長(zhǎng)江口水文鹽通量模擬研究

長(zhǎng)江口水文鹽通量模擬研究

1長(zhǎng)江口鹽水入侵研究上海的水主要來(lái)自黃浦江，但水質(zhì)和水量無(wú)法滿足每天增加的水需求。作為上海的第二口淡水，長(zhǎng)江河口越來(lái)越受影響。充分利用長(zhǎng)江口淡水資源，可以有效緩解上海的供水量。上海取用長(zhǎng)江水的主要引水工程為寶鋼水庫(kù)、陳行水庫(kù)以及計(jì)劃于2010年建成的青草沙水庫(kù)。為了保證水庫(kù)取水口的水質(zhì),當(dāng)鹽度超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(約0.45‰,應(yīng)停止引長(zhǎng)江水,然而長(zhǎng)江口在枯水期時(shí)常會(huì)發(fā)生鹽水入侵現(xiàn)象:如1978年冬至1979年春,由于長(zhǎng)江水量特枯,加上沿江各地大量抽水,導(dǎo)致咸水入侵特別嚴(yán)重,崇明島全部被咸水包圍,長(zhǎng)江口徐六涇以下河段遭受咸水侵襲長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月之久,各家水廠的氯度也都超標(biāo);1999年2～3月,陳行水庫(kù)曾連續(xù)25d取不到合格的長(zhǎng)江水,使上海市部分地區(qū)自來(lái)水水質(zhì)受到嚴(yán)重影響。在長(zhǎng)江三峽工程2003年6月正式蓄水、南水北調(diào)工程動(dòng)工的背景下,長(zhǎng)江河口的來(lái)水量及其季節(jié)分配勢(shì)必會(huì)影響鹽度的分布,尤其在枯水季節(jié),這種影響將更為嚴(yán)重。因此研究枯水期上游調(diào)水對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵規(guī)律的影響及對(duì)水庫(kù)取水口處的鹽度影響,是上海以及長(zhǎng)三角地區(qū)合理開(kāi)發(fā)和利用長(zhǎng)江口淡水資源需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。研究鹽水入侵的方法主要有對(duì)實(shí)測(cè)資料分析和建立數(shù)學(xué)模型來(lái)復(fù)演鹽水入侵現(xiàn)象。沈煥庭等闡述了長(zhǎng)江河口鹽水入侵的時(shí)空變化特征,并探討了論證中的南水北調(diào)工程對(duì)鹽水入侵可能產(chǎn)生的影響,這是對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵最早的系統(tǒng)性研究。之后,不少學(xué)者通過(guò)分析長(zhǎng)江口流量和鹽度實(shí)測(cè)資料變化趨勢(shì)和相關(guān)關(guān)系,對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵的規(guī)律和機(jī)制進(jìn)行了更為深入的研究。在長(zhǎng)江口鹽度數(shù)學(xué)模型方面,王義剛等通過(guò)側(cè)向積分和垂向口變換,將不規(guī)則計(jì)算區(qū)域化為矩形區(qū)域,對(duì)鹽水入侵的垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬。韓乃斌、肖成酞分別建立了長(zhǎng)江口二維鹽度數(shù)學(xué)模型,模擬了北支鹽水倒灌后南支鹽水入侵的變化?？锎淦紝?duì)3個(gè)方向進(jìn)行伸縮變換,成功地模擬了攔門沙地區(qū)的水流鹽度。李褆來(lái)、羅小峰等通過(guò)數(shù)值模擬研究了長(zhǎng)江口綜合整治工程對(duì)鹽水入侵的影響。