长江口南汇边滩围垦工程对流场和盐水入侵的影响

李林江, 朱建荣

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

长江口南汇边滩围垦工程对流场和盐水入侵的影响

李林江, 朱建荣

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

考虑枯季一般状况的径流量和风况，数值计算和动力分析南汇边滩围垦工程对长江河口流场和盐水入侵的影响.南汇边滩围垦工程实施后，南槽喇叭口形状减小，改变了涨潮流和纳潮量.研究表明，围垦工程导致南槽大潮期间纳潮量减少13%，小潮期间减少16%，越过深水航道导堤的涨潮流减小；从南槽向北的越堤盐通量减小，导致北槽向海的盐通量减弱，中上段向陆的盐通量减弱，工程东南侧向陆的盐通量减弱，但因南槽口门处缩窄向陆的盐通量增强.围垦工程后南槽盐度锋面减弱，大潮期间南槽口门处和工程东南侧盐度上升，量值超过1.0；因纳潮量、越堤流和向陆盐通量减小，南槽中上段、北槽和横沙东滩盐度下降，量值超过0.5；北港和崇明东滩盐度上升，盐度超过0.5.小潮期间因潮动力减弱口门处的涨潮流和向陆盐通量减小，整个南槽盐度下降，量值超过1.5.因围垦工程后南槽盐度锋面减弱，阻挡径流进入南港的作用减弱，大潮和小潮期间北港净分流比略微减小，南槽的分流比大潮和小潮期间分别比工程前增加了1.57%和1.50%.

长江河口； 围垦工程； 盐水入侵； 纳潮量； 分流比

0 引 言

河口是海洋与河流交汇的区域，潮汐、径流、风、地形、斜压等多种地貌动力因子及其相互作用，使得河口水动力过程、盐水入侵和泥沙输运复杂多变.河口工程会改变局地河势，影响河口水动力过程、盐水入侵和泥沙输运.南汇边滩地处长江口和杭州湾的交汇处，范围包括长江口南槽南侧、临港以东潮滩，北起浦东国际机场，南至芦潮港前缘(见图1).长江入海泥沙在南汇边滩落淤，潮滩发育较快，滩涂资源丰富，是上海发展所急需的土地资源[1].

注：A，B，C分别为南槽上中下3个模式输出站点，S1北港断面，S2南港断面，S3北槽断面，S4南槽上断面，S5南槽下断面图1 长江河口形势图Fig.1 Situation map of the Changjiang estuary

南汇边滩围垦工程总面积约为147 km2，是近年来长江口规模最大的一次滩涂圈围工程[2].工程改变了南槽中下段局部地形，势必会影响河口局地动力环境和盐水入侵，但该工程实施对邻近水域水动力和盐水入侵的影响缺乏深入研究.本文采用改进的ECOM数值模式，数值计算和动力分析南汇边滩围垦工程对长江河口流场和盐水入侵的影响.利用数值方法研究该重大工程对水动力过程盐水入侵的影响，不仅有助于对盐水入侵规律的深入理解，也有助于河口淡水资源的利用，具有重要的科学和应用意义.

1 数值模式的设置

本文采用的数值模式为作者所在研究小组长期应用和改进的ECOM-si模式，该模式已在长江河口水动力过程和盐水入侵等方面的研究中得到了充分验证并取得了众多成果[3-6].模式使用水平曲线非正交网格[7]，范围包括整个长江河口、杭州湾，上游开边界设在枯季潮区界大通水文站(见图2)，对围垦工程区域网格作局部加密处理(见图3).水深采用2009年实测资料.为节省篇幅，关于模式初始条件、边界条件以及验证可参考文献[3，4].

本文先设计一个控制数值试验，模式计算时段从2010年12月15日开始计算，至2011年2月底结束，输出2月计算结果作分析和比较.12月至翌年1月和2月径流量取大通1950年以来月平均值，分别为13 600、11 100和12 000 m3/s.风场取NCEP多年月平均风场.外海开边界考虑16个主要分潮(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得到，资料从全球潮汐数值模式NAOTIDE中计算结果得到(http://www.miz.nao.ac.jp/staffs/ nao99/index_En.html).在控制数值试验的基础上，考虑南汇边滩围垦成陆(见图1和图3)，设计南汇边滩围垦工程数值试验.将南汇边滩围垦工程后的计算结果与控制试验结果进行对比，定量分析该工程对邻近水域流场和盐水入侵的影响.

