長江河口北支倒灌鹽水輸送機(jī)制研究

長江河口北支倒灌鹽水輸送機(jī)制研究

1倒灌鹽水的輸送機(jī)制在旱季，長江河口北支的淹沒是一種特殊的鹽水入侵現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由地形、直徑和潮汐的共同因素造成的。在長江河口自然發(fā)展的共同作用和20世紀(jì)50年代至70年代人類恢復(fù)的共同作用下，北支逐漸縮小，變平，上部和南部支幾乎垂直，潮平面更寬，中部和底部呈喇嘛口形狀（圖1）。由于南北分支的特殊地形，徑向流進(jìn)入北方支流，喇嘛口形狀大于南北分支的潮差。因此，在旱季，當(dāng)排水流量小的情況下，北支鹽業(yè)被轉(zhuǎn)移到南部支流，這對南部支流的水生景觀產(chǎn)生了負(fù)面影響。許多科學(xué)家在測量數(shù)據(jù)和二維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上研究了許多關(guān)于北支鹽水的倒灌。作為一種分叉河口特有的鹽水入侵現(xiàn)象,北支在一個或多個潮周期內(nèi)向南支倒灌輸送的鹽通量及其輸送過程是一個值得關(guān)注的問題.對于“通量”這個概念,沈煥庭認(rèn)為恰當(dāng)?shù)亩x為:在一定時間內(nèi)通過某一面積的某種物質(zhì)的質(zhì)量或者體積,物質(zhì)可以是水、泥沙或化學(xué)元素等.它被廣泛應(yīng)用于河口地區(qū)物質(zhì)輸送的研究之中,在以往北支鹽水倒灌的研究之中也有所涉及.韓乃斌和盧中一根據(jù)北支的倒灌水量與潮差的關(guān)系和青龍港站的潮差頻率估計,整個枯季北支倒灌南支的水量約為152億m3,1974年倒灌鹽量超過2億t.2001年4月10～13日大潮期間,茅志昌等在青龍港—牛棚港斷面布設(shè)3條測量船進(jìn)行5個潮周期的連續(xù)觀測,計算出在此期間北支向南支倒灌的鹽通量為524萬t.倒灌鹽水團(tuán)進(jìn)入南支后向下游移動,并影響到各個水源地.沈煥庭等指出,倒灌鹽水團(tuán)主體通過白茆沙北水道進(jìn)入南支,至新建水閘附近分成3路,一路沿崇明南岸進(jìn)入新橋水道,另一路隨主流進(jìn)入七丫口河段,還有一路漫過白茆沙進(jìn)入南水道.這些研究成果在定性上對北支倒灌鹽水的輸送作了客觀的描述,但是在定量上還不夠深入,特別是倒灌鹽水團(tuán)進(jìn)入南支后如何輸送的定量研究還沒有展開.倒灌鹽水團(tuán)進(jìn)入南支后在徑流和潮流的雙重作用下向下游輸送擴(kuò)散,其輸送的動力機(jī)制有待研究.南支河段面積廣闊,又被白茆沙、東風(fēng)沙和下扁擔(dān)沙等沙體分割成主槽、副槽相間隔的態(tài)勢,倒灌鹽水在各個叉道中的輸送比例的定量化研究尚未展開.這些問題都可以歸結(jié)到鹽度通量問題.本文將應(yīng)用三維河口海岸海洋數(shù)值模式ECOM-si,在準(zhǔn)確模擬長江河口水動力和鹽度變化過程的基礎(chǔ)上,對北支倒灌鹽水的輸送機(jī)制進(jìn)行研究.2學(xué)習(xí)方法2.1潮周期平均單寬物質(zhì)通量的計算目前通量機(jī)制分析方法主要有兩種形式,分別基于斷面通量和單寬通量.其中單寬通量不僅可以分析局地物質(zhì)輸送的大小和方向,而且可以通過斷面積分得到斷面通量來分析整個斷面上的輸送狀態(tài).