由上可知,有關(guān)三峽工程和南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵及長(zhǎng)江口水源地水庫(kù)取水口鹽度影響的研究偏重于實(shí)測(cè)資料的理論分析,所建立的數(shù)學(xué)模型主要側(cè)重于對(duì)具體河段或工程的影響。本文通過(guò)建立一個(gè)大范圍的長(zhǎng)江口二維水流鹽度數(shù)學(xué)模型,來(lái)分析上游調(diào)水和外海潮差對(duì)長(zhǎng)江口主要水庫(kù)取水口附近的鹽度影響,為已建和在建水庫(kù)的取水方案提供科學(xué)依據(jù)。2特性軟件的設(shè)計(jì)Delft3D-Flow是一個(gè)模擬二維(深度平均)、三維非恒定流及其輸移特性的軟件,該模型平面上采用正交曲線網(wǎng)格坐標(biāo),垂向采用σ坐標(biāo)。它建立在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上,采用交替方向法(ADI)對(duì)該坐標(biāo)系下的控制方程組進(jìn)行離散求解,計(jì)算穩(wěn)定,能處理潮間帶及灘槽交替的復(fù)雜地形。2.1u3000鹽度恒壓方程在正交曲線坐標(biāo)系ζ、η下,二維水流運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程可分別表示如下。沿水深積分的連續(xù)方程:分和η方向的動(dòng)量方程:鹽度守恒方程:式中ζ為參考水平面上的水深;d為參考水平面下的水深;為ξ方向的坐標(biāo)變換系數(shù);為η方向的坐標(biāo)變換系數(shù);u、v分別代表ξ和η方向的平均流速;ρ為水的密度;Pε為ξ方向壓力梯度;Pη為η方向壓力梯度;f為柯氏力系數(shù);Fξ、Fη分別為ξ和η方向的紊動(dòng)動(dòng)量通量;C為謝才系數(shù);S為鹽度,Dh為水平鹽度擴(kuò)散系數(shù)。2.2南邊界南匯前邊界模型計(jì)算范圍:西起上游的江陰,東至外海-40m等深線處,北邊界至連興港的北側(cè),南邊界包括南匯嘴向東延伸,包括南北支、南北港和南北槽在內(nèi)的整個(gè)長(zhǎng)江口水域(圖1)。其中東西向的長(zhǎng)度大約為280km,南北向的長(zhǎng)度大約為210km。模型總網(wǎng)格數(shù)為277×152,水平空間網(wǎng)格長(zhǎng)在300～3500m之間。2.3邏輯中有效開(kāi)邊界的確定模型的外海開(kāi)邊界條件給定水位過(guò)程,由8個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到。河流開(kāi)邊界沿河口上游方向上溯至江陰(長(zhǎng)江的潮流界),因此不受潮流影響,可以用于分析不同徑流量下鹽水入侵的程度和影響?？紤]到大通到江陰河段沒(méi)有大型的支流和取水工程影響,故江陰流量可以依據(jù)大通水文站不同月份的平均流量以及三峽工程和南水北調(diào)工程的各調(diào)水方案的組合對(duì)大通流量的影響結(jié)果給定。上游開(kāi)邊界鹽度取為0,外海邊界鹽度北邊界由西向東按31‰～34‰線性插值,東邊界由北向南按34‰～35‰線性插值,南邊界鹽度由東向西按35‰～15‰線性插值。初始水位取潮位平均值,初始鹽度考慮到鹽水的擴(kuò)散速度比淡水快,采用低濃度值5‰啟動(dòng)。糙率按線性插值取n=0.01+0.01/H,鹽度紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)Dh經(jīng)調(diào)試后取200m2/s(取值在10～1000m2/s之間都能夠使鹽度場(chǎng)的計(jì)算穩(wěn)定),計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為60s。3長(zhǎng)江口徑流。在枯季多長(zhǎng)江口的鹽度主要受制于徑、潮流的相互作用及其變化。由于長(zhǎng)江口地形復(fù)雜,多級(jí)分汊,以及徑、潮流的變幅都較大,故口門附近的鹽度存在復(fù)雜的時(shí)空變化。