图2 模式计算区域和网格Fig.2 The model domain and grids

图3 南汇工程区域局部放大后网格Fig.3 The enlarged grids near the Nanhui reclamation project

2 结果与分析

因南汇边滩东南走向和北槽深水航道南导堤的建成，南槽成了一个口门宽、向陆快速变小的喇叭口形状的河槽.南槽这个特殊的形状导致了南槽严重的盐水入侵和出现强烈的盐度锋面，抑制径流进入南槽，同时大量水体和高盐水越过南导堤进入北槽，大部分向下游输运入海，部分越过北导堤进入北港，形成横向的水体和盐水输运，影响长江河口南北港、南北槽余流和分流比[6].南汇边滩围垦工程大幅改变了南槽的局地河势，使得南槽喇叭口形状减弱.下面先分析围垦工程前涨潮高潮位时刻流场、纳潮量、潮周期平均单宽盐通量和盐度、分流比，再分析围垦工程后它们的变化和原因.

2.1 南汇边滩围垦工程前

大潮期间南槽高潮位时刻涨潮流沿河槽向上游流动，在南槽九段沙下游和上游因河槽缩窄、水位上升，水体越过南导堤进入北槽(见图4上).北槽部分水体越过北导堤进入横沙东滩，继而进入北港，在口门处从南往北出现越滩的涨潮流.

本文统计了通过南槽口门断面S5(位置见图1)大潮和小潮期间3天内6个完整的涨潮流期间的纳潮量(见表1).在围垦工程前，大潮和小潮期间的纳潮量分别为3.35×109m3和1.38×109m3，大潮期间的纳潮量远大于小潮期间的纳潮量.

表1 南槽口门断面在围垦工程前后纳潮量及其变化Tab.1 Tidal prism cross the transect at the mouth of South Passage before and after the reclamation project, and its difference due to the project

图4 围垦工程前大潮期间高潮位涨潮流场分布(上)，及其工程引起的变化(下，围垦工程后减去围垦工程前)Fig.4 Flood current distribution at the highest water level in spring tide before the project (upper)，and its difference caused by the project (lower, after the project minus before the project)

从盐通量场分布中可以看出(见图5上)，在口门处有一个显著的从南往北的越滩盐分输运，原因在于上述的南槽高盐水的向北越堤流.盐通量在南槽向陆输运，越过南导堤进入北槽，在北槽受径流作用向海输运，形成一个从南槽进北槽出的顺时针方向盐分输运.

潮周期平均的盐度分布表明(见图6上)，北支被高盐水占据，盐水入侵北支远大于南支.在南支，盐水入侵南槽最强、北槽次之，北港最弱，大潮期间出现北支盐水倒灌现象，这些与以前研究结果一致[3-6].小潮期间，北港拦门沙北侧盐水入侵远比大潮期间严重，原因在于北风在小潮期间作用比大潮期间显著，它产生的向陆Ekman水体输运导致北港北侧盐水入侵加剧[3].

图5 围垦工程前大潮期间单宽盐通量分布(上)，及其工程引起的变化(下，围垦工程后减去围垦工程前)Fig.5 Distribution of unit width salinity flux during spring tide before the project (upper), and its difference caused by the project (lower, after the project minus before the project)

通过计算北港、南港、北槽和南槽各横断面S1、S2、S3和S4(位置见图1)大潮和小潮期间水通量，可得南北港和南北槽的净分流比(见表2).南汇边滩围垦工程前，大潮期间北港的净分流比为53.21%，比南港大6.42%；南槽净分流比仅为7.13%，比北槽小85.74%.原因在于一是南槽严重的盐水入侵产生的强盐度锋面(见图6上)导致向陆的斜压压强梯度力，阻碍径流流入南槽；二是南槽喇叭口形式导致涨潮期间水体越堤进入北槽.因此，北槽相对于南槽巨大的净分流比并非相对于一般意义上的径流分流比.小潮期间，北港净分流比为28.62%，远小于南港的分流比71.38%，与大潮期间北港分流比大于南港的情况相反，原因在于如上盐度分布中所述，小潮期间北风的作用趋于显著，它产生的向陆水体输运和加强了的向陆斜压压强梯度力均阻碍径流进入北港.南槽的分流比为31.18%，相对于大潮期间有显著的增加，原因在于小潮期间南槽盐度锋面减弱，向陆的斜压压强梯度力减小，有利于南港径流进入南槽.