如果利用數(shù)值模擬掌握整個河口范圍內(nèi)的單寬通量分布狀況,則各叉道的斷面通量也可得知.因此,本文首先研究鹽度輸送的單寬通量,然后在此基礎(chǔ)上考察斷面通量.單寬通量機(jī)制分析通常取河道流線上的一個單寬作水流、物質(zhì)通量分析,忽略橫向輸移,將流速和物質(zhì)濃度分解成垂線平均及其偏差項,再作潮平均及潮汐振蕩項分解,計算潮周期平均的單寬物質(zhì)通量及其各分解項.Kjerfv提出,對于任意物理量F,記ˉF=∫0-1Fdσ,表示深度平均;<F>=1Τ=∫Τ0Fdt,表示潮周期平均.F可以分解成:F=<ˉF>+F′t2+F′,式中,F′=F-ˉF,表示F和垂線平均值ˉF的偏離;F′t2=ˉF-<ˉF>,表示垂向均值的潮脈動項.類似的,u,v和鹽度C分別可以分解成u=<ˉu>+u′t2+u′?v=<ˉv>+v′t2+v′和C=<Cˉ>+C′t2+C′,水深項分解為潮周期平均和潮振蕩項Η=<Ηˉ>+Ηt.在一個或多個潮周期內(nèi),u方向的物質(zhì)輸送的潮平均單寬通量為:1Τ∫0Τ∫-10ΗuCdσdt=<Η><uˉ><Cˉ>+<Ηtut2′><Cˉ>+<ΗtCt2′><uˉ>+<Ηut2′Ct2′>+<Ηu′C′ˉ>?其中,右邊第一項稱為深度平均Euler余流輸送項,第二項稱為深度平均Stokes漂移輸送項,這兩項合稱為Lagrange余流輸送,是潮周期平均水體輸送對應(yīng)的物質(zhì)輸送;第三項是物質(zhì)濃度、水深的潮脈動相關(guān)項,第四項為流速潮脈動對物質(zhì)濃度潮脈動的輸送,兩項合稱為潮泵輸送;第五項為垂向切變輸送.v方向的物質(zhì)輸送具有相同的形式.目前通量機(jī)制分析在長江河口得到了一些應(yīng)用,但主要針對泥沙輸送.朱首賢將這一方法拓廣到了對任一特定物質(zhì)輸送的研究.專門針對鹽度輸送的通量機(jī)制分析在長江河口尚未普遍展開.2.2潮灘邊界的移動本文采用的三維數(shù)值模式ECOM-si是在POM(PrincetonOceanModel)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,Chen等和Zhu等對它作了一些改進(jìn).模式采用水平曲線網(wǎng)格,范圍包括整個長江河口、杭州灣和鄰近海區(qū),東邊到124.5°E附近,北邊到33°N附近,南邊到28°N附近,上游延伸至江陰以上150km處(見圖2).南北支分叉口區(qū)域的網(wǎng)格加密,在北支上端橫穿河道方向的分辨率為75m左右,平行河道方向為450m左右,且很好地擬合了岸線.口內(nèi)其余部分分辨率在100m至500m不等,口外較疏,最大為7km左右.垂直方向采用σ坐標(biāo),均勻分為5層.時間步長取20s.南北支分叉口區(qū)域淺灘眾多,這些淺灘在漲潮時淹沒、落潮時露出,它們對北支鹽水倒灌有著重要的影響.ECOM-si本來未引入動邊界,本文參照文獻(xiàn),將干濕網(wǎng)格判別法引入到模式中,臨界水深取0.1m,實現(xiàn)了潮灘邊界的移動.2.2.1模式1.2回歸系數(shù)計算模式外海開邊界采用8個天文分潮驅(qū)動,調(diào)和常數(shù)應(yīng)用張衡等的研究成果.模式采用實測潮流、潮位和鹽度資料進(jìn)行了驗證.