长江河口咸潮入侵规律及淡水资源利用_茅志昌

第55卷第2期2000年3月

地　理　学　报

ACTAGEOGRAPHICASINICA

Vol.55,No.2Mar.,2000

文章编号:0375-5444(2000)02-0243-08

长江河口咸潮入侵规律及

淡水资源利用

茅志昌,沈焕庭,徐彭令

1

1

2

(1.华东师范大学河口海岸研究所,河口海岸国家重点实验室,上海　200062;

2.上海市自来水公司,上海　200002)

摘要:长江河口系多级分汊潮汐河口,其盐水入侵有外海入侵、倒灌、浅滩通道水体交换及漫滩归槽等4种形式,时间上有周日、朔望、洪枯季、年际等变化特点,南支—南港河段纵向上存在3条盐度梯度急剧变化分界线,形成其特有的盐度时空变化规律。研究成果对宝钢水源长江引水方案的形成起了重要作用,并为陈行水库的选址、库容设计提供了基础数据。在长江河口建库,研究工作的重点是推算最长连续取不到合格水的天数,它是确定库容的关键数据。关　键　词:分汊潮汐河口;盐度时空变化规律;淡水资源利用;避咸蓄淡水库;长江河口中图分类号:

P343.5;P967　　文献标识码:

A

世界上有许多城市及工业区集中在河口地区,由于受盐水入侵的影响,开发利用这类河口的淡水资源是解决工业及城市居民用水问题的重要途径。我国自80年代开始,在长江口先后兴建了宝钢水库、陈行水库用于开发利用河口淡水资源。

1　长江河口的水文、地貌特征

长江口属中等强度的潮汐河口,口门附近的中浚站多年平均潮差为2.66m,最大潮差为4.62m,口外为正规半日潮,口内为非正规半日浅海潮。长江河口水量丰沛,大通站年平均流量为29×103m3/s,总量为924×108m3,流量有明显的季节性变化,5～10月为洪季,占全年流量的71.7%,11月至翌年的4月为枯季,占28.3%。长江河口的潮量也甚为壮观,在上游径流接近年平均流量、口外潮差近于平均潮差情况下,河口进潮量达266×10m/s,为年平均径流量的9.2倍。

长江口系三级分汊四口入海的分汊潮汐河口。崇明岛把长江口分为南支、北支,谓一级分汊;南支在吴淞口以下由长兴、横沙岛分为南港、北港,谓二级分汊;九段沙又把南港分为南槽、北槽,呈三级分汊。

长江河口宽浅,受科氏力作用明显,涨潮流流路偏北岸,落潮流流路偏南岸,在涨落潮流路分岐的缓流区,泥沙容易落淤,形成心滩,由单一河槽演变为复式河槽,如白茆沙

收稿日期:

1999-06-02;修订日期:

1999-10-23

3

3

作者简介:茅志昌(1949-),男,副研究员。1974年毕业于青岛海洋大学海洋系。现主要从事潮汐河口咸淡水混合

和咸潮入侵规律研究,已发表论文20余篇。E-mail:htshen@sklec.ecnu.edu.cn

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南、北水道,新桥水道与南支主槽等。由于科氏力等因素的作用,导致长江口南、北两岸存在水位差,加之河口心滩沉积物疏松易动,在沙滩上容易形成浅滩通道,如南门通道、新桥通道等。

2　盐水入侵形式[1]

分汊潮汐河口,是指来自上游的径流由2个或2个以上的口门流注海洋,其盐水入侵形式远比单一潮汐河口复杂。经大量实测资料分析,长江口有4种入侵形式。2.1　外海盐水入侵

这是入海河口盐水入侵的普遍形式。盐度过程线与潮位、流速过程线有如下特点:(1)与潮位在一个潮周期内有两高两低的变化相对应,盐度也出现两高两低的现象,盐度峰、谷值与高、低潮位在位相上有一定差别,而与潮流速的位相比较一致,盐度峰、谷值出现在涨、落憩时刻;(2)长江口在半月中出现一次大潮和一次小潮,日平均盐度值在半月中也有一个高值区和一个低值区,且高盐区出现在大潮期,低盐区出现在小潮期;(3)纵向盐度分布呈现由下游向上游逐渐递减的规律。

