長(zhǎng)江口的鹽水入侵?jǐn)?shù)值模擬

上海作為一個(gè)國(guó)際大城市，需要位于長(zhǎng)江河口和黃浦江的兩條流域。長(zhǎng)江口南岸的常熟、太倉(cāng)和北岸的通州、海門(mén)、啟東等市,當(dāng)?shù)厮Y源量不足,加之本地水網(wǎng)污染嚴(yán)重,同樣也需從長(zhǎng)江口引水。長(zhǎng)江源遠(yuǎn)流長(zhǎng),水量充沛,水體自凈能力強(qiáng),然而由于北支鹽水倒灌及南支鹽水上溯,對(duì)上海市的城市供水及江蘇長(zhǎng)江口沿岸地區(qū)的淡水資源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)嚴(yán)重影響,制約著兩岸經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。最近幾年,由于受長(zhǎng)江口北支河道演變的影響,北支咸水倒灌南支嚴(yán)重,上海長(zhǎng)江口陳行水庫(kù)在1999年2～3月,曾連續(xù)25天取不到合格的長(zhǎng)江原水,不得不被迫取用超標(biāo)的長(zhǎng)江原水,使上海市部分地區(qū)自來(lái)水水質(zhì)受到嚴(yán)重影響。南水北調(diào)東線工程的實(shí)施和三峽水庫(kù)的運(yùn)行將進(jìn)一步加劇鹽水入侵的影響。本文通過(guò)長(zhǎng)江口杭州灣鹽度場(chǎng)數(shù)值模型,對(duì)長(zhǎng)江口綜合整治工程對(duì)鹽水入侵的影響進(jìn)行了研究,以期為方案的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。1長(zhǎng)江口鹽水入侵的特性長(zhǎng)江口屬典型的江心沙島型潮汐河口,潮區(qū)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(zhǎng)江口江面寬闊,在地球自轉(zhuǎn)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(fā)展成為江心沙洲。長(zhǎng)江口自崇明島形成,分為南、北兩支已有數(shù)百年的歷史。近百年來(lái),長(zhǎng)江口逐步形成三級(jí)分汊、四口入海的平面格局。第一級(jí)分汊為崇明島將長(zhǎng)江口分隔成南支和北支,第二級(jí)分汊為長(zhǎng)興島將南支分隔成南港和北港,第三級(jí)分汊為九段沙將南港分隔成南槽和北槽。根據(jù)1959年全國(guó)海洋普查資料,受徑流和大洋海流的影響,長(zhǎng)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(dá)300km以上。長(zhǎng)江口外海高含氯度海水經(jīng)南槽、北槽、北港和北支向上入侵,由于各汊道的河床形態(tài)和徑流潮汐特征不同,長(zhǎng)江口的鹽水入侵形式比較復(fù)雜。長(zhǎng)江口鹽水研究始于20世紀(jì)60年代,80年代以來(lái)有許多學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究。韓乃斌123、陶學(xué)為等較詳細(xì)的分析了長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)江口北支鹽水入侵進(jìn)行了數(shù)值模擬;沈煥庭等從20世紀(jì)70年代以來(lái)對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵規(guī)律進(jìn)行了較全面系統(tǒng)的研究,這些都為長(zhǎng)江口鹽水入侵的深入研究提供了基礎(chǔ)。從實(shí)測(cè)資料分析,長(zhǎng)江口徑流最大變幅可達(dá)20倍,年內(nèi)變幅一般為7倍左右,潮差變幅也較大。對(duì)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(qiáng)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(shí)期可出現(xiàn)不同的混合型。如南槽在枯季大潮會(huì)出現(xiàn)垂直均勻的強(qiáng)混合型現(xiàn)象,而在洪季小潮則會(huì)出現(xiàn)高度分層的弱混合型現(xiàn)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(mén)內(nèi)最大鹽水入侵出現(xiàn)在靠近落潮中潮位時(shí)刻,鹽度過(guò)程線與潮位過(guò)程線的相位差約為90°,口外鹽度最大值出現(xiàn)在近高潮位時(shí)刻,最小值出現(xiàn)在近低潮位時(shí)刻,鹽度過(guò)程線與潮位過(guò)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(zhǎng)江口鹽水入侵最嚴(yán)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(duì)長(zhǎng)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(yán)重的河段。南支河段有兩個(gè)鹽水入侵源,即外海鹽水經(jīng)南北港直接入侵和北支倒灌。以2002年3月大、中、小潮實(shí)測(cè)情況為例,將各測(cè)點(diǎn)(位置見(jiàn)圖1)的同步實(shí)測(cè)氯度過(guò)程點(diǎn)繪在一起,其中測(cè)點(diǎn)Z1和Z2位于北支上段,Z6、Z7、Z8和Z9位于北支下口內(nèi),Z3位于白茆沙北水道上口,Z4位于陳行水庫(kù)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(cè)點(diǎn)的氯度大于陳行水庫(kù)的氯度,說(shuō)明北支鹽水倒灌進(jìn)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(kù)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(guò)程,除橫沙外,崇頭的氯度最高、太倉(cāng)次之且均高于長(zhǎng)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(guò)程(圖3)看,在有些時(shí)段氯度由高到低依次為崇頭、太倉(cāng)、陳行、青草沙、南門(mén)、堡鎮(zhèn)、長(zhǎng)興,而在另一些時(shí)段氯度由高到低依次為南門(mén)、青草沙、陳行、橫沙、太倉(cāng)、崇頭、長(zhǎng)興,即有時(shí)北支鹽水倒灌南支,有時(shí)鹽水由南支進(jìn)入影響陳行水庫(kù)。