潮型對長江河口鹽水入侵對大運河斷面水沙的影響

潮型對長江河口鹽水入侵對大運河斷面水沙的影響

1流量對流量的影響研究尚屬空白,與現(xiàn)有兩種比較關(guān)系的,全面解決國內(nèi)城市發(fā)展新趨勢,選擇合適的河流開邊界上的流量比在長江河口的旱季，有鹽生植物。以往的研究結(jié)果表明，長江河口的鹽生植物入侵主要集中在排水和潮汐上。排水和潮汐對大水域的入侵減弱，潮汐大水域的入侵強烈。影響長江河口鹽水入侵的徑流量采用大通水文站實測值,一是該站具有長期的實測資料,二是它遠位于潮流界之上,為潮區(qū)界上界,實測徑流量受潮汐的影響小。在以往研究長江河口鹽水入侵的統(tǒng)計模型中,徑流量一般取當日大通徑流量;一些數(shù)值模式上游開邊界并未取在大通站,一般在江陰一帶,河流開邊界上徑流量的給出也采用大通當日的徑流量。事實上,大通水文站距離長江河口約620km,大通徑流量影響到長江河口需要一段時間,并非當日徑流量。研究和確定這段時間,對影響長江河口水動力和鹽水入侵的重要因子——徑流量的正確給出,具有重要的理論意義。另外,上海水源地已從黃浦江轉(zhuǎn)移到長江口,特大型青草沙水庫已經(jīng)建成,并向上海供水。水庫的調(diào)度和運行迫切需要知道長江入海徑流量,確定采用多少天前的徑流量無疑對水庫的運行和供水安全具有重要的應(yīng)用價值。以往對于大通徑流量影響到長江河口的滯后時間,一般采用下泄距離與流速的比值進行估算。這個方法計算得到的是水質(zhì)點從大通輸運到長江河口的時間,事實上徑流量變化引起的外重力波的傳播遠比水體平流的速度快得多。唐建華等基于2008年大通及徐六涇水文站流量資料,初步分析了大通流量傳播到徐六涇的時間。迄今,尚未有長江河口水動力和鹽水入侵對大通徑流量變化響應(yīng)時間的可靠結(jié)論,也尚未有使用三維數(shù)值模式開展研究。另外,長江下游水動力受潮汐的影響,在不同潮型期間徑流量的響應(yīng)時間可能并不相同,對之也尚未作過研究。本文應(yīng)用河口海岸三維數(shù)值模式,采用較新的河流地形資料(數(shù)值化2008年《長江下游航行參考圖》),數(shù)值模擬不同潮型下長江河口鹽水入侵對大通徑流量變化的響應(yīng)時間,并分析徑流量變化對青草沙水庫取水口鹽度的影響。23d模式的構(gòu)建和驗證2.1模式4:非正交曲線網(wǎng)格+潮灘移動邊界模擬本文采用作者所在研究組長期改進的三維海洋數(shù)值模式ECOM,該模式已應(yīng)用于長江口水動力過程和鹽水入侵等方向的研究,并取得諸多成果。本文計算區(qū)域包括長江河口、杭州灣以及附近海區(qū),東邊到125°E附近,北面到33.7°N附近,南面到27.5°N附近,上游延伸到大通水文站(圖1)。模式采用非正交曲線網(wǎng)格,較好地擬合長江河口及長江河道岸線,對局部區(qū)域如深水航道等區(qū)域作加密處理,并具有良好的正交性和光滑性。網(wǎng)格數(shù)為1004×224,長江河口的分辨率為200~600m,長江河流橫穿河道方向的分辨率為100~200m,沿著河道方向的網(wǎng)格分辨率約為1km,河口外最粗分辨率約為10km。模式垂直方向采用σ坐標,均勻分為5層。時間步長取為50s。長江河口區(qū)域淺灘較多,模式運用干濕判別法實現(xiàn)潮灘移動邊界的模擬,臨界水深取0.2m。模式河底高程長江河口徐六涇至口門采用2009年實測資料,徐六涇以上河底高程采用2008年《長江下游航行參考圖》,經(jīng)數(shù)值化得到。