河口咸潮入侵研究進展

黃洪城, 匡翠萍, 顧 杰, 陳 維, 冒小丹

(1. 同濟大學 土木工程學院, 上海200092; 2. 上海海洋大學 海洋科學學院, 上海201306)

河口地區是海洋與河流的交匯地帶, 擁有豐富的海洋資源, 交通便利, 是人類生活、生產、貿易活動頻繁的場所。沿海及河口地區居住著全球三分之二的人口, 孕育了城市, 且其中很多發展成為重要的經濟、貿易、文化中心[1]。然而, 長期以來, 河口地區飽受咸潮災害侵襲, 包括荷蘭、德國、意大利、美國、中國在內的很多國家, 每年均因河口地區咸潮入侵遭受巨大損失[2]。近年來, 人類對河口地區的改造、全球氣候變化引起的河流徑流改變, 特別是全球海平面的不斷上升, 都對河口地區的咸潮災害造成了一定的影響, 不少河口地區的咸潮災害有頻率增大、災害加重的趨勢。因此, 咸潮入侵作為河口水環境中普遍存在的問題, 受到越來越多的關注, 不少學者都在進行咸潮入侵的研究。

20世紀30年代, 美國的水道試驗站(WES)和荷蘭Delft水工實驗所就在咸潮研究上做了很多基礎工作, 而對河口或三角洲地區的咸潮研究則始于20世紀50年代左右, 美國潮汐力學委員會在1954年對哥倫比亞河口的咸潮及其現象首先進行調查分析。國內對河口咸潮的研究起步較晚, 始于20世紀60年代,到20世紀80年代才有較為系統的研究, 且研究區域集中在長江口、珠江口等區域[3]。

本文歸納總結了河口咸潮入侵的研究方法、影響因素及其危害的分析研究, 闡述了與咸潮入侵相關的河口基本現象和過程。河口咸潮入侵的數學模型經過30多年的發展, 從最初的一維模型到后來的二維模型, 直至今天的三維模型, 不斷地豐富進步。最后, 在總結目前研究的基礎上, 展望了河口咸潮入侵未來的研究方向。

1 河口咸潮入侵的研究方法

咸潮入侵研究的方法主要有 3種, 分別是現場觀測分析、物理模型試驗和數學模型模擬。

1.1 現場觀測分析

現場觀測分析是研究咸潮入侵的基本方法, 該方法主要是通過實地觀測獲得大量鹽度數據, 進行統計分析, 得到一些咸潮入侵的時空變化規律, 并且可以分析徑流、潮汐等因素對咸潮入侵的影響。現場觀測的數據同時可應用于物理模型和數值模擬的驗證。

現場觀測雖然能夠獲得大量實測資料, 但其研究成果易受觀測資料的時間跨度、觀測站點布置、觀測指標個數等影響, 而且現場觀測還受測量準確性等人為因素和天氣等自然因素的影響。

1.2 物理模型試驗

物理模型試驗主要是通過建立研究區域的物理模型, 設計不同的河口水文情況、工況來研究河口咸潮入侵, 分析鹽度的擴散機理及其與河口水環境、泥沙輸運等的關系。

然而, 該方法作為一個模型試驗方法, 對于地形地貌復雜的大河口以及具體的工程, 往往需要進行模型概化, 導致物理模型與實際河口地形地貌存在一定偏差。同時, 物理模型研究咸潮入侵過程中的咸水處理工藝、咸水混合、咸界控制等也存在一定困難, 且鹽水是一種強電解質, 易對試驗儀器造成腐蝕, 增加了咸潮入侵物理模型試驗的成本。

1.3 數學模型模擬

數學模型模擬方法是目前研究咸潮入侵最為普遍的方法, 該方法從鹽度守恒方程出發, 結合水動力的變化, 分析不同水文條件下的咸潮入侵情況。咸潮入侵的數值模擬方法包括一維、二維和三維的數值模擬, 其中二維咸潮入侵數值模擬又可以分為平面二維數值模擬和垂向二維數值模擬[1,4-5]。

利用數值模擬方法研究河口咸潮入侵, 可以直觀地展現出河口鹽度的時空變化過程, 揭示水文條件變化后河口系統的響應; 采用單因子敏感性試驗,能夠清楚地了解不同動力因子對河口咸潮入侵的影響; 而分析數學模型的計算結果, 可以進一步研究河口咸潮入侵的機制[6]。

