长江口盐水入侵三维数值模拟

建立了河口区盐水入侵计算的三维数学模型。该模型将整个计算水域通过简单的坐标变换转换成单位方位，三个坐标方向的空间网络均可采用非均匀网格，对变换后的基本方程进行差分离散，水平方向的空间导数采用显式中心差分，垂直方向的空间导数采用隐式中心差分，三角方程用ＴＤＭＡ法求解。水位采用回代计算以提高精度。该模型运用长江口水域的盐水入侵计算，结果表明，算出的含盐度时空分布与实测一致。模型的主要特点是：变换简单、     

长江口盐水入侵三维数值研究

对整个长江口研究区域洪季盐水入侵过程进行模拟.验证结果与实测资料基本一致,较好地模拟出地形变化对水流结构的影响,盐度的分布与实测资料所反映的情况相吻合,盐度纵向扩散梯度从外海向上游递减,北支盐度始终高于南支,再现了长江口地区水流特征和盐水入侵的基本规律.     

南水北调工程对长江口盐水入侵和淡水资源的影响

南水北调工程为跨流域调水工程,其对于长江口淡水资源变迁的影响是当今研究热点之一.本文应用三维数学模型,研究南水北调东线和中线工程短期和远期调水方案对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响.结果表明,在2月中下旬一个大小潮周期中,东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库取水口盐度大于0.45的不宜取水时间分别为7.74、3.08和2.72 d.同时,在东线和中线工程短期调水1 000 m3/s情况下,长江河口盐水入侵加剧,尤其在北港、北槽和南槽拦门沙区域及其北支上段盐度上升最为明显,出现了量值超过0.5的大面积区域,南支淡水区域减小.在2月中下旬一个大小潮周期中东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库不宜取水的时间分别增长了1.43、2.14和2.13 d.在东线和中线工程远期调水1 600 m3/s情况下,整个河口盐度的上升更为明显,在北港、北槽和南槽拦门沙出现了盐度超过1的大范围区域,小范围区域盐度超过了1.5,南水淡水范围进一步减小.在2月中下旬一个大小潮周期中东风西沙水库、陈行水库和青草沙水库不宜取水的时间分别增加了1.49、3.08和3.08 d.     

长江河口北支建闸对减轻盐水入侵的数值模拟

枯季长江河口盐水入侵的最大特色是北支盐水倒灌,它是南支东风西沙、太仓和陈行水库盐水的唯一来源,也是青草沙水库盐水的主要来源.考虑潮汐和气候态1月和2月的径流量与风况,采用已严格验证过的长江河口盐水入侵三维数值模式,模拟和分析北支上段建闸前后盐水入侵的变化.模拟结果表明:在北支上段建闸后,整个南支全为淡水,北支盐水倒灌南支的现象消失,北支上段盐度明显下降;在东风西沙、太仓和陈行水库取水口盐度接近0;在青草沙水库取水口盐度大幅下降,几乎所有时间盐度都低于0.45,全为淡水.数值试验中,闸门的运行方式采用两种方案:全天落潮流期间开闸、夜里涨潮流期间关闸、白天涨潮流期间开闸,以及全天落潮流期间开闸、夜里和白天涨潮流期间关闸.两者的试验结果中南支盐度变化几乎一致,原因在于前者的运行方式已经使得北支上段盐水入侵大幅减弱,出现盐度接近0.45的淡水区域;即使白天涨潮流期间开闸,其间进入南支的也是淡水,并且增加了南支向海的总余流.从数值模拟的结果和闸门运行的成本考虑,推荐前者的北支建闸运行方案.北支建闸极大地提高了上海东风西沙、陈行和青草沙水库取水时间,同样极大地提高了江苏太仓水库的取水时间,保障了两地的供水安全.     

