長江口大支段潮周期凈鹽通量的觀測分析

長江口是一個多口流于長江口的潮汐河口。咸潮入侵的時空變化非常復雜。其中，可口可樂北方支的南部分支是長江口南部和北部港口上段（包括草地沙漠）咸潮入侵的主要來源之一（沈煥庭等，1980；韓乃斌等，1984；鄒德森等，1984；徐建義等，1994；毛志昌等，2000年和2001年）。自上世紀80年代后期至今,北支上首的水流、鹽度多船同步觀測工作尚未進行,但近幾年北支河勢演變非常劇烈,尤其是北支上首青龍港河段變化甚為顯著,目前北支的狀況與20世紀70、80年代相比已發生了很大變化,與90年代后期狀況比較也有很大差別。所以掌握北支近期倒灌南支的凈鹽通量,對于預測長江口南支及青草沙水源地的咸水入侵強度是必不可少的,也是開發利用長江口淡水資源需要解決的關鍵問題之一。1現場觀察1.1主5牛棚港—觀測斷面及測點長江口北支位于上海市崇明縣和江蘇省海門、啟東市之間。北支西起崇頭,東至連興港,長約75km,面積約80萬畝。北支上首牛棚港—青龍港斷面寬度約為2000m,是北支最為狹窄之處。在牛棚港一側有一條漲潮槽,槽寬約500m,青龍港以西一側為一條漲潮溝,約為100m寬,漲潮槽與漲潮溝之間為淺灘,寬度約1200m,灘面高程多在1.2m左右,在一個潮周期內,有3—4個小時露灘。本次觀測在該斷面布設三艘測量船,分別位于漲潮溝(1#)、漲潮槽(2#)以及淺灘(3#),見圖1。1.2潮周期測定采用SLC9-Ⅱ直讀式海流計測流速、流向,WUS930鹽度計測鹽度,回聲測深儀測水深。觀測日期自2001年4月10—13日(農歷十七至二十)共5個潮周期,逐時正點測流取水樣,憩流附近加測。當水深≥3.0m時,采用6點法,即取相對水深Z/H=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0(河床以上0.5m),當水深<3.0m時,采用3點法,即Z/H=0、0.6、1.0(H為瞬時水深)。2結果2.1潮波和漲潮時長北支口門寬約16km,上口最窄處為2km,為一喇叭狀水道,加之北支處于淤積過程,淺灘眾多。外海潮波進入北支后,受斷面束窄水深變淺的影響,潮波反射加劇,波能集中,波高加大;波峰處水深大,傳播速度比波谷處快,前坡變陡,后坡變緩,水深愈淺,潮差愈大,變形愈烈。圖2表明,青龍港漲潮歷時短,落潮歷時長,一般從低潮位上升到高潮位需2.5—3.1h,從高潮位下降到低潮位需10—9.5h。漲潮流歷時為4.2—4.8h,落潮流歷時為8.3—7.8h,且漲潮流速大于落潮流速,實測最大漲潮流速為3.1ms-1(圖3)。2.2漲潮期為55.水動力與河床地形是一對相互依存、相互影響、互為制約的矛盾統一體。青龍港河段由漲潮槽(溝)與淺灘組成,一般在漲潮前期,淺灘先漲,河槽后漲,這一現象在1#測點反映最為明顯(圖3)。青龍港西側的漲潮溝,雖然水深在增加,但測得的流向卻是落潮流向,這是淺灘上的水體以落潮流方向進入漲潮溝所致。上述現象說明在這一河段,潮流除了縱向流動外,還有橫向輸移,形成局部環流。2.3潮差、潮流、潮差對主客觀的影響觀測期間,青龍港斷面3個測點的鹽度在10—24之間,絕大多數觀測值在22—23.5之間,少數幾個低鹽度值出現在12與13日的落憩時段。3#測點漲、落憩時刻的鹽度值基本接近,為22—23.5,說明淺灘上的水體來自北支下游的漲潮流;漲潮槽(溝)漲、落潮含鹽度,4月10—11日接近,12—13日落憩時的最低鹽度值僅為漲憩時的二分之一,反映了在某一大通流量下,北支鹽度倒灌量與潮差密切相關,隨著北支潮差減小,長江徑流進入北支,氯離子濃度降低。由于北支進潮量大,水深又淺(高潮位時水深多在5.0m以下),潮汐泵的作用十分明顯。利用鹽度分層系數Ν(Ν=S底-S表ˉS?S底、S表、ˉS分別為測點的底層、表層和垂線的平均鹽度),統計了4月10—13日共76個小時的實測值,結果列于表1。強混合類占87%,緩混合型占13%,后者均發生在落潮后期。2.4—鹽通量計算近幾年,由于河流對海洋環境污染所起的特殊作用,對河口物質入海通量的研究,受到人們的普遍重視(Unclesetal,1985;沈志良,1997;Simpsonetal,1997、2001;Laneetal,1997;沈煥庭等2000、2001;許炯心,2002)。長江口北支由于其特殊的地形和水文條件,枯水期大量鹽水倒灌南支。根據北支牛棚港—青龍港斷面的地形和強混合特點,采用如下公式計算鹽通量:Fs=1000∫t2t1(B?Η?ˉU?ˉS)dt(1)式中Fs為鹽通量(g),B為河寬或分斷面寬度(m),H為水深(m)?