长江口盐水入侵研究综述

长江口盐水入侵研究综述
刘均卫1,2，童朝锋1,2
1. 河海大学交通与海洋学院，南京（210098）
2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京（210098）
E-mail：liuweiwei_lw@
摘要：简述河口盐水入侵早期的研究状况；回顾早期至近年来国内外发展起来的水流盐度数学模型；并详细介绍了近阶段长江口地区盐水入侵研究成果及水流盐度数值模拟研究成果；目前河口盐水入侵研究已比较成熟，但是在我国长江口地区，由于地形、水动力条件以及人类兴修水利工程的影响，盐水入侵特征和规律还不能准确把握，这方面的工作还有待完善；最后，还提出了长江口盐水入侵可能进一步研究的方向。

关键词：长江口；盐水入侵；水流盐度；数值模拟
1长江口概况
长江口河口段自江阴至口门长约200公里，径流与潮流相互消长，河槽分汊多变。

长江口自徐六泾以下经过三次分汊，共形成四个入海通道。

崇明岛将长江口分为南支和北支；长兴岛和横沙岛又将南支分为南港和北港；南港又进一步被九段沙分为南槽和北槽，形成三级分汊，四口入海的形式，如图1所示。

图1 长江河口形势图
Figure 1 Figure of river regime of yangtze estuary
长江河口为径流与潮流相互消长非常明显的多级分汊沙岛型中等潮汐河口。

90km 宽向东、黄海敞开的口门接纳外海巨大的潮量,虽然长江水量丰沛,但是在枯水期,长江口的盐水入侵经常造成黄浦江下游河段和长江口徐六径以下河段氯化物等溶解盐类剧增,给上海人民的生活和工农业生产带来严重影响。

长江口属于部分混合型河口，盐水侵入时与淡水的相互混合使水体密度发生变化，由此产生密度流，方向始终指向上游，产生密度斜压效应，使得涨潮流速加大，而落潮流速减小。

由于表层盐度小于底层，表层与底层的流速变化不一致，导致大范围的垂向环流。

河口盐水入侵的盐水界(盐度为0.5‰) 枯水期南港在五号沟附近,北港在六滧港附近,崇明岛及南港马家港以下水域直接受外海盐水入侵上溯影响。

北支的水、沙倒灌严重影响了南支河段的水质,北支倒灌的盐水团影响范围分别到达南、北港的吴淞口及堡镇港,严重影响了南支的水质和水源地的建设[1]。

2国内外早期盐水入侵研究
盐水入侵研究的方法有现场观测、物理模型和数学模型等。

国外对河口盐水入侵的研究，最早始于20世纪30年代，美国的水道试验站(WES)和荷兰Delft水工试验所在这方面做了很多的工作，大都是基于观测资料分析以及试验研究。

在50年代，不少学者对盐水楔入侵长度进行了大量的研究工作，其中包括Schonfeld,J.C.(1953) [2]年基于盐水楔理论导出了盐水入侵长度的解析解。

Pritchard(1952,1954) [3] [4]、Bowden(1959,1963,1966) [5] [6] [7]、Hansen(1965) [8]等人先后对盐水入侵范围、盐淡水混合和水体盐度分布及其对水流、泥沙运动的影响等进行了研究；之后Hansen(1966)、Simmons(1969) [9]、Bowden(1967) 等人从不同的角度对河口盐水入侵类型进行了分类，如1969年Simmons(1969) [9]提出以一个潮周期内注入河口的径流量与潮流量之比定义为混合系数M，以此来区分盐淡水混合的类型；Officer,C.B. (1975) [10]又在他的基础上进一步将河口分为弱混合型、缓混合型和强混合型，此法也适用于中国河口分类。

Hansen和Rattray (1966) [11]根据河口实际资料用底层与表层之间的盐度差与垂线平均盐度之比值定义为分层系数。

Bowden(1967) [12]和Pritchard(1967) [13]从河口环流的形式差异出发将河口盐淡水混合分为盐水楔（高度分层）型、两层水流（中等分层）型和垂直均匀型。

