長江河口鹽水入侵數值模擬研究

楊同軍 ，王義剛 ，黃惠明 ，3，袁春光

（1.中國電力工程顧問集團東北電力設計院，長春 130021；2.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；3.南京水利科學研究院，南京 210029）

長江河口鹽水入侵數值模擬研究

楊同軍1，2，3，王義剛2，黃惠明2，3，袁春光2

（1.中國電力工程顧問集團東北電力設計院，長春 130021；2.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；3.南京水利科學研究院，南京 210029）

長江河口鹽水入侵一直是困擾上海市工農業生產及生活用水的一個重大問題。文章通過建立“長江口—杭州灣”大范圍的二維水流鹽度數學模型，在驗證的基礎上，重點分析了長江口鹽水入侵總體格局、北支鹽水倒灌、南支鹽度分布格局等問題，并指出由于橫沙通道的漲落潮流不平衡，北槽會有部分鹽水倒灌進入北港；基于數學模型，對北支倒灌鹽通量進行了初步計算。

鹽水入侵；二維數學模型；鹽水倒灌；鹽通量；長江河口

Biography：YANG Tong-jun（1987-），male，assistant engineer.

河口是河流與海洋相互混合的過渡地帶，其中蘊含著豐富的物質資源。作為中國第一大河的長江在我國最大城市上海市入海，不僅為臨近沿海城市港口、航運、漁業等的發展提供了便利，同時還為上海市的居民生活及工農業生產提供了豐富的淡水資源。但是由于長江口其特殊的地理位置及“三級分汊，四口入海”的格局，河口地區時常有鹽水入侵現象發生，枯季大潮期間尤為嚴重。特別是近年來隨著長江流域重大水利工程三峽及南水北調的實施及長江口北槽深水航道治理工程的完工，必然導致長江上游來水的季節分布及長江口北槽河勢發生變化，這都會對長江口鹽度的時空分布及鹽水入侵格局產生一定的影響。

圖1 長江口水文測驗布置示意圖Fig.1 Sketch of hydrologic survey in the Yangtze River Estuary

我國對長江口鹽水入侵的研究始于20世紀60～70年代［1-2］，經過幾十年的發展，眾多學者利用實測資料分析及數值模擬等方法對長江口鹽水入侵的時空分布［3-5］、北支鹽水倒灌及其通量［6-8］、鹽水入侵對重大工程［9-10］及水文氣象條件變化［11-12］的響應等方面進行了深入的研究。

文章依據長江口枯季的水文鹽度實測資料，利用丹麥DHI公司開發的MIKE21 FlowModel FM無結構網格水動力（HD）模塊及其附屬的溫鹽（TS）輸移模塊，建立“長江口—杭州灣”二維水流鹽度數學模型，在驗證良好的基礎上，對枯季長江口流場及鹽度的時空變化特征進行詳細分析，并對北支鹽水倒灌過程及倒灌鹽通量進行了初步計算。

1 二維潮流鹽度數學模型的建立及驗證

根據以往的研究［13-14］，長江口枯季大潮間鹽水入侵現象最為嚴重，最遠可上溯至江陰附近，同時，長江口與杭州灣之間的水體和鹽度交換對精確模擬長江口鹽水入侵至關重要。因此，模型范圍為上游至江陰驗潮站，北至江蘇呂四港附近，南至浙江象山縣，東部外海開邊界距離北槽深水航道約120 km的大范圍海域。模型模擬時間為2002年2月28日～3月9日共10 d，驗證資料為長江口水域同步全潮水流鹽度實測資料，模型計算均以1985國家高程基準為基準面。模型驗證點見圖1。模型共包含45 712個網格單元，23 977個網格節點。網格空間步長外海開邊界處最大為7 050 m，北支青龍港及北槽深水航道處最小分別約為300 m、450 m；時間輸出步長為30 s，計算時間步長由CFL數控制。具體的模型網格見圖2。

