李林江，朱建榮

(1.復(fù)旦大學(xué) 大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院，上海 200438；2.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；3.珠海復(fù)旦創(chuàng)新研究院 海氣系統(tǒng)監(jiān)測與預(yù)測創(chuàng)新中心，廣東 珠海 518057)

1 引言

鹽水入侵是河口地區(qū)最重要的現(xiàn)象之一，不僅與河口環(huán)流、泥沙輸運(yùn)和生態(tài)環(huán)境有關(guān)，還關(guān)系到河口淡水資源的利用，對其研究具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。河口鹽水入侵受多種動力因子的影響，其中徑流[1]和潮汐[2–3]對河口鹽水入侵有著顯著的影響，但風(fēng)應(yīng)力[4]也起著重要的作用。世界上許多河口鹽水輸運(yùn)都受到了風(fēng)應(yīng)力的影響。例如，Wang[5]發(fā)現(xiàn)在切薩皮克灣，沿岸風(fēng)導(dǎo)致的?？寺斶\(yùn)顯著改變了河口的余水位進(jìn)而影響水體和鹽分的余輸運(yùn)。不少研究也關(guān)注到了強(qiáng)風(fēng)天氣如臺風(fēng)以及寒潮對河口鹽水入侵的影響。例如，Li等[6]發(fā)現(xiàn)在颶風(fēng)作用下，龐恰特雷恩河口的鹽通量大幅增加，其中北河道鹽通量高達(dá)200 t/s，南河道鹽通量可達(dá)16 t/s。研究河口鹽水入侵對不同風(fēng)速的響應(yīng)，有利于加深了解河口物理過程。

長江河口是一個大型多分汊河口（圖1）。崇明島將其分為南支和北支，南支被長興島分為北港和南港，南港被九段沙分汊為南槽和北槽。長江河口臨近國際大都市上海，為滿足上海市對淡水資源的需求，上海市政府于北港上段、長興島西北側(cè)修建了青草沙水庫（圖1）。青草沙水庫向上海日供水量在550萬噸左右，占全市總用水的70%。但枯季長江河口存在鹽水入侵的現(xiàn)象，不利于青草沙水庫的取水工作，當(dāng)取水口鹽度高于0.45時候，則關(guān)閉閘門，停止取水。

長江河口鹽水入侵已有許多研究，主要集中在徑流[1,7]、潮汐[8–9]和地形[10–11]對鹽水入侵的影響。關(guān)于風(fēng)應(yīng)力對長江河口鹽水入侵的影響也有部分研究。例如，Wu等[8]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，北風(fēng)導(dǎo)致長江口形成北港進(jìn)南港出的凈風(fēng)生水平環(huán)流，增加了北港鹽水入侵。Li等[12]通過觀測發(fā)現(xiàn)，冬季寒潮天氣下強(qiáng)北風(fēng)（>10 m/s）能增加北支鹽水倒灌。Zhang等[13]近期研究發(fā)現(xiàn)1994–2008年期間長江河口鹽水入侵增多是由冬季寒潮頻率增加所致。

如圖1b所示為長江河口崇明東灘氣象站（位置見圖1a）風(fēng)速風(fēng)向觀測資料玫瑰圖。玫瑰圖中各方向扇形中不同顏色的區(qū)域表示不同的風(fēng)速分級，其徑向長度與該扇形的半徑的比值即表示這段風(fēng)速所在此方位的頻率大小，在右下角給出了不同顏色所代表的風(fēng)速范圍，每個扇形外側(cè)對應(yīng)著此方位的平均風(fēng)速大小。玫瑰圖顯示冬季長江口以北風(fēng)風(fēng)向?yàn)橹?，不過風(fēng)速變化較大，變化范圍主要在 0～10 m/s，超過 10 m/s的頻率約為9.5%。目前，長江河口鹽水入侵對不同北風(fēng)風(fēng)速的響應(yīng)尚未有系統(tǒng)研究，本文利用數(shù)值模式研究不同北風(fēng)風(fēng)速對長江河口鹽水入侵的影響。