注：上表示围垦工程前；中表示围垦工程后；下表示差值(工程后减去工程前)图6 大潮(左)和小潮(右)垂向平均盐度分布Fig.6 Depth-averaged salinity distribution during spring (left) and neap (right) tide

表2 南汇边滩围垦工程前后各个河槽的净分流比Tab.2 Net water diversion ratio of different outlets before and after the reclamation project %

南槽模式输出点A、B和C在2月盐度随时间变化见图7—9.盐度具有半日变化，日不等较明显，半月大小潮的变化显著，靠近外海的下游站点盐度高于中段和上段.在南槽中段和下段，表层和底层盐度受潮流混合作用变化不大，具有大潮期间盐水入侵强、小潮期间盐水入侵弱的特点.但在南槽上段底层盐度远大于表层，且盐度高值出现在小潮期间.原因在于小潮期间弱的垂向混合有利于盐水楔的生成，盐水楔产生向陆的斜压压强梯度力将南槽下游底层高盐水带向上游.

注：黑色为围垦工程前，红色为围垦工程后图7 南槽上段站点A表层(上)和底层(下)模式计算的盐度随时间变化Fig.7 Temporal variation of model calculated surface (upper) and bottom (lower) salinity at site A at upper reaches of the South Passage

注：黑色为围垦工程前，红色为围垦工程后图8 南槽中段站点B表层(上)和底层(下)模式计算的盐度随时间变化Fig.8 Temporal variation of model calculated surface (upper) and bottom (lower) salinity at site B at middle reaches of the South Passage

2.2 南汇边滩围垦工程后

为清楚地表达围垦工程对流场和盐度场的影响，将工程后模式计算结果减去工程前模式计算结果，得到差值场的分布.南汇边滩围垦工程实施后，南槽南侧大面积潮滩成陆，改变涨潮流和纳潮量.从大潮期间高潮位涨潮流场差值场(见图4下)可见，因工程导致南槽喇叭口形状减小越深水航道导堤的涨潮流减小(涨潮流偏北，差值场偏南)，大潮期间纳潮量减少13%，小潮期间减少16%(见表1)，导致南港和南槽中上段涨潮流减小，但南槽口门处因横断面的减小涨潮流增加.在围垦工程的东南侧因工程的阻挡，涨潮流减弱.

注：黑色为围垦工程前，红色为围垦工程后图9 南槽下段站点C表层(上)和底层(下)模式计算的盐度随时间变化Fig.9 Temporal variation of model calculated surface (upper) and bottom (lower) salinity at site C at lower reaches of the South Passage

从单宽盐通量差值分布看(见图5下)，围垦工程使得从南槽向北的越堤盐通量减小，导致北槽向海的盐通量减弱，南槽口门处向陆的盐通量增强，中上段向陆的盐通量减弱，工程东南侧向陆的盐通量减弱，这与高潮位涨潮流差值分布是一致的.

从盐度场的平面分布看(见图6中)，围垦工程后南槽盐度锋面减弱(盐度等值线边疏).从工程前后盐度变化看(见图6下)，大潮期间南槽口门处和工程东南侧盐度上升，量值超过1.0，范围大；因纳潮量、越堤流和向陆盐通量减小，南槽中上段、北槽和横沙东滩盐度下降，量值超过0.5的范围连成一片；北港和崇明东滩盐度上升，盐度超过0.5.小潮期间，整个南槽盐度下降，量值超过1.0的范围大，原因在于小潮期间潮动力减弱口门处的涨潮流和向陆盐通量是减小的.

围垦工程对分流比的影响，大潮和小潮期间北港净分流比略微减小，原因在于围垦工程后南槽盐度锋面减弱，阻挡径流进入南港的减弱.同样的原因，使得围垦工程后南槽的分流比大潮和小潮期间分别比工程前增加了1.57%和1.50%.

围垦工程后南槽模式输出点A、B和C在2月盐度随时间变化见图7—9，在南槽的上段A输出点表层和底层盐度在大潮、中潮和小潮期间均下降，原因如上工程导致纳潮量和向陆盐通量的减小.在南槽的中段B输出点，小潮期间盐度减小，大潮期间盐度增加.在南槽下段C输出点，小潮期间盐度有所下降，但大潮期间盐度显著上升，其动力成因如上所述.表3给出了2月12—14日小潮，2月18—20日大潮，站点A、B和C南汇边滩围垦后表层和底层盐度平均变化值，负数表示围垦后盐度减小，正表示增加，可见围垦工程使得南槽盐度变化空间和时间上是不同的.

