长江河口青草沙水库盐水入侵来源

陈泾，朱建荣*

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

长江河口青草沙水库盐水入侵来源

陈泾1，朱建荣1*

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

应用改进的三维数值模式ECOM-si，从模式计算的盐度和流向的变化过程、涨憩和落憩时刻盐度等值线和淡水区域的变化，分析在一般动力条件下青草沙水库取水口盐水入侵来源。计算结果表明，小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期间北支倒灌占青草沙水库取水口表层盐水入侵比例分别为69.5%、89.3%、98.5%和99.5%，占底层盐水入侵比例分别为34.9%、88.9%、98.5%和99.5%。除了小潮后中潮期间底层盐水入侵来源主要来自下游外海（占65.1%），青草沙水库取水口表层和底层盐水入侵来源主要来自北支盐水倒灌，尤其是大潮后中潮和小潮期间几乎全部来自北支盐水倒灌。

青草沙水库；盐水入侵；来源；数值计算

1 引言

长江河口地区，经济发达，人口密集，需要大量优质原水。2010年前上海的用水主要取自黄浦江，水量不足，水质较差，为典型的水质性缺水城市。长江河口水量充沛，水质优良，要从根本上解决上海的用水难题，必须从长江河口取水。为了解决用水难题，上海市在长江口建成了大型河口江心水库——青草沙水库。青草沙水库位于南北港分汊口附近、长兴岛西北侧（见图1），水域面积达到66.15 km2，于2010年建成并开始向上海供水，承担了上海市约50%的原水供应，规划供水规模为7.19×106m3／d，受益人口超过1 000万人［1］。青草沙水库的兴建，大大缓解了上海供水紧张的局面，为上海城市发展和工农业生产提供有利的保障。但从长江河口取水面临的主要问题是枯季盐水入侵，如果取水口盐度大于饮用水标准0.45（实用盐度单位，按国际惯例单位一般不标注）就不能取水。

长江河口枯季经常面临盐水入侵，最大的特点是南支除受外海盐水入侵外，还受上游北支盐水倒灌的入侵［2］。已有的大量观测和研究表明，潮汐和径流量是影响盐水入侵的主要原因，另外还受风应力［3—4］、口外陆架环流［5］和河势变化［2］等影响。以往对长江河口盐水入侵来源的研究，沈焕庭等［2］指出潮汐河口外海盐水入侵导致的盐度周日变化一般规律是盐度最高、最低值分别出现在涨憩、落憩附近，且周日变幅大。长江口南支、南北港受北支盐水倒灌后，改变了盐度周日变化规律，具体反映为盐度周日变幅小，周日的盐度峰值和谷值出现在落憩和涨憩附近。茅志昌等［6］通过分析现场观测资料，指出青草沙水源地的盐水源自外海盐水入侵和北支盐水倒灌，其中以受北支倒灌盐水团过境作用为主。顾玉亮等［7］根据观测资料分析，指出影响南支水源地的盐水来源有两个，即北支盐水倒灌和南北港外海盐水入侵。乐勤等［1］根据多年监测数据指出，影响青草沙水库水域氯化物变化的咸潮入侵源有3个，即北支咸潮倒灌、南港咸潮入侵和北港咸潮入侵，其中最主要的入侵因素是北支咸潮倒灌。以往对长江河口盐水入侵的研究，主要针对陈行水库盐水入侵来源。陈行水库于1992年建成启用，运营时间较早，对其研究较多。青草沙水库于2010年建成启用，运营时间较晚，对盐水入侵来源研究相对较少。开展青草沙水库盐水入侵来源的研究，定量给出不同潮型下北港外海盐水入侵和上游北支盐水倒灌在水库取水口盐水来源的百分比，可为水库避咸蓄淡提供科技依据。

本文应用长江河口盐水入侵三维数值模式，在模式验证的基础上，开展青草沙水库盐水入侵来源的研究。

图1 长江河口形势图和测站位置Fig.1 Map of the Changjiang Estuary and the distribution of observation stations

