长江河口盐度监测布局研究

裘 诚， 顾圣华， 李 琪

(上海市水文总站，上海 200232)

长江河口盐度监测布局研究

裘 诚， 顾圣华， 李 琪

(上海市水文总站，上海 200232)

长江河口盐度监测是管理河口淡水资源与保障城市用水安全的重要基础工作之一，观测资料为水库取水调度、沿岸涉水工程的规划等提供依据.架设于河口区域的水文监测站及浮标是长江河口长时间序列盐度资料的主要来源，对研究长江河口整体上的盐度分布和输运过程、指导水库安全调度等具有重要的科学意义和应用价值.通过数值模拟结果和观测资料，分析了长江河口盐度分布的时空变化规律，并结合长江口盐度站网功能需求分析与监测要素，提出长江河口盐度监测站点布局的思路，对河口盐度监测的整体性、空间均衡性和对重点研究区域的站点架设进行科学合理的规划.

长江河口； 盐度； 监测系统； 站位布局； 数值模拟

0 引 言

长江为我国第一大河，河口呈三级分汊、四口入海的格局(见图1).上游河流淡水与外海盐水于河口交汇，使得长江河口盐度呈现出显著的时空变化[1,2].长江河口丰富的淡水资源是上海市乃至长江三角洲地区社会经济平稳持续发展的重要支撑，但在开发利用中面临的盐水入侵等问题，需要对长江河口水文、盐度进行持续深入地研究，这些研究都需要盐度观测资料作为支撑.因此，建立健全长江河口盐度监测站点是河口地区事业发展和经济建设的基础性工作，对深入研究河口盐度变化规律、合理管理及保障河口淡水资源以及推进长江口经济发展等具有重要意义.

图1 长江口地形图以及三大水库取水口位置Fig.1 Topography of the Changjiang estuary and locations of three reservoirs

目前长江河口盐度监测一般分为两种：一是针对研究项目的短期观测，一般采用船只定点连续观测数个潮周期，或采用多船同步走航观测；二是建立长期连续观测站.其中，长期连续观测站可获得长序列的观测资料，对河口海岸的研究和应用远比短期观测资料重要得多.长江河口丰沛的淡水资源是上海保障饮用水安全和保护水生态环境平衡的重要支撑，社会经济的高速发展、河口水资源体系的管理和保护以及长江口综合整治开发等都对河口盐度监测体系提出了更多的需求.尤其是随着长江流域拦、蓄、调、引水力度的加大，以及全球气候变化、海平面上升等因素对长江河口盐水入侵的影响，河口地区长期稳定的盐度监测显得尤为重要[3].

多年来，上海市水务局、长江委水文局、上海海事局、长江口航道管理局等均在长江河口布设了大量水文监测站点，在各领域经济社会建设中发挥了积极作用.但由于受行业分工等方面的局限，各站点在整体上存在布局不够完善、监测要素不够齐全等问题[3].因此，为了满足长江口淡水资源及社会发展等对盐度监测站点功能的需求，需要提出布设盐度监测站点的科学依据，设计完善长江河口盐度监测站网布局.

1 长江河口盐度监测站网功能需求分析

1.1 淡水资源及饮用水安全的需求

长江河口具有丰富的淡水资源，在世界大河中居第五位，但年际变化大，枯季11月至4月期间，流量仅占全年的28.3%.长江三角洲地区经济发达，上海市人口密度高，对淡水资源的需求量较大，在2010年后由黄浦江转为从位于长江河口的青草沙水库供水，供水量达到全市总水量的80%以上.另外两大水库：陈行水库和东风西沙水库，也均位于长江河口(见图1).但在枯季低径流量情况下，河口三大水库均受到高盐水(氯化物高于250 mg/L，对应盐度约为0.45)影响，对上海市居民生活用水和工农业用水的安全供给带来了严重的危害.2014年2月青草沙水库遭受严重影响，高盐水持续控制北港，导致水库持续二十余天不能取淡水补充库容，对上海城市生活用水安全造成重大威胁.因此，河口水库饮用水安全的保障、淡水资源的保护及对其进行有效的开发和管理，均依赖于丰富的、长时间的盐度观测资料.