數值模擬研究河口咸潮入侵能夠很好地彌補現場觀測易受觀測站點布置、測量精度、天氣影響及物理模型的高投入等不足, 這也是其成為目前主流研究方法的主要原因。

2 河口咸潮入侵相關的物理現象和過程

20 世紀 50 年代開始, 以 Pritchard[7-9]、Ippen[10]、Simmons[11]、Dyer[12]、Officer[13]等為代表, 對與咸潮入侵相關的基本河口現象和過程, 主要包括: 咸潮入侵長度、河口的混合過程、河口咸淡水混合類型、河口密度環流、河口環流與最大渾濁帶的關系等, 進行了富有開創性和奠基性的研究探索。Simmons[11]將一個潮周期內流入河口的徑流量與潮流量之比定義為混合模數M, 來判別咸淡水混合的類型。Hansen等[14]根據實測鹽度和流速, 將河口分為 4大類: 充分混合型(余流單一向海)、部分分層型(底部余流出現向陸)、鹽水楔類型(具有明顯的重力環流結構)、高度分層但無明顯重力環流結構型。Wolanski等[15]通過二維數學模型證明 Fly河口最大渾濁帶的形成與潮泵作用、床面侵蝕和沉積過程、密度流、沉降速度等因素有關。

國內對河口咸潮入侵的相關現象、過程研究主要集中在長江口、珠江口等大河口。茅志昌等[16-17]依據實測資料, 對長江口咸潮入侵鋒及潮汐分汊河口入侵類型等進行了探討。張重樂等[18]利用實測資料討論了咸淡水混合及潮差、高潮位的關系。沈煥庭等[19]在對長江口咸潮入侵進行大量研究的基礎上,編著了《長江河口鹽水入侵》, 對長江口咸淡水混合類型、咸潮入侵的來源以及鹽度的時空變化規律等作了全面、深入的探討。周濟福等[20]建立準二維鹽度數學模型來研究長江口混合過程, 得到鹽度分布、鹽度鋒強度隨徑流和潮差定量變化的規律。朱建榮等[21]研究了河口最大渾濁帶形成的動力機制。應秩甫等[22]研究珠江口伶仃洋的咸淡水混合時發現, 伶仃洋橫向存在東咸西淡的鹽度梯度, 鹽度為 5的等鹽度線可侵入珠江口各口門。Mao等[23]基于1998年實測資料發現伶仃洋東槽有明顯的密度環流。Dong等[24]研究分析了 1999～2000年實測資料, 發現伶仃洋東部存在明顯的重力環流, 枯季則一致向海。

3 河口咸潮入侵的影響因素

河口地區是河流與海洋的過渡地帶, 受到二者的雙重作用, 而入侵河口的咸潮又主要來源于海洋咸水, 因此, 徑流與潮汐是河口咸潮入侵的兩大主要影響因素。近年來, 全球海平面不斷上升, 海平面上升對河口咸潮入侵的影響逐漸變大。此外, 河口區域歷來是人類的聚居地, 經濟發達, 愈來愈頻繁的人類活動對其產生的影響不斷加大。風也是影響河口咸潮入侵的重要因素。

3.1 徑流

徑流是影響河口咸潮入侵的一個重要因素, 它主要通過徑流量的大小、徑流的季節變化和徑流量變化幅度大小等影響河口的咸潮入侵[19]。朱建榮等[25]、胡松等[26]利用ECOM模式研究了徑流對河口咸潮入侵的影響, 發現徑流量增大后, 口門內咸潮入侵減弱, 口外鹽度減小, 沖淡水擴展范圍增大?？梢? 徑流量直接影響河口的咸潮入侵, 但因為徑流與海水的混合需要一定時間, 使得徑流量變化和鹽度變化通常不同步, 存在一定的時間滯后, 例如, 肖成猷等[27]在分析徑流對長江口咸潮入侵影響時發現, 長江口咸潮入侵存在明顯的季節變化, 徑流量變化與鹽度變化的時間滯后在小徑流量情況下更加明顯。

3.2 潮汐和潮流

潮汐和潮流分別是天體引潮力引起的海面垂直方向的漲落和海水水平方向的流動, 是咸淡水混合的“動力源”, 對咸潮入侵的影響是至關重要的。潮汐、潮流對咸潮入侵的影響包括: 潮流對咸潮的對流輸運、潮汐引起的紊動混合、潮汐與地形共同作用引起的“潮汐捕集”和“潮汐輸送”[28]。

