條件，增強了北支漲潮流上溯動力.下段啟東港至連興港由于河床淤積，深泓線水深變淺明顯，最大值達2m.從表2可見，2007—2016年北支上段深泓線平均水深增加1.80m，中段增加2.87m，下段減少0.77m.

2研究方法

2.1 數(shù)值模式設(shè)置和驗證

基于上述2007—2016年北支河勢演變特征，數(shù)值模擬和分析南北支分汊口新形成的沙體以及中下段淤積造成的河勢變化對北支鹽水入侵的影響.

采用筆者課題組長期改進和應用的三維數(shù)值模式ECOM-si，該模式在長江口水動力過程和鹽水入侵等方面的研究中得到了廣泛的應用，取得了大量研究成果[6，10，12-17].圖5為模式計算區(qū)域和網(wǎng)格，上游開邊界設(shè)置在大通水文站.在南北支分汊口網(wǎng)格擬合岸線和局部加密.北支鹽水倒灌主要發(fā)生在枯季，枯季代表性月份為1月和2月，數(shù)值模擬選擇多年1—2月大通水文站月平均徑流，風場取NCEP（NationalCentersforEnvironmentalPrediction）多年半月平均風場作為模型邊界條件驅(qū)動模式，外海開邊界由潮位和余水位驅(qū)動，潮位由16個主要分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MU2、NU2、T2、L2、2N2、J1、M1及OO1的調(diào)和常數(shù)合成得到，初始溫鹽場在長江口外通過《渤海黃海東海海洋圖集（水文）》數(shù)字化數(shù)據(jù)插值得到，口內(nèi)由多年枯季實測資料插值獲得.模擬時間為1月1日至2月28日.

2.2 數(shù)值試驗

2007—2016年北支河勢在自然、人工因素影響下變化顯著（圖2），東風西沙水庫、陳行水庫和青草沙水庫分布在南支不同區(qū)域（圖1），為上海主要水源地.其中東風西沙水庫、陳行水庫鹽水入侵完全受北支倒灌影響，青草沙水庫主要受來自北支鹽水倒灌影響，也受北港外鹽水入侵[17]影響.

以2016年北支水深為數(shù)值試驗本底水深，其中包含南北支分汊口新生沙體和北支下段的淤積引起的較淺水深.在此基礎(chǔ)上，分別用2007年南北支分汊口水深和北支下段的水深替代2016年的水深（圖2綠色區(qū)域），模擬和對比分析南北支分汊口新生沙體和北支下段淤積對北支鹽水入侵的影響.模式的各個數(shù)值試驗中風場、徑流設(shè)置一致.

在南北支分汊口布設(shè)sec1、sec2斷面（圖1），分析新生沙體對南北支水通量、分流比的影響.在北支下段三和港、啟東港、連興港布設(shè)sec3、sec4、sec5（圖1）3條斷面，分析下段淤積對北支漲落潮水通量的影響.

3結(jié)果與分析

3.1 新生沙體對南北支分汊口水通量和流場的影響

表3所示為經(jīng)過南支上段橫斷面sect2和北支上段橫斷面sec1大潮、小潮和全潮期間凈水通量和分流比.由表3可見，大潮期間新生沙體導致北支倒灌量增加15.0%，分流比由–2.8%上升至–3.2%;小潮期間南支徑流進入北支減少1.2%，分流比無變化;一個大小潮周期內(nèi)鹽水倒灌量增加24.9%，分流比由–1.0%上升至–1.2%.新生沙體增加了大潮及大潮后中潮期間北支進入南支的水通量，而在小潮期間沙體阻水作用較弱，新生沙體形成前后水通量幾乎無變化.從整個大小潮周期倒灌水通量變化來看，新生沙體明顯增強了北支鹽水倒灌.