圖2 模型范圍及網格Fig.2 Model scope and mesh

1.1 控制方程

式中：t為時間；x、y為笛卡爾坐標系；g為重力加速度；η為相對于計算基面的水位；h為全水深，若d為靜止水深，則 h =η+d；、分別為垂線平均流速在x、y方向上的分量；f=2Ωsinφ為科氏力參量，Ω為地球自轉角速度，φ為地理緯度；S為水流源匯項流量；vs、us為源匯項流速分量；Pa為當地大氣壓強；ρ為海水密度；ρ0為參考密度；Sxx、Sxy、Syx、Syy為輻射應力張量；τsx、τsy分別為海面風摩阻在 x 、y 方 向上的分量；τbx、τby分別為海底摩阻在x、y方向上的分量；Txx、Txy、Tyy為水質點側向應力，該模型采用Smagorinsky公式［15］計算水平渦粘系數，；為垂線平均鹽度；Fs為鹽度水平擴散項；ss為鹽度源匯項。

1.2 模型離散、參數的選取及定解條件

（1）MIKE21模型中空間離散采用有限體積法；時間離散可以采用一階顯式歐拉法或者二階龍格—庫塔方法，由于模型范圍較大，為減少計算時間，模型的時間離散采用一階顯式歐拉法求解。

（2）底部糙率根據模型區域水深及床面形態，經反復調試后取為0.01～0.02之間。

（3）模型水平渦粘系數A計算中cs取為0.28；鹽度水平擴散系數AH主要是由水流的紊動引起的，模型中取AH=A。

（4）模型的外海開邊界由全球潮波模型［16-17］預報潮位驅動，上游邊界采用江陰驗潮站實測潮位控制；固壁邊界法向流速為0，對于潮灘較大區域，模型中引入干濕網格判別技術；對于鹽度邊界條件，南邊界自西向東采用15‰～30‰線性插值，東邊界自南向北為30‰～35‰線性插值，北邊界自西向東為25‰～35‰線性插值，上游開邊界取鹽度梯度為0。

（5）模型的初始條件，水動力模型采用冷啟動方式，初始水位、流速及流向皆為0；對于鹽度輸運模型，經過9個月的反復計算后得到的鹽度場作為初始鹽度。

1.3 模型驗證

由于實測點位較多，潮位的驗證選取上游的徐六涇及北槽頂端的橫沙站進行驗證，因為要計算北支倒灌鹽通量，北支涌潮現象的精確模擬對計算結果影響很大，選取青龍港站進行驗證；潮流在徐六涇附近、南北支各選一點進行大、小潮驗證；鹽度僅選擇代表性站位進行大潮的驗證。

圖3 全潮潮位驗證圖Fig.3 Validation of tidal level process

圖6 大潮鹽度驗證Fig.6 Validation of salinity during spring tide

由圖3～圖6可知，潮位、潮流的計算結果與實測資料較比較吻合，能夠反映長江口漲潮歷時小于落潮歷時，并且由口門至口內漲潮歷時縮短、落潮歷時延長的基本特征，其中北支青龍港站的潮位模擬結果漲潮歷時明顯小于落潮歷時，潮位模擬結果與實測值也比較吻合，說明該模型對北支涌潮現象的模擬比較準確。模型的鹽度模擬結果與實測值基本吻合，能夠反映長江口鹽度的變化趨勢，由Y4、Y5、Y8、Y9、Z5的鹽度模擬結果對比以及Z1、Z6、Z9的鹽度，模型較好地模擬了長江口南支鹽水入侵形勢及北支的高鹽水狀況，結果可以用其來分析長江口枯季期間的鹽水入侵現象。

由圖7可知，模型很好地模擬了長江口流態。對整個區域來說，杭州灣流速最大，外海水域開闊，流速較小。長江口水流北支由于大潮時涌潮存在，漲潮流速特別大，落潮流相對較小。對于南支水域，總體來說落潮流速大于漲潮流速，且越往上游這種現象越明顯。同時，由圖7可以看出，北槽與北港會通過長興島與橫沙島之間的橫沙通道進行水流的交換，因此必然存在鹽度的交換，且漲潮流速大于落潮流速，這種水流結構會對通道兩側的鹽度分布產生影響。

