孫志林,李光輝,許 丹,王 辰,胡世祥,黃森軍

海平面上升對錢塘江河口鹽水入侵影響的預測研究

孫志林1,2,李光輝2,許 丹3*,王 辰1,胡世祥1,黃森軍1

(1.浙江大學海洋學院,浙江舟山 316021；2.浙江大學建筑工程學院,浙江杭州 310058；3.浙江大學工業(yè)技術轉化研究院,浙江杭州 310058)

海平面上升會對河口地區(qū)鹽水入侵和物質輸運造成一定影響,尤其將對飲用水安全造成威脅,因此海平面上升問題越發(fā)受到人們的關注.為研究水源地對海平面上升的響應,防范未來可能出現的鹽水入侵危害,本文基于FVCOM模式建立了錢塘江河口三維潮流鹽度數值模型,并在此基礎上通過一系列數值試驗分析未來海平面上升(SLR)對河口鹽水入侵的影響.結果表明,海平面上升使得河口鹽度整體有所增大,鹽水入侵距離增加,且小潮期增幅更加明顯,在相對海平面分別上升0.3、0.6和1.0m情況下,大潮期鹽水入侵距離分別增加1.1、2.2和6.0km,鹽度最大增幅發(fā)生在七堡附近,量值分別達到0.17、0.32和0.49;小潮期入侵距離則分別增加2.8、5.9和9.8km,鹽度最大增幅發(fā)生在鹽官附近,量值分別達到0.38、0.80和1.22.海平面上升也會引起各取水口鹽度和超標時間的增加,在相對海平面上升0.3~1.0m時,南星橋至珊瑚沙3個取水口平均鹽度增值分別為0.1~0.3、0.1~0.3和0.1~0.2,最長連續(xù)超標時間增值分別為1.0~4.1、0.5~1.6和0.1~0.2d.

鹽水入侵；錢塘江河口；海平面上升；FVCOM；數值模型；取水口

海平面上升將導致海岸線、邊灘、淡水資源等發(fā)生變化,其中一個重要的影響就是會加劇河口地區(qū)的鹽水入侵[1].鹽水入侵是河口地區(qū)存在的一種特殊的自然現象,也是河口研究中的核心問題.海平面上升將促進鹽淡水的垂向混合,增大向陸斜壓梯度力,進而加劇高鹽水的向陸運動[2].

國內外一些學者針對海平面上升對河口鹽水入侵的影響做了相關研究,Rice等[3]模擬了詹姆斯河口(James River)在海平面分別上升30、50和100cm的幾種情況下,鹽度分布及鹽水入侵距離的變化.Shaha等[4]基于FVCOM模式分析了徑流變化及海平面上升對蟾津江(Sumjin River)鹽水入侵的影響,結果表明海平面上升達到1m時, 1.0等鹽度線入侵距離增加0.89km.Hong等[5]研究發(fā)現海平面上升后,切薩比克灣(Chesapeake Bay)灣內鹽度和鹽水入侵強度均呈增加趨勢. Xiao等[6]探討了海平面上升對圣馬克河河口(Marks River Estuary)鹽度分布的影響,結果表明當海平面上升0.85m,河口中部表層鹽度增加5.6個百分點,底層鹽度增加3.8個百分點.羅鋒等[7]研究發(fā)現海平面上升0.3和0.6m情況下,1.5等鹽度線上溯距離分別增加4.0和7.6km.王彪等[8]分析了海平面分別上升0.3m和0.5m對珠江河口鹽水入侵的影響.Qiu等[9]研究發(fā)現海平面上升導致長江河口鹽水入侵和分層強度增加,且各渠道的增量是完全不同的.

錢塘江河口潮強流急,沖淤變化劇烈,為典型的強潮河口(圖1),該河口供應著杭州市80%的飲用水,是城市重要的水源地.近年來錢塘江河口鹽水入侵有加重趨勢,海平面的持續(xù)上升對河口淡水資源造成的威脅也正在逐漸增大,嚴重影響取水口水質,尤其在枯水強潮期.如2013年8~10月,浙江沿海處于季節(jié)性高海平面,期間共發(fā)生了4次咸潮入侵過程,嚴重影響了南星橋水廠的取水.