利用2002年9月實測潮流潮位資料進(jìn)行驗證,測站位置遍布整個長江河口.其中,崇頭和青龍港兩個潮位站(見圖1)分別位于南北支分叉口和北支上段,兩處在漲、落潮過程中的水位差是驅(qū)動北支上段水體流動的主要動力因子.圖3為兩站潮位驗證,模式計算值和實測值大潮期間比較吻合,小潮期間有一定的誤差.圖4為白茆沙南、北水道兩個潮流測點(diǎn)的表、底層流速流向驗證.此二站落潮歷時遠(yuǎn)大于漲潮歷時,且流速表、底層差異顯著,模式計算值與之相吻合.模式對1999年1月22日到2月19日陳行水庫取水口和青草沙取水口的表層實測鹽度進(jìn)行了驗證(見圖5).陳行水庫是上海市重要的水源地,位于南支南岸(見圖1),在此期間取水口受到了嚴(yán)重的鹽水倒灌影響,表層最高鹽度可達(dá)1.8.在1999年1月25日和2月7日出現(xiàn)了兩個鹽度峰值,兩個時間的農(nóng)歷分別為初九和廿二,潮型都是小潮.這是因為大潮期間從北支倒灌而來的高鹽水隨著徑流逐漸下移,大約在7d后高鹽水的核心才到達(dá)陳行水庫取水口附近.數(shù)值模式從1999年1月7日后開始運(yùn)行,15d后輸出計算結(jié)果.在1月22日到2月2日期間,計算結(jié)果和實測資料比較吻合,在此之后有一定的差別.在青草沙區(qū)域?qū)⒔ㄔO(shè)上海市第二水源地,該處同樣受到嚴(yán)重的鹽水倒灌影響.總的來說,模式的驗證結(jié)果比較良好.2.2.2潮平均單寬鹽通量及機(jī)制分解項北支鹽水倒灌在每年1月和2月份最為嚴(yán)重,在此期間長江徑流量多年平均值分別為10400和11200m3/s,但是在特枯年份可低至8000m3/s左右,因此本研究中徑流量取9000m3/s.冬季季風(fēng)對北支鹽水倒灌有著重要的影響,本文取定常的正北風(fēng)5m/s,約為長江河口冬季月平均風(fēng)速風(fēng)向.模式先運(yùn)行20d,對初始鹽度場進(jìn)行調(diào)整,然后計算輸出大潮期間長江河口的潮平均單寬鹽通量及各通量機(jī)制分解項.同時在10個斷面(見圖1):北支上端(Sec1)、白茆沙北水道(Sec2)、白茆沙南水道(Sec3)、新橋水道上段(Sec4)、南門水道(Sec5)、七丫口附近南支主槽(Sec6)、新橋水道下段(Sec7)、陳行水庫附近南支主槽(Sec8)、北港上端(Sec9)和南港上端(Sec10)上將潮平均單寬鹽通量及其各機(jī)制分解項進(jìn)行積分,計算了大、中、小潮三期間各斷面鹽通量及各機(jī)制分解項.3計算3.1主、副原因的分布和產(chǎn)水的結(jié)構(gòu)圖6是大潮落憩時刻長江河口口內(nèi)的表層鹽度分布.此時整個北支充斥著高鹽水,從北支倒灌而來的高鹽水在南支形成一個鹽水團(tuán),其表層最高鹽度在1.5以上.高鹽水主要集中在白茆沙北水道、南門水道和新橋水道之中,南支南側(cè)的鹽度較低.南港和北港河段的鹽水入侵此時仍以外海直接入侵為主.外海直接入侵和北支鹽水倒灌的共同作用使得南支及其以下河段的鹽度從上游到下游呈現(xiàn)高—低—高的結(jié)構(gòu),或稱作馬鞍型結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在以往北支鹽水倒灌的研究中多有提及.3.2白沙縱向配置圖7是大潮期間潮平均單寬鹽通量.