朱建榮，白鳳朋

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051）

引江濟(jì)淮工程是以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境的大型跨流域調(diào)水工程。工程溝通長(zhǎng)江、淮河兩大水系，潤(rùn)澤安徽、惠及河南、造?；春印⑤椛溟L(zhǎng)江，具有保障供水、發(fā)展航運(yùn)、改善水環(huán)境等巨大綜合效益。引江濟(jì)淮工程對(duì)促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)和支撐安徽、河南兩省發(fā)展具有重要意義。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江航道網(wǎng)與淮河航道網(wǎng)互聯(lián)互通，加強(qiáng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶交通基礎(chǔ)建設(shè)，加快綠色生態(tài)廊道建設(shè)，促進(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的協(xié)調(diào)發(fā)展。長(zhǎng)江河口咸潮入侵主要受徑流和潮汐的作用，另外還受風(fēng)應(yīng)力、口外陸架環(huán)流和河勢(shì)變化等影響。長(zhǎng)江徑流量具有顯著的季節(jié)性變化，枯季1-2月平均徑流量約為洪季7-8月平均徑流量的四分之一，故影響水源地取水的咸潮入侵一般發(fā)生在枯季。徑流量大，咸潮入侵弱；徑流量小，咸潮入侵強(qiáng)。除了季節(jié)性自然變化引起徑流量變化外，人類活動(dòng)，如流域重大工程（三峽大壩、南水北調(diào)工程、引江濟(jì)淮工程等），會(huì)改變長(zhǎng)江入海徑流量，從而影響咸潮入侵和淡水資源。

在研究河口區(qū)域時(shí)，為了提高模式計(jì)算的精度和網(wǎng)格局部地區(qū)的空間分辨率，目前已有多種優(yōu)秀模型采用了正交曲線網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[1]。CHEN等人[2]發(fā)展了非正交坐標(biāo)曲線網(wǎng)格下的ECOM模式，以此來(lái)擬合復(fù)雜彎曲的岸線。CHEN等人[3]采用Euler-Lagrange方法計(jì)算物質(zhì)輸運(yùn)方程的平流項(xiàng)，該方法可以有效地避免數(shù)值頻散；朱建榮等[4]采用預(yù)估修正法計(jì)算科氏力項(xiàng)，修正了模式在渦動(dòng)粘滯系數(shù)較小的時(shí)候存在的弱不穩(wěn)定性；WU等人[5]開(kāi)發(fā)了3階精度的HSIMT-TVD數(shù)值格式并用于ECOM-si模式中求解物質(zhì)輸運(yùn)方程中的平流項(xiàng)，達(dá)到消除數(shù)值頻散、降低耗散等目的，提高了鹽度計(jì)算的精度；陶英佳等[6]基于FVCOM數(shù)值模型建立了長(zhǎng)江口咸潮入侵預(yù)報(bào)系統(tǒng)；陳祖軍[7]對(duì)后三峽工程時(shí)代的長(zhǎng)江口水源地鹽水入侵特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)一般在農(nóng)歷9月至來(lái)年4月間，尤以2月咸潮入侵最為嚴(yán)重。

本文采用ECOM-si三維數(shù)值模式，在分析引江濟(jì)淮工程對(duì)長(zhǎng)江入海徑流量影響和模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分別研究在2030年50%，75%和90%徑流保證率和大潮情景下引江濟(jì)淮工程對(duì)長(zhǎng)江口咸水入侵的影響，為研究引江濟(jì)淮工程引起的長(zhǎng)江口生態(tài)環(huán)境變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 三維數(shù)值模式的設(shè)置和驗(yàn)證

1.1 模式設(shè)置

本項(xiàng)目采用三維數(shù)值模式ECOM-si,該模式長(zhǎng)期應(yīng)用于長(zhǎng)江河口地區(qū)水動(dòng)力過(guò)程和鹽水入侵等方面的研究，并取得諸多成果[4，5，8]。模型計(jì)算范圍包括整個(gè)長(zhǎng)江河口、杭州灣和鄰近海區(qū)，外海開(kāi)邊界東邊界到125°E附近，北邊界到33.5°N附近，南邊界到27.5°N附近[圖1（a）]。上游邊界設(shè)在長(zhǎng)江潮區(qū)界大通，這樣可直接采用大通水文站的實(shí)測(cè)徑流量資料來(lái)給出模式的徑流邊界條件。模式網(wǎng)格較好地?cái)M合了長(zhǎng)江河口的岸線，并主要對(duì)南北支分汊口以及北槽深水航道工程區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。在長(zhǎng)江河口內(nèi)網(wǎng)格分辨率為100～500 m，口外網(wǎng)格較疏，分辨率最大為10 km。垂向采用σ坐標(biāo)，均勻分為10層。模式干濕判別法中，臨界水深取0.2 m。模式初始水位和流速場(chǎng)均取0，溫度和鹽度初始場(chǎng)在長(zhǎng)江口外由《渤海黃海東海海洋圖集（水文）》數(shù)字化得到，河口內(nèi)由枯季多次實(shí)測(cè)資料插值得到。上游開(kāi)邊界以通量（徑流量）形式給出，取大通水文站實(shí)測(cè)資料不同保證率下的徑流量。