長(zhǎng)江口徑流有洪枯季之分,較嚴(yán)重的鹽水入侵一般發(fā)生在枯季,洪季徑流量相對(duì)比較大,上游的調(diào)水作用占徑流量比重相對(duì)較小,基本不受影響。同時(shí)長(zhǎng)江的徑流也有明顯的年際變化,存在枯水年、中水年和豐水年,其中又是流量相對(duì)較少的枯水年和中水年鹽水入侵影響最為嚴(yán)重。3.1水庫(kù)正常蓄水位三峽水庫(kù)建庫(kù)后根據(jù)水庫(kù)正常蓄水位175m方案運(yùn)行,汛期庫(kù)水位在防洪限制水位145m運(yùn)行,水庫(kù)不蓄水,河口維持原有徑流量;汛末10月起,水庫(kù)蓄水到正常蓄水位,如遇枯水年,11月份繼續(xù)蓄水。1～5月增加下泄流量,庫(kù)水位從正常蓄水位下降到防洪限制水位,騰出防洪庫(kù)容。三峽工程興建后,長(zhǎng)江的入海總流量并不會(huì)發(fā)生變化,只是年內(nèi)分配有所變化,使河口各月、季流量趨于平均。三峽水庫(kù)建庫(kù)前后典型枯水年(以1959年10月至1960年5月為代表)和中水年(以1950年10月至1951年5月為代表)的大通流量變化見(jiàn)表1,可見(jiàn),三峽工程使枯季的來(lái)水量增加,以2月份增加最多。3.2確定排放鹽水為長(zhǎng)江口鹽水入侵者南水北調(diào)中線和西線工程均遠(yuǎn)離長(zhǎng)江下游,未來(lái)完工運(yùn)行之后,長(zhǎng)江流量雖有所減少,但對(duì)大通的月平均入海流量的影響并不是很大,而東線方案,由于位于長(zhǎng)江下游,且全部完工后,計(jì)劃最大抽引江水1000m3/s,占枯季長(zhǎng)江下泄流量的比例相對(duì)較大,所以,南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵產(chǎn)生影響主要以東線為主。從南水北調(diào)工程計(jì)劃調(diào)水前后典型年枯水年、中水年大通流量變化(表2)來(lái)看,枯季調(diào)水在枯、中水年會(huì)占到來(lái)水量的10%以上,其影響不容忽視。4鹽水入侵規(guī)律模擬法驗(yàn)證本文選用2002年9月17～30日洪季長(zhǎng)江口各水文站實(shí)測(cè)水位資料對(duì)模型進(jìn)行率定,并用2002年3月份枯季實(shí)測(cè)水位資料對(duì)模型水位進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)分別采用2002年9月22日和2002年3月4日14:00開(kāi)始連續(xù)25h觀測(cè)流速資料對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行率定驗(yàn)證,各計(jì)算測(cè)站布置見(jiàn)圖2。圖3為部分水文站枯季潮位驗(yàn)證圖,可見(jiàn)實(shí)測(cè)值和模型計(jì)算值基本擬合良好。流速和流向擬合也比較好,圖4為Y6測(cè)點(diǎn)的驗(yàn)證圖,說(shuō)明水流模型率定的參數(shù)合理,能夠基本反映長(zhǎng)江口的實(shí)際情況,采用這些參數(shù)來(lái)模擬鹽水入侵規(guī)律是可行的。鹽度驗(yàn)證采用2004年5月5日5:00到6日11:00共31h的實(shí)測(cè)鹽度資料,驗(yàn)證結(jié)果(圖略)表明,測(cè)站cs5、nc3、ng3的鹽度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值符合較好,能夠很好地模擬出鹽度的周期性變化。其它測(cè)站的計(jì)算峰值略有偏小,分析可能的原因有兩個(gè):①上游流量給定為4、5月份多年平均流量,并非當(dāng)月實(shí)測(cè)值,上游徑流的沖淡作用使得低濃度區(qū)的鹽度峰值達(dá)不到實(shí)測(cè)值;②這些測(cè)點(diǎn)基本位于長(zhǎng)江口深水航道附近,而網(wǎng)格的精度還不足以反映導(dǎo)流建筑物的準(zhǔn)確布置及尺度,丁壩等長(zhǎng)度的偏大可能會(huì)加強(qiáng)對(duì)水流的束窄作用,使得外海鹽水上溯受到一定阻礙。