2 三维数值模式的设置和验证

2.1 模式设置

本文应用改进的三维数值模式ECOM-si［8—10］，该模式长期应用于长江河口地区水动力过程和盐水入侵等方面的研究，并取得诸多成果［3，11—14］。

模式采用水平曲线非正交网格，范围包括整个长江河口、杭州湾和邻近海区，上游边界设在长江枯季潮区界大通，外海开边界东边到124.5°E附近，北边到33°N附近，南边到28°N附近（见图2）。对长江河口区域，包括南北支分汊口和深水航道工程区域的网格进行局部加密，并且较好地拟合了岸线和导堤。口内网格分辨率为100～500 m不等，口外网格较疏，分辨率最大为10 km左右。垂向采用σ坐标均匀分为10层，时间步长取60 s。长江河口区域浅滩较多，模式运用干湿判别法实现潮滩移动边界的模拟，临界水深取0.2 m。模式地形采用2010年岸线及水深资料。外海开边界由潮位驱动，考虑16个分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，MU2，NU2，T2，L2，2N2，J1，M1，OO1），由各分潮调和常数合成得到。分潮调和常数由全球潮汐数值模式NAOTIDE计算的结果得到（http：//www.miz.nao.ac.jp／）。初始水位和流速取零。关于初始盐度场，从大通到徐六泾620 km的河道，均为淡水，盐度为0，从徐六泾到口门由枯季各月多次实测资料插值得到，在长江口外由《渤海黄海东海海洋图集（水文）》各月分布图数字化得到［15］，考虑海表面风应力的作用。

图2 模式计算区域和网格（a），南北支分汊口及其附近水域网格（b），口门深水航道及其邻近水域网格（c）Fig.2 Domain and mesh for numerical model（a），enlarged views of the model mesh around the bifurcation of the North Branch and the South Branch（b），and the Deep Waterway Project（c）

2.2 模式验证

改进的ECOM-si模式已在长江河口进行了大量的验证，模式计算的水位、流速、流向和盐度与实测资料吻合良好［3，10，14］。本文采用2011年12月24日至2012年1月13日长江口观测资料对模式作进一步验证，测站的分布图见图1。模式从2011年11月1日起算，径流量采用大通水文站每日的实测值，风场采用QSCAT／NCEP提供的时间分辨率为6 h、空间分辨率为0.5°×0.5°的数值产品。

图3和图4分别为船测站点B和C表底层流速、流向和盐度观测值和模拟计算值随时间变化，测点B位于南北支分汊口附近，测点C位于北港北汊口。测点B实测最大流速表层约为1.4 m／s，底层约为1 m／s，因底摩擦作用表层流速大于底层流速，模式计算流速大于实测值。落潮流历时大于涨潮流历时，流向同实测流向一致。观测表层盐度小于底层盐度，计算盐度与观测盐度较为接近。测点C模式计算流速、流向和盐度与实测值吻合良好，涨憩时刻盐度达到最大，落憩时刻盐度达到最小，表明盐水入侵源自下游外海。同样，落潮流历时大于涨潮流历时，底层盐度大于表层盐度。

图5为浮筒和水文站观测和模式计算表层盐度随时间变化。浮筒测点A位于北支口，盐度在25～30之间波动，模式计算值略高于实测值。浮筒测点D位于北港拦门沙区域，该处存在盐度锋面，盐度随时间变化大，模式计算值略大于实测值。浮筒测点青草沙水库取水口在大部分时间盐度低于饮用水标准0.45，在2012年1月6－10日出现大的波动和峰值，模式很好地模拟出了这个过程。在堡镇水文站，在2011年12月24至2012年1月4日期间，盐度在0.4上下变化，波动很小。在1月5－13日之间盐度出现大的波动和峰值，实测盐度最大值达到9.0，同样模式很好地再现了这个过程。

从上面的验证结果可以看出模式计算的流速、流向和盐度同实测资料吻合良好，可以较好地模拟长江河口水动力和盐水入侵过程。

2.3 数值试验

本文研究青草沙水库盐水入侵来源，影响水库取水口盐水入侵的因素有径流量、潮汐和风应力等。先设计一个径流量和风况为冬季1－2月一般状况的控制数值试验，模拟长江河口和水库取水口盐水入侵状况。数值模式计算时段为盐水入侵严重的1－2月，模式从1月1日开始运行，至2月底结束，输出2月的计算结果作分析和比较。径流量取大通1950年以来1月和2月平均值，分别为1.11×104m3／s和1.2 ×104m3／s。风场取NCEP多年半月平均风场，外海开边界考虑16个主要分潮。

