長江口的鹽水入侵數值模擬

上海作為一個國際大城市，需要位于長江河口和黃浦江的兩條流域。長江口南岸的常熟、太倉和北岸的通州、海門、啟東等市,當地水資源量不足,加之本地水網污染嚴重,同樣也需從長江口引水。長江源遠流長,水量充沛,水體自凈能力強,然而由于北支鹽水倒灌及南支鹽水上溯,對上海市的城市供水及江蘇長江口沿岸地區的淡水資源開發利用帶來嚴重影響,制約著兩岸經濟的可持續發展。最近幾年,由于受長江口北支河道演變的影響,北支咸水倒灌南支嚴重,上海長江口陳行水庫在1999年2～3月,曾連續25天取不到合格的長江原水,不得不被迫取用超標的長江原水,使上海市部分地區自來水水質受到嚴重影響。南水北調東線工程的實施和三峽水庫的運行將進一步加劇鹽水入侵的影響。本文通過長江口杭州灣鹽度場數值模型,對長江口綜合整治工程對鹽水入侵的影響進行了研究,以期為方案的實施提供科學依據。1長江口鹽水入侵的特性長江口屬典型的江心沙島型潮汐河口,潮區界位于安徽省銅陵與蕪湖之間,距河口約640km。潮流界在江蘇省江陰以下,距河口約240km。長江口江面寬闊,在地球自轉柯氏力作用下,漲落潮流路分離,在漲落潮流路之間形成回流淤積心灘,再發展成為江心沙洲。長江口自崇明島形成,分為南、北兩支已有數百年的歷史。近百年來,長江口逐步形成三級分汊、四口入海的平面格局。第一級分汊為崇明島將長江口分隔成南支和北支,第二級分汊為長興島將南支分隔成南港和北港,第三級分汊為九段沙將南港分隔成南槽和北槽。根據1959年全國海洋普查資料,受徑流和大洋海流的影響,長江口外30‰的含鹽度洪季可以延伸到125°E以東,枯季在122°30′E附近,變化范圍可達300km以上。長江口外海高含氯度海水經南槽、北槽、北港和北支向上入侵,由于各汊道的河床形態和徑流潮汐特征不同,長江口的鹽水入侵形式比較復雜。長江口鹽水研究始于20世紀60年代,80年代以來有許多學者對這一問題進行了研究。韓乃斌123、陶學為等較詳細的分析了長江口鹽水入侵特性,易家豪4、韓乃斌5、匡翠萍6、袁建中、羅小峰7、肖成猷、宋志堯等先后對長江口北支鹽水入侵進行了數值模擬;沈煥庭等從20世紀70年代以來對長江口鹽水入侵規律進行了較全面系統的研究,這些都為長江口鹽水入侵的深入研究提供了基礎。從實測資料分析,長江口徑流最大變幅可達20倍,年內變幅一般為7倍左右,潮差變幅也較大。對北港、南槽和北槽而言,鹽淡水混合基本屬于緩混合型,而混合強度的大小依次為南槽、北槽和北港。但隨洪、枯季和大、小潮的變化,同一汊道在不同時期可出現不同的混合型。如南槽在枯季大潮會出現垂直均勻的強混合型現象,而在洪季小潮則會出現高度分層的弱混合型現象。含鹽度從外海向上游遞減,但洪季和枯季含鹽度上溯的距離不同。一般而言,口門內最大鹽水入侵出現在靠近落潮中潮位時刻,鹽度過程線與潮位過程線的相位差約為90°,口外鹽度最大值出現在近高潮位時刻,最小值出現在近低潮位時刻,鹽度過程線與潮位過程線的相位基本一致。北支河槽寬淺,潮波變形劇烈,枯季常為鹽水所控制,是長江口鹽水入侵最嚴重的汊道。