就目前來看,對錢塘江河口鹽水入侵的模擬大多以一、二維數值模型為主,且主要著眼于徑流和潮汐兩大主要因素的影響,而針對海平面上升對河口水動力和鹽水入侵的影響缺乏深入研究.鑒于此,本文基于FVCOM模式建立錢塘江河口段潮流鹽度三維數值模型,重點研究相對海平面上升對錢塘江鹽水入侵及淡水資源造成的影響,對防范由此引起的鹽水入侵危害具有重要的現實意義,同時也可為采取蓄淡避咸、取水調度等措施提供一定的理論依據.

圖1 錢塘江河口形勢

1 研究方法

1.1 模式設置

本文采用美國Massachusetts Dartmouth大學陳長勝教授團隊開發(fā)的FVCOM模式[10],該模式采用無結構三角形網格,不僅在岸線擬合方面具有一定優(yōu)勢,而且擁有完備的應用模塊,已在國內外眾多海域得到廣泛了應用.模式計算范圍為錢塘江河口段及近口段區(qū)域,下邊界為澉浦-西三斷面,河寬17km左右;為使邊界不受單向流和潮汐震蕩的影響,上邊界延伸至富春江水電站.模式計算區(qū)域及網格如圖2所示,全長約197km,網格的節(jié)點數為9764,單元數為15688.下游開邊界分辨率最低,最大單元邊長約為1200m,向上游最小單元邊長約為60m.模型垂向采用坐標,均勻分為7層,垂向渦粘和擴散采用GOTM中的MY- 2.5階湍流閉合模型.

模型所用地形為2010年10的實測資料,數據均以85國家高程為基準.錢塘江河口地形復雜,潮灘較多,模式干濕判斷中,臨界水深取0.5m.在模式驗證的計算中,上游開邊界給定富春江電站實測日均下泄流量,鹽度設為零;下游開邊界動力條件給定為澉浦實測逐時潮位,鹽度邊界則為澉浦實測逐時鹽度.模型的水動力初始條件采用“冷啟動”,即水位和流速初始值均設為零.本文利用各潮位站實測資料,并結合錢塘江河口鹽度的時空分布特點,通過插值得到初始鹽度場.

模型采用內外模分離的方法,外模時間步長設定為0.8s,內模則為8s.經多次調試,曼寧系數在漲潮期間取值范圍為0.004~0.01,落潮期間取值范圍為0.006~0.021.計算過程中,模型運行45d,其中前30d用來使模式達到穩(wěn)定,后15d計算結果用來驗證和分析.

圖2 模式計算區(qū)域及網格

1.2 模式驗證

對模型進行潮位、流速、流向和鹽度的驗證,其中潮位資料為長期固定水文站的實測值,流速、流向和鹽度資料由2012年5月對錢塘江河口進行的現場定點觀測所得.觀測期間設置了8個水文測點(測點布置如圖1所示),多船同步作業(yè),大、中、小潮分別連續(xù)觀測27h(大潮期為2012年5月23日13:00至2012年5月24日15:00;中潮期為2012年5月26日15:00至2012年5月27日17:00;小潮期為2012年5月29日9:00至2012年5月30日11:00),采樣的時間間隔為1h.流速、流向數據采用ADCP觀測,鹽度數據由整點取水水樣經實驗室分析后得出.本次測量采用三點法(表層、0.6H、底層).

為進一步分析數值模型的可靠性,本文采用預測能力系數(Skill Score)[11-12]對模型計算結果和實測資料進行統(tǒng)計分析,具體公式如下:

限于篇幅,本文僅繪出部分驗證結果.鹽官、倉前、七堡和閘口4個測站的潮位計算值與實測值的過程對比如圖3所示,模型的計算值與實測值吻合良好,4個測站的SS值分別為0.97、0.94、0.93和0.89.5#站表、底層流速、流向和鹽度的計算值與實測值的過程對比如圖4所示,其中表層流速、流向和鹽度的SS分別為0.82、0.81和0.83,底層的SS分別為0.80、0.81和0.84.可以看出,模型的計算值與實測值吻合良好,證明了模型對錢塘江河口水動力及鹽度場的模擬具有一定可靠性.