之后大量学者以现场实验或者数学模型为手段在理论上作了较为深入地研究，探讨了垂向混合、水平平流、正压和斜压效应等对盐水入侵的动力作用。

由于历史的原因，国内河口盐水入侵的系统研究从20世纪80年代初才开始展开；且早期研究主要是基于实测资料分析盐水入侵规律。

易家豪[58]最早于1964年指出长江口在水平上和垂直方向都存在盐度梯度。

朱留正（1980）[33]指出长江口的盐淡水混合属于缓混合型，其水流特征反映了盐水入侵对河口的影响，并构成了复杂的环流形态。

韩乃斌（1980）[56][57]指出长江口盐水入侵在很大程度上受到上游径流量和河口进潮量比的影响，并根据多年现场氯度逐时同步遥测资料，分别对长江口北支倒灌和南支河段水质进行了分析；徐君亮等（1981）[15]对伶仃洋的盐水入侵及盐水楔的活动规律进行了探讨；应铁甫（1983）[16]分析了伶仃洋咸淡水的混合特征；严镜海(1986) [14]详细阐述了盐水楔的形成和扩散机理，并对盐水楔异重流的形成条件作了研究。

沈焕庭（1985，1988）[17] [18]和田向平（1986）[19]分别探讨了长江河口和珠江河口伶仃洋的河口净环流、最大浑浊带的成因和活动规律以及对河口泥沙淤积的影响。

金元欢、孙志林（1992）[55]在分析中国众多河口实测盐度分布资料的基础上，首次归纳了中国河口盐淡水混合的基本特征，并根据不同类型河口对典型的河口盐淡水混合特征进行阐述。

3 长江河口盐水入侵研究状况
3.1 长江口盐水入侵研究主要成果
近阶段长江口盐水入侵的研究，至目前为止已经取得许多成果，比如：盐水入侵长度、盐水入侵锋和盐淡水混合类型的研究；盐水入侵的时空变化、北支盐水倒灌规律及对南支的影响研究以及对长江口盐水入侵的影响因素、重大工程（包括长江口深水航道整治工程、南水北调工程、三峡工程等）对盐水入侵的影响分析，此外还对盐水入侵的预测进行了深入的探讨。

宋志尧、茅丽华等[58]在总结长江口盐水入侵研究现状的基础上，指出流域大量蓄引提供水工程、北支入流条件恶化、湖泊和河槽调蓄能力减弱等是导致长江口盐水入侵加剧的主要原因。

钱春林（1995）[59]对盐水入侵长度进行估算，指出河口盐水入侵长度取决于河口的径流量潮汐，同时与河口形态、河床阻力、口外盐度及波浪有关。

茅志昌等[60][61]根据长江口多年的实测资料，计算分析各入海通道内盐水入侵锋的伸退区及其特征，指出确定盐度锋迁
移范围和滞留点的判据，同时还研究了盐度锋对河口最大浑浊带的贡献。

肖成猷、沈焕庭等[62]根据实测资料研究了径流、潮汐、地形等对长江口盐水入侵的影响。

胡方西等[63]根据现场实测资料对长江盐度场及盐度锋进行分析，提出口门至外海纵向上存在着三级锋面。

顾玉亮、吴守培等[64]研究了北支盐水入侵对长江口水源地影响，明确提出：南北港盐水上溯对长江口已建和规划水源地的连续不宜取水天数不构成威胁,而北支盐水倒灌是南支水域盐水入侵的主要来源,近年有显著增强的趋势。

徐建益、袁建忠[65]、韩乃斌 [57]、陶学为[66]、贺松林和丁平兴等[67]分别都对长江口南、北支的盐度分布特征和盐水入侵规律进行了研究。

沈焕庭等[54]、韩乃斌[35]研究了南水北调工程对长江口盐水入侵的影响，研究表明南水北调工程枯季调水对盐水入侵影响较大。

李禔来、李谊纯等[68]根据实测资料和数学模型研究了长江口整治工程对盐水入侵的影响，研究结果表明南北支航道整治工程能起到减小北支盐水倒灌的作用。

此外陈吉余[69]、曹勇等[70]提出了三峡工程对长江河口盐水入侵的影响，并认为三峡水库蓄水是河口淡水资源减少的主要原因。

随着数值计算方法和计算机技术的发展，数学模型成为现阶段研究河口盐水入侵的重要手段，国内外已有较多研究盐水入侵数学可以较成功地模拟出水流和盐度场，模型从一维到三维，发展已比较成熟。