3.3 風

風對咸潮入侵具有較大影響, 風速、風向不同,河口地區漲、落潮流的強度就不同, 對河口地區的咸潮入侵影響也就會有差異。不同的風速和風向作用下, 河口地區可以產生不同的水平環流[29], 所產生的水平環流, 可能對河口地區的咸潮入侵產生一定作用。例如, 朱建榮等[30]探討了風應力對長江口沒冒沙淡水帶的影響, 得出枯季北風產生向岸的?？寺斶\, 生成了北港流進南港和南槽流出的水平風生環流, 阻礙了南槽外海的咸潮入侵。通過建立珠江口三維水動力模型, 匡翠萍等[31]研究風速、風向對夏季河口環流和咸淡水混合的影響, 發現常南風下河口產生強分層現象, 強西南風則加強了河口表層的混合, 但河口仍處于弱分層狀態, 而強東北風使得香港水域鹽度大大增加, 水體形成強混合現象。

3.4 海平面上升

近年來, 全球變暖以及日益密集的人類活動使得海平面持續上升, 這可能使得咸潮上溯的距離增加, 加劇河口的咸潮入侵災害。Hong 等[32]利用三維水動力—富營養化數學模型(HEM-3D)對美國的Chesapeake Bay的鹽度、咸潮入侵深度、鹽度分層進行研究, 發現海平面上升后, Chesapeake Bay的平均鹽度、咸潮入侵深度等呈增加趨勢。Mohsen 等[33]利用2D-FED模型研究海平面上升對尼羅河三角洲的影響, 發現海平面上升50 cm將使尼羅河三角洲咸潮入侵距離增加9 km。Bhuiyan等[34]利用數學模型研究了海平面上升對 Gorai河咸潮入侵的影響, 發現海平面上升59 cm后, 河口上游80 km處的鹽度增加了0.9。

據2011年中國海平面公報統計, 1980年至2011年, 中國沿海海平面平均上升速率為 2.7 mm/a, 高于全球平均海平面上升速率 1.8 mm/a[35], 海平面上升對中國河口(珠江口、長江口等)咸潮入侵的影響受到越來越多學者的關注。孔蘭等[36]建立一維動態潮流、含氯度數學模型, 計算了海平面上升對咸潮上溯的影響, 并對珠江口代表口門在海平面上升 10, 30和60 cm后的咸潮上溯距離進行計算。

3.5 人類活動

河口地區人類活動頻繁, 修筑擋潮閘、大量采砂、建造導堤、開挖深水航道等, 均對河口咸潮入侵有很大影響。其中, 不少人類活動會加劇河口的咸潮入侵, 如南水北調東線工程若按預期調水方案實施將加劇長江口的咸潮入侵, 加大長江口水庫取水口附近的鹽度[37]; 長江口深水航道工程增大了長江口南槽和北槽上段的鹽度[29]; 珠江口人工挖沙可能破壞東江咸、淡水的回蕩平衡[38]。還有一些人類活動則會弱化河口的咸潮入侵, 如長江口南北支整治工程能減少北支鹽水倒灌, 降低陳行水庫附近鹽度[39]; 三峽水庫修建后, 枯水期水庫下泄流量增加, 有利于緩解長江口水源地的咸潮入侵[37]。也就是說, 人類活動對河口咸潮入侵的影響不一定是負面的, 也有正面的影響。

河口地區因其地理位置優越, 人類活動在未來肯定會更加頻繁、劇烈, 對于河口咸潮入侵的影響將不斷擴大。

4 河口咸潮入侵的危害及其相關研究

河口地區經濟發達, 人口眾多, 供應充足的日常用水是維持河口地區正常生產生活的必要條件,同時, 河口地區往往是大型港口所在地, 需要足夠的港口水深, 以滿足船只的正常通航。河口地區一旦遭遇咸潮入侵影響, 不僅日常用水得不到正常供應,咸潮入侵造成的泥沙絮凝淤積亦將妨礙港口的正常通航, 甚至造成航運事故。

4.1 河口地區供水

中國《生活飲用水水源水質標準》[40]規定, 飲用水氯化物含氯應小于 250 mg/L, 當河口地區發生咸潮入侵, 導致河口水源地附近鹽度增大, 將威脅河口地區居民的生活飲水用水, 如 2007～2008年珠江口強咸潮事件影響了廣州地區和珠海各水廠的供水[41]、2004年珠江口持續了近5個月的海水倒灌影響了1 000多萬人的飲用水[42]等。