圖3 計算潮位與實測潮位對比

圖4 5#站表層(左)和底層(右)流速、流向和鹽度的計算值與實測值對比

1.3 數值試驗設置

相對海平面上升是理論海平面上升和構造沉降、地面沉降等因素的疊加綜合[13].羊天柱等[14]得出1960~1994的30多年間浙江沿海海平面平均上升速率為(2.63±0.06)mm/a.伍遠康等[15]預測浙江沿海海平面略呈加速上升的趨勢,2011~ 2030年速率為3.0mm/a,2031~2050年速率為3.2mm/a.根據國際聯(lián)測數據結果[16],浙江沿海地區(qū)構造沉降速率約為1mm/a.沈慧珍等[16]研究發(fā)現杭嘉湖平原的地面沉降速率到2013年降到5mm/a以下.程杭平[17]得出平均海平面抬升在0.5m范圍內時,不會對錢塘江沿程鹽度帶來量級的變化.

本文控制試驗設置為:上游徑流取枯季富春江電站90%保證率的下泄流量250m3/s,下游澉浦邊界潮位及鹽度采用2012年11月實測數據.

以控制試驗為基準,設置3組數值試驗分別模擬相對海平面上升0.3、0.6和1.0m(分別對應短期、中長期和長期預測)情況下錢塘江河口鹽度變化過程.

2 鹽水入侵對海平面上升的響應

2.1 潮汐變化

圖5 各潮位站潮位在海平面上升情況下隨時間變化情況(左為大潮,右為小潮;Base為海平面不變,SLR為海平面上升)

在海平面上升不同情況下,各潮位站潮位變化如圖5所示.大潮期間,海平面上升0.3m時,鹽官至七堡高潮位抬升0.29~0.41m,低潮位抬升0.07~0.12m,潮差增大0.18~0.34m,潮差增幅為6.0%~11%;海平面上升0.6m時,鹽官至七堡高潮位抬升0.67~0.78m,低潮位抬升0.20~0.23m,潮差增大0.44~0.56m,潮差增幅為16%~18%;海平面上升達到1.0m時,鹽官至七堡高潮位抬升1.18~1.54m,低潮位抬升0.32~0.37m,潮差增大0.84~1.17m,潮差增幅為26%~47%.

小潮期間,海平面上升0.3m時,鹽官至七堡高潮位抬升0.31~0.40m,低潮位抬升0.06~0.19m,潮差增大0.12~0.34m,潮差增幅為14%~27%;海平面上升0.6m時,鹽官至七堡高潮位抬升0.59~ 0.74m,低潮位抬升0.14~0.34m,潮差增大0.26~ 0.59m,潮差增幅為23%~47%;海平面上升達到1.0m時,鹽官、倉前和七堡高潮位抬升1.05~ 1.19m,低潮位抬升0.27~0.51m,潮差增大0.57~ 0.92m,潮差增幅為36%~82%.

可以看出,海平面上升使得高、低潮位均有所抬升,且高潮位抬升值大于低潮位,相應的潮差增大.總體上看,小潮期間潮差增幅大于大潮期間,且各潮位站中倉前增幅最大.海平面上升也導致潮汐相位發(fā)生變化,高、低潮位均略有提前,在其他河口研究中也存在類似現象[4,8].

2.2 對鹽水入侵的影響

海平面上升0.3m情況下,大、小潮期間垂向平均鹽度分布及其與控制試驗的差值如圖6所示.鹽度的平面分布與控制試驗基本一致,鹽水入侵程度略有增強.大潮期間,0.45等鹽度線上溯至距澉浦108.5km處,較控制試驗上移了1.1km.沿上游方向鹽度差值逐漸增大,最大增幅發(fā)生在七堡附近,量值約0.15~0.17.七堡上游鹽度增幅又逐漸降低,到聞堰附近幅值降到0.05左右.

