李若華, 夏冬梅, 姚凱華

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020; 2.河海大學環(huán)境學院,江蘇 南京 210098)

錢塘江河口潮強流急,涌潮洶涌,山潮水比值僅為0.01,是典型的強涌潮河口,在極端枯水條件下,鹽水可上溯至離杭州灣口207 km處的聞家堰以上,其鹽水入侵長度和強度遠大于一般潮汐河口[1]。鹽水入侵對河口的水動力、水質和生態(tài)具有重要影響[2],會影響河口地區(qū)的取用水[3],同時鹽度作為保守的示蹤劑,還經(jīng)常用于研究河口的水循環(huán)和混合過程[4]。因此,鹽水入侵研究具有重要學術意義和應用價值,一直是河口研究的熱點[5-9]。

從20世紀60年代開始,不少學者研究了錢塘江河口的鹽水入侵規(guī)律。毛漢禮等[10]分析了錢塘江河口沿程月平均氯度,認為其符合Aron和Stommel混合長度理論。韓曾萃等[11]首次采用一維水流鹽度數(shù)值模型研究了錢塘江河口鹽水入侵規(guī)律,預測了錢塘江水體含氯度,在此基礎上建立了錢塘江河口鹽水入侵中長期動床預報數(shù)值模型,并將該模型應用于富春江水庫每年枯季泄水流量調度[4],同時還分析了新安江建庫、河口治江縮窄對河口鹽水入侵的影響[12]。史英標等[13]采用錢塘江河口段長歷時實測水文、氯度資料,分析了強潮作用下鹽水入侵的時空變化特征。潘存鴻等[1,14]通過實測資料及數(shù)學模型分析,研究了徑流、潮汐、涌潮等對錢塘江河口鹽水入侵的影響。

錢塘江河口是一個強沖淤的河口,其鹽水入侵強度及鹽度在河口的時空分布不僅受上游徑流和外海潮汐控制,還深受河床沖淤的影響,這也是錢塘江河口的鹽水入侵規(guī)律較其它河口更加復雜的原因所在。隨著現(xiàn)場觀測資料和研究成果的累積,錢塘江河口的鹽水入侵規(guī)律研究也逐漸深入。錢塘江河口七堡河段是杭州市最重要的水源地,本文基于多年的水文、地形、氯度等實測資料及現(xiàn)有研究成果,結合鹽水入侵與水文之間的關系特性,分析錢塘江河口七堡河段鹽水入侵的一些新規(guī)律。

表3 2009年9月大潮定點實測氯度

注:分層系數(shù)為底表層鹽度差與垂線平均鹽度之比;橫向差異系數(shù)為深槽平均和淺灘平均之差與深槽平均之比。

1 氯度空間分布特征

1.1 縱向分布特征

錢塘江河口長期觀測氯度的水文站有閘口、七堡、倉前、鹽官、澉浦5個站(圖1),每日采用滴定法觀測日最大、最小氯度(氯離子的質量濃度),已積累了近50年的資料。本文采用尖山河灣治江縮窄后的2000—2015年年均氯度資料,統(tǒng)計錢塘江河口沿程各站多年氯度特征值如表1所示,這16年中包括了豐、平、枯水年,具有較好的代表性。表2為1953年以來錢塘江河口各站潮汐特征值。

圖1 錢塘江河口形勢圖及站點位置

表1 錢塘江河口2000—2015年沿程各站氯度特征值

注:變異系數(shù)為標準差與均值之比;采用的河床容積為閘口—鹽官河段吳淞高程7 m以下的年均河床容積,下同。

表2 錢塘江河口各站潮汐特征值

由表1、表2可見,澉浦以上河段潮差快速減小,漲潮歷時大幅縮短,至七堡后多年平均潮差由澉浦的5.64 m減小至0.79 m,平均漲潮歷時也由澉浦的5.47 h縮短至1.42 h,說明潮汐在河口上溯過程中潮汐能量快速減弱;與此相對應的是年平均氯度也由澉浦的4.29 g/L減小至0.11 g/L,表明鹽水在上溯過程中,潮量逐漸減小,受下泄淡水徑流的稀釋作用逐漸增強,氯度逐漸降低;同時還可以看到,越往上游,氯度的變異系數(shù)越大,其中閘口—倉前河段變異系數(shù)較大,七堡達到最大,表明閘口—倉前河段是徑流、潮流勢力彼消此長的區(qū)域,淡水、鹽水摻混強烈,徑流大則可有效壓制鹽水。杭州的多個取水口布置在閘口—七堡河段,該特點為杭州在秋季大潮期調度上游水庫加大下泄流量抗咸提供了可行性[15]。