模型采用隱式格式求解水位，代替了POM模式中利用分裂算法求解水位的方法。模式水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格配置，垂直方向采用σ坐標(biāo)。模式采用隱式方法求解正壓梯度力，連續(xù)方程利用半隱格式進(jìn)行求解，從而提高模式的計(jì)算效率，回避了因CFL判據(jù)而限制的時(shí)間步長(zhǎng)條件。模式對(duì)水平粘滯和擴(kuò)散項(xiàng)采用顯示差分以增加計(jì)算效率，對(duì)垂向粘滯項(xiàng)和垂向擴(kuò)散項(xiàng)采用隱式差分求解，從而保證其垂向上的分辨率和穩(wěn)定性。采用Mellor和Yamada提出的2.5階湍流閉合模型來(lái)計(jì)算垂向粘滯系數(shù)和垂向擴(kuò)散系數(shù)[9]。

圖1 長(zhǎng)江口鹽度模型計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.1 The calculation grid of the salinity model for the Yangtze River Estuary

1.2 模式驗(yàn)證

采用2011年12月至2012年1月期間長(zhǎng)江河口鹽度觀測(cè)資料對(duì)模型計(jì)算鹽度結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。其中，在2011年12月24日至2012年1月13日期間，在A，B，C和D測(cè)點(diǎn)位置利用航道浮標(biāo)懸掛CTD，對(duì)各點(diǎn)表層鹽度值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)。在2012年1月2日至5日小潮期間和1月10日至13日大潮期間利用OBS進(jìn)行多船準(zhǔn)同步，對(duì)E，G，H，I和J測(cè)點(diǎn)進(jìn)行鹽度觀測(cè)。測(cè)站位置如圖2。徑流、風(fēng)等因素對(duì)鹽水入侵有很強(qiáng)的影響，因此給出觀測(cè)期間的徑流量和風(fēng)應(yīng)力情況，其中風(fēng)場(chǎng)僅給出崇明東灘附近一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向以作示意（圖3）。模式計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4，吻合良好。

圖2 2011年12月至2012年1月鹽度驗(yàn)證點(diǎn)位置Fig.2 Map of salinity verification point position

圖3 2011年12月至2012年1月大通站徑流量和崇明東灘附近風(fēng)速、風(fēng)向Fig.3 Discharge of Datong Station and wind velocity and di?rection of Chongmingdongtan Station

A，B兩個(gè)測(cè)站位于北支口，該區(qū)域大小潮期間均為高鹽水覆蓋，鹽度值介于25～30，受漲落潮影響，鹽度日變化顯著。C測(cè)站位于青草沙取水口附近，在66～71 d期間鹽度明顯增加，表明該時(shí)段鹽水入侵對(duì)水庫(kù)取水造成嚴(yán)重影響。D測(cè)站位于北港口，63 d前鹽度值基本低于10，之后鹽度值陡增至25，表明外海來(lái)的高鹽水增多，鹽水入侵增強(qiáng)。C測(cè)站和D測(cè)站鹽度明顯升高均發(fā)生在62～71 d期間，該時(shí)間段為小潮及小潮后的中潮。對(duì)比徑流量和風(fēng)速風(fēng)向可以發(fā)現(xiàn)，這段時(shí)間內(nèi)徑流量偏低，易造成鹽水入侵，同時(shí)在60～70 d北風(fēng)極強(qiáng)，外海高鹽水在科氏力作用下向北港內(nèi)輸運(yùn)，造成鹽水入侵加劇。

圖4 表層鹽度實(shí)測(cè)值（點(diǎn)）與模型計(jì)算結(jié)果（線）比較Fig.4 Comparison of measured values(points)with model cal?culation results(lines)of surface salinity