2.2　盐水倒灌

分汊口水域存在的平面环流是引起盐水倒灌的基本原因。根据实测资料分析,在南、北支交汇河段,北支的高潮位高于南支高潮位,北支的低潮位低于南支低潮位。当北支上口青龙港河段处于落潮后期、水位较低时,南支上口已出现涨潮流,水位随之抬升,造成西南——东北向水面比降,南支涨潮流进入北支。随着北支涨潮流的增强,北支高潮位高于南支,涨潮流开始倒灌南支。这种情况如出现在径流量偏小的枯季大潮,北支大量高盐水绕过崇明西南角倒灌南支,使南支、南、北港水质明显变咸。1974年枯季倒灌盐量超过2×10t,1987年2月16日至17日,两潮净进入南支盐量约为148×10t①。

南槽盐水倒灌北槽的原因与南、北支相似。径流分流比虽然北槽大于南槽,但北槽比

8[2]

4

南槽先涨先落,这与南、北槽河槽阻力的差异有关。涨潮初期,盐水从北槽进入南槽,落潮期间,盐水自南槽进入北槽。下表反映了如下几个特点:北槽落潮期含盐度高于涨潮期,南槽反之;南槽江亚主槽(S4-5)盐度高于江亚浅滩(S6)和南深槽(S7),这符合涨潮流偏北、落潮流偏南,横断面盐度分布北侧高于南侧的规律。但北槽上口盐度分布由于受南

-3

表1　南、北槽断面各垂线平均含盐度统计值(Cl/×10)(1982.7)

Tab.1　VerticallyaveragedsalinityatthestationsintheSouthandNorthPassage

测站涨潮落潮涨潮落潮

南　　槽

S40.740.441.441.39

S50.360.352.041.31

S60.140.120.500.65

S70.050.050.330.35

S10.090.070.321.15

北　　槽

S20.160.580.671.29

S30.520.371.181.54

　资料来源:上海市海岸带调查资料汇编。

①黄觉新等,长江口南支(徐六径—宝钢水库)水域盐水入侵规律研究,1988.9

2期　　　　　　　　　茅志昌等:长江河口咸潮入侵规律及淡水资源利用

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槽高盐水倒灌影响,横断面出现南部高于北部的反常现象。

从氯度过程线与流速过程线关系看,北槽上口出现两个氯度峰,一个在涨憩附近,峰值较低,历时也短,另一个峰出现在涨憩至落急之间,盐度高,历时长。表明前者咸水来自涨潮流,后者主要来自南槽倒灌盐水;南槽江亚主槽在同一观测时间内也出现两个氯度峰,但都出现在涨憩附近,涨憩过后,氯度急剧下降,表明盐水均来自涨潮流(图1)。

图1　南北槽测点流速、氯度过程线

a:北槽S3　b:南槽S5

Fig.1　ChangesofChlorinitywithvelocity

:a

　b:atanchorstationS5intheSouthpassageatanchorstationS3intheNorthpassage

2.3　浅滩通道(串沟)水体交换

长江口浅滩通道有两种类型,一类以落潮流为主,通道走向为西南—东北向,位于河口上段,如南门通道、新桥通道等;另一类以涨潮流作用为主,走向为东南—西北向,位于河口下游,如横沙东滩串沟等。浅滩通道对盐水交换起了重要作用,如新桥水道的盐水经新桥通道、南门通道向南支主槽输送,是造成南支中段盐度偏高的原因之一。2.4　漫滩归槽

长江口的心滩多为阴沙,低潮时出露,高潮时淹没,阴沙把单一河槽分隔为复式河槽,一般有主、支汊之分,主汊水深阻力小,支汊水浅阻力大,导致支汊进口段水流受阻而雍水,水位高于主汊,产生横比降,如白茆沙南、北水道即是。南水道为主汊,北水道为支246

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汊,涨潮后期,北水道水位高于南水道,白茆沙北侧的高盐水漫过白茆沙体进入南水道。

3　盐度时空变化规律分析

3.1　盐水入侵源

长江口盐水入侵源,主要有北支盐水倒灌及南、北槽和北港下段的盐水上溯。3.2　时间变化

潮周日变化有两个特点:若盐水入侵源以北支倒灌为主,氯度峰、谷值分别出现在落憩、涨憩附近;若盐水入侵源主要来自口外涨潮流,则氯度峰、谷值分别出现在涨憩、落憩附近(图2)。