圖1 長江河口形勢（a）及崇明東灘氣象站觀測風(fēng)玫瑰圖（b）Fig.1 Topography of the Changjiang River Estuary (a) and wind rose of weather station at the Chongming eastern shoal (b)

2 方法

2.1 數(shù)值模型和數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用的數(shù)值模式為作者所在研究小組長期應(yīng)用和改進(jìn)的ECOM-si模式，該模式已在長江河口水動力過程和鹽水入侵等方面的研究中得到了充分驗(yàn)證并取得了眾多成果[14–15]。模式使用水平曲線非正交網(wǎng)格[16]，范圍包括整個長江河口、杭州灣，上游開邊界設(shè)在枯季潮區(qū)界大通水文站，網(wǎng)格在北港等關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格分辨較高。模式垂向采用σ坐標(biāo)，分為10層。水深采用2009年實(shí)測資料。為節(jié)省篇幅，關(guān)于模式網(wǎng)格，初始條件、邊界條件以及驗(yàn)證可參考文獻(xiàn)[10]。本文采用枯季 1–2 月平均徑流為 11 900 m3/s驅(qū)動模型，海表采用不同的風(fēng)場驅(qū)動模型，共采用8種不同的風(fēng)速驅(qū)動模型，分別為正北風(fēng) 0 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、14 m/s。從圖 1b 來看，長江口冬季西北風(fēng)和東北風(fēng)也有較高的比例。因此再增加 4 組實(shí)驗(yàn)，分別為東北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s，以及西北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s。每組實(shí)驗(yàn)風(fēng)場恒定不變，持續(xù)60 d，前面 30 d 作為調(diào)整，輸出后面 30 d 用作分析。

2.2 分析方法

為了量化不同風(fēng)速下水體和鹽分的輸運(yùn)，定義水體單寬輸運(yùn)為

式中，h是水深；ζ是水位；是水體速度矢量；T是用來做時間平均的周期；σ 是相對深度，表層是0，底層是?1。將水體輸運(yùn)進(jìn)行斷面積分可得到斷面水體通量為

式中， 〈 〉表示40 h低通濾波；A是斷面面積，隨著潮汐變化；L是河道寬度；u是垂直截面方向流速。同理可得斷面鹽通量為

式中，S表示鹽度。

3 結(jié)果

利用數(shù)值模式計(jì)算從第38 d到第53 d半月（約等于1個大小潮周期14.7 d）平均鹽度分布，并對鹽度垂向平均，各組不同北風(fēng)風(fēng)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s的時候，北港的鹽度明顯低于南港（圖2a），

這與孔亞珍等[17]的觀測和Wu等[8]的模擬結(jié)果一致。其中北港上段青草沙取水口附近鹽度低于0.45北港口門鹽度為2左右。在北港口門外，長江淡水與鹽水形成較強(qiáng)的鹽度鋒面[18]。另外，在南北支分汊口到121.25°E附近有一低鹽水團(tuán)，該鹽水團(tuán)來自于北支鹽水倒灌。圖2顯示，隨著北風(fēng)風(fēng)速變大，北港鹽度隨之增加。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到6 m/s的時候，北港上段青草沙取水口附近鹽度超過0.45，北港口門鹽度增加到5左右，南港和北港鹽度大小較為接近（圖2d）另外，北支倒灌鹽水影響范圍擴(kuò)大到南支下段121.5°E附近。這與 Li等[12]和Zhang等[13]研究發(fā)現(xiàn)北風(fēng)增加北支倒灌的結(jié)論一致。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s的時候北港鹽度略大于南港（圖2e）。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為12 m/的時候，整個北港被鹽度超過15的高鹽水覆蓋（圖2g）北港口外鋒面全部進(jìn)入北港和南支，口外30等鹽度線在向陸?？寺斶\(yùn)作用下限制在123°E以西。圖2g還顯示在強(qiáng)北風(fēng)作用下，相對低鹽水體主要集中在南支和南港的南岸，但北港高鹽水能跨過南北港分汊口增加南港上段、長興島南側(cè)鹽度。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s的時候，青草沙取水口鹽度接近25，整個北港被超過20的高鹽水覆蓋，鹽度鋒面往上移動離開北港（圖2h）。

