2003年2月7月長江口污染物時空分布特征

1鹽水入侵期20世紀80年代中期河口是與海洋相互作用最典型的區域。這種相互作用的模型不僅反映在動態環境和地形的開發上，而且也反映在河口鹽層的時空變化上。在長江河口的動態環境中，土地面積大，年平均流量為28200公頃（1923-2000年），年平均流量變化趨勢。汛期（5月至10月）和旱季（11月至4月）的流量比約為2.45，7月的流量占年平均水平的22.7%，1月的流量最小，僅占年平均水平的3.1%。在海域，長江河口處于平均潮汐環境，門前的平均潮汐為2.67m。由于位移，距離長江口約200公里的江陰被廣泛破壞。在旱季，不同程度的鹽被水土流失，這已成為上海和長江三角洲社會經濟發展的限制因素。因此，長江口鹽源變化一直是該流域大規模節水工程和港口修復工程對河口生態環境影響的評價的重點。自20世紀80年代以來圍繞鹽水入侵開展了一系列觀測研究.由于北支分流比很小,鹽度明顯偏高,逢特枯季節更甚.1999年3月大潮期北支青龍港實測鹽度達24~26;2002年3月上旬,大、中潮期青龍港的鹽度始終維持在21.67以上,3月2日青龍港、三和港鹽度曾分別高達23.56,25.81.又因北支為漲潮槽,持續枯水情況下,鹽水通過北支上溯倒灌南支,導致南支及南、北港的部分區段鹽度異常.特枯的1978~1979年冬春之交,崇明島被鹽水包圍數月;1999年2~3月,南、北港分汊口附近的寶鋼站受北支倒灌水影響,連續25d含氯度超過250mg/dm3,對工農業生產和長江口水源地造成嚴重威脅.這類觀測研究主要著眼于枯季,觀測范圍集中于南、北支分汊口至口門.鹽度時空變化和鹽淡水混合狀態也反映河、海動力平衡關系,影響泥沙運動和沉積作用.河口動力平衡帶、最大渾濁帶、攔門沙灘頂的位置與鹽淡水主混合帶有很好的對應關系.因此,長江口鹽度的時空變化也蘊含著河口動力環境某些變化的信息.有關研究指出,長江口鹽淡水混合以部分混合為主,混合狀態隨徑流大小、潮汐強弱和水深而異.這方面觀測研究多集中在長江口門攔門沙區域.徑流量是鹽度洪枯變化的主導因子,而各汊道分流比則是鹽度空間差異的控制因素.在長江三峽工程2003年6月正式蓄水、南水北調工程動工的背景下,流域徑流量及其季節分配勢必會發生變化,長江口的灘槽自然演變以及已經實施或正在籌劃的長江口開發治理工程也會改變邊界條件,從而改變分流比,影響鹽度的分布和鹽淡水混合狀態.由于水環境具有傳遞轉移的特點,流域側來水條件的改變會自上而下逐漸波及河口,一個汊道的變化會牽動鄰汊的響應.因此,適當拓展時空尺度,在河口的主要區間(河口段及口外海濱的近口門區域)內,進行空間上上下游貫連、左右汊呼應,時間上涵蓋洪枯季和大小潮乃至不同水文年的綜合觀測和比較研究,有利于總體把握鹽度場的時空變化格局,深化認識河口陸海相互作用的特點,指導長江口的水資源開發保護和河口治理.為此,2003年2月和7月在長江口開展了西自江陰附近(經度120°21.48′E)東至口外海濱-20m(經度122°40′E)、觀測站點布及長江口4條汊道、與水流和泥沙觀測配套的大規模綜合水文觀測.本文就鹽度的時空變化及其對動力環境的指示意義作系統分析.2洪、枯季主要港口河流設施布局枯、洪季現場水文觀測分別于2003年2月和7月的中、下旬進行,鹽度觀測結合水流觀測同步進行.2月長江大通站的月平均流量為16700m3/s,與同期多年平均流量相比偏高43%,但比同年1月、3月的月均流量都小;7月長江大通站的月平均流量為56600m3/s,與同期多年平均流量相比偏高11%.因此,以流域水情而言,觀測月的水情屬中等偏豐,但徑流的洪枯變化仍很明顯,鹽度的響應具有代表性.