为了解在不同动力条件下青草沙水库盐水入侵状况和来源，设计在北支上段封堵的数值试验，将没有北支盐水倒灌情况下计算结果与控制试验结果比较，定量分析青草沙水库盐水入侵来源。

图3 船只测点B处流速（a、b）、流向（c、d）和盐度（e、f）随时间变化Fig.3 Variations of current speed（a、b），direction（c、d）and salinity（e、f）from17：30 on January 11，2012 to 7：00 on January 13，2012 at the station B

图4 船只测点C处流速（a、b）、流向（c、d）和盐度（e、f）随时间变化Fig.4 Variations of current speed（a、b），direction（c、d）and salinity（e、f）from 12：30 on January 10，2012 to 7：30 on January 13，2012 at the station C

图5 浮筒和水文站测点2011年12月24日0∶00至2012年1月13日24∶00表层盐度随时间变化Fig.5 Variations of surface salinity of the observed data and model results at the buoy stations and hydrometric stations from 00∶00 on December 24，2011 to 24∶00 on January 13，2012.

3 结果与分析

3.1 控制试验

图6为青草沙水库取水口水位、流速、流向和表层、底层盐度随时间变化，潮汐为半日潮，日不等现象明显，半月大小潮变化显著。大潮最高潮位约2.1 m，最低潮位约－1.1 m（黄海85基面）。水流为往复流、表层最大流速约130 cm／s。取水口大部分时间盐度低于0.45，2月24日至3月2日盐度大于0.45，水库不宜取水。在2月4－8日小潮后中潮期间底层盐度出现大的峰值，最大值达到4.8，量值远大于表层盐度。峰值出现在涨憩时刻，表明取水口底层盐水入侵来自北港外海。除了小潮后中潮期间表底层盐度差异显著，其他时段差异微小，表明垂向混合均匀。

为清楚地表示不同潮型期间取水口盐水来源，将2月11－26日表层流向和盐度放大（见图7）。在大潮后中潮期间11－14日（结合图6中水位过程），前2天落憩时刻盐度达到峰值，涨憩时刻达到谷值，表明盐水入侵来自上游，即北支盐水倒灌。后2天盐度大于0.45，但波动很小，表明倒灌盐水团正处于取水口水域，水平混合均匀。在小潮期间15－18日，绝大部分盐度小于0.45，水库能取淡水，盐度波动小，但峰值出现在涨憩时刻，表明盐水入侵来自下游外海。但该低盐水源自北支倒灌、小潮期间移至取水口下游，故本质上还是源自上游北支倒灌。在小潮后中潮期间19－22日，盐度小于0.45，盐度峰值出现在涨憩，盐水入侵来自下游外海。在大潮期间23－26日，盐度随时间逐渐升高，盐度峰值出现在落憩时刻，盐度入侵来自上游北支倒灌。因此，大潮和大潮后中潮期，水库取水口盐水入侵来自上游北支盐水倒灌，小潮和小潮后中潮期来自下游外海盐水入侵。

图6 控制数值试验计算的青草沙水库取水口2月1日至3月2日水位、表层流速和流向、盐度随时间变化Fig.6 Temporal variation of water level，surface current speed and direction，and salinity from February 1 to March 2 at the water intake of Qingcaosha Reservoir，calculated by the control experiment

2月4－7日小潮后中潮期间涨憩时刻（t1）、落憩时刻（t2）表层和底层盐度平面图可见图8，在青草沙水库附近北港水域盐度从口外向口内递减，北港盐度锋面明显。在涨憩时刻，表层等盐度线0.45正在经过取水口，上游为盐度低于0.45的淡水，下游为盐水，底层北港北汊高盐水入侵北港十分明显，盐度显著升高，取水口下游附近出现等盐度线3，表明时刻底层盐水入侵强烈，这与图5给出的小潮后中期期间底层高盐度峰值是一致的。在落憩时刻，等盐度线0.45向下游移动，取水口附近淡水面积增大，上游倒灌的盐水距取水口尚远。故从取水口涨憩时刻盐度增大、淡水面积减少，落憩时刻盐度减小、淡水面积增加的盐度平面分布，可得出小潮后中潮期间取水口盐水入侵来自下游外海。