1.2 橫向及垂向分布特征

錢塘江河口雖屬強潮河口,但不同河段的混合程度仍有所差別,尤其是倉前上游的杭州段,處于河口段的上游,山潮水比值逐漸增大,涌潮逐漸消失,潮流速減小,水體紊動摻混作用較中、下游弱,加之在復式河槽中淺灘與深槽的水深相差較多,還有彎道環(huán)流的影響等,導致橫向流速分布不均勻,致使氯度在江道斷面橫向分布上不一致。一般認為,因深槽水流流速大,鹽度隨潮流運動的速度較快,在漲憩前后,深槽的鹽度大于淺灘,且深槽與淺灘水深之比越大越顯著[16]。

表3為2009年9月大潮定點實測氯度情況,由表3可見,錢塘江河口在一個潮中的最大氯度,上、下游均呈現(xiàn)出深槽大于淺灘的現(xiàn)象,總體趨勢是下游差異小,上游差異大,但橫向差異最大的閘口斷面的橫向差異系數(shù)也小于0.3。同時可以看到,七堡—澉浦河段氯度分層差異也較小,分層系數(shù)均在0.16以下,閘口氯度已低于0.25 g/L的飲用水標準,可看作為淡水。因此,錢塘江河口氯度的差異基本在0.3以內(nèi),屬強混合型河口[17]。

2 氯度時間變化特征

2.1 年際變化

以倉前站為例,由表1可知,其年均氯度最大可達0.85 g/L,最小僅0.16 g/L,同時也可看到影響鹽水入侵的徑流量及河床容積變化也很大。繪制倉前站年均氯度與年均徑流量、潮差、河床容積的關系如圖2～4所示。

圖2 倉前站年均氯度與年均徑流量

圖3 倉前站年均氯度與年均潮差

圖4 倉前站年均氯度與年均河床容積

由圖2～4可見,豐水年(2002年、2010年、2012年和2015年)時河道沖刷,河床容積和潮差大,但因徑流量大壓制了鹽水入侵,倉前站氯度較小;連續(xù)枯水年(2005—2009年)后,河床淤高容積變小,潮差小,潮流上溯能力弱,雖然此時徑流量小,但倉前站氯度也較小;徑流從豐轉枯的第一年(2003年),雖徑流量大幅減小,因河床容積和潮差還較大,氯度也較高。同時也可看到,潮差與河床容積的變化趨勢基本是一致的,河床容積大,則潮流上溯能力強,導致潮差大,由此可見,潮差大小可在一定程度上反映河床的沖淤程度。

2.2 季節(jié)變化

因徑流和潮汐的季節(jié)性變化,導致錢塘江河口氯度在年內(nèi)變化十分明顯。統(tǒng)計2000—2015年各月平均日最大氯度,繪制各月氯度與月均徑流、潮差、河床容積(錢塘江河口每年4月、7月、11月進行3次地形測驗)的關系見圖5～7。從圖5～7可見,3—7月為豐水期,徑流較大,且潮汐相對較弱,氯度較小;8—11月徑流大幅減小,平均不足豐水期的一半,對鹽度的稀釋能力大幅減弱,且河床經(jīng)過汛期的強烈沖刷,河床容積較4月大幅增加,另外秋季是大潮期,外海潮汐較強,故河口段潮流上溯能力大幅增強,導致氯度較大;12月至次年2月雖為枯水期,徑流量較小,但河口段的河床經(jīng)過秋季大潮期4個月的回淤,容積大幅減小,潮流上溯能力弱,河口進潮量將大幅減少,氯度也較小。