图2　流速与氯度过程线

Fig.2　Curvesofvelocityandchlorinityduringduringtidalcycle

a)受北支盐水倒灌影响　　b)未受北支盐水倒灌影响

a)influencedbysaltwaterfromNorthBranch　b)uninfluencedbysaltwaterfromNorthBranch

朔望变化　亦称半月变化。长江口潮汐在半月中出现一次大潮和一次小潮,相应地,日平均盐度值也出现一个高值区和一个低值区,它们之间的关系较为复杂,可概括成3种类型:一种是高盐区出现在大潮期,低盐区出现在小潮期;另一种是大潮期盐度低,小潮期盐度高;第三种是高盐区出现在小潮后的寻常潮期间,低盐区仍出现在大潮期。北支及南、北槽常出现第一种类型,第二类常出现在吴淞口以上的南支主槽及新桥水道的中、下河段;南、北港上段位于河口中部,来自上、下游的盐水多在这里交汇,第二、三种类型在该水域都有可能出现(图3)。

季节变化　长江径流有明显的季节变化,长江口盐度也有相应的季节变化,引水船站2期　　　　　　　　　茅志昌等:长江河口咸潮入侵规律及淡水资源利用

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月平均盐度与大通站月平均流量呈良好的负相关。一般是二月份盐度最高,为20.9×10-3,七月份最低为8.85×10-3。6～10月为低盐期,12月至翌年的4月为高盐期。

年际变化　长江口盐度的年际变化与大通站流量有良好的对应关系,丰水年盐度低,枯水年盐度高。若枯季流量为丰水的年份,外海盐水入侵锋只能抵达高桥以下河段,长兴岛西部的瑞丰沙、青草沙水域受径流控制,氯度多在100

-6

×10以下,同时由于上游流量偏丰,进入北支

的流量相应增多,遏制了北支盐水的倒灌,南支主槽氯度多在50×10-6以下。若枯季流量为平水或枯水的年份,外海盐水上溯可达吴淞口、堡镇或以上河段。

3.3　空间变化3.3.1　北支倒灌盐水对新桥水道及南支主槽的影响　在洪季或流量偏丰的枯季,进入北支的长江径流量较多,会潮点移至北支口内,遏制了北支盐水的倒灌,南支南港河段盐度由下游往上游呈递减规律;另外,北支盐水倒灌出现在大潮期,咸水团扩散下移需要一个过程,咸水团经过杨林、宝钢、吴淞、高桥的时间是在小潮期或小潮后的寻常潮期间,所以这一河段在大潮

图3　长江口氯度半月变化(1996.3.8～29)　SemimonthlyvariationsofchlorinityFig.3

intheChangjiangestuary(1996.3.8～29)

期尚未受到北支咸水团的过境影响,仍会出现从下游往上游盐度递减的现象(表2)。当北支盐水倒灌南支后,南支—南港纵向盐度分布常出现反常现象。例如1996年3月

11日,高桥、吴淞、陈行水库的日平均氯度分别为315×10-6、234×10-6、594×10-6,陈行水库的氯度反比高桥高279×10-6。崇明南岸与扁担沙之间的新桥水道,其盐水主要来自北支。大潮期,2#测点、南门、堡镇、六效四测站,盐度呈现高一低一高的下凹型分布;小潮期,呈现低一高一低的上凸型分布。北支盐水倒灌南支是在大潮期,所以新桥水道的上段盐度高,堡镇、六效的盐度来自崇明南岸与六效沙脊之间的涨潮流,盐度也比较高。进入小潮期,随着潮差减小,倒灌盐水亦减少,2#测点的盐度骤然下降,大潮期进入白茆沙北水道的高盐水随落潮流逐步净下移,南门、堡镇的盐度值相继升高,六效的盐度值随着涨潮流的减弱相应降低,造成大潮与小潮期间两种截然相反的盐度分布类型(表3)。但在长江上游流量偏枯、盐水入侵严重的年份(如1978～1979年枯季),或在北支倒灌咸水团连续数次沿新桥水道下泄后(如1996年3月下旬),南门、堡镇测站在小潮期的氯度往往高于大潮期,反映了北支倒灌盐水对北港上段以上河槽水质的影响十分明显。

北支盐水倒灌后,南支—南港纵向盐度递减率在大小潮期间差距较大,如1996年3月小潮期,凌桥至陈行水库的氯度纵向递减率为20×10-6/km,大潮期为70×10-6/km。反映