與大潮期相比,小潮期潮差減小,鹽水上溯距離變短.0.45等鹽度線位于距澉浦81.9km處,較控制試驗上移了2.8km.海平面上升使得高鹽水向上游輸移增加,最大增幅發(fā)生在鹽官附近,量值為0.38~0.4.鹽官上游鹽度增幅又逐漸減小,到七堡附近降為0.1左右.

圖6 海平面上升0.3m情況下,大潮期間(上)和小潮期間(下)垂向平均鹽度(左)及其與控制試驗的差值分布(右)

海平面上升0.6m情況下,垂向平均鹽度分布及其與控制試驗的差值(圖7)與海平面上升0.3m時基本一致.大潮期間,0.45等鹽度線上溯至距澉浦109.6km處,較控制試驗上移了2.2km.鹽度的最大增幅仍發(fā)生在七堡附近,量值約為0.3~0.32.七堡上游鹽度增幅又沿程下降,到聞堰附近增幅降為0.1左右.小潮期間, 0.45等鹽度線位于距澉浦85.0km處,較控制試驗上移了5.9km,最大增幅仍出現在鹽官附近,量值約為0.7~0.8.鹽官上游鹽度增幅逐漸減小,到七堡附近幅值降為0.1左右.

圖7 海平面上升0.6m情況下,大潮期間(上)和小潮期間(下)垂向平均鹽度(左)及其與控制試驗的差值分布(右)

圖8 海平面上升1.0m情況下,大潮期間(上)和小潮期間(下)垂向平均鹽度(左)及其與控制試驗的差值分布(右)

海平面上升1.0m的情況如圖8所示,鹽水入侵較之前兩種情況更為嚴重.大潮期間,0.45等鹽度線上溯至距澉浦113.4km,較控制試驗上移了6.0km.澉浦至鹽官河段的中下段鹽度略有下降.鹽度最大增幅依然出現在七堡附近,量值約為0.45~0.49.七堡上游鹽度增幅又逐漸下降,到聞堰附近增幅降為0.2左右.小潮期間,0.45等鹽度線位于距澉浦88.9km處,較控制試驗上移9.8km.鹽官附近達到最大值,約為1.2~1.22.鹽官上游鹽度增幅逐漸減小,到七堡以上降為0.2左右.

從垂向平均鹽度分布來看,由于動力機制相同,無論大潮還是小潮,海平面上升三種情況均與控制試驗對應的鹽度分布基本一致,表明海平面上升對錢塘江河口鹽度分布的總體態(tài)勢影響不大.隨著海平面上升幅度的增大,鹽水入侵增強效果愈加明顯.

從與控制試驗鹽度差值的分布來看,海平面上升使錢塘江河口鹽度整體上有所增大,大潮期間,鹽度最大增幅在七堡附近,小潮期間則下移至鹽官附近,且小潮期鹽度增幅比大潮期更大.大、小潮期間鹽度最大增幅發(fā)生的區(qū)域不同,主要是由于從大潮過度到小潮期,潮汐動力減弱,潮流對高鹽水輸移作用也相應減弱,高鹽水逐漸下移,鹽度最大增幅也由七堡附近下移至鹽官.小潮期鹽度增幅比大潮期更大主要是由于小潮期潮汐動力較弱,在增加相同水深的條件下,水深與潮差的相對值的變化小潮期比大潮期更大.

2.3 對取水口影響

海平面上升勢必會對河口地區(qū)水源地造成影響,對取水安全造成一定威脅.海平面上升后南星橋、閘口和珊瑚沙三個主要取水口15d潮汛內鹽度隨時間變化情況如圖9所示.可以看出,與控制試驗相比,海平面上升后各取水口鹽度值均有所提高.

主要取水口15d潮汛內鹽度統(tǒng)計如表1所示.海平面上升0.3m時,南星橋至珊瑚沙取水口平均鹽度增值均為0.1,最大鹽度增值分別為0.2、0.3和0.2;海平面上升0.6m時,南星橋至珊瑚沙取水口平均鹽度增值分別為0.2、0.2和0.1,最大鹽度增值分別為0.5、0.5和0.4;海平面上升1.0m時,南星橋至珊瑚沙取水口平均鹽度增值分別為0.3、0.3和0.2,最大鹽度增值分別為0.8、0.9和0.7.