圖2 半月（第38d到第53d）平均鹽度分布Fig.2 Distribution of 15-day (day 38 to day 53) averaged salinity

圖3所示為不同北風(fēng)風(fēng)速實(shí)驗(yàn)半月（第38 d到第53 d）平均水體輸運(yùn)（式（1））分布。無風(fēng)狀態(tài)下，受徑流影響，南支、北港和南港水體輸運(yùn)都向海，其中北港朝海水體輸運(yùn)可達(dá)2 m2/s。在南槽，出現(xiàn)了水體朝陸凈輸運(yùn)的現(xiàn)象，這是由于潮汐和南槽淺灘地形相互作用產(chǎn)生朝陸的斯托克斯漂移輸運(yùn)作用造成的[8]。受此影響，南槽鹽水上溯至南港，導(dǎo)致南港鹽度高于北港（圖2a）。另外在蘇北海域附近，存在朝北的水體輸運(yùn)，這是由于朝北的潮汐輸運(yùn)導(dǎo)致的[19]。隨著北風(fēng)風(fēng)速增加，北港朝海的水體輸運(yùn)逐漸減小。如圖3所示為當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為 6 m/s的時候水體輸運(yùn)，結(jié)果顯示北港朝海的水體輸運(yùn)比起無風(fēng)的時候有所減?。伾儨\），量值約為 1 m2/s，相反南港朝海水體輸運(yùn)有所增強(qiáng)。另外在蘇北海域，朝北的潮致輸運(yùn)水體減弱，部分區(qū)域消失并轉(zhuǎn)為朝南輸運(yùn)。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s的時候，蘇北海域水體輸運(yùn)在北風(fēng)作用下全部朝南。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速大于等于10 m/s的時候，北港朝海的水體輸運(yùn)消失，水體轉(zhuǎn)而朝陸輸運(yùn)（圖2f至圖2h）形成北港進(jìn)南港出的水平環(huán)流。且隨著風(fēng)速的增加北港朝陸的輸運(yùn)逐漸增強(qiáng)，在北風(fēng)14 m/s的作用下朝陸水體輸運(yùn)超過2 m2/s，而南港朝海的水體輸運(yùn)超過3 m2/s，這與圖2所示強(qiáng)北風(fēng)作用下北港鹽度增加并大幅超過南港的結(jié)論相符。

圖3 半月（第 38 d 到第 53 d）平均單寬水體輸運(yùn)分布Fig.3 Distribution of 15-day (day 38 to day 53) averaged unit water transport

為了量化河口與外海之間的交換，在北港口選取一斷面（位置如圖1a sec1）計(jì)算不同北風(fēng)風(fēng)速下斷面水通量（式（2））和鹽通量（式（3））結(jié)果如圖4 所示。為了顯示河口潮汐的影響，圖4疊加了北港口門sec1斷面的潮差。如圖4b所示，無風(fēng)時sec1斷面水通量持續(xù)朝海，最高可達(dá) 11 000 m3/s，可占入?？倧搅鞯?0%以上。但在小潮期間，朝海水通量顯著減小，最小約為 5 700 m3/s，這是因?yàn)?，小潮期間潮差較小，潮汐在南槽產(chǎn)生朝陸斯托克斯漂移輸運(yùn)較小[8]，從而更多徑流從南港下泄入海，因此北港入海水通量減小。風(fēng)速的變化并不改變水通量的大小潮變化特征，但隨著風(fēng)速增加存在整體朝陸移動的趨勢。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速不超過6 m/s的時候，整個大小潮期間水體始終是朝海，說明風(fēng)應(yīng)力的作用尚未超過徑流的作用。但當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s的時候，小潮期間sec1斷面水通量出現(xiàn)為朝陸輸運(yùn)的現(xiàn)象，最大可達(dá)–2 300 m3/s（用負(fù)表示朝陸，下同，包括鹽通量）。隨著北風(fēng)風(fēng)速增加，朝陸輸運(yùn)逐漸增加。而當(dāng)風(fēng)速為14 m/s的時候，整個大小潮周期水體始終朝陸輸運(yùn)，最高可達(dá)–21 600 m3/s，出現(xiàn)在小潮期間。