圖5 倉前站多年月均日最大氯度與月均徑流量

圖6 倉前站多年月均日最大氯度與月均潮差

圖7 倉前站多年月均日最大氯度與河床容積

2.3 月相變化

2007年10—11月,在七堡斷面進行了連續(xù)半個月逐時的氯度、潮位、潮流觀測,其結果如圖8所示。由圖8可見,小潮期潮位低,潮差小,隨著小潮期向大潮期過渡,潮差逐漸增大,高、低潮位均逐漸抬升,10月23—29日低潮位抬升1.3 m,高潮位抬升2.1 m,表明潮差同步增大了0.8 m。小潮時氯度很低,水體為淡水,進入大潮期后,氯度快速升高,10月26—30日氯度波動劇烈,最高氯度達到1.3 g/L。大潮期過后,氯度又恢復至低值。由此可見,七堡河段的鹽水入侵主要集中在大潮期的這幾天,其他時間基本不受鹽水入侵的影響。

圖8 2007年七堡斷面氯度和潮位月相變化

3 大潮期氯度變化與潮位、流速的關系

圖9 大潮期七堡斷面氯度與潮位的關系

圖10 大潮期七堡斷面氯度與流速的關系

圖11 大潮期七堡斷面水深與潮差的關系

由上述分析可知,錢塘江河口鹽水入侵主要發(fā)生在大潮期。圖9～11展示了2007年10月25—29日大潮期間七堡斷面的潮位、垂線平均流速(設定漲潮流速為正,落潮流速為負)、垂線平均氯度的變化。由圖9～10可見,由于涌潮的存在[18],漲潮初期潮位急劇抬高,同時水流迅速從落潮流轉為漲潮流,并在半小時內(nèi)漲潮流速達到極值,大潮期間漲潮最大流速可以達到1.8 m/s,而落潮最大流速僅0.8 m/s,由此可見,該河段漲潮歷時雖然小于落潮歷時,但漲潮期的水動力遠大于落潮期的水動力。同時可看到,因鹽分需由下游隨水流帶至上游,故氯度抬升滯后于潮位和流速,高潮位和漲潮最大流速過后氯度才出現(xiàn)最大值,而泥沙含量基本與潮流同步達到最大值[19],這是因為泥沙不僅可被漲潮流從下游帶至上游,本地河床的泥沙還會被涌潮掀起懸浮,這也是錢塘江河口鹽度和泥沙輸運特征不同的主要機制之一。由圖11可見,在前5個潮(約60 h內(nèi))期間,該河段處于蓄潮階段,潮平均水深逐漸增加,潮位、潮差、漲落潮流速逐漸增大,氯度也逐漸增大。在第5個潮,高潮位、潮差、漲潮最大流速、氯度均達到最大值。之后低潮位基本保持不變,高潮位呈現(xiàn)一高一低交替的現(xiàn)象,相應的潮平均水深、潮差和漲潮最大流速也呈現(xiàn)一大一小交替的現(xiàn)象。在前60 h內(nèi),每個潮周期的氯度峰值逐漸升高,60 h后氯度出現(xiàn)最大值,為1.28 g/L,之后與高潮位(或潮差)對應,每個潮周期的氯度峰值呈現(xiàn)一高一低交替的現(xiàn)象,但氯度峰值逐漸減小。整個大潮期間每個潮周期的最小氯度基本相同,約0.05 g/L,說明該河段在落潮后期已為淡水。

4 結 論

a. 閘口—倉前河段是徑流、潮流勢力彼消此長的區(qū)域,淡水、鹽水摻混強烈,徑流對鹽水入侵有較好的壓制作用。氯度垂向分布比較均勻,橫向差異小,主槽氯度大于邊灘。

b. 受年際、年內(nèi)的徑流，潮汐，地形的影響,年際、年內(nèi)氯度差異較大,徑流從豐轉枯的第一年,每年的8—11月,鹽水入侵較強。

c. 河口段的潮差和氯度不僅在大、小潮期間差異大,大潮期間波動也較大,且氯度變化滯后于潮位的變化。

d. 潮差是錢塘江河口潮動力的重要指標,也是鹽水入侵強度的重要指標,咸潮入侵強度與潮差呈現(xiàn)顯著的正相關。

e. 大潮期的前期,河口處于蓄潮階段,鹽度快速升高,此時應快速加大上游的下泄流量,抵御咸潮入侵。大潮期的后期,因潮位和氯度仍較高,此時仍應保持較大的下泄流量,避免受咸潮入侵影響用水。