流域重大工程和气候变化对长江河口净分流比和盐通量的影响研究

发布时间：2020-11-03 17:59

　　 长江三角洲是中国人口密度最高、经济最发达的地区之一,由于人口高度密集对淡水资源的需求量巨大。长江河口是一个典型的多级分汊型河口,准确计算各汊道净分流比、盐通量能更准确清晰地描述长江河口盐水入侵的动力过程及其对淡水资源的影响,对揭示重大工程和气候变化对盐水入侵的影响和动力机制具有重要的科学意义,而且对长江口水资源利用具有重要的指导和应用价值。北支盐水倒灌是长江河口盐水入侵的最大特征,它也是影响南支水源地的主要因素。鉴于北支超浅河道水动力的复杂性,以往在流域工程、气候变化对长江河口净分流比和盐通量的计算中,存在北支大潮期间量值偏大而中小潮期间偏小的问题。近期导师研究组采用随水深变化的谢才-曼宁公式计算北支底摩擦系数,计算结果相比于前人采用对数率计算的摩擦系数更符合实际情况,这显著提升了北支盐水倒灌的模拟精度。本文基于其(上述)研究方法,模拟了流域三峡工程、南水北调工程、气候变化引起的径流量增加和海平面上升情景下的长江河口盐度分布,计算得到各汊道净分流比和盐通量,并分析其对盐水入侵和淡水资源的影响。本文的主要研究成果如下。1.应用改进的盐水入侵三维数值模式ECOM-si,以大通水文站多年1-2月平均径流量和长江河口地区1-2月平均风况为枯季水文、气候条件,模拟结果较为准确地再现了枯季长江河口盐水入侵特征。大潮期间,北支出现倒灌现象,通过北支进入南支的净水通量占总流量的3.9%,净盐通量为11.52 t/s;随后小潮期间倒灌消失,进入北支的水体占总径流量1.2%;全潮时间尺度上(30个潮周期)北支以倒灌为主,进入南支的净水通量为132 m~3/s,所占比例为1.1%,净盐通量为6.10 t/s。南支被长兴岛和横沙岛分为南北港,北港在大潮、小潮和全潮期间分流比分别为75.9%、45.8%、60.2%,净盐通量分别为5.84、3.03、5.66 t/s。北港为长江河口径流最主要的入海口,北港盐分来自于北支倒灌和南港盐水入侵。南北港之间存在盐分交换,南槽上溯的高盐水进入南港,其后进入北港随水体下泄。南槽喇叭口形状受外海高盐水和上游来水作用剧烈,强盐度锋面和盐水楔加强了向陆的斜压梯度力,阻碍了径流进入南槽,同时,上溯的高盐水增加,通过南北槽分汊口进入北槽的盐分成为北槽下泄盐分的主要来源,北漕少数盐分来自北港。北槽大潮、小潮和全潮期间分流比分别为66.6%、78.9%、75.7%,净盐通量为10.81、45.17、25.91 t/s。2.三峡工程在枯季持续放水,1-2月入海径流量可增加至13259 m~3/s,河口盐度整体下降,盐水入侵明显减弱。全潮期间进入北支的径流量增加,倒灌净盐通量减少1.32 t/s;随着径流量增加南北港分流比仅变化0.1%,南北港净盐通量分别减少0.23、1.32 t/s,北港净盐通量相比分流比受径流量增加影响更大;相对于南北支和南北港分汊口,南北槽分流比变化最大,北槽分流比增加0.4%,但净盐通量减少3.19 t/s。由于南槽特殊的地形,南北槽分流比及净盐通量受动力因子影响变化最剧烈。南支3个水库取水口盐度均出现不同程度的降低。整个2月东风西沙、陈行和青草沙水库取水口宜取水(盐度值低于0.45)时间分别增加约2.5、5和13 d。南水北调工程从长江向北方地区调水,1-2月枯季径流量下降为10500 m~3/s,入海径流量显著降低导致河口盐度明显增高,北支倒灌加强,各断面净盐通量均出现不同程度的增加。南北港分流比由河势决定,径流量减少1000 m~3/s时分流比不变。南北槽分流比变化2.0%,进入北槽的净盐通量增加了1.52 t/s。南支3个水库取水口盐度在整个2月均增大,东风西沙水库宜取水时间略微减小,陈行水库宜取水时间减少约2.5 d,青草沙水库可持续(24 h以上)取水时间仅在1 d和11.2-14 d。3.气候变化引起的入海径流量增加,使得枯季径流量增加至12350 m~3/s,对长江河口盐水入侵有所削弱。全潮期间北支向陆净水通量分流比减少0.1%,向陆净盐通量减少0.27 t/s;北港分流比不变,向海净盐通量减少了0.77 t/s;北槽分流比减少了0.1%,向海净盐通量减少了1.43 t/s。径流量增量不大时,所有汊道分流比变化均不显著。3个水库取水口的盐度均略微降低。2月东风西沙、陈行和青草沙水库取水口宜取水时间分别增加约0.5、2和6.5 d。长江河口地区绝对海平面上升30 cm,增强了长江河口的盐水入侵,但在不同区域其增强效果不同。水位上升,导致河道水深加深,全潮期间北支盐水入侵增强,倒灌净盐通量增加0.66 t/s;北港分流比减少0.3%,净盐通量增加0.24 t/s,其中北港北汊受水深增加盐水入侵变化最为强烈;北槽分流比增加4.7%,净盐通量增加4.13 t/s。口门处滩地由于水位增加,非线性效应减弱,盐度也不同程度的降低。水位上升后,南支三个水库取水口盐度均有所上升,东风西沙、陈行和青草沙水库取水口在2月的宜取水天数分别减少约0.5、1.5和4 d。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P467;P731.2
【部分图文】：

长江河口及其邻近海域概况图

图 2. 1 模型计算范围和网格（a）、南支分汊口区域网格（b）和南北槽分汊口区域网格（c）2.3 模式验证北支底拖曳系数采用随水深变化的谢才-曼宁公式，相比于采用对数率计算摩擦拖曳系数，Lyu 和 Zhu（2018）结合北支 2017 年 2 月 8 个测站 4 个潮型的高质量实测资料，对模式作了严格的验证，结果表明采用随水深变化的谢才-曼宁公式大幅提高了模式盐度计算精度。本文对北支的模式验证不再重复，主要采用 2017 年 2 月堡镇、崇西、横沙、马家港、南门水文站水位 2018 年 3 月导师研究组南槽实测流速、流向和盐度对模式进行验证。该组数据覆盖范围广，能较好地比较实测资料和数值模式的相关性。2.3.1 水位验证

图 2. 2 模式潮位验证采用的水文站分布5 个潮位站大潮期间和小潮期间最大潮差分别约为 2.5 m、1.5 m（图 2.3）。其中小潮模拟值相比实测偏小，2 月较大一个大潮后的小潮差异更为明显，这是由于模型验证采用的气候态多年平均作为气候条件，这与 2017 年 2 月的实际气候条件存在差异，因而导致 2 月小潮期间验证不够准确。南门、堡镇两个观测站模拟结果均小于实测资料，差值量值约为 0.1-0.4。相位模拟则均与实测数据吻合良好，说明模式能较好地模拟长江河口的潮汐变化特征。
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本文编号：2868910