枯季三峡库区泄流对缓解长江口盐水入侵的数值模拟研究

何俊杰+刘富强

摘要：为研究枯季三峡库区泄流后对长江河口咸潮入侵的影响，利用三维数值模式ECOM-si分别模拟了枯季1、2月份径流量为大通站实测多年平均状况下和三峡库区受上游水库群调蓄后保持天然入库量的情况下泄流后长江河口的盐水入侵特征，模拟结果表明：①三峡库区泄流对缓解长江口咸潮入侵有一定的作用，表现在径流量增加，咸潮入侵变弱；②上游放水后在大潮涨憩期间对北支盐水入侵影响不大，但使得南支北港和南港部分地区在大潮涨憩期间出现了淡水；③从等盐度线垂直分布方向上看，泄流后大小潮涨憩时刻的等盐度线较之前相比都向海洋方向移动；④从取水时间上来看，三个水库在泄流后不宜取水天数和取水时间都发生了变化，不宜取水时间分别缩短了1～2 d，且青草沙水库盐度的日变化幅度也有所缩小。

关键词：咸潮入侵；数值模型；ECOM模式；长江河口

中图分类号：TU991

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22004307

1 引言

河口咸潮入侵是河口普遍现象，受潮汐、径流、风应力、混合、地形和口外环流等的综合作用，动力过程复杂，又与河口环流、泥沙絮凝和生态环境等密切相关[1]。长江河口为特大型多级分汊河口，受多种动力因子的作用，咸潮入侵还受北支倒灌的影响。开展河口咸潮入侵的研究，对丰富河口海岸学理论具有重要科学意义。

长江河口地区经济发达，人口密集，对淡水资源的需求量大。2010年后，青草沙水库建成，使得长江河口水源地的青草沙水库、陈行水库和东风西沙水库供水达到上海市总水量的80%以上[2]。从长江河口取水会遇到河口咸潮入侵问题，开展长江河口咸潮入侵的研究對水源地水库运行和保障上海用水安全具有重要的应用意义。笔者利用数值模拟的手段，对三峡泄流压咸做了定量分析，对应对长江口枯季咸潮入侵有一定的借鉴意义。

2 ECOM数值模式概述

本研究采用的三维数值模式ECOM-si（semi-implicit estuarine，coastal，and ocean model）是基于POM模式（Princeton Ocean Model；Blumberg and Mellor，1987）发展起来的，已得到了广泛的应用[3，4]。模式可设置包括风、波浪、潮流、径流等各种动力因子。

ECOM-si模式中海洋原始控制方程组主要包括：动量方程、连续方程、温度方程、盐度和密度方程。在不可压缩流体、Boussinesq和静力近似条件下，给出非正交坐标系下河口海岸海洋控制方程组。引入水平非正交曲线和垂向σ坐标系[5]，ξ=ξ（x，y），η=η（x，y），σ=z-ξH+ξ，其中x，y和z分别为向东、向北和向上的笛卡尔坐标轴，垂向坐标σ从海底-1（z=-h）变至海表面0（z=ξ），ξ为海表面波动，H为总水深。海洋控制方程组如下[6]。

3 数值模式的设置

模式使用水平曲线非正交网格（图1），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，这样可直接采用大通水文站的实测径流量资料来给出模式的径流边界条件。模式网格较好地拟合了长江河口的岸线，并主要对南北支分汊口以及北槽深水航道工程区域的网格进行了局部加密。水深采用2010年实测资料。

研究先设计一个控制数值试验，模式计算时段从2011年12月1日开始计算，至2012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13600、11300 和11650 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。相关研究表明：在枯季，由于受上游电站消落补水影响，三峡入库流量较未受上游电站调蓄影响偏多约2000 m3 /s[7]。因此，设计对照试验将1、2两月大通水文站月平均径流量的基础上加2000 m3 /s来表征三峡库区泄流后大通站的径流量，从而来研究枯季三峡库区放水对长江口咸潮入侵的影响。由于篇幅原因的限制，模型的验证结果请参考文献[8]。

4 结果分析

为便于分析咸潮入侵沿程变化，给出北支、南支-北港、南支-南港纵向断面的分布（图2）。

4.1 径流量为多年月平均的情况

在枯季径流量为1、2月多年平均的情况下，大潮涨憩时刻长江口表层盐度分布见（图3a），北支盐水倒灌进入南支，使得南支盐度从上段到下段呈现出“高—低—高”的变化趋势。陈行水库和青草沙水库盐度低于国家饮用水盐度标准0.45（GB5749-85），南支上段因受北支盐水倒灌的影响，等盐度线1已到达了东风西沙水库，北港和南港均无淡水出现。