洪、枯季都進行先大潮后小潮定點26h連續觀測.2月測次布設15個水上站點和3個岸邊站點(崇頭、高橋、蘆潮港),7月測次站點范圍適當東擴,布置20個水上站點,其中有3個站點(0319,0320,0321)只進行了小潮觀測,1個站點(0314)只進行了大潮觀測,另在岸邊布設5個站點(青龍港、三和港、圓陀角、高橋、蘆潮港),站點布置見圖1.站點布局以縱向為主,以掌握河流與海洋動力相互作用的沿程變化;橫向上站點布及南、北支,南、北港,南、北槽,供各汊道對應站點的橫向比較,了解各汊道河海相互作用的差異.由于站點多,實施大潮或小潮觀測時水上站點分兩組錯時進行同步觀測,兩組起測時間相差32h.所有岸站在觀測期間連續10晝夜于正點時刻采集表層水樣.水上站點鹽度觀測逐時于正點時刻采用六點法分層采集水樣,然后在實驗室使用SYC1-2鹽度計測定鹽度.此外,還選擇若干典型站點同時使用YSI儀(或CTD儀、ENDECO儀、OBS儀)進行實時鹽度垂線分布觀測或定深(水面下2m)連續自記觀測.各時刻的垂線平均鹽度根據六點法鹽度觀測值加權計算,某一站點的潮平均鹽度為觀測時段內一漲一落過程逐時垂線平均鹽度的平均值.3枯季港以上河段、三和港以上河段、三和港以上河段、南支、港下河段、北支口門門圓不同區域、黨的鹽度特征表1洪、枯季觀測表明,徐六涇節點以上的江陰—南通河段完全為淡水所控制,即使在枯季,其鹽度值也均在0.20以下.而在徐六涇以下的多級分汊區段,由于各汊道分流比不同,鹽度分布出現差異,總體格局為鹽度沿程向海增加,各入海汊道中,北支最高,南槽次之,北槽再次,北港最低,口門南側的南匯嘴鹽度低于北側的啟東嘴.南支、北支的鹽度差異十分顯著,因北支的分流比只有1%~3%,其鹽度明顯高于南支.由圖2可見,2月觀測期間流域來水偏豐,南支及其南、北港上端的鹽度均低于1,而北支青龍港以下區段鹽度都在5以上.在枯季南支南港0303站(經度121°39.48′E)的一潮平均鹽度只有0.66(小潮)~0.40(大潮),而三和港附近0314站(經度121°31′E,相對0303站經度偏西約8.5′)的一潮平均鹽度達5.95~19.25.南支0310站(經度121°16.8′E)平均鹽度僅為0.17~0.37,而幾乎位于相近經度的青龍港附近之0308站(經度121°18.6′E)的一潮平均鹽度為5.40~11.25.從崇明島西首的崇頭(岸站,經度121°10.51′E)同時段表層鹽度觀測值看,有若干潮次的最高鹽度大于1,最大達1.41,還稍高于偏下游的南支0310站,表明即使2月份徑流偏豐,仍有北支微咸水倒灌南支的現象,但從枯季0310站鹽度值看,測量期間北支倒灌水對南支的影響甚微.在7月測次,時值洪汛,分入北支的徑流量相應增加,鹽度相應降低.根據北支3個岸站連續10d的表層水鹽度觀測,三和港以上河段的日平均鹽度均不超過0.3,位于北支口門圓陀角岸邊站的日平均鹽度介于4.17~13.59,比枯季三和港的鹽度低得多.從洪季0314站大潮水流觀測看,漲、落潮流歷時比為0.63,漲、落潮平均流速分別為0.96,1.53m/s,落潮流占明顯優勢,這表明,7月觀測期間北支至少一半以上區段完全為淡水所控制,洪季徑流對北支的沖淡效應很顯著,北支與南支諸汊道的鹽度差比枯季小得多,推測北支洪季的分流比有所增大.比較北港口、北槽和南槽的鹽度,以0312,0306,0304三站為例,枯季大潮這三站的一潮平均鹽度分別為5.73,12.40,18.64;洪季大潮這三站的一潮平均鹽度分別為0.86,2.20,3.13.可以看出,洪季鹽度有較大降幅,但仍是北港口鹽度最低,北槽次之,南槽鹽度相對最高,這樣的鹽度分布顯然是與這三汊分泄徑流量北港大于北槽,北槽大于南槽的格局有關.