小潮期間(2002年3月8～9日)的氯度過(guò)程(圖4),鹽水從南支進(jìn)入,氯度由高到低依次為橫沙、長(zhǎng)興、堡鎮(zhèn)、南門(mén)、青草沙、陳行、崇頭、太倉(cāng),此時(shí)鹽水從外海上溯到南支河段。2計(jì)算鹽模型2.1鹽水?dāng)U散系數(shù)k在正交曲線坐標(biāo)系ξ-η下,潮流和鹽度二維運(yùn)動(dòng)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(shù);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(shù);E為水流紊動(dòng)粘滯系數(shù);Ks為鹽水的擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)式(1)至(3)的離散方程采用ADI法求解,對(duì)式(4)的離散方程采用迎風(fēng)格式求解。2.22年3月9日小潮的鹽度及連續(xù)潮型數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍:西自江陰,東到123°E,南起29°27′N,北到32°15′N,包括長(zhǎng)江口和杭州灣模型在內(nèi)的水域,圖5為數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍。計(jì)算網(wǎng)格采用能擬合河道邊界的正交曲線網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為418×328個(gè),尺度在50～2000m之間。模型分別對(duì)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(xù)潮型(2002年3月1～7日)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。模型外海開(kāi)邊界的控制潮位采用東中國(guó)海大模型計(jì)算提供,上游開(kāi)邊界用江陰流量過(guò)程控制。上游開(kāi)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(dòng)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(dòng)粘滯系數(shù)υt為30m2/s,潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為4s。計(jì)算開(kāi)始按實(shí)測(cè)鹽度線性插值,模型進(jìn)行200h以上計(jì)算獲得的鹽度場(chǎng)分布作為初始鹽度場(chǎng)。鹽度擴(kuò)散系數(shù)在模型計(jì)算中取10m2/s。圖6和圖7分別是枯季大潮和連續(xù)潮型(含大、中、小潮)的鹽度驗(yàn)證結(jié)果。北支下口的Z7、Z8、Z9測(cè)點(diǎn)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(diǎn)鹽度大中潮持續(xù)在25‰左右,小潮期間Z1、Z2點(diǎn)的鹽度隨漲落潮變化,其峰值在10‰以上?？菁颈敝嫌蔚柠}水形成對(duì)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(guò)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(zhuǎn)漲和漲轉(zhuǎn)落時(shí)刻的鹽度分布場(chǎng)。3方案組合及鹽度結(jié)果分析在對(duì)九個(gè)規(guī)劃方案進(jìn)行潮流計(jì)算的基礎(chǔ)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(dǎo)堤、東風(fēng)沙導(dǎo)堤工程、扁擔(dān)沙導(dǎo)堤工程、常熟邊灘圍墾工程、太倉(cāng)邊灘圍墾工程、南沙頭通道按現(xiàn)狀地形護(hù)底、中央沙及青草沙小圍墾(出水)、扁擔(dān)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(jìn)行鹽度數(shù)學(xué)模型計(jì)算。方案布置見(jiàn)圖9。運(yùn)用鹽度數(shù)學(xué)模型,計(jì)算工程前后的流場(chǎng)和鹽度場(chǎng)變化,得到崇頭、浪港、瀏河口、青草沙北側(cè)、陳行水庫(kù)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(duì)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(kù)鹽度的最大值和平均值都比工程前減小;青草沙北側(cè)既受北港下口鹽水的影響,又受北支鹽水倒灌及工程導(dǎo)流的影響,工程后青草沙北側(cè)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(shí)間變化過(guò)程(圖10)看,方案一實(shí)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(shí)略高于工程前。方案二實(shí)施后,大潮落潮時(shí)閘門(mén)開(kāi)啟,漲潮時(shí)關(guān)閉,鹽水進(jìn)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(cè)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