北支向南支輸送了大量的鹽分,巨量的鹽分出南北支分叉口后被南支漲潮流帶往上游輸送一段距離,然后在落潮流的作用下分成兩部分向下輸移,主體部分進(jìn)入白茆沙北水道,另有一部分進(jìn)入白茆沙南水道.南、北水道中輸送的鹽分在七丫口附近河段中匯合,其中小部分通過南門水道進(jìn)入新橋水道,然后在新橋水道漲潮優(yōu)勢流的作用下向上游輸移,從而在平面上形成一個環(huán)流結(jié)構(gòu);其余大部分通過南支主槽下瀉,并分別進(jìn)入南港和北港.3.3原水流輸送的計算如上文所述,水體對鹽度的輸送可以在機(jī)制上分解成5項,其中第一、二項合稱為Lagrange余流輸送,第三、四項合稱為潮泵輸送,第五項稱為垂向切變輸送.3.3.1潮平均輸送區(qū)域占主導(dǎo)地位Lagrange余流對鹽度的輸送在絕大多數(shù)區(qū)域占主導(dǎo)地位,尤其在北支河道中(圖8).這表明水體的潮平均輸送對北支倒灌鹽分的輸送起到主導(dǎo)作用.3.3.2南北支生長的區(qū)域圖9是鹽度的潮泵輸送,它對北支倒灌鹽水的輸送起到不可忽視的作用.潮泵輸送是由漲、落潮時鹽度的不對稱造成的.造成這種不對稱的原因主要有兩個,即混合和不同叉道之間的水體交換.南北支分叉口區(qū)域是南北支水流交匯的區(qū)域,在漲潮的初期,來自南支的沖淡水體進(jìn)入北支上段;進(jìn)入漲潮中、后期和落潮初期后,北支的高鹽水體以舌狀進(jìn)入南支,并與南支水體混合、移動.因此,不同叉道之間的水體交換是這一區(qū)域漲落潮鹽度不對稱的主要原因,也是產(chǎn)生潮泵輸送的主要原因.從另外一個角度來看,南北支水體交換的結(jié)果是北支在漲落潮過程中向南支有節(jié)奏的輸送鹽分,北支鹽水是南支上段鹽度的來源.同泥沙的輸送機(jī)制相類似,這種源匯效應(yīng)造成了漲落潮期間鹽度的不對稱.因此,南支上段鹽度的潮泵輸送又可以看作是由于源匯效應(yīng)造成的.3.3.3垂向切變輸送特征圖10是鹽度的垂向切變輸送.河口地區(qū)的水動力、鹽度分布具有三維特性,單用垂向平均輸送來刻畫鹽度輸送是不完備的.垂向切變輸送實質(zhì)上是對平均輸送的一個補(bǔ)充,在鹽度垂向混合均勻的區(qū)域可以忽略.由于河口地區(qū)流速垂向分布的一般規(guī)律是表層大,底層小,鹽度則表層低,底層高,因此瞬時垂向切變輸送的方向多數(shù)時候與流速方向相反,潮平均后的輸送方向與鹽度在漲、落潮過程中垂向分布的差別相關(guān).從量值上看,垂向切變輸送要遠(yuǎn)小于Lagrange余流輸送和潮泵輸送.在南支緊鄰分叉口的區(qū)域,北支鹽水剛進(jìn)入南支,尚未充分混合,垂向差異比較顯著,因此有較強(qiáng)的垂向切變輸送.輸送的方向指向上游,表明落潮時期鹽度的垂向差異更為顯著.隨著混合的加強(qiáng),其余區(qū)域的垂向切變輸送可以忽略不計.3.4斷面積分的確定將潮平均鹽度輸送單寬通量、單寬Lagrange余流輸送、單寬潮泵輸送和單寬垂向切變輸送進(jìn)行斷面積分,可以分別得到斷面鹽通量、斷面Lagrange余流輸送、斷面潮泵輸送和斷面垂向切變輸送.表1是大、中、小潮期間各斷面上的鹽通量、機(jī)制分解項及所占的百分比,表2是南支各叉道輸送鹽量的比例.3.4.1潮泵、大橋和長絲束鹽量的分布大潮期間,北支向南支輸送了大量的鹽分.在Sec1,潮平均斷面鹽量輸送約每秒21.05t,其中潮泵輸送占總量的27%.