小潮涨憩时刻（图3b），北支盐水倒灌消失。东风西沙水库和陈行水库为淡水，盐度低于0.45，而青草沙水库盐度值大于0.45，无淡水可取。青草沙水库取水口无淡水可取，相比大潮涨憩时刻的咸潮入侵严重。主要是因为北支倒灌的盐水在径流的作用下，3～5 d后到达南支中下段。这就是长江河口咸潮入侵相比于其他河口，时空变化复杂的原因。

由北支盐度纵向剖面（图4）可以看出，大潮涨憩和小潮涨憩期间，北支几乎全部为海水。大潮涨憩时刻北支下段盐度为25，比北支中段小潮涨憩期间盐度低，主要是受到南支长江冲淡水向东北扩张的影响，使得盐度降低。

沿南支—北港纵向盐度剖面（图5），在大潮涨憩时刻，盐度出现了两头高中间低的情况，上段因受北支盐水倒灌的影响出现等盐度线1，而下段盐度值为20，0.45的等盐度线出现在20 km和54 km（为离纵断面上端的距离，见图2）处，之间为淡水。在小潮涨憩时刻南支上段出现淡水，等盐度线0.45在表层出现在14 km处，因大潮期间进入南支的北支倒灌盐水已输运扩散至南支的中下段，导致盐度在1～2之间，无淡水出现。下端的拦门沙区域出现盐水楔，垂向分层十分显著。

沿南支-南港纵向断面（图6），在大潮涨憩时刻，盐度垂向变化，底层比表层高。等盐度线0.45在表层出现在8 km和50 km处，两者之间为盐度低于0.45的淡水。在小潮涨憩时刻南支上段均为淡水，等盐度线0.45在表层出现在40.0 km处，大潮期间进入南支的北支倒灌盐水已输运扩散至南支的中下段，无淡水出现。下端的南槽拦门沙区域出现强烈的盐水楔，底层盐度大于表层，垂向分层十分显著。

由陈行水库取水口水位和盐度随时间变化见（图7上），潮汐呈现明显的半日和半月变化，盐度半日变化很小，但半月变化十分显著。在大潮和大潮后中潮，盐度超过了0.45，最长连续不宜取水时间约为6 d，在小潮和小潮后中潮盐度低于0.45，可取淡水，能取淡水的时间大于不宜取淡水的时间。

东风西沙水库取水口（图7b），盐度超过0.45的时刻出现在大潮期间，最长连续不宜取水时间约为9 d，小潮期间盐度低于0.45。能取水时间小于不宜取淡水的时间。

青草沙水库取水口（图7c），盐度超标的时刻出现在大潮后中潮，连续不宜取水时间约为6 d，且盐度日变化较大。出现淡水的时段为小潮后中潮。大部分时间盐度低于0.45，能取淡水的时间远大于不宜取水时间。

4.2 枯季三峡库区泄流的情况

在枯季三峡库区泄流的情况下，大潮涨憩时刻长江口表层盐度分布见（图8a），北支盐水倒灌进入南支，使得南支上段出现了盐度等值线1。陈行水库和青草沙水库盐度值低于0.45均为淡水，而东风西沙水库盐度高于国家饮用水标准的0.45，主要受北支盐水倒灌的影响，盐度较高。受径流增强的作用，北港南港部分地区均出现了淡水。

而小潮涨憩期间（图8b），没有出现北支盐水倒灌现象。东风西沙水库和陈行水库盐度低于0.45均为淡水，而青草沙水库盐度值略大于0.45。主要是北支倒灌的盐水几天后到达南支中下段所致。在北港、南槽和北槽，由于潮汐作用减弱，等盐度线1、2、5、10较大潮涨憩时刻相比均出现了向海方向的移动。

沿北支纵向盐度剖面（图9），大潮涨憩和小潮涨憩期间，北支几乎全部为海水。大潮涨憩时刻，北支下段表层盐度为25，低于北支中段盐度，由于受长江冲淡水的影响，冲淡水向东北方向扩张，使得北支下段盐度降低。

沿南支—北港盐度断面（图10），大潮涨憩期间，上段由于盐水倒灌出现了1的盐度等值线，0.45的盐度等值线在16 km和67 km处，期间全部为淡水。小潮涨憩时刻，无盐水倒灌现象。表层盐度0.45的等值线在19 km处，下段出现了十分显著的垂向盐度分层。