外海開邊界由潮位驅(qū)動,考慮16個分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1,U2,V2,T2,L2,2N2,J1,M1,OO1,河口內(nèi)由枯季多次實測資料插值得到?？紤]海表面風應(yīng)力的作用。2.2模型驗證本文應(yīng)用改進的ECOM-si模式,已在長江河口作了大量的驗證3長江河口鹽水入侵特征為分析長江河口鹽水入侵對大通徑流量變化的響應(yīng)時間,本節(jié)先設(shè)計一個數(shù)值試驗,徑流量取大通枯季1—2月多年平均徑流量12000m3/s,模擬長江河口鹽水入侵的情況。再設(shè)計一組數(shù)值試驗,改變大通徑流量,在徑流量12000m3/s的基礎(chǔ)上增加3000m3/s,持續(xù)時間1d。因受潮汐的影響,在不同潮型期間徑流量的變化可能對河口鹽水入侵產(chǎn)生不同的影響,故設(shè)計4個數(shù)值試驗,徑流量增加分別發(fā)生在小潮后中潮期、大潮期、大潮后中潮期和小潮期,見圖3中虛線標示的4個時段。各個數(shù)值試驗中潮汐保持一致,風況均取為定常北風4m/s。模式計算時長62d,前31d為模式水動力調(diào)整期,后31d對模式的輸出結(jié)果作對比分析。在大通徑流量恒定12000m3/s情況下,青草沙水庫取水口表層鹽度隨時間變化見圖4,鹽度具有顯著的半月變化,最高鹽度發(fā)生在大潮后中潮(結(jié)合圖3中水位過程線),最低鹽度發(fā)生在小潮后中潮,出現(xiàn)約5d的鹽度低于0.45的可取水期。長江口為半日潮,但鹽度的日不等性十分明顯。從小潮后中潮期間t0時刻表層鹽度平面分布圖可見(見圖5),鹽水入侵在各分汊河道中的強度依次為北支、南槽、北槽和北港,在南槽、北槽和北港攔門沙區(qū)域存在鹽度鋒面,北側(cè)鹽水入侵大于南側(cè)鹽水入侵。長江河口鹽水入侵最大的特征是北支鹽水倒灌進入南支,數(shù)值模式也較好的模擬出了這一現(xiàn)象。在t0時刻南支表層鹽度分布存在著兩頭高中間低的現(xiàn)象,中段出現(xiàn)大范圍的淡水區(qū)域。本文模擬的長江河口鹽水入侵與以往的觀測和研究結(jié)果是一致的。在小潮后中潮期間徑流量增加3000m3/s情況下,青草沙水庫取水口表層鹽度及其差值(本數(shù)值試驗與徑流量不變數(shù)值試驗鹽度差值,下同)隨時間變化見圖6a,總體上徑流量的增加鹽度下降,鹽水入侵減弱。徑流量開始增大約1d后,鹽度出現(xiàn)微小的擾動,并隨時間增大,最大值約0.025。外重力波傳播的波速為gh??√gh,從大通至長江口平均水深約10m,那么波速為10m/s,大通至長江口距離約620km,那么外重力波傳播所需時間為0.72d。實際傳播過程中可能受潮汐頂托和摩擦的作用,傳播所需時間稍微長一些。這樣與模式計算得出的鹽度開始微小變化的時間1d較為接近。也就是說,因大通徑流量變化產(chǎn)生的外重力波,傳播至長江河口所需時間很短,僅約1d,對鹽度的影響微小。在實際觀測中,測量鹽度的儀器誤差可能達到0.01,太小的鹽度變化是難于觀測到的。因此,我們定義鹽度變化達到0.05,才作為鹽度響應(yīng)的時間。這樣,鹽度對徑流量變化響應(yīng)的時間為4.4d,持續(xù)時間5.7d,鹽度下降最大值0.10。在大潮期間徑流量增加3000m3/s情況下,青草沙水庫取水口鹽度對徑流量變化響應(yīng)的時間為4.5d,持續(xù)時間4.9d,鹽度下降最大值0.11(圖6b)。