圖4 北港口門斷面潮差（a）、水通量（b）和鹽通量（c）隨時間變化Fig.4 The temporal variation in tidal amplitude (a),water (b) and salt (c) fluxes across the section at the mouth of the North Channel

水通量引起的鹽通量變化可見圖4c。當(dāng)風(fēng)速為0時，北港斷面的鹽通量持續(xù)向海，其鹽分主要來源可能是北支倒灌。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到2 m/s的時，鹽通量和無風(fēng)時相差不大。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到4 m/s時，雖然大潮期間鹽分依舊朝口外輸運(yùn)，但在小潮期間出現(xiàn)了朝陸的鹽分輸運(yùn)，最大約為–4 t/s。這是由于小潮期間潮汐混合減弱，鹽度垂向分層和河口環(huán)流增強(qiáng)，從而增加了朝陸的鹽分垂向切變輸運(yùn)[20]，這個現(xiàn)象在珠江口[3]以及哈德遜[2,21]等部分混合河口也有出現(xiàn)。這種小潮進(jìn)大潮出的鹽分凈輸運(yùn)維持了河口的鹽度平衡。隨著北風(fēng)風(fēng)速的增加，朝陸輸運(yùn)的時間也逐漸增加。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s的時候，北港口門鹽分持續(xù)朝陸輸運(yùn)，小潮期間最高可達(dá)–639 t/s。在此強(qiáng)北風(fēng)條件下，由北港進(jìn)入的鹽分最后經(jīng)由南港流入大海。

不同北風(fēng)風(fēng)速條件下北港口門sec1斷面半月平均水通量和鹽通量分別由圖5a和圖5b所示。無風(fēng)時，半月平均的北港口門斷面水體通量約為9 000 m3/s，高于徑流的一半，這個結(jié)論與Li等[22]通過模型計(jì)算的北港分流比超過50%的結(jié)論一致。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為6 m/s的時候，朝海的水通量降為 6 200 m3/s，大約為徑流的一半。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速大于10 m/s時，北港口門水通量轉(zhuǎn)為朝陸凈輸運(yùn)。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s，朝陸水通量高達(dá)–10 000 m3/s。圖 5b 所示，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速只需超過7 m/s，北港口門鹽度即朝陸凈輸運(yùn)，而圖5a顯示水通量朝陸凈輸運(yùn)則需要北風(fēng)風(fēng)速超過10 m/s驅(qū)動。其原因是由于河口環(huán)流導(dǎo)致底層高鹽水朝陸輸運(yùn)，表層低鹽水體朝海輸運(yùn)，即使垂向積分后水體朝海凈輸運(yùn)，但鹽分也可以朝陸凈輸運(yùn)。在強(qiáng)北風(fēng)（>10 m/s）作用下，鹽分還可以通過水體平流進(jìn)入北港從而大幅增加北港鹽通量。如圖5b所示，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速為 14 m/s的時候，朝陸的鹽通量高達(dá)–306 t/s。鹽分的來源主要是蘇北的高鹽水在北風(fēng)作用下往南輸運(yùn)至長江口。

隨著北風(fēng)的增大，在向陸埃克曼輸運(yùn)的影響下，蘇北沿岸以及長江河口水位有所抬升。圖5c展示了不同風(fēng)速作用下，北港口門斷面的半月平均水位。當(dāng)風(fēng)速為0 m/s的時候，北港口門水位只有0.13 m。當(dāng)風(fēng)速增大到 8 m/s時，北港口門水位超過 0.2 m。隨著風(fēng)速增大，北港口門水位快速增加。風(fēng)速為12 m/s時，北港口門水位超過 0.3 m。當(dāng)風(fēng)速增大到14 m/s時，北港口門水位增加到 0.42 m。由于風(fēng)速的增大，北港口門水位抬升，使得徑流導(dǎo)致的坡降減小，朝海水通量減小，隨著水位的繼續(xù)抬升，最終可使得水體朝陸凈輸運(yùn)，如圖5a所示。