圖7 長江口大潮流場圖Fig.7 Current field of the Yangtze River Estuary during spring tide

2 長江口枯季鹽水入侵分析

2.1 鹽水入侵的時空變化

長江口外海鹽水入侵主要有北支、北港、北槽、南槽四條路徑，大潮及中潮期間上游還受到北支鹽水倒灌的影響，整體的鹽度時空分布呈現比較復雜的變化，尤其是南支河段，不同潮汐強度下鹽水入侵格局相差很大。圖8分別是大、小潮高、低潮時長江口鹽水入侵分布圖。

圖8 長江口不同時期鹽度分布圖Fig.8 Salinity distribution in the Yangtze River Estuary in different periods

由圖8可知，模擬結果準確地給出了長江口外海高鹽水入侵的四條路徑。其中北支一直保持著高鹽水狀態，大潮時連興港以上水域保持著25‰左右的鹽度，青龍港附近鹽度更高，由于受到北支涌潮現象的影響，落潮量大幅度小于漲潮量，附近鹽度在26‰左右擺動，最大時可達27.9%；小潮時北支鹽水入侵程度相對有所降低，但仍維持在22‰左右。正是因為北支如此高的鹽度倒灌，才形成了南支不同時間段復雜的鹽水入侵格局。

南支河段大潮高潮時高鹽水從外海及北支上端涌入，此時崇頭附近鹽度很高，最大時達到8‰，但是鹽度還沒有向南支擴散，如圖8-a所示。但是在落潮階段，受徑流以及落潮流的影響，加之北支極小的分流比，北支的高鹽水沿著白茆沙北水道倒灌進入南支，隨水流向南支下端移動，低潮時鹽度擴散最遠，可影響到青草沙水庫水域，形成了“高—低—高”的鹽水入侵格局，如圖8-b。

小潮階段，長江口整體鹽水入侵強度有所減弱，崇頭附近鹽度大幅度降低，最大僅為1‰，加之北支小潮期間潮差較小，涌潮現象不明顯，不存在明顯的鹽水倒灌現象。由圖8-c可知，在小潮高潮時，僅有極少量鹽水漂移至南支，并不能引起南支上端鹽度明顯增加。低潮時，高鹽水并未隨落潮流進入南支，主要隨水流重新匯入北支河段，由于徑流的稀釋，北支上段鹽度降低較明顯，如圖8-d。總體來說，小潮期間，南支從口內到口門鹽度呈現由低到高的趨勢，符合一般河口的鹽水入侵規律。

同時，依據模擬結果可知，南支上端，大潮高潮時4‰等鹽度線在僅位于南支白茆沙體頂端位置，到低潮時，4‰等鹽度線已迅速擴展至白茆沙體的下端；中潮階段，4‰等鹽度線下移距離最遠，到達南門驗潮站附近；而在小潮時，隨著潮動力及北支涌潮的減弱，4‰等鹽度線皆位于北支以內，且低潮比高潮更深入北支，這說明小潮期間基本不存在鹽水倒灌現象。由此可見，大量的北支鹽水倒灌進入南支主要發生在枯季大潮后期及中潮前期。

通過模擬結果還可以看出，南支下端大潮高潮時4‰等鹽度線位于北槽的上緣位置，南槽河段4‰等鹽度線則沿著南匯邊灘延伸南匯咀附近，大潮低潮時，4‰等鹽度線繼續向外擴展，到達九段沙下緣，南槽河段則繼續向東南方向擴延，形成一條巨大的淡水地帶。

模型還模擬出北港與北槽之間存在鹽度的交換。根據本文的模型計算以及萬遠揚等［18］的研究，長興島與橫沙島之間的橫沙通道漲潮流占明顯的優勢，漲潮時北槽水流鹽度由橫沙通道進入北港，落潮時由于北槽大量水工建筑物的阻隔，導致漲落潮流不平衡，部分水流不能匯入北槽。如此的漲落潮流格局導致部分鹽度從北槽倒灌進入北港，并且這部分鹽度會隨著北港的漲潮流進一步影響北港上游區域。