在圖6a和圖6b中都出現(xiàn)了流量增加一段時間后,鹽度先增大然后減小的現(xiàn)象,并在3d后鹽度增加達到峰值。在河口下游潮流不變的情況,河道斷面向下水通量的變化會引起鹽度過程線出現(xiàn)小量的相位差異。對于圖6a,b而言,大通徑流增加一段時間后,長江河口斷面向下的水通量開始出現(xiàn)增大,但水通量的變化量不大,導致青草沙上游河段大潮后期北支倒灌南支的高鹽水團下移加快,而出現(xiàn)徑流量增加鹽度反而出現(xiàn)暫時增大的現(xiàn)象;但隨著上游徑流量對下游河口的影響加大,河口鹽水入侵開始減弱,從而導致青草沙鹽度開始下降。在大潮后中潮期間徑流量增加3000m3/s情況下,青草沙水庫取水口鹽度對徑流量變化響應(yīng)的時間為4.0d,持續(xù)時間5.6d,鹽度下降最大值0.11(圖6c)。在小潮期間徑流量增加3000m3/s情況下,青草沙水庫取水口鹽度對徑流量變化響應(yīng)的時間為6.2d,持續(xù)時間2.5d,鹽度下降最大值0.07(圖6d)。綜上,不同潮型期間大通徑流量的增加,河口鹽度開始響應(yīng)的時間、持續(xù)響應(yīng)時間和下降量值是不同的,小潮期的響應(yīng)時間明顯長于其他潮型的響應(yīng)時間。上面討論了在不同潮型期間大通徑流量變化對青草沙水庫取水口表層鹽度及其變化的影響過程,為節(jié)省篇幅這里僅給出在小潮后中潮期間徑流量增加3000m3/s情況下潮周期平均的鹽度及其變化的平面分布(見圖7),潮周期平均時段如圖6a中所示。對潮周期平均的鹽度場,鹽度低于1.0的區(qū)域僅出現(xiàn)在南支上段和北港上段,北支被高鹽水占據(jù),北港、北槽和南槽攔門沙區(qū)域存在鹽度鋒面。大通徑流量增加后,整個長江河口鹽度下降,但因北支進入的徑流量微小,鹽度下降很小;南支攔門沙區(qū)域鹽度下降最為明顯,量值在0.10~0.18之間,這與該區(qū)域鹽度鋒面有關(guān),長江徑流量增加促使鹽度鋒面下移,從而導致河口鹽度鋒面處鹽度變化較為明顯;南港鹽度下降大于北港,量值約為0.10;南支中上段鹽度下降值在0.02~0.09。4小潮、強潮期、低潮期河流鹽度的響應(yīng)本文應(yīng)用河口海岸三維數(shù)值模式,計算區(qū)域包括大通至長江河口及其鄰近海域,設(shè)計高分辨率網(wǎng)格,長江河口采用2009年實測地形資料,長江河流采用2008年地形資料,數(shù)值模擬和分析不同潮型下長江河口鹽水入侵對大通徑流量變化的響應(yīng)時間?？菁緩搅髁咳〈笸?—2月多年平均徑流量12000m3/s,模式較好地模擬出了長江河口鹽水入侵的特征。設(shè)計徑流量增加3000m3/s、持續(xù)時間1d、分別發(fā)生在小潮后中潮期、大潮期、大潮后中潮期和小潮期的4個數(shù)值試驗。計算結(jié)果表明,在小潮后中潮期間徑流量增加的情況下,青草沙水庫取水口表層鹽度對徑流量變化響應(yīng)的時間為4.4d,持續(xù)時間5.7d,鹽度下降最大值0.10。整個長江河口鹽度下降,北支鹽度下降很小,南支攔門沙區(qū)域鹽度下降最為明顯,量值在0.10~0.18之間,南港鹽度下降大于北港,量值約為0.10。在大潮期間徑流量增加的情況下,青草沙水庫取水口鹽度對徑流量變化響應(yīng)的時間為4.5d,持續(xù)時間為4.9d,鹽度下降最大值為0.11;在大潮后中潮期間徑流量增加的情況下,青草沙水庫取水口鹽度對徑流量變化響應(yīng)的時間為4.0d,持續(xù)時間5