河口盐水入侵垂向二维数值计算

为描述潮汐河口盐水入侵特性而建立了垂向二维数学模型.数值计算格式采用帕坦卡和斯波尔丁提出的控制体积法,并以幂函数格式作为对流扩散项的离散格式.以长江口南槽实测资料作为计算验证,潮流,盐度和潮位的计算结果与实测值相比,吻合良好.由于模型所使用的数学方程组有一定的普遍意义,所以将方程中的盐度改为其它物质浓度,原则上也可应用于悬沙或污染物质输运扩散的垂向二维的数值模拟计算.     

冬季陆架环流对长江河口盐水入侵的影响

应用改进的三维ECOM模式,研究冬季陆架环流对长江河口盐水入侵的影响。模式计算结果较好地再现了台湾暖流、苏北沿岸流、长江入海径流和长江河口盐水入侵的基本特征。在不考虑台湾暖流情况下,沿岸向南的苏北沿岸流向南扩展,使长江口门处盐度增大,整个河口盐水入侵加剧。在不考虑苏北沿岸流情况下,台湾暖流由于北上的阻力减弱,北上加深,使长江冲淡水的扩展方向整体向北偏转,苏北沿岸和北支口盐度明显减小,北支盐水入侵和倒灌减弱,而北港、北槽和南槽盐水入侵加强。在不考虑台湾暖流和苏北沿岸流情况下,长江入海径流向北偏转,大量长江入海冲淡水向北输运,导致北支口和苏北沿岸盐度显著下降,北支盐水入侵明显减弱。入海向北冲淡水输运的增加,导致相应的向南冲淡水输运的减小,北港、北槽和南槽口门处盐度上升,北港、北槽和南槽盐水入侵加强。长江口外陆架环流对盐水入侵和口外盐度分布起着重要的作用,是一个不能忽略的动力因子。     

长江河口盐水入侵影响因子分析

本文根据大量实测资料,研究了径流,潮汐,地形等几个重要因子对长江口盐水入侵的影响,并对长江口盐度变化的一些特殊现象作了初步解释,还探讨了北支盐水倒灌的基本规律及其对南支盐度变化的重要意义。     

长江流域梯级水库夏末秋初蓄水对河口盐水入侵和淡水资源的影响

流域大型梯级水库群,夏末秋初蓄水,来年枯季放水,季节性改变了入海径流量,会影响河口盐水入侵和淡水资源利用.收集了长江流域大型梯级水库有效库容和南水北调工程跨流域调水的量值,利用改进的河口海岸三维数值模式ECOM-si,模拟和分析了长江流域重大工程对河口盐水入侵和淡水资源的影响.截至2020年和2035年,长江流域中上游已建和将建大型水库有效库容分别为706.11和943.88亿m3,蓄水期9、10月间平均径流量分别减少13 398和17 909 m3/s.基于大通实测水文站1950—2020年实测月平均径流量,考虑截至2020年和2035年流域重大工程对径流量的调节,给出了平均水文年和特枯水文年8—10月的月平均径流量.数值模拟结果表明,截至2020年和2035年流域梯级水库9—10月蓄水,径流量下降,导致盐水入侵加剧.在平均水文年,南支水源地4个水库9—10月所有时间均能取到淡水.在特枯水文年, 9—10月东风西沙、太仓、陈行和青草沙水库取水口连续不宜取水天数截至2020年分别为28.75、24.99、29.63和37.47 d,到2035年分别为46.53、44.18、47.56和...     

长江入海径流变化对河口盐水入侵影响分析

将河口海岸三维斜压水流数值模式应用于长江口海域,对长江口深水航道整治工程后枯季大通流量在6000～40000 m3／s的18组分级流量情况下的盐水入侵影响范围和影响程度进行了模拟计算。结果表明：上游径流对盐水入侵有明显的制约作用,随着上游径流量增加,盐水入侵的范围改变显著;利用大通流量和河口代表点半月最大盐度进行回归分析,得到半月最大盐度与大通流量呈现良好的指数关系,相关系数高于0．99。     