從優勢流指數PI(潮周期內單寬落潮流量與單寬漲、落潮流量總量的比值,大于0.5為落潮流占優勢,愈接近1,優勢愈顯著)看(表1),PI值的分布同樣呈現北港口大于北槽,北槽大于南槽的格局.長江口外海濱東側的鹽度為32~34.如0305,0307,0313三站,枯季大潮測次這三站的一潮平均鹽度分別為29.24,27.60,31.44,最大垂線平均鹽度分別為31.60,30.42,33.75;洪季大潮測次0305,0307站的一潮平均鹽度分別為20.23,20.92(因海況差,0313站未測),更東側的0316站潮平均鹽度為28.42,最大垂線平均鹽度為31.34.30等鹽線在北港和北支口外向西偏移.因此,北港口外的縱向鹽度變化相對更大.4鹽度分布特征長江口南支及其南、北港口門以內鹽度總體很低,潮周期變化和洪枯變化幅度很小.鹽淡水交會主要發生在口門線以外的攔門沙灘頂附近,突出表現為縱向鹽度梯度明顯高于向陸側和向海側,漲落潮過程鹽度的潮周期變化大,鹽度洪枯變化幅度也很大.主混合帶隨洪枯季交替而遷移,枯季稍偏上游側,洪季偏下游側.表2列出了南、北港口門區域各站洪、枯季垂線平均鹽度的潮平均值及其最大值、最小值.從表2可以看出,在2月測次,北港口外的0312站和北槽的0306站的鹽度潮周期變幅達15~17.所不同的是,0312站的最小垂線平均鹽度只有0.7,潮平均鹽度明顯偏低,徑流沖淡作用顯著,它與東側的0313站相距僅41km,而潮平均鹽度竟相差約25,縱向鹽度梯度很大;而北槽0306站枯季的潮平均鹽度則偏高,其與東側枯季0307站之間也有約16的縱向鹽度差.南槽0304站枯季的鹽度潮周期變幅相對小一些,但潮平均鹽度差高得多,縱向鹽度梯度較大的區段不是在0304站的東側,而是在其西側.在7月測次,因徑流增強,鹽淡水主混合帶向海外移,0312,0306和0304站的潮平均鹽度值及其最大值、最小值相差無幾,潮平均鹽度比枯季低得多,鹽度潮周期變幅大大減小,相反,0307,0305站洪季的鹽度潮周期變幅遠大于0306,0304站.由圖2可見,攔門沙灘頂附近的站點,鹽度的潮周期變幅枯季大于洪季,而口外站點的潮周期變幅則是洪季大于枯季.鹽度洪枯變幅也以攔門沙灘頂附近的0312,0306和0304站為大,尤以0304站為甚,變幅達16~17(見圖3).值得注意的是,南槽不僅洪季的縱向等鹽線密集帶外移至0304站以東,而且0304站的優勢流狀態也發生逆轉,該站枯季優勢流指數PI僅有0.43~0.50,漲潮流占優勢,而洪季PI值增至0.59~0.69,增幅比北槽大得多(見表1).這表明洪季南、北槽分汊口的分流比有較大的變化,淡水徑流分入南槽的比例有明顯的增加,這與北槽航道工程加大了北槽的河床阻力有關,洪汛條件下航道工程上游側的南、北槽分汊段會出現水面壅高,在北槽行洪能力不能適應的情況下,水體循南槽外泄.在實施北槽深水航道二、三期工程時應充分考慮這個因素.北支的縱向鹽度梯度較大,枯季大梯度段在三和港以上,洪季移至三和港以下,這也反映在鹽度的潮周期變幅上.2月測次,三和港附近的0314站垂線平均鹽度的潮周期變幅為9.61(大潮)~17.18(小潮),青龍港附近的0308站垂線平均鹽度的潮周期變幅為8.29~14.10,與南槽0304站相近.7月測次,兩站全潮的垂線平均鹽度均小于1,位于北支口門的圓陀角岸站(121°53.03′E)同時段的潮周期表層平均鹽度為13.58~5.30,瞬時鹽度最大19.25,最小4.22(表3).在1982年曾觀測到,三和港垂線日平均鹽度小于0.5時,三條港(121°42.5′E)為7.17,吳滄港(121°46.5′E)為17.04,連興港為18.36,三條港—吳滄港段縱向鹽度梯度很大.