长江河口盐水入侵对气候变化和重大工程的响应

【摘要】河口受流域和海洋双重作用,是陆海相互作用激烈的区域。气候变化和重大工程导致河口水文、盐水入侵和生态环境等变化,越来越受到政府和社会的关注。气候变化对河口的影响,主要体现在流域降水的变化导致入海径流量的变化,以及海平面上升。重大工程对河口的影响,主要体现在流域重大工程对入海水沙的影响,如三峡大坝和南水北调工程对长江入海径流量的影响,以及河口重大工程对局地河势的影响。本文应用改进的三维数值模式ECOM-si,以2012年为基准年数值模拟和定量分析长江河口水动力和盐水入侵,预测和分析至2030、2050和2100年在气候变化和重大工程联合作用下长江河口水动力、盐水入侵和淡水资源及其变化。保持某个因子不变,比较模式计算结果与上述各年份综合计算结果,定量剥离气候变化和重大工程各项单独因子对盐水入侵的影响。本文还数值模拟和分析了1999年冬季、2006年秋季和2011年春季长江低径流量情况下海平面上升对盐水入侵和淡水资源的影响。主要成果有：1.气候变化和重大工程在数值模式边界条件中的给出。数值模拟气候变化和重大工程对长江河口盐水入侵的影响,需要确定不同年代的海平面和径流量,以给出模式的边界条件。海平面变化考虑由气候变化导致的绝对海平面上升、地基沉降和地壳下沉(相对海平面),径流量变化考虑由气候变化引起的径流量变化和三峡水库、南水北调工程的影响。通过历史资料分析和以往研究成果比较,得出2012、2030、2050和2100年入海径流量分别为13755、13057、12792和13631m3/s,相对海平面上升值分别为112.1、281.1和703.6mm。2.数值模拟和动力分析上述不同年份长江河口枯季盐水入侵对气候变化和重大工程的响应。采用通量机制分解方法分析大小潮期间盐水入侵的动力机制。结果表明,斯托克斯输运是长江河口向陆盐份输送的主要动力因素,同时也是北支倒灌的主要原因。北港口门在大潮期间盐份输送在河道内向海,在滩地上向陆,小潮期间由于垂向切变增强,盐份在河道内向陆、滩地上向海输送。南槽大潮期间向陆的斯托克斯输运占主导地位,小潮期间欧拉输运在科氏力作用下呈现北进南出的态势,同时上段盐份在潮泵和垂向切变共同作用下向陆入侵。南北槽之间有明显的盐份交换,南槽上溯的高盐水进入北槽后下泄,使北槽形成向海的盐份输送。通过机制分析发现,长江河口大潮期间淡水资源主要受到北支倒灌和外海盐水上溯两方面的威胁,而在小潮期间威胁主要来自下游。2100年由于海平面上升值最大,盐水入侵最强,2012年因为入海径流量最大,盐水入侵最弱。长江河口2月的淡水资源在2030、2050和2100年相对于2012年分别减少18.64%、11.39%和33.43%。3.定量剥离和动力分析气候变化和重大工程中单一因子对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响。由气候变化导致的长江枯季入海径流量在未来呈增加的趋势,河口盐水入侵有所削弱。进入北支的径流量增加,抑制了北支盐水倒灌。口门附近大潮期间盐度减小,向陆的斯托克斯输运在径流量增加后有所减小是影响盐度的主要原因。小潮期间由于径流增大了北港河道内的表底层盐度梯度,使得垂向切变作用增强,而在南槽径流抑制了北进的欧拉输运,从而减弱入侵强度,北槽的盐份输送相应减少。2月的淡水资源在2030、2050和2100年受气候变化引起的径流量变化影响分别增加5.46%、30.31%和27.71%。海平面上升增大了潮汐振幅,致使潮汐强度增加,同时也使河道增深,过水面积加大,径流减弱,而且海平面上升后垂向环流加强,增强了垂向分层结构。在北支,潮汐强度增加使得2030和2100年的盐水倒灌加剧,而2050年则由于过水断面加大使得进入北支的径流增加,导致倒灌减弱。在口门,大潮期间盐水入侵增强,其主要原因是潮汐强度加强使得向陆的斯托克斯输运加大；小潮期间由于水深加深,北港垂向切变显著增强,南槽北侧的欧拉输运增加,从而口门盐水入侵增强。2月的河口淡水资源在2030和2100年受海平面上升影响分别减少8.95%和49.45%,而2050年由于北支倒灌减弱,淡水资源增加约4.41%。三峡水库在枯季持续性的放水,显著增加了长江入海径流量。三峡工程引起的枯季入海径流量增加明显抑制了大潮期间向陆的斯托克斯输运,使河口盐度明显下降,盐水入侵减弱。2030和2100年情况基本一致,但2050年受海平面上升引起的地形变深非线性作用影响,斯托克斯输运减弱程度较小,导致总体拉格朗日向陆输运略有增加,九段沙滩地上向陆的盐通量明显降低,使整体南槽盐度降低。小潮期间,尤其在2050年径流量较小的情况下,垂向切变作用显著增强。2月的河口淡水资源在2030、2050和2100年受三峡工程影响分别增加30.26%、45.46%和32.38%。南水北调工程显著减小了长江入海径流量,导致河口盐度明显增高。大潮期间向陆的斯托克斯输运和向海的欧拉输运造成的盐份输运模式增强。小潮期间北港盐度锋面向口内移动,垂向切变作用减弱；南槽径流抑制作用减小,向陆的欧拉输运增强,同时上游斜压力增加,盐水进一步入侵南港,相应的北槽向海盐份输送也加强。2月的河口淡水资源在2030、2050和2100年受南水北调工程影响分别减少19.21%、42.79%和34.41%。通过气候变化和重大工程各项因子与长江河口淡水资源及北支倒灌盐通量的相关性分析发现,三峡工程和南水北调工程是2030和2050年影响河口盐水入侵的主要因素,但在2100年盐水入侵增强的主要因子是海平面上升,三峡和南水北调工程带来的影响相应减弱。4.数值模拟和分析了1999年冬季、2006年秋季和2011年春季长江低径流量情况下海平面上升对盐水入侵和淡水资源影响。结果表明,相比于2012年径流量一般的情况,1999年盐水入侵强度显著增强,而2006和2011年情况下影响水库的时段显著增加。在低径流量和海平面上升同时发生的不利情况下,除了2006年海平面上升至2050年情况,由于过水断面增加北支倒灌减弱,东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库取水口盐度略有下降,其余情况下水库不宜取水的时间均出现不同程度的增加。
【作者】裘诚；
【导师】朱建荣；
【作者基本信息】华东师范大学，河口海岸学，2014，博士
【关键词】长江河口；气候变化；重大工程；数值模式；盐水入侵；淡水资源；

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