在特定的枯水大潮組合情況下,北支向南支倒灌大量鹽水,對長江口南支和南港河段的影響比較大。北港受外海鹽水直接入侵的影響,枯季的含氯度很高,北港是除北支外鹽水入侵最嚴重的河段。南支河段有兩個鹽水入侵源,即外海鹽水經南北港直接入侵和北支倒灌。以2002年3月大、中、小潮實測情況為例,將各測點(位置見圖1)的同步實測氯度過程點繪在一起,其中測點Z1和Z2位于北支上段,Z6、Z7、Z8和Z9位于北支下口內,Z3位于白茆沙北水道上口,Z4位于陳行水庫前,Z5位于南槽。從圖2可以看到,北支含氯度均大于南支,盡管Z5在南槽,但含氯度仍小于北支,白茆沙北水道測點的氯度大于陳行水庫的氯度,說明北支鹽水倒灌進入南支。南支上游Y1、Y2、Y3和Y4、Y5、Y6的氯度均高于其下游陳行水庫前Y13、Y14的氯度,這也表明北支鹽水的倒灌作用。北港處Y7、Y8和Y9的氯度小于上游七丫口QY1、QY2和QY3的氯度,這同樣表明北支鹽水的倒灌作用。崇頭到橫沙的氯度過程,除橫沙外,崇頭的氯度最高、太倉次之且均高于長興站的氯度。從中潮期間(2002年3月4～5日)崇頭到橫沙的氯度過程(圖3)看,在有些時段氯度由高到低依次為崇頭、太倉、陳行、青草沙、南門、堡鎮、長興,而在另一些時段氯度由高到低依次為南門、青草沙、陳行、橫沙、太倉、崇頭、長興,即有時北支鹽水倒灌南支,有時鹽水由南支進入影響陳行水庫。小潮期間(2002年3月8～9日)的氯度過程(圖4),鹽水從南支進入,氯度由高到低依次為橫沙、長興、堡鎮、南門、青草沙、陳行、崇頭、太倉,此時鹽水從外海上溯到南支河段。2計算鹽模型2.1鹽水擴散系數k在正交曲線坐標系ξ-η下,潮流和鹽度二維運動基本方程可表示為如下形式:?ζ?t+1gξgη??ξ(Ηugη)+1gξgη??η(Ηvgξ)=0(1)?u?t+ugξ?u?ξ+vgη?u?η+uvgξgη?gξ?η-v2gξgη?gη?ξ+gu√u2+v2C2Η-fv+ggξ?ζ?ξ=E(1gξ?A?ξ-1gη?B?η)(2)?v?t+ugξ?v?ξ+vgη?v?η+uvgξgη?gη?ξ-u2gξgη?gη?ξ+gv√u2+v2C2Η+fu+ggξ?ζ?η=E(1gξ?B?ξ+1gη?A?η)(3)?ΗS?t+1gξgη(?gηuΗS?ξ+?gηvΗS?η)=Κs(1g2ξ?2ΗS?ξ2+1g2η?2ΗS?η2)(4)式中:A=[??ξ(ugη)+??η(vgξ)]gξgη;B=[??ξ(vgη)-??η(ugξ)]gξgη;gξ=√x2ξ+y2ξ?gη=√x2η+y2η為lami系數;u、v分別為ξ和η方向上的流速分量;ζ為水位;H為總水深;S為水體含鹽度;C為謝才系數;E為水流紊動粘滯系數;Ks為鹽水的擴散系數。對式(1)至(3)的離散方程采用ADI法求解,對式(4)的離散方程采用迎風格式求解。2.22年3月9日小潮的鹽度及連續潮型數學模型的計算范圍:西自江陰,東到123°E,南起29°27′N,北到32°15′N,包括長江口和杭州灣模型在內的水域,圖5為數學模型的計算范圍。計算網格采用能擬合河道邊界的正交曲線網格,網格數為418×328個,尺度在50～2000m之間。