圖5d顯示了不同風(fēng)速作用下，北港半月平均的鹽度。鹽度采用北港口門至北港上游南北港分汊口所有網(wǎng)格點(diǎn)的體積平均鹽度。當(dāng)風(fēng)速在0～4 m/s之間變化的時候，北港鹽度變化微弱，且鹽度較低都在1以下。當(dāng)風(fēng)速為 6 m/s的時候，鹽度增大到2.6。隨著風(fēng)速繼續(xù)增大，鹽度迅速上升。這主要有兩方面的原因，一是北風(fēng)將蘇北高鹽水輸送到了長江口，二是北風(fēng)減小了北港下泄徑流。當(dāng)風(fēng)速增大到12 m/s的時候，北港鹽度為24.1。隨著北港被高鹽水所覆蓋，鹽度增加放緩，當(dāng)風(fēng)速增大到14 m/s，北港鹽度為27.8。

圖5 不同風(fēng)速作用下北港口門斷面半月（第 38 d 到第 53 d）平均水通量（a）、鹽通量（b）、水位（c）和整個北港半月平均鹽度（d）Fig.5 Modeled 15-day (day 38 to day 53) averaged water flux (a),salt flux (b),water level (c) across section at the mouth of the North Channel and volume-averaged salinity in the North Channel (d) under various wind speed

圖6展示了長江口更多斷面的半月平均水通量隨北風(fēng)風(fēng)速變化。結(jié)果顯示，當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速超過11 m/s時，北港上段sec2斷面水通量朝陸凈輸運(yùn)，而南港上段sec3斷面的水通量超過徑流量的11 900 m3/s。由于北支sec4倒灌的水通量比起南北港小至少1個數(shù)量級，因此北支倒灌對南北港水通量貢獻(xiàn)較小，南港多余的水通量必然來自北港高鹽水倒灌進(jìn)入南港說明在強(qiáng)北風(fēng)（>11 m/s）作用下，從北港口門進(jìn)入的水通量和鹽通量部分從南北港分汊口倒灌進(jìn)入南港，最后通過南港平流進(jìn)入大海，增加了南港朝海的水通量（圖3）。

圖6 不同風(fēng)速條件下斷面 sec2（a）、sec3（b）和 sec4（c）半月（第 38 d 到第 53 d）水通量Fig.6 Modeled 15-day (day 38 to day 53) averaged water flux across section at sec2 (a),sec3 (b) and sec4 (c) versus wind speed

4 討論

為了保證上海淡水資源的利用，有必要預(yù)測在不同風(fēng)速情形下鹽水入侵對青草沙水庫取水時間的影響。本文利用模型，輸出不同風(fēng)速條件下，青草沙水庫取水口的鹽度，統(tǒng)計(jì)30 d內(nèi)可取水天數(shù)和最長不宜取水天數(shù)。如圖7所示，當(dāng)風(fēng)速不超過4 m/s的時候，青草沙水庫取水口的鹽度1月內(nèi)絕大部分時間都沒有超過0.45。其中無風(fēng)時，最長不宜取水天數(shù)為0.1 d，共可取水天數(shù)為 29.7 d（表1）。當(dāng)風(fēng)速增大到 4 m/s的時候，相較于無風(fēng)情形變化不大，最長不宜取水天數(shù)為0.2 d，共可取水天數(shù)為28.6 d。隨著風(fēng)速繼續(xù)增大，最長不宜取水天數(shù)顯著增加，總可取水天數(shù)顯著減少。當(dāng)風(fēng)速超過10 m/s的時候，青草沙取水口鹽度一直在0.45以上，水庫持續(xù)無法取水。對于這種情形，應(yīng)當(dāng)引起注意。歷史上，在2014年2月由于持續(xù)的強(qiáng)北風(fēng)，導(dǎo)致水庫連續(xù)23 d未能取到淡水，對上海的淡水資源造成了威脅[23]。

圖7 不同風(fēng)速作用下青草沙取水口鹽度隨時間變化Fig.7 Temporal variation in salinity at the intake of the Qingcaosha Reservoir under different wind speeds