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了北支倒灌盐水对南支南岸氯度纵向分布的影响①。氯度峰值最高为位于崇明西南角的崇头站,达2682×10-6,其次为宝钢水库取水口、杨林站,吴淞站因受黄浦江径流影响,氯度相对较低,白茆站的氯度来自白茆沙的漫滩咸水,峰值最小。氯度峰值出现的时间,崇头最早,发生在大潮期,白茆推迟1天,杨林比白茆晚1天,宝钢水库的峰值出现在小潮期,崇头的低氯度出现在小潮期,氯度低于100×10-6。

表2　南港—南支下段氯度沿程分布 (Cl/×10-6)

　DistributionofchlorinityalongTab.2

theSouthChannel-SouthBranch

时间1986.3.11～121987.3.15～161996.3.7

测　　站

杨林6215738

宝钢水库

67182

52

表3　崇明南岸各测站氯度 (Cl/×10-6)　DistributionofthechlorinityatstationsTab.3

inthesouthbankofChongmingisland

测站

2#124279

南门400488

堡镇837551

六效1338427

吴淞160291578

高桥261788935

时间1996,3,8(大潮)1996,3,13(小潮)

　资料来源:沈焕庭、茅志昌等.青草沙水源地盐水入侵规律研究,1996.　　 　为陈行水库取水口数据。

3.3.2　盐度梯度急剧变化线　从南支—南港盐度纵向分布情况看,存在3条明显的盐度梯

度急剧变化线。一条为九段沙头、横沙岛东滩断面,洪季盐水入侵锋一般到达南、北槽上首、横沙东滩,南港及以上河段氯度在50×10-6以下;另一条为高桥断面,根据大通站多年流量频率分析,当枯季流量频率为25%以下时,外海盐水入侵峰上溯至高桥以下河段,高桥以上水域受径流控制;七丫口断面为第3条分界线,来自北支的盐水主体经白茆沙北水道在七丫口上首汇入南支主槽,从白茆沙体漫滩进入南水道的盐水仅占一小部份,加之南水道落潮流程长于涨潮流程,盐水在本河段滞留时间短,入侵强度弱。七丫口以下河段盐水有来自北支倒灌的过境咸水团及南、北港咸潮上溯3个方面,导致盐水入侵历时加长,强

-6

度增加,氯度大于250×10的天数远多于七丫口以上水域。

4　分汊潮汐河口淡水资源的开发利用

研究分汊潮汐河口咸潮入侵规律,可以有效开发利用河口淡水资源。宝山钢铁总厂座落在吴淞以西约20km的长江口南支南岸,使用的设备要求最高氯度值不能超过200×10-6,平均氯度为50×10-6。宝钢水源理应取用长江水,但宝钢沿长江河段受盐水入侵影响,含氯度时有超标,尤其在枯季,而含氯度过高会造成金属管道和设备腐蚀速率的加快。所以原先水源地选在远离宝钢72.5km的淀山湖,需投资1.56亿元,另需污染治理费1亿元。后来经过探索和论证[3]②,提出了引用长江水的方案。1985年,在宝钢所在的长江岸段,建造了一座总库容为13×106m3的边滩水库,起到了避咸蓄淡的功能。

宝钢利用宝钢河段咸潮入侵规律,当水库前沿水体中氯离子浓度低于200×10时,开

-6

泵进水,当氯离子浓度超过200×10时,则停止进水。

-6

①资料来源:上海勘测设计院。

②沈焕庭,徐彭令.咸水入侵对黄浦江水质的影响.华东师范大学,1981.2期　　　　　　　　　茅志昌等:长江河口咸潮入侵规律及淡水资源利用

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总库容为86×105m3的陈行水库也是利用了长江口的咸潮入侵规律、借鉴宝钢水库的经验设计的,陈行水库位于宝钢水库下游,与宝钢水库相邻,工程布置与宝钢水库相似。陈行水库解决了上海部份城区工业和市民的用水需求。

长江河口建造水库需要解决二大问题。一是推算水库所在水域最长连续取不到合格水

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的天数(以氯度大于250×10作为不合格水指标),这是确定水库库容的关键数据。二是合理确定江中取水泵房位置及取水泵的取水头距河床距离。而这二个问题的解决取决于对长江口咸潮的时空变化规律的认识程度,以及对长江流域水情变化趋势的预测可靠性。

为确定宝钢水库库容,需要知道在长江大通水文站流量保证率为95%～97%的条件下,宝钢河段连续取不到合格水的天数,但当时浏河口附近只有一些零星资料,只能借用距宝钢水库下游20km的吴淞水厂8年实测氯度数据为依据,推算最长连续不宜取水天数,所得的计算结果偏于安全。