從表中還可看出,海平面上升造成各取水口鹽度超標時間有不同程度的增加.海平面上升0.3m時,三個取水口連續(xù)最長超標時間分別增加1.0d、0.5和0.1d,累計超標時間分別增加1.0、1.1和0.9d;海平面上升0.6m時,三個取水口連續(xù)最長超標時間分別增加1.0、0.6和0.1d,累計超標時間分別增加2.1、2.1和1.6d;海平面上升1.0m時,三個取水口連續(xù)最長超標時間分別增加4.1、1.6和0.2d,累計超標時間分別增加3.4、3.7和3.0d.

圖9 海平面上升情況下各取水口鹽度隨時間變化(虛線為鹽度值0.45,即飲用水標準)

表1 海平面上升情況下取水口鹽度統(tǒng)計

3 結論

3.1 本文建立錢塘江河口三維潮流鹽度數值模型,并對海平面上升這一因素進行了定量剝離,以枯季富春江電站90%保證率的下泄流量為模式邊界條件,以2012年為基準年,在相對海平面分別上升0.3、0.6和1.0m情況下對錢塘江河口潮汐、鹽水入侵強度及主要取水口鹽度的變化進行了分析.結果表明,海平面上升后錢塘江河口段水動力條件及鹽度場均發(fā)生明顯變化.海平面上升使得沿程各潮位站高、低潮位均有所抬升,潮差增大,同時引起相位產生變化,高、低潮位均略有提前.

3.2 海平面上升相當于增加了河口水深,增大了向陸斜壓力,促進了高鹽水的向陸運動,進而導致鹽水入侵加劇.在海平面分別上升0.3、0.6和1.0m情況下,與控制試驗相比,大潮期0.45等鹽度線分別上移了1.1、2.2和6.0km,鹽度最大增幅發(fā)生在七堡附近,量值分別為0.17、0.32和0.49;小潮期0.45等鹽度線分別上移了2.8、5.9和9.8km,鹽度最大增幅發(fā)生在鹽官附近,量值分別為0.38、0.80和1.22.小潮期的增幅更大,表明海平面上升對小潮期影響更大.海平面上升后,三個主要取水口鹽度及超標時間均有所增加.相對海平面上升0.3~1.0m,南星橋至珊瑚沙平均鹽度增值分別為0.1~0.3、0.1~0.3和0.1~0.2,最大鹽度增值分別為0.2~0.8、0.3~0.9和0.2~0.7,最長連續(xù)超標時間增值分別為1.0~4.1、0.5~1.6和0.1~0.2d,累計超標時間分別增加1.0~3.4、1.1~3.7和0.9~3.0d.

[1] 海洋局:中國海平面上升速率高于全球平均水平 [J]. 中國環(huán)境科學, 2015,35(3):942.

[2] Mac Cready P, Geyer W R. Advance in estuarine physics [J]. Annual Review of Marine Science, 2010,(2):35-38.

[3] Rice K C, Bo H, Jian S. Assessment of salinity intrusion in the James and Chickahominy Rivers as a result of simulated sea-level rise in Chesapeake Bay, East Coast, USA [J]. Journal of Environmental Management, 2012,111:61-69.

[4] Shaha D C, Cho Y K, Kim T W. Effects of river discharge and tide driven sea level variation on saltwater intrusion in Sumjin River estuary: an application of finite-volume coastal ocean model [J]. Journal of Coastal Research, 2012,29(2):460-470.

[5] Hong B, Shen J. Responses of estuarine salinity and transport processes to potential future sea-level rise in the Chesapeake Bay [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2012,104-105:33-45.

[6] Xiao H, Huang W, Johnson E, et al. Effects of sea level rise on salinity intrusion in St. Marks River Estuary, Florida, U.S.A. [J]. Journal of Coastal Research, 2014,(68):89-96.