很多學者研究了咸潮入侵對河口地區供水的影響, 顧玉亮等[43]研究了北支咸潮入侵對長江口水源地的影響; 余奕昌等[44]分析長江口咸潮入侵途徑與規律, 進而探討咸潮入侵對上海水資源的影響; 李勇等[45]分析了咸潮的成因與危害, 發現咸潮來臨時不僅帶來高濃度的氯化物, 同時也導致了下游污染物的上溯, 使得原水中其他水質指標上升; 鑒于咸潮入侵對河口地區供水的影響越來越大, 孔蘭等[42]對咸潮影響下磨刀門水道取淡時機進行了研究, 提出了“最早取淡日”與“最后取淡日”等概念。

河口地區人口密集, 經濟發達, 一旦遭遇咸潮入侵的影響, 必將對該地區居民生產生活用水產生強烈影響, 并帶來巨大的經濟損失, 因而河口地區咸潮入侵對供水的影響將會受到更多學者的關注。

4.2 泥沙絮凝淤積

河口地區往往是大型港口所在地, 要求能夠滿足良好的通航條件, 而咸潮入侵會促使細顆粒泥沙發生絮凝沉降, 進而造成河口泥沙淤積, 改變河口水動力, 影響河口通航。Meade[46]、Sholkovitz[47]和Kate[48-49]等研究發現, 鹽水內含有大量強電解質,使得細顆粒泥沙在鹽水中具有物理化學粘結力, 在水流內相互碰撞后粘附在一起, 形成較大絮凝體,加速沉降。關許為等[50-51]通過室內試驗證實, 當鹽度小于5時, 泥沙沉積速率隨鹽度增加而加快, 而當鹽度大于5后, 沉積速度基本與鹽度變化無關。金鷹等[52]發現, 在徑流與咸水混合初期, 咸水中高價陽離子的吸附與離子強度的增大, 細顆粒泥沙的電位突降,從而大大降低了雙電層間的排斥作用, 使細顆粒泥沙趨于不穩定。陳慶強等[53]認為鹽度在影響泥沙絮凝淤積的各個因子(鹽度、含沙量、水溫、有機質等)中占據主導地位。

關于河口泥沙絮凝淤積問題已進行了大量研究,但缺少將河口泥沙絮凝淤積與實際咸潮入侵時空分布聯系起來的系統研究。

5 河口咸潮入侵數學模型的研究進展

20世紀80年代, 咸潮入侵相關的數學模型開始發展。Savenije等[54-56]通過對大量河口咸潮入侵曲線的研究, 發展了一系列咸潮上溯模型, 用來模擬預測河口的咸潮。Gillibrand等[57]利用一維數學模型對Ythan河口的水位、鹽度及總氧氮進行了模擬, 并將迎風差分與中心差分相結合以模擬強潮流。Wolanski等[15]模擬研究 Fly河口的咸潮入侵情況, 探討了淺水效應、潮波等對咸潮入侵的影響。Essink[58]采用MOCDENS3D模擬了北部Nether島嶼附近的淡水、鹽水的分布, 研究了其三維空間的咸潮入侵情況。Thain等[59]對部分混合型河口的咸潮上溯和潮汐入侵鋒進行了詳細的研究。

現今國際上使用較廣泛、發展較成熟的三維水動力海洋數學模型主要有: POM模型[60]、ECOM模型[60]、ROMS模型[61]、TRIM 模型[62]等結構網格模式, 以及 FVCOM模型[63]、ELCIRC模型[64]、UNTRIM模型[65]等無結構網格模式, 它們均可應用于河口咸潮入侵的數值模擬研究。其中ECOM模式和FVCOM模式已在許多河口海岸地區得到廣泛應用和驗證。還有一些可視化的商業軟件, 如Delft 3D和Mike等, 都能很好地模擬水流、咸潮入侵、泥沙輸運等物理過程。

國內學者同樣建立了大量一維、二維和三維數學模型。

一維咸潮入侵數值模擬主要是對一維鹽度擴散方程進行離散和數值計算, 并利用計算結果研究鹽度縱向分布及入侵長度等。黃昌筑[66]利用一維鹽度擴散方程分析了長江口咸潮入侵現象; 韓乃斌[67]基于一維鹽度擴散方程研究了南水北調工程對長江口咸潮入侵深度的影響; 易家豪[68]采用一維河口分汊水流數學模型研究河口縱向各斷面水流、鹽度均值的變化。