2 計(jì)算工況

長(zhǎng)江河口咸潮入侵主要受徑流和潮汐的作用。長(zhǎng)江徑流量具有顯著的季節(jié)性變化，枯季1-2月平均徑流量約為洪季7-8月平均徑流量的四分之一，故影響水源地取水的咸潮入侵一般發(fā)生在枯季。徑流量大，咸潮入侵弱；徑流量小，咸潮入侵強(qiáng)。除了季節(jié)性自然變化引起徑流量變化外，人類活動(dòng)，如流域重大工程（三峽大壩、南水北調(diào)工程、引江濟(jì)淮工程等），會(huì)改變長(zhǎng)江入海徑流量，從而影響咸潮入侵和淡水資源。不同保證率下徑流量不同，引水工程對(duì)咸潮入侵和淡水資源的影響不同。為此，本研究給出了50%，75%和90%保證率下徑流量分別為9 666 m3/s、8 614 m3/s、7 780 m3/s，對(duì)應(yīng)1976年2月、1962年2月和1972年1月的實(shí)測(cè)平均徑流量，同時(shí)考慮了2030年引水工程改變徑流量的情景。由于三峽工程和南水北調(diào)東線、中線工程已建，一起考慮它們的影響，剝離它們對(duì)咸潮入侵和淡水資源的影響，即不考慮引水工程2030前景流量。詳細(xì)的徑流量參見(jiàn)表1。

表1 不同保證率2030年情景長(zhǎng)江徑流量（m3/s）Tab.1 Discharges of the Yangtze River for different assurance rates of the 2030 scene(m3/s)

不同的潮汐會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的咸潮入侵，本研究考慮最近20年內(nèi)大潮期間潮差最大值對(duì)應(yīng)的潮型為典型大潮。利用潮汐調(diào)和常數(shù)計(jì)算近35年中浚潮差，作為典型大潮和一般大潮時(shí)段的依據(jù)。最大潮差極大值出現(xiàn)在1988年2月18日，量值達(dá)到4.03 m（圖5）。最大潮差的中值出現(xiàn)在1996年2月21日，最大潮差為3.90 m（圖6），由于水動(dòng)力趨于準(zhǔn)穩(wěn)定需要時(shí)間，對(duì)應(yīng)不同保證率下的徑流量對(duì)應(yīng)月份，模式提前1個(gè)月運(yùn)行，相應(yīng)的典型大潮期間潮位給出2個(gè)月的變化過(guò)程線，前一月對(duì)應(yīng)模式的調(diào)整，后一月為輸出和分析咸潮入侵和淡水資源分布變化的時(shí)段。

圖5 長(zhǎng)江口中浚站設(shè)計(jì)典型大潮時(shí)段(1988年1，2月)Fig.5 Design of typical high tidal periods in the Zhongjun sta?tion of the Yangtze River Estuary

圖6 長(zhǎng)江口中浚站設(shè)計(jì)一般潮型時(shí)段(1996年1，2月)Fig.6 Design of general tidal periods in the Zhongjun station of the Yangtze River Estuary

3 結(jié)果和分析

3.1 50%保證率徑流量下工程對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源的影響

在50%保證率徑流量9 666 m3/s情況下，未考慮引江濟(jì)淮工程時(shí)2030年情景徑流量修正為11 073 m3/s。在此基礎(chǔ)上，再考慮引江濟(jì)淮工程，徑流量修正至11 072 m3/s。也就是說(shuō)，至2030年情景引江濟(jì)淮工程引水流量?jī)H為1 m3/s。定性上講如此小的徑流量減少對(duì)長(zhǎng)江河口咸潮入侵和淡水資源的影響

圖7 50%保證率徑流量下大潮期間平均表層鹽度差值分布（引江濟(jì)淮工程后減去引江濟(jì)淮工程前，下同）Fig.7 Distribution of average surface salinity difference dur?ing the period of the high tide at 50%guaranteed rate runoff

3.2 75%保證率徑流量下工程對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源的影響

在75%保證率徑流量8 614 m3/s情況下，未考慮引江濟(jì)淮工程時(shí)2030年情景徑流量修正為11 210 m3/s。在此基礎(chǔ)上，再考慮引江濟(jì)淮工程，徑流量修正至11 038 m3/s。也就是說(shuō)，至2030年情景引江濟(jì)淮工程引水流量為172 m3/s。入海徑流量減少172 m3/s，定性上講徑流量減少會(huì)增強(qiáng)長(zhǎng)江河口咸潮入侵和減少淡水資源。

因引江濟(jì)淮工程2030年情景減小徑流量172 m3/s，導(dǎo)致咸潮入侵有所加強(qiáng)，淡水資源有所減小。大潮落憩時(shí)刻考慮引江濟(jì)淮工程長(zhǎng)江河口淡水體積為5.771 6 km3，比引江濟(jì)淮工程前減小了0.114 3 km3。從引江濟(jì)淮工程前后大潮期間潮周期平均表層和底層的鹽度差異（圖9、10）看，因徑流量減小應(yīng)是微小的。