新生沙體形成前后南北支分汊口附近漲落急時刻（參考點為崇頭）流場分布見圖6和圖7.大潮期間，南北支漲潮流匯潮點位于青龍港附近，沙體的形成對分汊口處流速減弱作用明顯，阻礙了大潮南支漲潮流進入北支和落潮時落潮流進入北支.小潮期間，漲潮流南北支匯流點位于分汊口，新生沙體也阻礙北支漲潮流進入南支和南支落潮流進入北支，但是北支河道相對南支河道較窄較淺且流速較小，新生沙體對小潮期間南、北支分汊口處流場影響較小.

3.2 新生沙體臨界水深確定

從南北支分汊口有無新生沙體的模擬結(jié)果來看，有新生沙體相比于無新生沙體北支凈倒灌南支的水通量和分流比增大，與一般認為新生沙體阻礙北支倒灌水量的感知不一致.新生沙體在阻礙漲潮期間北支水體越灘進入南支的同時，也在阻礙落潮期間南支水體進入北支，尤其是阻礙大小潮期間徑流進入北支.總體上后者的作用超過了前者.但如果新生沙體繼續(xù)淤積增高，若把北支分汊口阻斷，那么就不存在北支鹽水倒灌的現(xiàn)象了.因此，這里存在著新生沙體的臨界水深，即再淤積到多淺，北支鹽水倒灌不再增加，若繼續(xù)淤淺北支鹽水倒灌將減小.本節(jié)將通過數(shù)值試驗找出新生沙體的臨界水深.

以2016年實測北支水深為基礎(chǔ)，調(diào)淺新生沙體處水深，數(shù)值試驗和計算給出斷面水通量和水源地取水口的鹽度變化過程.表4為新生沙體不同淤淺下大潮、小潮和全潮期間通過斷面sec2凈水通量.由表4可見，新生沙體再淤淺0.6m，大潮期間北支倒灌凈水通量為419.26m3/s，隨著繼續(xù)淤淺到0.7m、0.8m、0.9m和1.0m時，倒灌凈水通量繼續(xù)增加，淤淺到1.0m時為423.05m3/s，達到最大值.若繼續(xù)淤淺到1.1m，倒灌水通量將下降.小潮期間，隨著淤淺繼續(xù)，北支倒灌凈水通量幾乎不變，量值在227.2m3/s上下發(fā)生微小變化.從全潮凈水通量來看，均呈現(xiàn)北支倒灌的現(xiàn)象，新生沙體淤積至0.8m后北支倒灌水通量不再增加.取不同淤淺數(shù)值試驗東風西沙水庫、陳行水庫和青草沙水庫取水口表層鹽度變化，分辨相對比較明顯的時段（圖8），可見在新生沙體淤積0.9m左右時東風西沙、陳行等水庫取水口鹽度不再增加.取水口鹽度變化代表定點的鹽度變化，斷面水通量是跨河道橫斷面的潮周期平均的量值.綜合考慮，得出–0.85m為新生沙體繼續(xù)淤積導致鹽水倒灌量不再增加的臨界值.

3.3 北支下段淤積對漲落潮量、沿程潮差變化的影響

2007—2016年北支下段淤積嚴重，經(jīng)計算，下段河道0m等深線以下容積減少了20.5%，通過布設(shè)sec3（三和港）、sec4（啟東港）、sec5（連興港）3條斷面分析淤積前后北支進潮量變化情況.長江口潮汐為非正規(guī)半日潮，日不等現(xiàn)象較為明顯，選取兩個潮周期取平均值，統(tǒng)計大小潮漲落潮量，漲落潮量見表5和表6.北支下段淤積導致連興港斷面大潮漲潮量減少15.2%，落潮量減少16.4%;小潮漲潮量減少21.2%，落潮量減少19.0%.隨著潮流上溯，整個淤積河段漲落潮量減少量都有不同程度的下降.三和港大潮漲落潮量分別減少了7.3%、9.7%，啟東港分別減少了9.9%、11.2%;三和港小潮漲落潮量分別減少了7.1%、6.2%，啟東港分別減少了10.2%、8.2%.越靠上游漲落潮量的變化量越小.