由于水深較淺,鹽度上下混合均勻,垂向切變輸送為零.大潮期間從北支倒灌過來的鹽水尚在南支上段振蕩而未下移,因此南支河段的斷面鹽量輸送從上游到下游呈現(xiàn)遞減的趨勢.白茆沙南水道(Sec3)、北水道(Sec2)斷面鹽量輸送的總和要大于北支上端的鹽量輸送,這是因為不斷倒灌下來的鹽水除了在徑流的作用下往下游移動外,也有一部分在當(dāng)?shù)乩鄯e了下來.北水道是南支鹽水下瀉的主要通道,從中輸送的鹽量占到南、北水道總和的79%.南、北水道中的潮泵輸送占總輸送量的比例都很高,在北水道中甚至超過了Lagrange余流輸送.垂向切變輸送比較顯著,方向指向上游,和總體輸送方向相反,表明落潮時期南、北水道中鹽度的垂向差異更為顯著.南門水道是東風(fēng)沙和下扁擔(dān)沙之間的一條串溝,是南支主槽和新橋水道之間水、鹽交換的重要途徑.在七丫口附近河段,大多數(shù)的鹽水通過南支主槽(Sec6)下瀉,也有相當(dāng)一部分的鹽量通過南門水道(Sec5)進(jìn)入新橋水道,兩者分別占總量的79%和21%.受下移速度的影響,通過南支主槽和南門水道的鹽量總和要小于白茆沙南、北水道之和.在南門水道,潮泵輸送占主要地位(65%),南支主槽中的潮泵輸送也比較重要(25%).新橋水道是一條漲潮槽,鹽水通過南門水道進(jìn)入其中后被輸送往上游(Sec4).在陳行水庫附近河段,通過南支主槽(Sec8)的鹽量進(jìn)一步減小.新橋水道(Sec7)中上溯的鹽度通量為0.84t/s,要小于上游(Sec4為2.31t/s),表明新橋水道中的高鹽水主要是從南門水道中進(jìn)入其中的北支倒灌鹽水.中央沙兩側(cè)的南(Sec10)、北港(Sec9)斷面鹽通量較陳行水庫斷面更小.北港斷面鹽通量占南、北港總量的41%.3.4.2中潮、小潮、海潮之間的鹽排放量變化中潮期間,北支向南支輸送的鹽量減小到每秒16.73噸,小潮期間進(jìn)一步減小到3.31t/s.由于倒灌鹽量的減小,南支上段的斷面鹽度通量減小.鹽水團(tuán)隨徑流往下游輸移,南支中、下段的斷面鹽度通量增加.中潮時期白茆沙北水道輸送的鹽量占南、北水道總量的82%,較大潮時有所增加,進(jìn)入小潮后這一比例增加到了90%.這是由于隨著潮差的減小,倒灌入南支的鹽量減小,鹽水繞過白茆沙進(jìn)入南水道的難度加大所致.通過南門水道進(jìn)入新橋水道的鹽量占下瀉總量的比例在中潮期間下降到了12%,小潮時下降到了11%.通過北港斷面下瀉的鹽量占總量的比例在中潮期間為41%,和大潮期間一致,進(jìn)入小潮后超過南港增加到57%.4潮潮水位的輸送本文基于三維數(shù)值模式ECOM-si,采用通量機(jī)制分析的方法,對長江河口北支倒灌鹽水的輸送進(jìn)行了定量研究.北支在大、中潮期間向南支倒灌輸送了巨量的鹽分,倒灌鹽水團(tuán)隨徑流逐漸下移,使南支河段的鹽度升高.從鹽量輸送的機(jī)制上看,Lagrange余流輸送和潮泵輸送是北支鹽水進(jìn)入南支并往下游各處輸送的主要動力機(jī)制,在多數(shù)地區(qū)前者起主導(dǎo)作用,局部地區(qū)兩者作用相當(dāng).潮泵輸送的方向在多數(shù)地區(qū)都和Lagrange余流輸送方向一致,但在新橋水道中,有時潮泵作用的方向和Lagrange余流輸送的方向相反.這是因為新橋水道是一條漲潮槽,潮平均水體的輸送方向指向上游,但新橋水道中的高鹽水主要