1.2 水生态环境需求

水生态环境是指环境水因子对生物的影响和生物对各种水分条件的适应.生物体需要与环境进行水分交换，其中，盐度是决定生物分布、物种的组成和数量以及生活方式的重要因素之一.外海咸潮通过渗漏补给作用，逐渐使沿岸土壤盐渍化，对农作物产量以及区域农业生产造成巨大影响[4,5].长江口鱼类分布与盐度的梯级变化一致，而盐度场变化对刀鲚、前颌间银鱼等主要经济鱼类以及安氏长臂虾、中华绒鳌蟹等主要经济虾蟹等渔业资源有所影响[5,6].对长江口区域进行长时间持续的盐度观测，有利于保护河口的水生态环境，促进河口生态的可持续发展.

1.3 研究泥沙冲淤及絮凝的需求

为保障长江口港口航道的建设和管理运行的安全，需要重点研究河口河道的演变及泥沙的冲淤变化.以往研究发现，盐淡水混合带和河口最大浑浊带以及拦门沙区域存在很好的对应关系[7].同时，盐度对河口泥沙的絮凝沉降具有重要作用，是影响海水中细颗粒泥沙絮凝沉降的重要因子之一.长江口区域范围广阔，各汊道之间的泥沙粒径、性质都存在差异，各个区域的泥沙最佳絮凝盐度及沉降条件都存在明显不同.因此，沿河道布设常态的盐度监测站点，尤其是在河口拦门沙等泥沙活动较频繁的地区架设测站，对研究长江口各区域的泥沙冲淤变化及最佳絮凝盐度具有重要的科学意义，同时也对航道的整治、维护通航能力具有一定的应用价值.

2 长江河口盐度的时空分布

长江河口空间范围较大，存在多级分汊河势，河口盐水入侵在空间上存在显著差异.同时，长江河口是一个中等强度潮汐河口，径流和潮流作用都很强，在枯季径流量较小的情况下，河口受盐水入侵影响严重，大、小潮期间在潮汐强度影响下河口盐度分布存在明显不同.

为了全面监测长江口盐度变化对河口带来的影响，需针对如水库取水口、盐度锋面等盐度观测的重点区域，以及拦门沙等与盐度密切相关的地区进行科学合理地站点布设.为此，需深入了解长江口的盐度分布情况.本文采用改进的三维数值模式ECOM-si，模拟了长江河口枯季情况下的盐度分布情况，结合现场观测，为盐度监测站点布局提供依据.以往研究中已对该模式进行了充分的验证，并很好地应用于长江河口盐水入侵研究[8-11].模式采用2012年1、2月大通水文站实测径流量为边界条件，分析枯季盐水入侵较为严重的情况下长江河口盐度分布情况.风场采用National Centers for Environmental Prediction(NCEP)提供的多年半月平均风场.外海潮位开边界考虑16个分潮(M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，U2，V2，T2，L2，2N2，J1，M1，OO1)，由各分潮调和常数合成给出.

图2为模拟的长江河口枯季大、小潮期间的盐度分布.由于进入北支的径流远小于南支，导致北支整体被高盐水控制.大潮期间，在较强的潮汐作用下，北支高盐水随涨潮流进入南支，形成盐水倒灌[9,12].倒灌盐水团随涨落潮流振荡下移，进而影响南支河道，盐度量值约为1(见图2a和图2b).因此，长江南支的盐水入侵同时受到下游外海盐水上溯和上游北支倒灌的影响.南港分流比小于北港，盐水入侵情况较为严重.南槽下段河道在低径流量条件下表现为涨潮槽，同时分流比小于北槽，使得纵向上盐度高于北槽.小潮期间，北支倒灌盐水团逐渐影响到南、北港(见图2c和图2d).北港北侧盐水上溯明显强于大潮期间，高盐水沿北港北汊河道向上游入侵.垂向潮混合减弱使得南港受盐水入侵影响加剧，底层盐水在斜压作用下沿南槽向南港上溯，导致小潮期间盐度高于大潮.