5影響長(zhǎng)江水源取水口水量的分析5.1波組合計(jì)算長(zhǎng)江口的鹽水入侵主要受到上游徑流量和外海潮波的影響,為了更加全面了解三峽工程和南水北調(diào)工程對(duì)長(zhǎng)江口水源地的鹽度影響,并考慮南水北調(diào)最大調(diào)水量情況下的不利狀況,本文選取了幾個(gè)典型的流量和潮波組合進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)以上分析得到典型中水年的相關(guān)流量值與枯水年的值比較接近,故為減少計(jì)算量只計(jì)算枯水年的各流量組合。具體包括多年枯季(均以2月份為代表)平均流量(11400m3/s),枯水年枯季的流量(8090m3/s),僅有南水北調(diào)工程(7090m3/s)或三峽工程影響下的枯季流量(10070m3/S),以及兩個(gè)工程聯(lián)合調(diào)節(jié)后的流量值(9070m3/s)。將這些流量組合,作為模型上游江陰上邊界條件。外海潮波通過(guò)統(tǒng)計(jì)邊界點(diǎn)上調(diào)和常數(shù)計(jì)算所得1a左右的潮位數(shù)據(jù),以一定的比例分離出大中小潮,取各自的平均值得到大中小潮的代表潮差作用于外邊界。5.2化學(xué)成分分析分析不同水文組合下的水庫(kù)取水口鹽度變化是研究上游流量和潮波對(duì)長(zhǎng)江口水源地影響的重要組成部分。各取水口附近的鹽度在徑流和潮流的相互作用下呈現(xiàn)周期性的變化。表3統(tǒng)計(jì)了寶鋼、陳行、青草沙水庫(kù)取水口附近在不同流量及潮波組合下的平均鹽度值變化情況,可以看到,隨著上游來(lái)水量的減少,或者外海潮差的增大,水庫(kù)取水口附近的鹽度都表現(xiàn)出增高的趨勢(shì)。對(duì)于不同的取水口,青草沙的鹽度值較寶鋼和陳行水庫(kù)為高,陳行的鹽度微大于寶鋼,主要是因?yàn)榍嗖萆尘嚯x口門比較近,更容易受到外海鹽水入侵的影響,而陳行位于寶鋼下游并共用一個(gè)水庫(kù)大壩。當(dāng)外邊界為大潮時(shí),即使是在多年枯季平均流量下,各取水口附近的鹽度均已超過(guò)飲用水取水標(biāo)準(zhǔn)(約0.45‰),經(jīng)回歸分析,當(dāng)上游流量大于13000m3/s時(shí),取水口的鹽度才符合取水標(biāo)準(zhǔn)。而在中潮和小潮情況下,鹽度則要小很多:如在中潮作用時(shí),在三峽和南水北調(diào)工程聯(lián)合調(diào)水作用下,即當(dāng)上游流量大于10070m3/s時(shí),其鹽度含量也不會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn);在小潮情況下,在流量大于7090m3/s時(shí),外海鹽水入侵不會(huì)影響寶鋼、陳行水庫(kù)附近的水質(zhì),可見(jiàn)外海潮差對(duì)鹽水入侵的影響作用不容忽視。不過(guò)實(shí)際情況都是大、中、小潮間隔出現(xiàn),總體來(lái)說(shuō)比純粹大潮作用下可以有所緩解。6鹽水對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵現(xiàn)象的影響長(zhǎng)江口在枯季經(jīng)常發(fā)生鹽水入侵現(xiàn)象,對(duì)長(zhǎng)江口水庫(kù)取水口附近的鹽度變化產(chǎn)生重要的影響。本文采用實(shí)測(cè)資料對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上,將三峽工程和南水北調(diào)工程調(diào)水方案下的流量與外海潮差進(jìn)行組合分析