2.2 北支倒灌鹽通量初步研究

鹽通量是指某一時間段內凈通過某固定斷面的鹽度總量。北支鹽水倒灌是引起長江口復雜的鹽水入侵格局的主要原因，準確掌握北支鹽水倒灌通量，可為長江口淡水資源的合理利用提供科學依據，但是基于目前的實測資料，還難以定量地對倒灌通量進行分析。由此，依據建立的數學模型，對北支鹽水倒灌通量進行初步研究。

通過模型，分別計算大、中、小潮期間青龍港斷面（具體見圖1中Z1-Z2斷面）的鹽度通量，取連續的25 h作為鹽度通量的計算時間段，其包含2個完整的潮周期。由此，計算得出大、中、小潮期間通過斷面的鹽通量分別為-1.16×106t，-2.59×104t和 1.39×106t，其中負號表示鹽水倒灌。

由此可知，大潮、中潮期間都存在比較明顯的鹽水倒灌現象，其中大潮期間倒灌鹽通量達-1.16×106t，中朝期間遠小于大潮期間，僅為-2.59×104t，小潮期間總體來說不存在鹽水倒灌現象，這與上文的分析結果是一致的。

3 結論

文章通過建立“長江口—杭州灣”大范圍的平面二維水流鹽度數學模型，模擬了枯季期間長江口鹽水入侵狀況，并初步對北支鹽水倒灌通量進行計算，主要得出以下結論：

（1）長江口枯季大、中潮期間北支一直保持高鹽水狀態，基本維持在20‰以上，并且北支大潮期間存在明顯的涌潮現象，加之北支極小的分流比，以上因素都是形成北支鹽水倒灌南支的主要原因。

（2）南支在大、中潮期間由于鹽水倒灌，鹽度縱向分布呈現“高—低—高”的格局，小潮期間不存在此種現象，表現出正常的鹽水入侵狀態。

（3）通過模型，可以看出南匯邊灘附近存在一條淡水帶，可為長江口的淡水資源利用及避咸蓄淡提供科學指導。

（4）長江口北港與北槽之間存在水流鹽度的交換，并且由于漲落潮流的不平衡，部分鹽水會倒灌進入北港，進而影響北港上部水域。

（5）初步分析長江口北支倒灌鹽度通量，指出北支在大、中潮期間存在較大的鹽水倒灌，小潮期間總體來說不存在鹽水倒灌。

［1］易家豪.長江口銅沙江亞地區鹽水楔異重流初步分析［R］.南京：南京水利科學研究院，1964.

［2］韓乃斌.長江口鹽水入侵分析［R］.南京：南京水利科學研究院，1979.

［3］王義剛，朱留正.河口鹽水入侵垂向二維數值計算［J］.河海大學學報，1991，19（4）：1-8.

WANG Y G，ZHU L Z.Vertical two-dimensional numerical model of salt intrusion in tidal estuaries［J］.Journal of Hohai University，1991，19（4）：1-8.

［4］茅志昌，沈煥庭，徐彭令.長江河口咸潮入侵規律及淡水資源利用［J］.地理學報，2000，55（2）：243-250.

MAO Z C，SHEN H T，XU P L.The pattern of saltwater intruding into the changjiang estuary and the utilization of freshwater resources［J］.Acta Geographica Sinca，2000，55（2）：243-250.

［5］ZHANG E F，Savenije H H G，WU H，et al.Analytical solution for salt intrusion in the Yangtze Estuary，China［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，2011，91（4）：492-501.

［6］肖成猷，朱建榮，沈煥庭.長江口北支鹽水倒灌的數值模型研究［J］.海洋學報，2000，22（5）：124-132.

XIAO C Y，ZHU J R，SHEN H T.Study of numerical modelling about salt water flow backward in the Changjiang Estuary North Branch［J］.Acta Oceanologica Sinca，2000，22（5）：124-132.

［7］吳輝，朱建榮.長江河口北支倒灌鹽水輸送機制分析［J］.海洋學報，2007，29（1）：17-25.

WU H，ZHU J R.Analysis of the transport mechanism of the saltwater spilling over from the North Branch in the Changjiang Estuary in China［J］.Acta Oceanologica Sinca，2007，29（1）：17-25.

［8］朱建榮，吳輝，顧玉亮.長江河口北支倒灌鹽通量數值分析［J］.海洋學研究，2011，29（3）：1-7.