注：(a)大潮表层，(b)大潮底层，(c)小潮表层，(d)小潮底层；红线为0.45等盐度线(下同)图2 长江口枯季盐度平面分布Fig.2 Salinity distribution in dry season in the Changjiang estuary

3 盐度监测要素及站位设计

3.1 北支盐水倒灌

长江口枯季期间北支中下段被高盐水占据，而上段河道在径流和高盐水的混合作用下，盐度存在明显的盐度锋面，自南北支分汊口至青龙港段盐度变化范围在1～25之间(见图2).由于北支上段滩涂交错，落潮后滩地露出，导致进入北支的水体减少，盐水团在涨潮流作用下输移进入南支后，随落潮流向南支下游移动，与南支较低盐度的水体混合后稀释并逐渐扩散.整体上南支北岸受到盐水倒灌影响较大，南岸盐度变化较小.由于北支上段逐年淤积，北支盐水倒灌已成为长江口盐水入侵的最重要途径[13].由于诸多工业库区、港区、电厂及水库在南支上段沿岸建设，北支倒灌对该地区的工农业生产和淡水资源造成了严重威胁.为此，有必要针对北支盐水倒灌进行长期有效地盐度监测.

统筹考虑上述影响因素，得到盐度监测站位分布如图3a.其中，A1至A5站点沿北支均匀分布，用以监测北支沿程盐度变化情况.枯季期间，北支盐度锋面在A1站点附近随涨落潮流振荡，而洪季期间盐度锋面在径流作用下退至北支中段[14]，该站位布局有利于监测北支盐度锋面的移动过程.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室在2012年1月2日至13日期间对长江口盐度等水文因素进行多船同步观测，针对北支盐水入侵，在A1点附近进行了观测.小潮观测期间该点盐度均小于0.45，即为淡水控制，而大潮观测期间，在涨潮期间和落潮大部分时间里，该点盐度明显高于0.45，北支盐水倒灌显著，在涨憩时刻盐度达到峰值.同时在落潮后期该点附近存在盐度小于0.45的淡水，表明在A1点设立盐度监测站可以观测到枯季咸淡水锋面的移动过程(见图3b和图3c).A6至A13站点分别沿南支南北岸布设，且纵向上一一对应，分别用于监测北支倒灌盐水团进入南支后的混合扩散情况.其中，A6站点紧邻北支上口，该处的盐度值可以直观地反映北支盐水倒灌的强度，为下游工农业用水和城市生活用水安全起到预警和预报作用.A9和A13站点用于监测上游倒灌盐水进入南、北港的情况，同时也监测来自下游的盐水入侵.A14站点设置在徐六泾，可用于监测北支倒灌盐水团进入南支后在涨潮流作用下的对长江口上游的影响.

注：流速负值为涨潮流，正值为落潮流图3 大潮期间北支盐水倒灌示意图及盐度监测站点布设方案(a),A1点大潮期间2012年1月10日14点至11日15点流速(b)和盐度(c)随时间变化Fig.3 Framework of saltwater-spilling-over from the North Branch in spring tide and locations of salinity observational stations (a), the current velocity (b) and salinity (c) at site A1 during January 10 to 11 in 2012

3.2 口门盐度锋面

河口盐度锋面与河口环流、水质、海洋生产力及河口沉积过程息息相关[15].河口盐度锋面主要由于上游径流淡水与外海咸水交汇混合，形成表层盐度低而底层盐度高的形态，在径流惯性作用下锋面呈现弧形并向外突出(见图2).在盐度锋面附近存在明显的表底层盐度差异，并且斜压作用显著.采用Brunt-Väisälä频率N来反映口门地区垂向盐度变化及锋面位置，表达式如下：

其中,g取9.8，ρ为各层水体密度，z为水深.由图4可以发现，盐度锋面位置主要集中在北支口门、北港口门、北槽深水航道中下段以及南槽.其中，由于北港作为长江河口冲淡水主要下泄通道，大潮期间口外表底层盐度差异显著，使得盐度锋面位于北港口外.同时，北港冲淡水出口门后向北偏转，影响北支口门，从而使北支口门南侧的垂向盐度差异增大.小潮期间由于潮动力减弱，在斜压力作用下河口底层盐度增高并向上游延伸，致使盐度锋面更靠近上游.其中北港北汊和南槽上段的N2值较大潮期间明显增大，表明该处的垂向盐度梯度增加.

根据长江口门的盐度锋面位置，得到盐度监测站点B1至B22布设如图4c，分别用于监测北支口门、北港口门及口外、北槽中下段以及南槽这些存在较强盐度锋面的区域.根据盐度监测资料，用以分析垂向盐度分层强度以及盐度锋面的移动，为研究河口环流、沉积过程等提供数据支持.同时，对长江口门盐度进行长期实时观测，对监测外海盐水入侵强度、保障河口淡水资源具有重要作用.