圖7和圖8分別為引江濟(jì)淮工程前后大潮期間潮周期平均的表層和底層鹽度分布的差值。因引江濟(jì)淮工程2030年情景僅減小徑流量1 m3/s，導(dǎo)致咸潮入侵和淡水資源的變化十分微小。大潮落憩時(shí)刻考慮引江濟(jì)淮工程的長(zhǎng)江河口鹽度小于0.45的淡水體積為5.793 3 km3，比引江濟(jì)淮工程前減小了0.003 7 km3，幾乎無(wú)變化。從引江濟(jì)淮工程前后大潮期間潮周期平均表層和底層的鹽度差異看，因徑流量?jī)H減小1 m3/s，整個(gè)長(zhǎng)江河口鹽度幾乎無(wú)變化。172 m3/s，整個(gè)長(zhǎng)江河口鹽度有所上升，在北港、南港攔門沙區(qū)域和北支上段鹽度上升約為0.1。

圖8 50%保證率徑流量下大潮期間平均底層鹽度差值分布Fig.8 Distribution of average bottom salinity difference during the period of the high tide at 50%guaranteed rate runoff

圖9 75%保證率徑流量下大潮期間平均表層鹽度差值分布Fig.9 Distribution of average surface salinity difference dur?ing the period of the high tide at 75%guaranteed rate runoff

圖10 75%保證率徑流量下大潮期間平均底層鹽度差值分布Fig.10 Distribution of average bottom salinity difference dur?ing the period of the high tide at 75%guaranteed rate runoff

3.3 90%保證率徑流量下工程對(duì)長(zhǎng)江河口鹽水入侵和淡水資源的影響

在90%保證率徑流量7 780 m3/s情況下，未考慮引江濟(jì)淮工程時(shí)2030年情景徑流量修正為8 858 m3/s。在此基礎(chǔ)上，再考慮引江濟(jì)淮工程，徑流量修正至8 658 m3/s。也就是說(shuō)，至2030年情景引江濟(jì)淮工程引水流量為200 m3/s。入海徑流量減少200 m3/s，定性上講徑流量減少會(huì)增強(qiáng)長(zhǎng)江河口咸潮入侵和減少淡水資源。

因引江濟(jì)淮工程2030年情景減小徑流量200 m3/s，導(dǎo)致咸潮入侵有所加強(qiáng)，淡水資源有所減小。大潮落憩時(shí)刻考慮引江濟(jì)淮工程長(zhǎng)江河口淡水體積為2.052 5 km3，比引江濟(jì)淮工程前減小了0.167 0 km3。從引江濟(jì)淮工程前后大潮期間潮周期平均表層和底層的鹽度差異（圖11、圖12）看，因徑流量減小200 m3/s，整個(gè)長(zhǎng)江河口鹽度有所上升，在北港、南港攔門沙區(qū)域和北支上段鹽度上升超過(guò)0.1。

圖11 90%保證率徑流量下大潮期間平均表層鹽度差值分布Fig.11 Distribution of average surface salinity difference dur?ing the period of the high tide at 90%guaranteed rate runoff

圖12 90%保證率徑流量下大潮期間平均底層鹽度差值分布Fig.12 Distribution of average bottom salinity difference dur?ing the period of the high tid eat 90%guaranteed rate runoff

4 結(jié)論

應(yīng)用三維數(shù)值模式ECOM-si研究引江濟(jì)淮工程對(duì)長(zhǎng)江河口咸潮入侵和淡水量的影響，采用2011年12月至2012年1月期間長(zhǎng)江河口鹽度觀測(cè)資料對(duì)模型計(jì)算鹽度結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，模式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好。

設(shè)計(jì)計(jì)算工程，分別分析了在2030年50%、75%和90%保證率徑流量引江濟(jì)淮工程對(duì)長(zhǎng)江入海徑流的影響。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用驗(yàn)證后的數(shù)學(xué)模型對(duì)三個(gè)保證率下引江濟(jì)淮工程引起的長(zhǎng)江口咸水入侵狀況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，50%保證率徑流量下工程對(duì)長(zhǎng)江河口咸潮入侵和淡水資源的影響可以忽略；75%和90%保證率徑流量下工程引起長(zhǎng)江河口鹽度上升，在北港和南港攔門沙區(qū)域、北支上段鹽度上升約為0.1，淡水資源略微減小?？傮w來(lái)講，引江濟(jì)淮工程對(duì)長(zhǎng)江咸潮入侵和淡水資源的影響較小。