在推算陈行水库连续超标天数时,宝钢水库已有7年的实测值,与吴淞水厂的氯度对比分析后,发现由于这二个测点的地理位置和水文条件的不同,盐度变化规律有一定的差异,特别是氯度潮周日变幅相差很大,吴淞为2.7～9.3,宝钢水库取水口处仅为1.2～2.5,反映了宝钢水库所在水域在潮周日内投机取水机率极小,如1987年在31天不可取水天数内,仅有9个小时的氯度低于250×10-6。而盐度的半月变幅比吴淞大,宝钢河段的盐度主要来自北支倒灌的过境咸水团,北支倒灌咸水发生在大潮期,到达宝钢河段是在小潮期,低盐度出现在大潮期,即在二次盐水入侵锋之间,存在一个低盐期,水库能够取到相对低氯度的长江源水。据此推算得到的陈行水库取水口连续超标天数更符合实际情况。

近几年在青草沙水源地预可行性研究中,结合该水域盐水入侵特点,采用了控制论、频谱分析、数值模拟等数学方法推算取不到合格水的最长连续天数,在实测资料短缺的条件下取得了较好的结果①。

在同一河槽的横断面,长江口氯度分布有如下特点:涨急和涨憩时主槽氯度比岸边高,

[5]

[4]

落急落憩时岸边比主槽高,氯度潮周日变幅主槽大于岸边。由于主槽的涨落潮流强劲,而岸边浅水区流速小,水体置换缓慢,主槽水质明显优于岸边浅水区。氯度的垂向分层现象,一般出现在水深0.4～0.6之间,分层现象小潮期比大潮期明显。

重大水利工程的设计都涉及到保证率问题,避咸蓄淡水库的库容应依据氯度保证率设计,但通常获取水口处的氯度资料系列短缺,不能满足直接计算的要求。从实测资料分析可知,长江口氯度值大小与长江大通站的流量丰枯有明显的负相关。无论在确定宝钢水库,还是陈行水库库容时,研究者都采用大通流量的保证率近似代表氯度的保证率。

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ThePatternofSaltwaterIntrudingintotheChangjiang

EstuaryandtheUtilizationofFreshwaterResources

112

MAOZhi-chang,SHENHuan-ting,XUPeng-ling

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,InstituteofEstuarineand

CoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai　200062;

2.ShanghaiWaterWorksCorporation,Shanghai　200002)

:ThegeomorphicfeaturesoftheChangjiangestuaryarecharacterizedbytheAbstract

multi-orderbranching.Thesaltwaterintrusionhasthefollowingfourdistinctforms:directintrusionfromtheoutersea;saltwaterexchangebyshoalpassages;saltwaterdownstreamfromotherwaterways;saltwaterintrusionbytidalflooding.TemportalchangesinthesalinityoftheChangjiangestuaryhavedaily,semimonthly,seasonalandyearlyvariation.ThereexiststhesharpthreedemarcationlinesofsalinitygradientalongtheSouthBranch-SouthChannel.

TwomainproblemshadtobesolvedbeforebuildingreservoirsofavoidesaltwaterandstorefreshwaterintheChangjiangestuary.Oneistocalculatethelongestdurationthat

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thechlorinityexceeds250×10inthewaterresourcesarea,whichisthecriterionvaluefordeterminingthestoragecapacityofreservoirs.Mathematicalmethodsincludingthecybernetics,thefrequecncyspectedanalysisandmathematicalmodellingareadoptedheretogetmorecorrecttimeswhenthechlorinityexceeds250×10-6.Andtheotheristodeterminereasonablysiteofthepumpingstationandtheheightofwaterintakeofwaterpumpsfromtheriverbed.TheaboveproblemscanbesolvedafterunderstandingthepatternoftemporalandspatialvariationofthesaltwaterintrusionintheChangjiangestuary.

TheaboveconclusionshaveplayedanimportantroleinformingthereservoirschemeoftheBaoshanlronandSteelPlant,andsuppliedbasicdataforselectionofthepostionandstoragecapacityfortheChenhangreservoir.Keywords:

Tidalbranchingestuaries;Patternofsalinityvarywithtimeandspace;Utilizationoffreshwaterresources;Reservoirsofavoidesaltwaterandstorefreshwater;ChangjiangEstuary

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