注：红色为大潮期间，绿色为小潮期间图4 大潮(a)和小潮(b)期间长江口门潮平均垂向最大N2值平面分布，以及长江口门垂向最大N2值0.004等值线及盐度监测站点布设方案(c)Fig.4 Distribution of N2 in spring (a) and neap (b) tides in the Changjiang estuary, and the locations of salinity observational stations with the 0.004 contours (c)

3.3 水库供水安全

长江口现有三大水源地：东风西沙、陈行和青草沙水库.其中,青草沙水库与原有的黄浦江上游水源地、陈行水库联合形成以青草沙为主导的“两江并举、多源互补”的上海市供水格局，东风西沙水库则取长江水予崇明岛使用，保证上海全市范围内优质水源的供给.

长江口盐水入侵是威胁水源地供水安全的主要因素.三个水源地库区均位于南支及北港上段，枯季期间主要受到来自上游的北支倒灌盐水的影响，其中青草沙水库还会受到北港下游外海高盐水上溯的威胁.为此，需分别在各水库取水口以及上下游建立盐度监测站点，保障水库取水安全.

综合上述对长江河口枯季盐水入侵情况以及对水库供水安全需求的分析，分别在A7、A12和A9三个站点位置对各个水库取水口的盐度进行监测(见图3a).同时，A6、A11和A8站点可用于对水库取水口上游北支盐水倒灌强度进行监测，为水库取水时间提供参考依据.在北港上段布设C1站点，与A13站点一起分别对青草沙水库和陈行水库取水口下游的盐度进行监测，针对下游盐水入侵为水库取水安全起到保障作用(见图3a和图4c).此外，利用上述各站点的盐度资料，建立长江口盐度场，为长江口盐水入侵数值模式提供准确的盐度初始场，对预报水库取水口盐度、预防盐水入侵威胁水源地安全具有重要作用.

3.4 河口拦门沙地区的盐度

河口拦门沙地区通常位于河流入海的咽喉部位，是河口水沙与河床作用最剧烈的地带[16].在拦门沙地区，盐淡水交汇产生的密度坡降使底层出现滞流区，并在附近形成高含沙量区，从而加速了絮凝沉降，导致拦门沙的形成[17].因此，需在拦门沙地区建立盐度监测站点，用于研究盐度在河口泥沙冲淤过程中的对应关系与作用.

2011年12月至2012年1月期间华东师范大学河口海岸学国家重点实验室采用12船准同步走航观测，沿北港、北槽和南槽河道测量泥沙浓度纵向剖面资料，图5分别给出大、小潮期间底层泥沙浓度.由图可见，大潮期间泥沙浓度显著高于小潮，这是由于大潮期间潮动力较强，流速较大，导致底层泥沙起动悬浮能力加强.大潮期间泥沙浓度较大的区域主要分布在北港中下段、北槽鱼嘴工程至深水航道工程下段以及南槽，底层泥沙浓度均在0.8 kg/m3以上，小潮期间则主要位于北港口外、北槽上段和南槽上段，底层泥沙浓度最大约0.5 kg/m3.

结合上文已给出的盐度监测站点布局，在各汊道泥沙浓度较高的地区增设盐度监测站点，用于观测高泥沙浓度区域的盐度，为研究河口泥沙冲淤演变、保障航道通航安全服务.在北港增设D1和D2站点，结合C1、B3、B5、B6站点沿北港河道观测盐度；在南港上段增设D3站点，结合下游各站点观测盐度的梯度变化，用于分析盐度变化对泥沙浓度变化的影响；在北槽增设D4站点，用以观测北槽上段高泥沙浓度地区的盐度值，并结合B9至B12站点，监测深水航道整体的盐度变化.此外，在北支口门增设D5和D6站点，分别位于北支口门北侧汊道和北支拦门沙附近，用于研究北支口门盐度对地形演变的影响.

3.5 测站布局应用

长江口盐度监测布局需要在考虑空间分布的均匀性的基础上，充分考虑北支盐水倒灌、盐水团下泄路径、外海盐水入侵锋面移动范围、表底层垂向盐度梯度等重要盐度变化区域，以及服务于水库调水安全、预报及淡水资源维护等重要社会经济及重大工程地区.