淤積前后大小潮期間北支沿程高潮位、低潮位、潮差及其變化見表7、表8.總體來說，淤積后大潮期間高潮位均有所下降，低潮位有所抬升.其中河段淤積最嚴重的啟東港、三條港潮位變化最顯著，高潮位分別下降了0.16m、0.17m，低潮位均抬升了0.21m，潮差分別減少0.37m、0.38m.最下游的連興港由于靠近北支口，高低潮位變化較小;其他站點越往上游潮差變化越小，青龍港高潮位幾乎無變化，潮差減少0.07m.小潮期間淤積前后沿程潮位變化均不大.北支下段淤積主要造成大小潮期間進潮量減少、大潮潮差減小、潮動力減弱，導致北支鹽水入侵減弱.

3.4 北支河勢變化對南支水源地取水口鹽度的影響

本章節(jié)給出北支不同河勢特征下南支水源地取水口鹽度隨時間的變化情況，以及不同潮型期間平均鹽度分布和變化情況，分析2007—2016年北支河勢變化下北支鹽水倒灌對水源地的影響.

2007—2016年在北支下段普遍淤積，中段新村沙圍墾縮窄過水斷面以及南北支分汊口深泓線改道至崇頭一側(cè)等河勢變化的影響下，3個水庫取水口鹽度普遍降低（圖9）.在大潮、大潮后中潮期間，東風西沙水庫取水口平均鹽度分別降低了0.41、0.21，陳行水庫取水口分別降低了0.34、0.18，青草沙水庫取水口分別降低了0.28、0.17（表9）.3個取水口鹽度普遍降低表明這10年間河勢變化導致鹽水倒灌明顯減弱，這與喬紅杰等[7]根據(jù)近些年北支水文觀測數(shù)據(jù)得出的分析結(jié)果相一致.

南北支分汊口形成的新生沙體使得3個水庫取水口鹽度增加.與無新生沙體時相比，在鹽水倒灌嚴重的大潮、大潮后中潮期間東風西沙水庫取水口平均鹽度分別增加了0.14、0.15，陳行水庫取水口分別增加了0.12、0.11，青草沙水庫取水口分別增加了0.11、0.09.這表明，2016年形成的新生沙體對北支鹽水倒灌有著明顯的增強作用，與前面得出的新生沙體增加了北支水體倒灌的結(jié)論是一致的.

北支下段淤積導致北支中下段納潮量明顯減少，南支3個水庫取水口鹽度普遍降低.與淤積前相比，在大潮、大潮后中潮期間東風西沙水庫取水口平均鹽度分別降低了0.11、0.02，陳行水庫取水口分別降低了0.13、0.06，青草沙水庫取水口分別降低了0.09、0.05.這表明，2007年以來下段淤積減弱了北支鹽水倒灌.

3.5 鹽度場分布及其變化

選取大小潮期間的3個完整潮周期，計算潮周期平均表底層鹽度平面場和河勢變化導致的鹽度差值分布（圖10、圖11）.在1月、2月多年平均徑流情況下，整個北支被高鹽水占據(jù)，南支大部分區(qū)域出現(xiàn)鹽度小于0.45的淡水區(qū)域.大潮期間南北支分汊口鹽度變化劇烈，鹽水倒灌底層比表層強.2016年河勢下南支各水源地取水口鹽度均較低，只有東風西沙水庫取水口鹽度超過了0.45，北支鹽水倒灌大幅減弱.

從2007—2016年河勢變化導致的鹽度差值變化來看，整個北支鹽度差值較大，北支上段鹽度下降達2～3，下段鹽度下降達1～2.南支鹽度差值變化整體較小，大小潮有明顯差異.大潮期間，東風西沙水庫口附近鹽度差值達0.3，陳行水庫附近達0.2;小潮期間，東風西沙水庫附近達0.1，陳行水庫、青草沙水庫附近均小于0.1.

南北支分汊口新生沙體形成前后大小潮期間平均鹽度變化如圖12.沙體形成后整個南北支鹽度均有不同程度的增加.北支啟東港至上段口門處鹽度增加最多，最大增幅達到3.0，啟東港以下增幅逐漸降低，到連興港處鹽度差值幾乎為0.南支從分汊口處鹽度增加0.4，往下增幅逐漸下降.大潮期間0.1差值等值線位于陳行水庫附近，陳行水庫以下鹽度差值變化均小于0.1.小潮期間0.1差值等值線位于東風西沙水庫附近，東風西沙水庫以下增加幅度逐漸增大，青草沙水庫附近增幅達0.3.