[7] 羅 鋒,李瑞杰,廖光洪,等.水文氣象條件變化對長江口鹽水入侵影響研究[J]. 海洋學研究, 2011,29(3):8-17.

[8] 王 彪,朱建榮.基于FVCOM模型的珠江河口及其鄰近海域的潮汐模擬[J]. 熱帶海洋學報, 2012,31(4):17-27.

[9] Qiu C, Zhu J. Assessing the influence of sea level rise on salt transport processes and estuarine circulation in the Changjiang River Estuary [J]. Journal of Coastal Research, 2015,313(3):661-670.

[10] Chen C, Liu H, Beardsley R C. An unstructured grid, finite-volume, three-dimensional, primitive equations ocean model: Application to coastal ocean and estuaries [J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology, 2003,20(1):159-186.

[11] Allen J I, Somerfield P J, Gilbert F J. Quantifying uncertainty in high-resolution coupled hydrodynamic-ecosystem models [J]. Journal of Marine Systems, 2007,64(1):3-14.

[12] Ralston D K, Geyer W R, Lerczak J A. Structure, variability, and salt flux in a strongly forced salt wedge estuary [M]// Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012). 2010:160-164.

[13] 程和琴,陳祖軍,阮仁良,等.海平面變化與城市安全——以上海市為例 [J]. 第四紀研究, 2015,35(2):363-373.

[14] 羊天柱,應仁方,張俊彪,等.浙江沿岸海平面研究與變化預測 [J]. 東海海洋, 1999,17(4):1-11.

[15] 伍遠康,汪邦道.浙江省沿海海平面上升及預測 [J]. 浙江水利科技, 2003,(2):1-4.

[16] 沈慧珍,趙建康,劉思秀,等.杭嘉湖平原地面沉降防治效應分析 [J]. 上海國土資源, 2014,(4):114-117.

[17] 程杭平.平均海平面抬高對錢塘江鹽度入侵的影響分析 [J]. 浙江水利科技, 2002,(6):1-4.

Predicting the impact of sea level rise on saltwater intrusion in the Qiantang Estuary.

SUN Zhi-lin1,2, LI Guang-hui2, XU Dan3*, WANG Chen1, HU Shi-xiang1, HUANG Sen-jun1

(1.Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China；2.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；3.Industrial Technology Research Institute, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)., 2017,37(10)：3882~3890

Sea levelrise was greatly concerned by society with its effects on saltwater intrusion and material transport in estuaries, which threaten drinking water supplies. In order to study the response of drinking water source to sea level rise, and prevent potential disasters in the future, a 3D numerical model for tidal flow and salinity was built based on the unstructured model FVCOM, and then applied to assess the impact of future sea level rise (SLR) on saltwater intrusion in the Qiantang Estuary through a series of numerical simulation. The results indicated that the sea level rise can cause substantial increase of salinity and the magnitude was higher during neap tide than during spring tide. The salinity intrusion moved farther upstream by 1.1, 2.2 and 6.0km, respectively, for the SLRs of 0.3, 0.6 and 1.0m during spring tide, while 2.8, 5.9 and 9.8km during neap tide. The maximum increase of salinity rised near Qibao station, and the values reached 0.17, 0.32 and 0.49respectively during spring tide, while, the maximum increase of salinity occurred near Yanguan station, and the magnitude reached 0.38, 0.80 and 1.22 during neap tide. When the relative sea level rise was in 0.3~1.0m, the increase of average salinity at three water intakes from Nanxingqiao to Shanhusha were 0.1~0.3, 0.1~0.3 and 0.1~0.2, the increase of maximum excessive salinity time were 1.0~4.1, 0.5~1.6 and 0.1~0.2 d respectively.

saltwater intrusion；Qiantang Estuary；sea level rise；FVCOM；numerical model；water intake

X171

A

1000-6923(2017)10-3882-09

孫志林(1956-),男,浙江寧波人,教授,博士,主要從事水沙動力學與河口海岸數值模擬研究.

2017-03-06

國家自然科學基金重大研究計劃項目(91647209);國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0402303,2016YFC0402305-02)

* 責任作者, 助理研究員, darrenxu@zju.edu.cn