ZHU J R，WU H，GU Y L.Numerical analysis of the inverted salt flux from the North Branch into the South Branch of Changjiang River Estuary［J］.Journal of Marine Sciences，2011，29（3）：1-7.

［9］王義剛，黃惠明.三峽及南水北調工程聯合運行對長江河口鹽水入侵影響初步研究［C］//中國水利學會河口治理與保護專業委員會.中國水利學會2007學術年會人類活動與河口分會場論文集.北京：中國水利水電出版社，2007.

［10］WANG Y G，HUANG H M，LI X.Critical discharge at Datong for controlling operation of South-to-North Water Transfer Project in dry seasons［J］.Water Science and Engineering，2008（2）：47-58.

［11］傅利輝.長江河口南槽沒冒沙水域淡水帶形成和變化動力機制的研究［D］.上海：華東師范大學，2008.

［12］羅鋒，李瑞杰，廖光洪，等.水文氣象條件變化對長江口鹽水入侵影響研究［J］.海洋學研究，2011，29（3）：8-17.

LUO F，LI R J，LIAO G H，et al.Influence of hydrometeorological variation on saltwater intrusion in Changjiang River Estuary［J］.Journal of Marine Sciences，2011，29（3）：8-17.

［13］李禔來，李誼純，高祥宇，等.長江口整治工程對鹽水入侵影響研究［J］.海洋工程，2005，23（3）：31-38.

LI T L，LI Y C，GAO X Y，et al.Effects of regulation project on salinity intrusion in Yangtze Estuary［J］.The Ocean Engineering，2005，23（3）：31-38.

［14］羅小峰.長江口水流鹽度數值模擬［D］.南京：南京水利科學研究院，2003.

［15］Smagorinsky J.General circulation experiments with the primitive equations I：the basic experiment［J］.Monthly Weather Review，1963，91（3）：99-164.

［16］Egbert G D，Bennett A F，Foreman M G G.TOPEX/POSEIDON tides estimated using a global inverse model［J］.Journal of Geophysical Research，1994，99（C12）：24 821-24 852.

［17］Egbert G D，Erofeeva S Y.Efficient inverse modeling of barotropic ocean tides［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2002，19（2）：183-204.

［18］萬遠揚，孔令雙，戚定滿，等.長江口橫沙通道近期演變及水動力特性分析［J］.水道港口，2010，31（5）：373-378.

WAN Y Y，KONG L S，QI D M，et al.Study on characteristics of hydrodynamic and morphological evolution at Hengsha Watercourse of the Yangtze Estuary，China［J］.Journal of Waterway and Harbor，2010，31（5）：373-378.

Research on salinity intrusion in the Yangtze River Estuary by numerical simulation

YANG Tong-jun1,2,3，WANG Yi-gang2，HUANG Hui-ming2,3，YUAN Chun-guang2
（1.Northeast Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group,Changchun130021,China;2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing210098,China;3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing210029,China）

Salinity intrusion in the Yangtze River Estuary is a serious problem for the industrial and agricultural production and living in Shanghai City.A 2D large scale tidal current and salinity transport model of the Yangtze River Estuary and Hangzhou Bay was developed.Based on calibration and validation,some key problems such as overall pattern of salinity intrusion in the Yangtze River Estuary,the saltwater spilling over from the north branch and salinity distribution in the south branch were analyzed.Because the flood tidal current is not equal to the ebb tidal current in Hengsha Watercourse,some saltwater can spill over from the north passage to the north channel.Salt flux from the north branch into the south branch was preliminarily analyzed by using the mathematical model.

salinity intrusion；2D mathematical model；saltwater spilling over；salt flux;the Yangtze River Estuary

P 731.12；O 242.1

A

1005-8443（2013）06-0473-09

2013-03-12；

2013-04-02

河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室開放基金（長江口北槽深水航道整治工程對鹽水入侵影響研究）；國家科技支撐計劃課題（2012BAB03B01）；河海大學中央高校基本科研業務費項目（2011B06014）；南京水利科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業務費專項（YN912001）

楊同軍（1987-），男，山東省壽光市人，助理工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測方面的工作。