图7 局部时段放大的青草沙取水口表层流向和盐度随时间变化（2月11－26日）Fig.7 A zoomed view of temporal variation of surface salinity and current direction at the water intake of Qingcaosha Reservoir from February 11 to 26

图8 小潮后中潮期间涨憩时刻（t1）表层（a）、底层（b），落憩时刻（t2）表层（c）、底层（d）盐度平面分布Fig.8 Salinity distributions at surface（a）and bottom（b）layer at flood slack（t1），and at surface（c）and bottom（d）at ebb slack（t2）in moderate tide following neap tide

在大潮期间2月25日涨憩和落憩时刻（图9），北支倒灌进入南支的盐度高于1.0盐水位于南支上段北侧，盐度低于0.45的淡水位于横沙小港北侧附近水域，在涨憩和落憩时刻取水口盐度均大于0.45，不宜取水。从取水口盐度变化看，涨憩时刻下游淡水区域趋近，落憩时刻下游淡水区域远离，而上游高盐水趋近，所以大潮期间取水口盐水入侵源自上游北支倒灌。这与上面从盐度变化过线分析结果一致。

图9 大潮期间涨憩（t3）表层（a）、底层（b），落憩（t4）表层（c）、底层（d）盐度平面分布Fig.9 Salinity distributions at surface（a）and bottom（b）layer at flood slack（t3），and at surface（c）and bottom（d）at ebb slack（t4）during spring tide

3.2 北支盐水倒灌影响

在控制实验的基础上，封堵北支上段，完全消除北支倒灌的影响，模拟和对比分析青草沙水库盐水入侵。图10为封堵北支上段后青草沙水库取水口表层和底层盐度随时间变化过程，对比未封堵时情况（见图6），除了2月4－7日底层盐度仍出现峰值、量值基本一致外，其他时段盐度大幅下降。这表明取水口表层盐水入侵来自北支盐水倒灌，底层小潮后中潮来自下游外海，其他时段主要来自上游北支盐水倒灌。

为定量分析北支倒灌在青草沙水库取水口附近水域盐水入侵中的比例，我们计算了沿北港横断面不同潮型期间涨潮和落潮总的平均盐通量（为绝对值之和平均，见表1），在控制数值试验中小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期间平均盐通量分别为20.66、20.76、34.11和15.28 t／s，封堵北支上段后分别变为12.08、2.80、0.11和0.00 t／s。通过北港横断面的盐通量由来自上游北支盐水倒灌和下游外海盐水入侵共同引起，那么封堵北支上段后盐通量的减少部分可认为是由北支倒灌产生，从整个断面角度看北支倒灌占盐水入侵的百分比在小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期间分别为41.5%、86.5%、99.7%和100%，也即除了在小潮后中潮期间青草沙水库取水口盐水入侵58.5%来自下游外海，其他潮型主要来自北支盐水倒灌，尤其是大潮后中潮和小潮几乎全部来自北支盐水倒灌。

图10 封堵北支上段情况下青草沙水库取水口2月1日至3月2日表层盐度（黑线）、底层盐度（红线）随时间变化Fig.10 Variation of surface（black line）and bottom（red dashed line）salinity at the water intake of Qingcaosha Reservoir from February 1 to March 2，after the North Branch was blocked

从青草沙水库取水口表层和底层盐度变化看，小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期间北支倒灌占表层盐水入侵比例分别为69.5%、89.3%、98.5%和99.5%，占底层盐水入侵比例分别为34.9%、88.9%、98.5%和99.5%（表2），也就是说青草沙水库取水口表层盐水入侵来源主要来自北支盐水倒灌，尤其是大潮后中潮和小潮期间几乎全部来自北支盐水倒灌。底层盐水入侵来源小潮后中潮期间主要来自下游外海，占65.1%，其他潮型主要来自北支盐水倒灌，尤其是大潮后中潮和小潮期间几乎全部来自北支盐水倒灌。长江河口盐水入侵最大特点是北支盐水倒灌，严重影响南支盐水入侵和水源地。因为青草沙水库取水口距离北港口门较远，北支盐水倒灌成为了除小潮后中潮期间外盐水入侵外的主要来源。