北支中下段淤積前后大小潮期間平均鹽度變化如圖13.淤積后整個南北支鹽度均有不同程度的下降.其中北支鹽度下降最多，連興港至南北支分汊口鹽度下降幅度達1～3，北支上段鹽度下降最大.南支在分汊口處鹽度下降幅度較大，約0.2，往下鹽度差值均小于0.1.

4結(jié)論

本文基于長江河口北支2007年和2016年實測水深資料，分析這10年間北支河勢變化，并數(shù)值模擬和分析北支河勢變化對水動力和鹽水入侵的影響.

總體上2007—2016年北支河勢演變以淤積為主，局部表現(xiàn)為沖刷.在南北支分汊口出現(xiàn)新生沙體，淤積厚度達4～6m.南北支分汊口內(nèi)側(cè)至三和港河段主槽沖刷，中下段三和港至連興港河段以淤積為主，下段南側(cè)淤積嚴重，局部淤積幅度達4～6m.河槽容積北支上段增加4.4%，中段減少8.8%，下段減少20.5%.2007—2016年深泓線平均水深北支上段增加1.80m，中段增加2.87m，下段減少0.77m.

數(shù)值模擬結(jié)果表明，新生沙體導致大潮期間北支倒灌量增加15.0%，分流比由–2.8%變化至–3.2%;新生沙體也導致大小潮周期內(nèi)鹽水倒灌量增加24.9%，分流比由–1.0%變化至–1.2%;新生沙體明顯增強了北支鹽水倒灌.數(shù)值試驗結(jié)果得出新生沙體若繼續(xù)淤淺至0.85m，北支鹽水倒灌量將不再增加.新生沙體導致整個南北支鹽度均有不同程度的增加，在北支啟東港至上段鹽度增加最為明顯，最大值達到3.0.南支3個水庫取水口鹽度增加，在大潮、大潮后中潮期間，東風西沙水庫取水口平均鹽度分別增加了0.14、0.15，陳行水庫取水口分別增加了0.12、0.11，青草沙水庫取水口分別增加了0.11、0.09.

2007—2016年北支下段淤積導致了：連興港斷面大潮漲落潮量分別減少15.2%和16.4%，小潮漲落潮量分別減少21.2%和19.0%;三和港斷面大潮漲落潮量分別減少7.3%和9.7%，小潮漲落潮量分別減少7.1%和6.2%;啟東港大潮漲落潮量分別減少9.9%和11.2%，小潮漲落潮量分別減少10.2%和8.2%.越靠上游，漲落潮量減少呈下降趨勢.北支下段淤積后，北支大潮期間高潮位均有所下降，低潮位有所抬升.其中，河段淤積最嚴重的啟東港、三條港潮位變化最為顯著，高潮位分別下降0.16、0.17m，低潮位均抬升0.21m，潮差分別減少0.37m、0.38m.小潮期間沿程潮差變化不大.北支下段淤積導致北支中下段納潮量明顯減少，北支鹽水倒灌減弱.連興港至南北支分汊口鹽度下降幅度達1～3.南支3個水庫取水口鹽度普遍降低，在大潮、大潮后中潮期間，東風西沙水庫取水口平均鹽度分別降低了0.11、0.02，陳行水庫取水口分別降低了0.13、0.06，青草沙水庫取水口分別降低了0.09、0.05.

2007—2016年北支河勢變化總體上導致北支鹽水倒灌明顯減弱.整個北支鹽度下降較大，在北支上段達到了2～3，在下段達到了1～2.南支3個水庫取水口鹽度普遍降低，在大潮、大潮后中潮期間，東風西沙水庫取水口平均鹽度分別降低了0.41、0.21，陳行水庫取水口分別降低了0.34、0.18，青草沙水庫取水口分別降低了0.28、0.17.