在操作中，沿岸测站一般采用岸基站方式建设，崇明岛、长兴岛和横沙岛等岛屿沿岸采用海岛站方式建设，而九段沙、北港北沙等水域则多采用平台站方式建设，在外海等水深较深的区域则采用浮标进行建设.由于本文研究的测站布局主要应用于口内至口门地区，水深条件均不超过15 m，并且考虑为长期盐度监测提供支持，因此测站建设以固定站为主，即在靠近岸边区域采用岸基站与海岛站建设，水域采用平台站.

统筹考虑上述四个方面对盐度监测的需求，兼顾测站布局位置，最终得到长江口区盐度监测站布局设计如表1.应用过程中参考《长江口水文监测站网规划》测站布局[3]，考虑就近利用上海有关部门原已布设或规划建设的盐度监测站点，并对没有盐度监测功能的水文测站开展改造，充分利用长江口区现有的水文测站，节省投入经费，新增站点则可通过各单位协同配合，统筹落实建设，以满足长江口对盐度监测的需求.

注：泥沙浓度单位为kg·m-3图5 长江口大潮期间2011年12月27日(a)和小潮期间2012年1月3日(b)走航观测底层泥沙浓度及盐度监测站点布设方案Fig.5 Sediment concentration in the bottom layer in spring (a) and neap (b) tides with locations of salinity observational stations

4 结 论

为满足长江口地区淡水资源及饮用水安全、水生态环境环平衡、河口河势地貌演变及社会经济可持续发展等方面对盐度监测资料的需求， 本文通过分析长江河口地区枯季盐度的时空变化规律，定量分析盐度分布主要特征及影响因素，结合现场观测资料，在现有观测站网布局规划的基础上对相应的盐度要素设计了较为科学合理的盐度监测站点布局.在北支中上段及南支上段布设了14个站点，用于监测北支盐水倒灌强度及对南支的影响；在口门各汊道布设共计29个站点，分别用于观测和研究外海盐水入侵、口门盐度锋面变化及盐度对泥沙浓度的影响等.此外，盐度监测站点的设计对保障上海市三个重要水源地：东风西沙、陈行和青草沙的淡水资源以及对上海市供水安全起到重要作用.长江口盐度监测是城市可持续发展、河口综合治理与资源开发利用的迫切需求，设计的长江河口盐度监测站点将构建河口立体盐度观测网，可为常规盐度预报、预防盐水入侵、保障水库取水安全、社会经济发展、河口生态平衡、科学研究等提供长序列稳定可靠的河口盐度变化规律，也为未来盐度测站规划提供参考依据.

表1 长江口盐度测站布局设计Tab.1 Distribution of salinity observational stations in the Changjiang estuary

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(责任编辑 李万会)

Analysis of salinity observational stations distribution in the Changjiang estuary

QIU Cheng, GU Sheng-hua, LI Qi

(ShanghaiHydrologyAdministration,Shanghai200232,China)

Salinity observation is one of the major basic works for freshwater resource management and security of domestic water usage in the Changjiang estuary. The gained data can provide theory evidence for works as water intake in reservoirs and water conservancy projects. The observational stations and buoys that are set in estuarine region are the main long-time data sources of salinity in the Changjiang estuary. The long-time series measurement data has important scientific significance and application value for study on saltwater transport processes and reservoir operation. According to the comparison between numerical simulation results and observed data, the temporal and spatial variations of salinity distribution are analyzed. Meanwhile, the requirements of observation system and monitoring elements are discussed. In this paper, the designing method of salinity monitoring stations in the Changjiang River Estuary is presented, and the scheme of spatial unity and equilibrium of site locations as well as layout in the key research area are shown.

the Changjiang estuary； salinity； observation system； station location； numerical simulation

1000-5641(2015)04-0007-10

2014-11

上海市海洋局科研项目(2013-03);水利部公益性行业科研专项(201201068)

裘诚，男，工程师，研究方向为水文动力学. E-mail: dieohacker@aliyun.com.

顾圣华，男，教授级高工，研究方向为水文水资源分析评价. E-mail: gshgu@aliyun.com.

P742

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.002