3.2 国外河口水流盐度模型简介
国外的海洋模型发展已比较成熟，目前国际上使用较广泛的河口海洋数值模型有：POM 模型（Princeton Ocean Model）[20]，ECOM模型（Estury，Coast and Ocean Model）[21]，FVCOM 模型(Finite Volume Coast and Model) [22]和UNTRIM模型（Unstrustured grid TRIM model）[23]等；其中ECOM 模式已经在许多河口海岸地区得到广泛应用和验证；FVCOM模式已成功地应用于美国的乔治亚、南卡、麻州等一些河口及Geogia Bank、五大湖和我国的渤海等，代表了数值模拟的新方向。

还有一些用于可视化的商业软件，如：Delft-3D、MIKE模型等都可以用于模拟水流、盐度扩散、泥沙输移等多种物理过程；美国俄勒冈州Oregon Health & Science University的OGI School of Science & Engineering研究人员，基于对哥伦比亚河的研究，开发了ELCIRC模型（Eulerian-Lagrangian Circulation）[24]以及SELFE模型（Semi-Implicit Eulerian-Lagrangian Finite-Element Model）[26]，可以模拟多种物理过程，ELCIRC是哥伦比亚环流模型CORIE的一部分，可以单独用于模拟计算，该模型已进行基准测试，并成功应用到哥伦比亚河口的模拟[25]；SELFE模型目前已在河口三维环流模拟方面取得较大的成功。

此外还有公开代码且基于结构网格的模型（TRIM[27]；ROM[28]；NCOM[29]；）或者基于无结构网格模型（SEOM[30]；ADCIRC[31]；QUODDY[32]）。

以上这些海洋环流模型主要采用有限差分、有限单元以及与有限体积法相结合的方法。

3.3 长江口盐水入侵数学模型研究历程
一维盐度数值模拟主要是对一维水流盐度扩散方程进行离散和数值计算，并利用计算结果研究盐度纵向分布及入侵长度等。

朱留正(1980)[33]在阐明长江口缓混合型盐水入侵的环流形态基础上，应用扩散、质量守恒方程对长江口盐度纵向分布和入侵范围进行了计算；黄昌筑(1982)[34]利用一维盐度扩散方程分析了长江口盐水入侵现象，并通过定义综合参数刀和“冲淡速度”U、建立了长江口一维盐度纵向分布的计算模式和预报方法；韩乃斌(1983)[35]基于一维盐度平流扩散方程研究了南水北调工程对盐水入侵长度的影响；并估算了南水北调工程调水后南支的盐水入侵长度，文中还分析了北支倒灌对南支含氯度的影响。

在长江口水域建立垂向和平面二维数学模型,有利于对长江口的水动力特性从宏观上加以研究，并用于研究潮汐河口径流和潮位对盐度分布的影响，有计算精度较高，速率快的优点。

首先，进行垂向二维模型研究有易家豪（1981）[36]建立了河口垂直二维盐水入侵的数学模型，模型考虑了盐水的密度梯度作用，并提出了必须考虑水平扩散项对盐度分布的影响以及它的计算方法。

王义刚等(1991) [37]为描述潮汐河口盐水入侵特性建立了垂向二维数学模型，并以长江口南槽实测资料验证了潮流、盐度和潮位，计算结果与实测值吻合良好。

周济福等（1999）[38]建立了河口垂向准二维盐度数学模型，并应用此模型研究了长江口混合过程, 得到了盐度分布、盐度锋强度随长江径流、潮差定量变化的规律。

对于二维平面模型的研究，陶学为（1991）[39]、建立了正交曲线坐标下平面二维数学模型，对北支盐水倒灌南支，南港及北港单独入侵南支进行了计算。

肖成酞等(2000) [40]建立了平面二维数学模型,对长江口北支盐水倒灌过程和影响范围进行了模拟，同时还研究了北支盐水倒灌的机理和不同径流量条件下倒灌强度的变化。