3 结 论

长江口南汇边滩围垦工程为上海解决土地资源紧缺的重大工程.工程显著改变了局地河势，影响水动力过程和盐水入侵.本文应用三维数值模式，定量研究在枯季一般状况的径流量和风况下南汇边滩围垦工程前涨潮高潮位时刻流场、纳潮量、潮周期平均余流、单宽盐通量和盐度、分流比，以及围垦工程后它们的变化和原因.南汇边滩围垦工程实施后，南槽南侧大面积潮滩成陆，南槽喇叭口形状减小，改变了涨潮流和纳潮量.工程导致大潮期间纳潮量减少13%，小潮期间减少16%，越过深水航道导堤往北的涨潮流减小，南港和南槽中上段涨潮流减小，但南槽口门处因横断面的减小大潮期间涨潮流增加.在围垦工程的东南侧因工程的阻挡，涨潮流减弱.围垦工程使得从南槽向北的越堤盐通量减小，导致北槽向海的盐通量减弱，南槽口门处向陆的盐通量增强，中上段向陆的盐通量减弱，工程东南侧向陆的盐通量减弱.围垦工程后南槽盐度锋面减弱，大潮期间南槽口门处和工程东南侧盐度上升，量值超过1.0，范围大；因纳潮量、越堤流和向陆盐通量减小，南槽中上段、北槽和横沙东滩盐度下降，量值超过0.5的范围连成一片；北港和崇明东滩盐度上升，盐度超过0.5.小潮期间，整个南槽盐度下降，量值超过1.0的范围大，原因在于小潮期间潮动力减弱口门处的涨潮流和向陆盐通量是减小的.因围垦工程后南槽盐度锋面减弱，阻挡径流进入南港的作用减弱，大潮和小潮期间北港净分流比略微减小，南槽的分流比大潮和小潮期间分别比工程前增加了1.57%和1.50%.

表3 围垦工程对南槽3个站点A、B、C潮平均盐度的影响Tab.3 Influences of the reclamation project on the tidally-averaged salinity at the 3 model output sites in the South Passage

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(责任编辑 李万会)

Impacts of the reclamation project of Nanhui tidal flat on the currents and saltwater intrusion in the Changjiang estuary

LI Lin-jiang, ZHU Jian-rong

(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Considering the averaged river discharge and wind in dry season, the impacts of reclamation project of Nanhui tidal flat on the currents and saltwater intrusion were numerically calculated and dynamically analyzed. The funnel shape was reduced, flood current and tidal prism in the South Passage were changed after the reclamation project. The reclamation project resulted in tidal prism in the South Passage reducing 13% in spring tide and 16% in neap tide, and the flood currents spilling over the dikes of the deep water channel decreased; The northward salt fluxes spilling over the dykes from the South Passage were weakened which made the seaward salt flux in the North Passage reduced, the landward salt flux decreased the upper and middle reaches of the South Passage and on the southeast side of the project, whereas was increased at the mouth of the South Passage. After the reclamation project, the salinity front in the South Passage was weakened, the salinity in spring tide increases with exceeding 1.0 in the area near the mouth of the South passage and on the southeast side of the project; the salinity decreased with greater than 0.5 at the upper and middle reaches of the South Passage, in the North Passage and in the Hengsha eastern beach due to the decreases of the tidal prism, current spilling over the dikes and landward salt flux. The salinity in neap tide decreased in the whole South passage with greater than 1.5 because of the decreases of the flood current and salt flux at the mouth caused by the weaker tide. The net water diversion ratios were reduced slightly in spring and neap tide in the North Channel, increased 1.57% in spring tide and 1.50% in neap tide in the South Passage because the salinity front in the South Passage was weakened after the reclamation project, which weakened the block effect of the river water into the South Channel.

Changjiang estuary; reclamation project; saltwater intrusion; tidal prism; water diversion ratio

1000-5641(2015)04-0077-10

2014-07

上海市科委海洋专项(12231203101)；水利部公益性项目(201201068)

李林江，男，硕士研究生，从事河口海岸动力学研究. E-mail: li_linjiang@126.com.

朱建荣，男，教授，博士生导师，从事河口海洋学研究. E-mail: jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn.

P731.23

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.009