前已述及,青龍港在特枯季節鹽度高達23以上,這表明北支鹽度的沿程分布對徑流量的洪枯變化的響應相當靈敏,受影響的區段跨度很大,枯季時三和港以上區段的鹽度潮周期變幅較大,而洪季時鹽度潮周期變幅較大的區段外移到三條港至吳滄港(甚至至口門).由于北支有確定的岸邊界,且河槽容積小,洪季徑流增量產生的降鹽沖淡效果比其他汊道顯著.5洪、枯季的鹽淡水界面特征長江口的鹽淡水混合在各汊道之間同樣存在明顯的差異.北支屬強混合(或垂直均勻混合)類型,表、底層鹽度差很小.而在其他3個汊道的口門區域,鹽淡水混合則以中等強度混合(或稱部分混合)類型為主,其特點是鹽度垂線分布上存在上下層鹽度差,下層鹽度大,上層鹽度小,大潮時混合程度強一些,小潮時混合程度弱一些.在適宜的水情和潮情下,攔門沙灘頂附近的某些站點(主要在北港口)會出現垂向鹽度梯度很大的界面.洪汛時界面現象比枯水期稍明顯一些.相對南、北槽而言,北港口的鹽淡水混合程度相對弱一些,界面發育較典型.圖4、圖5描繪了0312站枯、洪季小潮的鹽度垂線分布及其潮周期變化過程.自落轉漲后1~1.5h[以F+(1~1.5)](h)表示)開始,下層鹽度逐漸加大,并向中層擴展;F+(3~4)(h),下層鹽度就達15~20,而上層基本上為鹽度小于1的淡水,在相對水深0.6H上下部位存在垂向鹽度梯度較大的界面,這樣的界面可持續維持到漲轉落后3h[以E+3(h)表示]左右.洪、枯季的差異主要在于界面的深度位置,洪季的界面低一些,在0.6H~0.8H附近;枯季的界面高一些,在0.4H~0.6H.由此可見,該站位海水楔入能力很強,淡水徑流的外泄能力同樣很強.值得注意的是,該站位洪、枯季的鹽淡水交會形態并沒有明顯的差異,這表明洪季分入北港的徑流量盡管會有增加,但未必與大通站徑流增量同比增加,亦即洪季北港的分流比小于枯季的分流比.在大潮相對水深情況下,表、底層最大鹽度差一般在10左右,界面不太清晰.南槽0304站鹽度垂線分布及其潮周期變化過程呈現另一種狀態.首先,表、底層鹽度差小得多,雖然枯季表、底層鹽度差也偶可超過10,但是表層水鹽度大多在10以上;洪季0.4H層以上水的鹽度為0.5左右,可是0.4H層以下只有2~3左右的鹽度差,底層水鹽度不超過4(見圖6,7),在一個站點的垂線分布上不能展現鹽、淡水的直接交匯.第二,由于上下層鹽度差較小,也就難成典型的界面.相反,南槽口外的0305站(距0304站約50km)洪季倒是出現表、底層鹽度差較大且有界面的現象,該站洪季小潮漲憩前后表、底層鹽度差可達20以上,并在0.2H~0.4H部位出現垂向鹽度急變的界面層(見圖8).這種界面現象與0312站不同之處在于它是河口中鹽混合水與外海鹽水之間的交匯,不是淡水與鹽水的直接交匯.北槽的鹽淡水混合狀態與南槽類似,只不過總體上北槽鹽度較南槽低一些,洪季0307站(距0306站約37km)也如同0305站有很大的表、底層鹽度差,并在0.6H附近出現界面.與上述0312站相比,南、北槽的鹽度和鹽淡水交匯區的洪枯變化更顯著,這也從另一側面印證洪季南港分流比大于枯季的推測.6季淡水對河口攔門開發區鹽淡水的影響(1)徑流大小、汊道分流比、潮汐強弱和地形條件是控制鹽度時空變化的主要要素.由于長江口各汊道自身地形條件不同和分流比的差異,鹽度的空間分布呈現北支水道鹽度遠高于南支及其南、北港水道,口門區域鹽度北港口小于北槽,北槽小于南槽的格局.徑流的洪枯變化對北支水道以及南、北港口門區域的鹽度影響十分明顯.(2)在2003年流域來水偏豐的水情下,南、北港口門之內基本上全為淡水所控,但是北支枯季仍有咸水倒灌南支的跡象.考慮到偏枯季節青龍港鹽度逾20,北支鹽水倒灌南支,嚴重威脅南支水源地及沿江工農業生產,而洪季淡水可控制北支一半以上區段,為寶貴的水資源,因此,在北支下段擇址筑閘輔以科學運營,既可御咸潮倒灌