沿南支—南港纵向盐度剖面（图11），同样表现为小潮涨憩较大潮涨憩时刻，垂向盐度分层显著。

陈行水库取水口（图12a）盐度值大于0.45的时刻出现在大潮和大潮后中潮，最长连续不宜取水时间为5 d，小潮和小潮后中潮，盐度低于0.45，可取淡水。可取水天数大于不可取水天数。

东风西沙水库取水口（图12b）盐度大于0.45的时刻出现在大潮期间，连续不宜取水时间约为7 d，小潮期间可取淡水。可取水天水和不宜取水天数基本持平。

青草沙水库（图12c）盐度超标时刻出现在大潮后中潮，连续不宜取水时间约为4 d。可取水时间远远大于不可取水时间。且青草沙水库盐度日变化在放水后变小。

5 结论

通过对比三峡库区泄流后和枯季多年平均径流量下长江口涨落憩时刻的表层盐度，纵向盐度剖面和水位盐度的时间序列图，可以得出以下结论。

（1）三峡库区泄流对缓解长江口咸潮入侵有一定的作用，表现为径流量增加，咸潮入侵变弱。

（2）在大潮涨憩时刻，北支盐水在三峡库区泄流和未泄流情况下均会出现倒灌如南支的现象，因此三峡库区泄流对涨憩时的北支盐水倒灌影响不大。但是，在多年平均径流量的情况下，北港和南港几乎无淡水出现，而在三峡泄流后使得南支北港和南港部分地区出现了淡水。

（3）在三峡库区泄流前和泄流后小潮涨憩时刻较大潮涨憩时刻相比，南支均表现出了十分显著的盐度垂向分层。从等盐度线垂直分布方向上看，泄流后大潮涨憩时刻和小潮涨憩时刻的等盐度线较之前相比都向海洋方向移动了一定的距离。

（4）从取水时间上来看，3个水库在泄流后不宜取水天数和取水时间都发生了变化，最长连续不宜取水时间都有所缩短，大约为1～2 d，且青草沙水库盐度的日变化幅度随着径流作用的增强也有所缩小。

参考文献：

[1]沈焕庭，茅志昌，朱建荣. 长江河口盐水入侵 [M]. 北京： 海洋出版社，2003.

[2]顾圣华. 2011年春末夏初枯水期间长江河口盐水入侵[J].华东师范大学学报（自然科学版），2014（4）：154～162.

[3]Li L，Zhu J，Wu H，et al. Lateral Saltwater Intrusion in the North Channel of the Changjiang Estuary[J]. Estuaries and Coasts，2014，37（1）：36～55.

[4]Li L，Zhu J，Wu H，et al. A numerical study on water diversion ratio of the Changjiang （Yangtze） estuary in dry season[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2010，28（3）：700-712.

[5]朱建榮. 海洋数值计算方法和数值模式[M]. 北京：海洋出版社，2003.

[6]李 路. 长江河口盐水入侵时空变化特征和机理[D]. 上海：华东师范大学，2011.

[7]舒衛民，李秋平，鲍正风，等. 长江上游水库群调蓄对三峡水库流量预报的影响分析[J]. 水电与新能源，2016（5）：1～5.

[8]Li L，Zhu J R，Wu H. Impacts of wind stress on saltwater intrusion in the Yangtze Estuary[J]. Science China Earth Sciences，2012，55（7）：1178～1192.

Abstract： In order to study the influence of the discharge of the Three Gorges Reservoir on the saltwater intrusion in the Yangtze estuary after the drainage in the dry season， the three-dimensional numerical model ECOM-si was used to simulate the runoff in January and February in the dry season respectively.The results showed that： （1）The discharge from the Three Gorges Reservoir Area plays a certain role in alleviating the saltwater intrusion in the Yangtze Estuary， showing in the increase of flow rate and the decrease of saltwater intrusion. （2） The upper and lower water diversions have little effect on the salt water intrusion in the northern branch during the spring tide， while the northern part of Nanzhibei North Port and some parts of South Port appeared fresh water during the spring tide； （3）In the vertical direction of the salinity line， the salinity line of the tidal wave after the discharge of the discharge is moving in the direction of the sea. （4）From the point of water in time， three days after discharge is unfavorable for water reservoir and water time has changed， not for water， respectively， to shorten the time of 1 to 2 days.The diurnal variation of the grass and sand reservoir salinity range is narrow.

Key words： saltwater intrusion；numerical modelling； ECOM model； Changjiang Estuary