罗小峰、陈志昌（2004) [41]利用长江口平面二维水流盐度数学模型，模型范围包括长江口和杭州湾地区，模拟计算了4种水文组合条件下径流和潮流对盐水入侵的影响，探讨了长江口拦门沙地区盐度随水流的扩散输移规律，此外还建立了长江口北槽三维水流盐都数值模型，分析了盐度梯度引起的斜压项对水流的影响。

宋元平等（1990）[42]、匡翠萍（1997）[43]分别建立了长江口盐水入侵计算的三维数学模型，模型反映了长江口盐度分层现象明显的特征。

严以新、宋志尧等（1998) [44]建立了河口三维非线性斜压水流盐度数学模型。

刘桦（2000）[45]、郑金海和褚裕良（2001）[46]、潘军宁(2002) [47]等分别对长江口三维潮流、盐度数值模型进行了研究；其中刘桦等建立了计及河口密度分层效应的三维潮流、盐度数学模型，该模型首次复演了完整的长江口三维潮流场，并对三维盐度场进行了初步模拟。

郑金海、褚裕良将水平压强梯度分为水位梯度的正压项和密度变化的斜压项，能够合理反映河口盐淡水混合中的斜压现象，所建立的河口三维非线性斜压潮流盐度数学模型较好地模拟了部分混合型河口。

龚政(2002) [48]基于POM推导出了适合长江口的σ坐标下的三维非线性斜压水流盐度模型；此外，龚政，张长宽等（2004）[49]还建立了σ坐标系下长江口斜压诊断模式三维流场数学模型，采用k-kl二方程紊流闭合模型求解垂向涡粘系数，计算域内恒定、非均匀的盐度场反映了计算域密度斜压效应。

朱建荣等(2003) [50]、马钢峰和刘曙光等（2006）[51]在ECOM模式基础上，分别建立了长江口三维盐度数值模式；朱建荣通过其建立的模式从动力机制上分析了盐水入侵的空间不对称性及和横向环流的产生；基于这个模式胡松等(2003) [52][53]还讨论了径流量变化和海平面上升对河口环流和盐水入侵的影响。

4 小结
本文简述了河口盐水入侵的研究状况，详细介绍了长江口地区盐水入侵研究成果和水流盐度数值模拟研究成果；综上所述，长江口地区盐水入侵主要表现为枯期北支盐水倒灌加剧，进而影响南支，受南水北调工程调水及其它蓄水、引水工程的影响，特别是在特枯年份影响较大；虽说长江口地区盐水入侵研究已比较成熟，但是由于其地形变化复杂，同时受径流、潮流、风浪以及兴修水利工程等多种综合因素的影响，流场和盐度分布规律比较复杂，因此目前对长江口地区盐水入侵规律及其影响因素的研究还不够全面；鉴于此，本文提出可以从以下几个方面进一步研究：（1）风暴潮对长江口盐度分布的影响；（2）三峡水库蓄水以及长江沿程抽引水工程将导致长江口径流量发生变化，其对长江口盐水入侵的影响有待进一步研究；（3）河口地区滩地围垦后，河口边界条件的变化对长江口盐水入侵的影响也值得探讨；（4）
海平面上升对长江口盐水入侵的影响研究；（5）北支河道河床演变也会对北支盐水入侵规律
有一定的影响。

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A Review on Salt Water Intrusion in Yangtze Estuary
Liu Junwei 1，Tong Chaofeng1,2
1. College of Ocean，Hohai University，Nanjing （210098）
2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai
University，Nanjing （210098）
Abstract
This paper briefly introduces the early researching progress of salt water intrusion in estuaries, and reviews different kinds of mathematic models at home and abroad, from early to recent years. Research of salt water intrusion and relevant nummerical simulation results in Yangtze estuarine areas in recent years are introduced as well. At present, the research of salt water intrusion has been maturely developed, however, the effects of topography and hydrodynamic conditions of Yangtze estuary , and the construction of water conservancy projects make it difficult to do an accurate research, it seems that this work need to be improved. Finally, some suggestions are given on the further researching directions probable.
Keywords：Yangtze estuary；salt water intrusion；current and salinity；numerical model。