模型分別對2002年3月1日11∶00～3月2日14∶00(大潮),3月4日14∶00～3月5日17∶00(中潮),3月8日19∶00～3月9日23∶00(小潮)的Z1～Z9,Y1～Y9,Y13,Y14的鹽度以及連續潮型(2002年3月1～7日)進行驗證計算。模型外海開邊界的控制潮位采用東中國海大模型計算提供,上游開邊界用江陰流量過程控制。上游開邊界鹽度取0.02‰,外海邊界鹽度從南到北按30‰～35‰線性插值,北邊界鹽度由西向東按25‰～35‰線性插值,南邊界鹽度由取西向東按15‰～30‰線性插值。閉邊界鹽度的法向梯度為0。動邊界采用富裕水深法確定。糙率從外海到上游按線性插值取n=0.012+0.01/H～0.02+0.01/H,紊動粘滯系數υt為30m2/s,潮流數學模型計算時間步長為4s。計算開始按實測鹽度線性插值,模型進行200h以上計算獲得的鹽度場分布作為初始鹽度場。鹽度擴散系數在模型計算中取10m2/s。圖6和圖7分別是枯季大潮和連續潮型(含大、中、小潮)的鹽度驗證結果。北支下口的Z7、Z8、Z9測點鹽度一直較高,鹽水隨漲潮流上溯到北支上游,位于青龍港附近的Z1、Z2點鹽度大中潮持續在25‰左右,小潮期間Z1、Z2點的鹽度隨漲落潮變化,其峰值在10‰以上。枯季北支上游的鹽水形成對南支的倒灌,其中大、中潮的倒灌尤為明顯。鹽水模型反映了枯季南北支鹽度隨漲落潮的變化,鹽度過程變化的相位和幅度也與原型基本相似。圖8分別是枯季中潮落轉漲和漲轉落時刻的鹽度分布場。3方案組合及鹽度結果分析在對九個規劃方案進行潮流計算的基礎上,推薦南支整治方案是新通海沙圍墾工程、白茆小沙圍墾及頭部潛堤工程、白茆沙導堤、東風沙導堤工程、扁擔沙導堤工程、常熟邊灘圍墾工程、太倉邊灘圍墾工程、南沙頭通道按現狀地形護底、中央沙及青草沙小圍墾(出水)、扁擔沙下段潛堤工程、新瀏河沙潛堤工程(封閉)和瑞豐沙潛堤工程等。選取南支推薦方案與北支縮窄方案和北支縮窄加建閘方案組合(表1),進行鹽度數學模型計算。方案布置見圖9。運用鹽度數學模型,計算工程前后的流場和鹽度場變化,得到崇頭、浪港、瀏河口、青草沙北側、陳行水庫及中浚各站的鹽度最大值和平均值(表2),可以看出,由于白茆沙沙頭修建圍堤,減弱了北支倒灌南支的鹽水對南支南岸的影響,加之徑流的作用,北支縮窄及建閘后白茆沙南水道浪港、瀏河口及陳行水庫鹽度的最大值和平均值都比工程前減小;青草沙北側既受北港下口鹽水的影響,又受北支鹽水倒灌及工程導流的影響,工程后青草沙北側的鹽度變化較小;工程后中浚的鹽度基本不變;北支縮窄后漲潮流減弱,崇頭鹽度最大值和平均值較工程前減小,北支建閘后鹽度減小幅度更大。從鹽度隨時間變化過程(圖10)看,方案一實施后,崇頭的鹽度在大潮和中潮期間較工程前降低,由于北支下口縮窄使北支上口落潮流速減緩,崇頭附近含鹽水體不易被落潮流帶走,因此工程后崇頭附近的鹽度值在小潮時略高于工程前。方案二實施后,大潮落潮時閘門開啟,漲潮時關閉,鹽水進入北支受阻,使倒灌明顯減弱,崇頭鹽度較工程前大幅下降。青草沙北側采取推薦方案及北支小縮窄后鹽度與工程前相比變化不大