表1 北港断面不同潮型期间平均盐通量（t／s）Tab.1 Averaged salinity fluxes in different tide patterns at the cross section of the North Channel

表2 青草沙水库取水口不同潮型期间平均盐度Tab.2 Averaged salinity in different tide patterns at the water intake of the Qingcaosha Reservoir

4 结论

应用改进的三维数值模式ECOM-si，考虑径流量、潮汐和风应力等的作用，研究青草沙水库取水口盐水入侵的来源。采用2011年12月至2012年1月长江口观测资料对模式作流速、流向和盐度的验证，模式计算结果与实测值吻合良好。

设计控制数值试验，根据盐度和流向的变化过程、涨憩和落憩时刻盐度等值线和淡水区域的变化，分析在一般动力条件下青草沙水库取水口盐水入侵来源。设计封堵北支上段数值试验，计算不同潮型下通过北港横断面的涨潮和落潮平均盐通量和取水口表层和底层平均盐度，并与控制数值试验结果比较，定量得出盐水入侵来源的百分比。

从通过北港断面盐通量计算结果看，青草沙水库取水口附近水域盐水入侵中北支倒灌所占百分比在小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期间分别为41.5%、86.5%、99.7%和100%。从青草沙水库取水口表层和底层盐度变化看，小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期间北支倒灌占表层盐水入侵比例分别为69.5%、89.3%、98.5%和99.5%，占底层盐水入侵比例分别为34.9%、88.9%、98.5%和99.5%。表层盐水入侵来源主要来自北支盐水倒灌，底层盐水入侵来源小潮后中潮期间主要来自下游外海，占65.1%。除了小潮后中潮，其他潮型表层和底层盐水入侵来源主要来自北支盐水倒灌，尤其是大潮后中潮和小潮期间几乎全部来自北支盐水倒灌。

需要指出的是本文结果是在一般动力因子情况下模式结算的结果，若冬季出现偏北大风，北港的盐水入侵会大幅加强，期间盐水入侵来源可能主要来自下游外海。

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Sources for saltwater intrusion at the water intake of Qingcaosha Reservoir in the Changjiang Estuary

Chen Jing1，Zhu Jianrong1
（1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

Based on temporal variation of the simulated salinity and current direction，change of the isohaline and freshwater zone at flood slack and ebb slack，this study used the modified numerical 3-D model ECOM-si to analyze sources of saltwater intrusion at the water intake of Qingcaosha Reservoir under normal dynamic condition.The modeled results showed that saltwater-spill-over from the North Branch into the South Branch（SSO）accounts for 69.5%，89.3%，98.5%and 99.5%of the surface saltwater intrusion at the water intake of the Qingcaosha Reservoir during moderate tide following neap tide，spring tide，moderate tide following spring tide and neap tide，respectively，and 34.9%，88.9%，98.5%，99.5%of the bottom saltwater intrusion at the water intake of the reservoir during the same four-type tides mentioned above.Except for the bottom saltwater intrusion mainly from downstream open sea（accounts for 65.1%）during moderate tide following neap tide，the source of the saltwater intrusion at surface and bottom layer at the water intake of the reservoir is mainly from the SSO，especially during moderate tide following spring and neap tide.

Qingcaosha Reservoir；saltwater intrusion；source；numerical simulation

P731.12

A

0253-4193（2014）11-0131-11

2013-08-30；

2014-06-05。

国家自然科学基金项目（41176071）；上海市科学技术委员会重大项目（12231203101）；水利部公益性项目（201201068）。

陈泾（1988－），男，福建省龙海市人，从事河口海岸动力学研究。E-mail：chenjingfjxm＠sina.com

*通信作者：朱建荣，男，教授，从事河口海洋动力学研究。E-mail：jrzhu＠sklec.ecnu.edu.cn

陈泾，朱建荣.长江河口青草沙水库盐水入侵来源［J］.海洋学报，2014，36（11）：131－141，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.015

Chen Jing，Zhu Jianrong.Sources for saltwater intrusion at the water intake of Qingcaosha Reservoir in the Changjiang Estuary［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（11）：131－141，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.11.015