表1 30 d內(nèi)不同風(fēng)速下最長不宜取水天數(shù)和共可取水天數(shù)Table 1 The longest continuous days unsuitable and total days suitable for water intakes within 30 days under different wind speeds

圖1b顯示長江口冬季西北風(fēng)和東北風(fēng)兩種風(fēng)向也有較高的比例。為此，本文另有4組數(shù)值實(shí)驗(yàn)分別是東北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s，以及西北風(fēng) 6 m/s和 12 m/s驅(qū)動。不同風(fēng)向條件下青草沙水庫取水口鹽度模擬結(jié)果見圖8。結(jié)果顯示當(dāng)風(fēng)速為6 m/s的時候，不同時段風(fēng)向的影響是不同的（圖8a）。小潮后期（41～45 d潮差見圖4a），取水口鹽度在西北風(fēng)驅(qū)動下最強(qiáng)，東北風(fēng)驅(qū)動下最小。其原因可能是由于小潮后期青草沙水庫鹽分主要是受北港鹽水正面入侵影響，其鹽分向上游輸運(yùn)機(jī)制為垂向切變輸運(yùn)[20]，這與其他部分混合河口類似（如珠江口，哈德遜河口）。Scully等[24]Chen和Sanford[4]研究發(fā)現(xiàn)，沿河道向上的風(fēng)所對應(yīng)的風(fēng)應(yīng)變能夠減小垂向切變和分層，沿河道向下的風(fēng)相反能增加垂向切變和分層。因此猜測西北風(fēng)能夠增加長江口北港垂向切變輸運(yùn)，而東北風(fēng)則減小北港垂向切變輸運(yùn)。如圖9a和圖9c所示分別為小潮后期東北風(fēng) 6 m/s和西北風(fēng) 6 m/s與正北風(fēng) 6 m/s的鹽度場差值。結(jié)果顯示在東北風(fēng)情形下，整個北港從下到上鹽度有所減小，最高北港口門鹽度減小6（圖9a）。而西北風(fēng)情況正好相反，北港從下到上鹽度增加，最高口門鹽度增加3（圖9c）。在大潮以及大潮后期，青草沙取水口在東北風(fēng)驅(qū)動下鹽度最高，西北風(fēng)驅(qū)動下最低（圖8a）。其原因可能是由于大潮期間，青草沙鹽度主要受北支倒灌影響。北支不同于北港，其水深較淺（<5 m），長江徑流分配少，潮汐作用強(qiáng)，所以北支鹽度和流速垂向結(jié)構(gòu)均一。而東北分能直接拖曳北支水體朝上游輸運(yùn)，增加北支倒灌。如圖9b和圖9d所示分別為大潮期東北風(fēng) 6 m/s 和西北風(fēng) 6 m/s 與正北風(fēng)6 m/s的鹽度場差值。結(jié)果顯示在東北風(fēng)情形下，大潮期間從南北支分汊口到青草沙水庫整個南支河段鹽度略微有所增加（圖9b），其增加的鹽分主要來源為北支增加的倒灌鹽水從南支往下游平流輸運(yùn)。東北風(fēng)仍然減小了大潮期北港下游的鹽度，但比起小潮下降幅度明顯減?。▓D9b和圖9a，注意鹽度標(biāo)尺）。西北風(fēng)減小了北支倒灌和南支上段鹽度，并導(dǎo)致大潮期間青草沙取水口鹽度降低（圖9d）。同理，大潮期西北風(fēng)仍然增加了北港下游的鹽度，但比起小潮增加幅度明顯減?。▓D9d和圖9c）。

圖8 不同風(fēng)速和風(fēng)向作用下青草沙取水口鹽度隨時間變化Fig.8 Temporal variation in salinity at the intake of the Qingcaosha Reservoir under different wind directions and speeds

圖9 不同風(fēng)向和正北風(fēng)鹽度場差值Fig.9 Differences in salinity between north wind and other directions