二維咸潮入侵數學模型包括平面和垂向二維模型, 周濟福等[20]、王義剛[69]、匡翠萍[70]等建立的長江口垂向二維咸潮入侵模型, 以及肖成猷等[71]、陶學為[72]、羅小峰[73]等建立的長江口平面二維咸潮入侵模型, 對長江口的咸潮入侵進行了很好的模擬研究。

關于三維咸潮入侵模型, 匡翠萍[74]、宋元平等[75]分別建立了長江口咸潮入侵的三維數學模型, 研究長江口鹽度分層現象。嚴以新等[76]建立了河口三維非線性斜壓水流鹽度數學模型。羅小峰[73]通過三維數值模擬研究了長江口深水航道工程實施后北槽咸潮入侵的變化。

近年來, 國內也有很多學者基于國外數學模型和商業軟件(如Delft 3D、Mike 21等)來研究河口的咸潮入侵。龔政等[77-78]基于POM模型得到適合長江口的 σ坐標下的三維非線性斜壓流場及鹽度數學模型。朱建榮等[79]、馬鋼鋒等[80]在ECOM模式基礎上,分別建立了長江口三維鹽度數值模式。劉均衛[81]利用 ELCIRC模型對長江口的咸潮入侵作了研究。王彪[6]基于 FVCOM 模型建立了珠江口三維咸潮入侵數學模型, 模型中考慮了徑流、潮汐、風、斜壓以及陸架環流等各種動力因子。匡翠萍等[31]利用Delft 3D模型建立珠江口水動力模型, 研究風速、風向對香港水域環流和咸淡水混合的影響。

6 總結

(1) 河口咸潮入侵的研究方法有現場觀測分析、物理模型試驗和數學模型模擬 3種。數值模擬研究河口咸潮入侵能夠很好地彌補現場觀測易受觀測站點布置、測量精度、天氣影響及物理模型的高投入等不足。

(2) 與咸潮入侵相關的現象和過程的機理研究主要包括: 咸潮入侵長度、河口的混合過程、河口咸淡水混合類型、河口密度環流、河口環流與最大渾濁帶的關系等, 對于這些基本河口現象、過程的研究,國外早在20世紀50年代便已經開始, 國內的研究則相對起步較晚, 且主要集中在長江口、珠江口等大河口。

(3) 影響河口咸潮入侵的因素包括徑流、潮汐、潮流、風、海平面上升、人類活動等, 近年來由于全球氣候的變化, 海平面不斷上升, 海平面上升以及人類活動對河口咸潮入侵的影響越來越大, 當然,人類活動對咸潮入侵有正面和負面兩方面的影響。

(4) 河口咸潮入侵會造成河口地區生產、生活供水困難、河口泥沙絮凝淤積等危害, 進而影響河口地區的生產生活和經濟發展, 學者們在咸潮入侵對河口地區供水危害方面作了很多研究, 但關于咸潮入侵對河口泥沙絮凝淤積影響方面的研究, 主要集中在鹽度對泥沙絮凝淤積影響的機理研究, 而缺少將咸潮入侵過程、時空分布與河口泥沙絮凝淤積聯系起來的系統研究。

(5) 河口咸潮入侵的數學模型在國外的發展已經相當成熟, 國際上目前也已經有一大批先進的咸潮入侵數學模型得到廣泛應用; 國內的學者們同樣建立了大量一維、二維和三維咸潮入侵數學模型, 而近年來國內不少學者利用國外先進的咸潮入侵數學模型和可視化的商業軟件研究河口咸潮入侵, 并取得不少成果。

7 展望

(1) 利用數學模型方法研究河口的咸潮入侵,伴隨著計算機功能的快速發展, 未來將受到更多學者的青睞, 物理模型和現場觀測分析是機理性方面研究和驗證數學模型不可缺少的研究手段。

(2) 對于咸潮入侵相關的基本河口現象和過程的研究, 可以從對長江口、珠江口等大河口地區的重點關注延伸擴展到國內的其他中小型河口, 為解決中國整體的咸潮入侵問題服務。

(3) 伴隨著全球氣候變化, 以及人類日益密集的生產生活活動, 海平面上升、人類活動對于河口咸潮入侵的影響將越來越大, 尤其是海平面的上升,近些年全球海平面上升速度不斷加快, 海平面上升對河口咸潮入侵的影響應受到更多關注。

(4) 河口咸潮入侵引起的生產生活用水問題將繼續保持研究熱度, 對河口咸潮入侵引起的泥沙絮凝淤積問題, 應該加強泥沙絮凝淤積機理與咸潮入侵過程、時空分布之間關系的系統研究。

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