长江口规划工程影响下的咸潮入侵数值模拟
栾华龙1,2,柯科腾1,葛建忠1*,陈炼钢3,杨万伦1,丁平兴1
【摘 要】摘 要:基于无结构网格数值模型FVCOM建立了长江口三维盐水输运模型,模型经充分验证后能够合理刻画长江口水动力和盐度输运过程,并成功对2010—2014年多次咸潮倒灌过程进行后报模拟,计算结果与实测吻合较好。以2014-01—02咸潮入侵事件为背景模拟三峡运行后河口规划工程对长江口咸潮入侵和倒灌的影响。结果表明河口规划工程整体上减弱南支咸潮入侵和倒灌,但使口门地区盐度增大,北支下段咸潮上溯稍有增强。规划工程减弱青草沙水库和陈行水库受咸潮入侵的影响,但使东风西沙水库取水口盐度增大,尤其在南支规划工程的作用下盐度最大值和平均值均有所增大,这主要是受扁担沙护滩潜堤的阻流作用影响而使入侵和倒灌的盐水团落潮不畅形成滞留。未来十年随着长江口规划工程的推进、上游水沙条件变异及其引起的地形冲淤变化,需进一步开展系统的咸潮入侵演变和影响研究。 【期刊名称】海洋科学进展 【年(卷),期】2018(036)004 【总页数】15
【关键词】关键词:咸潮入侵;FVCOM;三维数值模拟;河口规划工程;长江口 资助项目:国家重点研发计划项目——大型水库对河流-河口系统生物地球化学过程和物质输运的影响机制(2016YFA0600903);国家自然科学基金项目——高浊度河口近底高浓度泥沙形成机制与数值模拟研究(41776104)
上海市地处长江经济带和沿海经济带的交汇处,是我国经济体量最大、人口分布最集中的区域,也是国际金融和贸易中心。随着经济发展和人口增长,上海市对淡
水资源的需求逐年增加,对淡水资源安全的关注保持着极高的热度[1]。毗邻上海市的长江河口是世界第三、亚洲第一大河——长江的入海口,1950—2010年平均径流量达到8 964亿m3[2],巨大的径流量为上海市及江苏沿岸城市提供了丰沛且优质的淡水资源。2010年,随着青草沙水库建成并运营,上海市的淡水来源经历了从黄浦江等内河水源为主向长江口水源为主的转移,已建成的陈行水库和在建的东风西沙水库同样利用长江口淡水资源。在上海市中长期城市供水水源规划研究中,长江口依然是上海市主要原水来源地[3]。
长江河口是典型的径潮流相互作用下的河口。由于特有的河口地貌形态,长江口淡水资源同时受到外海咸潮入侵和北支倒灌南支的威胁(图1)[4-6]。前人基于大量的实地观测和模型分析认为咸潮入侵和倒灌是径流、潮汐、风况、地形等多个因素共同作用的结果[7-8]。近十几年来气候变化和人类活动在改变上述因子的同时又相互叠加,共同决定了长江口咸潮入侵的变化趋势[9]。枯季咸潮入侵还呈现显著的空间变化特征,北支被高盐水控制,南支受北支倒灌影响为两头高、中间低,横向上北支、南槽、北槽、南港依次递减[6]。
近十几年来长江口越来越受到局地工程的影响,这些工程的建设势必会对咸潮入侵过程产生影响。目前长江口已建有大量整治工程,包括北槽深水航道工程、横沙浅滩圈围工程、青草沙水库、浦东机场促淤工程、崇明东滩互花米草及鸟类栖息地优化工程、北支新村沙圈围工程等。2008年国务院批准了水利部上报的《长江口综合整治开发规划》,规划的核心目标是控制和稳定河势,规划内容多为固沙潜堤和滩涂围垦等整治工程措施[10],主要包括白茆小沙鱼骨坝促淤工程、白茆沙头部潜堤与鱼骨坝护滩工程、上下扁担沙右缘潜堤工程、瑞丰沙潜堤工程、堡镇沙圈围工程、横沙东滩圈围工程、南汇边滩圈围工程、新村沙综合整
治工程、北支下段中缩窄圈围工程、顾园沙圈围工程等(图2),部分工程已开工建设,如横沙东滩围垦工程和白茆沙头部潜堤工程。
这些大型河口工程实施后长江口咸潮入侵和倒灌的演变和影响值得深入研究。李禔来等[11]使用二维盐度数学模型研究长江口整治工程对盐水入侵的影响,结果表明南北支整治工程的实施将减弱北支倒灌,然而二维模型无法刻画盐水入侵过程中显著的垂向差异。陈泾和朱建荣[12]使用改进后的三维数学模型ECOM-si模拟北支新村沙围垦工程后咸潮倒灌的变化时发现工程增强北支下段盐水入侵,减弱北支咸潮倒灌南支;李林江和朱建荣[13]基于相同的模型模拟南汇边滩围垦工程对盐水入侵的影响,结果表明南槽盐水入侵减弱,而北港和崇明东滩盐度增大。以上两者均是对单个整治工程进行模拟研究,而长江口规划工程遍布整个河口,所有工程完工后可能会对咸潮入侵和倒灌产生大范围的影响。工程建设的同时,长江入海水沙条件也在发生变异,后三峡工程时代长江口咸潮入侵特征将发生相应改变[14],如遇类似2006年的极端枯水年[15]以及极端天气情况,咸潮入侵和倒灌过程将变得更加复杂。因此,在研究长江口规划整治工程的影响时,有必要考虑河流上游来水条件的变化。
本文基于三维数学模型FVCOM研究长江口规划整治工程实施后咸潮入侵和倒灌的演变和影响。模型在以往验证的基础上,补充验证了2012-12北支加密站位的水文和盐度观测,并且对历史咸潮倒灌过程进行模拟和分析,以保证模型在水动力和盐度模拟中具有较高的精度。以2014-01—02为背景工况,模拟三峡运用后河口规划工程影响下长江口咸潮入侵和倒灌的演变。
1 模型建立和验证
1.1 FVCOM模型简介
长江口规划工程影响下的咸潮入侵数值模拟