當(dāng)風(fēng)速為12 m/s的時候，無論任何潮型青草沙取水口鹽度都是正北風(fēng)最強(qiáng)，西北風(fēng)次之，東北風(fēng)最弱。其原因可能是由于在強(qiáng)北風(fēng)作用下，北港鋒面向上游移動離開北港（圖2g至圖2h），且在強(qiáng)風(fēng)攪動下，北港分層大幅減弱，所以其鹽分朝陸輸運(yùn)機(jī)制主要是朝陸的平流輸運(yùn)，垂向切變輸運(yùn)貢獻(xiàn)次之[20]。平流輸運(yùn)的鹽分來源主要來自蘇北向南輸運(yùn)的高鹽水。無論是西北風(fēng)還是東北風(fēng)，經(jīng)向風(fēng)分量只有8.5 m/s，遠(yuǎn)小于正北風(fēng) 12 m/s。所以同樣的風(fēng)速下，正北風(fēng)能導(dǎo)致蘇北更多的高鹽水輸運(yùn)至長江口，進(jìn)而平流進(jìn)入北港的鹽分更多。因此如圖9e至圖9h所示，相比正北風(fēng)，其他兩個風(fēng)向鹽度都降低了。唯一例外是小潮期間，西北風(fēng)12 m/s顯著增強(qiáng)了南槽鹽度（圖9g）。其原因在于北風(fēng)導(dǎo)致的北港進(jìn)南港出的水平環(huán)流增加了南港下泄徑流，南槽鹽度鋒面（圖2）和鹽度分層使得朝陸的垂向切變輸運(yùn)隨之加強(qiáng)，而西北風(fēng)能進(jìn)一步增加南槽的垂向切變輸運(yùn)。另外，西北風(fēng)相比東北風(fēng)，鹽度整體要高的原因也是由于風(fēng)的應(yīng)變作用。關(guān)于長江口河口環(huán)流和風(fēng)應(yīng)變之間的相互作用后期還需更加深入細(xì)致的研究。

5 結(jié)論

本文采用三維數(shù)值模式ECOM-si，模擬冬季長江口鹽水入侵對不同北風(fēng)風(fēng)速的響應(yīng)。研究結(jié)果表明，北風(fēng)風(fēng)速提高能夠顯著增加北港鹽度，不利于青草沙水庫取水。無風(fēng)時，北港半月平均鹽度小于1，明顯小于南港；長江口南北港兩汊道水體凈輸運(yùn)都朝海，北港鹽分持續(xù)朝海凈輸運(yùn)。當(dāng)北風(fēng)風(fēng)速增加到4 m/s，北港小潮期出現(xiàn)朝陸的鹽分凈輸運(yùn)。北風(fēng)風(fēng)速為6 m/s時，南北港鹽度接近，北港半月平均鹽度約為2.6。北風(fēng)風(fēng)速超過7 m/s時，北港半月平均鹽通量開始朝陸凈輸運(yùn)。北風(fēng)風(fēng)速為8 m/s時，小潮期北港出現(xiàn)朝陸的水通量，北港鹽度明顯大于南港。北風(fēng)風(fēng)速超過10 m/s時，半月平均水通量朝陸凈輸運(yùn)。北風(fēng)風(fēng)速超過11 m/s時，北港鹽水倒灌至南港。北風(fēng)風(fēng)速為14 m/s時，北港水通量持續(xù)朝陸，半月平均水通量和鹽通量分別為?10 000 m3/s和?306 t/s；整個北港被外海進(jìn)入的高鹽水覆蓋，平均鹽度高達(dá)27.8。

北風(fēng)風(fēng)速變化也對青草沙水庫的可取水時間造成了影響。當(dāng)風(fēng)速低于4 m/s的時候，青草沙取水時間寬裕，1個月內(nèi)共可以取水時間超過28 d，最長不宜取水天數(shù)不超過 1 d。當(dāng)風(fēng)速超過 10 m/s，青草沙水庫1個月共可取水時間降為0 d。北風(fēng)風(fēng)速增強(qiáng)對青草沙取水極為不利，未來隨著氣候變化，極端天氣事件可能越來越多，出現(xiàn)強(qiáng)北風(fēng)的頻率也會加大，其對淡水資源的影響應(yīng)該引起更多研究和重視。