ˉU為垂線平均流速(m/s)?ˉS為垂線平均鹽度,t1為漲(落)潮流起始時刻,t2為漲(落)潮流終止時刻,1000為水體體積與重量的換算系數。其中:ˉU=110∫10udz=110(u0+0.8∑i=0.22ui+u1.0)Η＞3.0m(2)ˉU=14∫10udz=14(u0+2u0.6+u1.0)Η≤3.0m(3)ˉS=16∫10sdz=161.0∑i=0Si=16(S0+S0.2+S0.4+S0.6+S0.8+S1.0)Η＞3.0m(4)ˉS=13∫10sdz=13(S0+S0.6+S1.0)Η≤3.0m(5)式中i為垂向相對水層,即i=z/H=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。凈鹽通量:ΔFs=Fsf-Fse(6)式中Fsf、Fse分別為漲潮、落潮鹽通量。將觀測斷面劃分為三個分斷面,整個斷面的凈鹽通量為:Fs=3∑j=1ΔFsj(7)計算結果表明,牛棚港—青龍港斷面在4月11—13日5個潮周期內的凈鹽通量為5.45×106t。3討論3.1馬龍港潮差增北支高鹽水倒灌南支通常發生在枯水期的大潮。根據以往研究成果(韓乃斌等,1984;茅志昌等,2001),當大通流量在25000m3/s以下時,青龍港潮差在2.5m以上,北支鹽水倒灌南支;當大通流量連續小于11000m3/s時,大潮期北支鹽水大量倒灌南支,引起南支和南北港氯離子濃度持續上升。自1998年長江發生大洪水后,北支上段淤積速率加快,河床抬升,潮波反射加劇,青龍港潮差增大。表2為觀測期間的青龍港站潮差,其最大值出現在農歷十七,為4.39m。3.2枯水期次及水位動態變化北支自20世紀50年代開始出現鹽水倒灌南支的現象,70年代北支鹽水倒灌較為嚴重,到了80年代,由于徐六涇上游通洲沙東水道流路的變化,有利于北支分流量的增加,造成北支上段沖、下段淤的格局,減弱了北支鹽水倒灌的強度。進入90年代,特別是1991年受長江洪水的影響,造成北支上段淤,下段局部沖的形勢。自50年代以來,北支分泄長江徑流甚少,僅占總徑流量的4%—6%。近幾年枯水期,北支所占南、北支徑流分流比進一步減少,潮差加大,倒灌強度增加。1998年12月大潮期,青龍港鹽度為21—22(約合氯度11623—12177mg/L),1999年3月大潮,青龍港鹽度達24—26,接近于長江口口門附近的鹽度;1998—1999年的枯季,寶鋼水庫取水口水域氯度大于250mg/L(我國飲用水氯度標準值,含鹽度約為0.45)的最長連續天數為25天;2001年1—4月,寶鋼河段共出現7次咸潮入侵過程,最高鹽度達1.9。由此可見,北支鹽水倒灌南支的強度隨長江下泄流量和北支河勢的演變而有所增減。根據北支河床演變趨勢分析,北支衰亡的過程不可逆轉,如不采取工程措施,這個過程還會經歷一個較長的時期。3.3明東南角—倒灌途徑枯水季節大潮期,北支高鹽水躍過崇頭斷面,以楔狀的形式進入白茆沙北水道,隨落潮流下泄,至新建水閘附近分成三路:一路沿崇明南岸進入新橋水道,其影響可達廟港、南門、直至北港。另一路漫過白茆沙,進入南水道,對白茆、錢涇、浪港等水域有一定影響。第三路是倒灌咸水團的主體進入七丫口窄河段,隨落潮流向下游凈位移,影響楊林、寶鋼河段,在新橋通道口分為二部分;一部分經新橋通道到達北港,對青草沙北側水域影響極為明顯;另一部分咸水團過吳淞口進入南港,對高橋、瑞豐沙嘴水域影響也甚為顯著。3.4高橋蝦期鹽水成因根據多次現場觀測資料分析,長江口南支及南、北港上段主要有兩類咸水入侵源:北支倒灌和南北槽、北港鹽水直接入侵。兩者具有明顯的特征:在一個潮周期內,若鹽度峰、谷值分別出現在落憩、漲憩附近,且鹽度值垂向分層不明顯,則咸水來自北支;如鹽度峰、谷值分別出現在漲憩、落憩附近,且鹽度值垂向分層較為明顯,則表明咸水來自北港和南、北槽的漲潮流;在半個月內,若鹽度高值區出現在小潮期或小潮后的尋常潮,低值區出現在大潮期,則表明咸水來自北支倒灌,如咸水來自南、北港的漲潮流,則低鹽度區與高鹽度區分別出現在小潮期和大潮期或稍后1—2天內。圖4根據崇頭和高橋觀測站的氯度值繪制。當崇頭出現高鹽水后2—3天,咸水團可到達寶鋼(陳行)水庫前沿,在此之前,高橋水域氯度無明顯變化,在崇頭出現高鹽水后4—5天,上游過境咸水團到達高橋河段。如果高橋水域氯度值主要來自北支的倒灌咸水團,則高橋站的氯度與崇頭的氯度具有較好的相關關系,其統計方程為:Cl-高=0.001(Cl-崇)1.77(8)如點子偏離直線距離較遠(如圖中的A),則表明咸水