三维理想河口盐水入侵对径潮驱动变化的响应

为探究在人类活动与气候条件改变的影响下,径潮动力以及水深的改变对河口区域盐水入侵的影响,建立了三维理想河口盐水入侵数值模型,分析了纵向环流及盐度的垂向与横向沿程分布,研究了垂向与横向剪切作用以及潮泵效应引起的纵向盐输运对盐水入侵的影响以及盐分输运过程对径潮动力与水深变化的响应。结果表明:盐水上溯程度对流量与潮振幅的变化有明显响应,流量增大与潮振幅增大对盐水入侵均有抑制作用;在较浅的河口,潮驱动增大在河口上下游引起相反的潮平均盐度变化趋势,这与横向、纵向剪切与潮泵效应分别引起的纵向盐输运对径潮水深条件的响应相关。     

2011年春末夏初枯水期间长江河口盐水入侵

全球气候变化导致的长江流域枯水事件近几年趋于增多.2011年春末夏初长江中下游发生干旱,4、5和6月大通径流量分别比多年月平均值分别下降了33.4%、50.6%和50.3%.观测资料表明,4月崇西水文站大部分时间盐度大于0.45(饮用水标准),北支倒灌盐水从崇西水文站到南门大约需要2 d,到宝钢水库需要3~5 d,宝钢水库出现2 d和4 d不宜取水时间,青草沙水库出现5 d和4 d不宜取水时间.5月中下旬北支永隆沙仍被高盐水占据,崇西水文站盐度超标达到7 d,青草沙水库不宜取水d数达到8 d.6月4-7日大潮后中潮期5个观测潮周期内东风西沙水库约有一半时间盐度大于0.45,陈行水库和青草沙水库取水口盐水均低于0.45,但随时间逐渐升高,盐份主要来源于北支倒灌.长江河口盐水入侵一般发生在12月和来年的1-3月,4-6月随着径流量的增大盐水入侵消失.气候变化产生的枯水事件加剧了长江河口盐水入侵、严重影响了非盐水入侵期水源地取水安全.     

河口环流和盐水入侵I——模式及控制数值试验

本应用ECOM模式，设计1个控制试验，研究理想河口环流和盐水入侵的动力过程。数值计算结果表明，盐水入侵产生盐度锋面，在锋面处底层存在着向陆的密度流，为保持断面上质量连续，上层的流速趋于增大；近口门附近底层流有偏南分量，表明有横向环流存在。在口门外因斜压和底形的作用，产生明显的上升流。盐水入侵在空间上具有不对称性，高盐水位于北岸的下层。在拦门沙上游出现上下2个相反方向的横向环流，而在口门外只出现1个顺时针方向的横向环流。从动力机制上分析了盐水入侵的空间不对称性和横向环流的产生。     

1996 年3 月长江河口水文观测和分析

基于长江河口1996 年3 月现场水文观测资料分析，得出：北支涨潮流速明显大于落潮流速，余流指向上游，存在着严重的外海盐水入侵。在南支中上游，盐度的变化受外海盐水的入侵和北支盐水的倒灌的共同影响，盐度变化与一般河口的变化规律不同；在大潮和中潮前期，盐度主要受下游外海盐水入侵的影响，在中潮和小潮期间，盐度主要受大潮期间上游北支倒灌盐水下移的影响。在南支下游，落潮流大于涨潮流，落潮历时大于涨潮历时；盐度最大值发生在涨憩，最小值发生在落憩，盐度变化受外海盐水入侵的影响，水文状况遵循一般河口变化规律。     

持续强北风天气下长江口盐水入侵对径流量的响应

2014年2月持续强北风下长江口发生了极端严重的盐水入侵事件,影响水源地取水安全.流域上游水库增加径流量是遏制严重盐水入侵的一种方法,本文应用UnFECOM (unstructured quadrilateral grid,finite-differencing,estuarine and coastal three-dimensional ocean numerical model)模式模拟和分析该次盐水入侵对增加不同径流量的响应.考虑实际径流量和风况,模式再现了该次极端严重盐水入侵事件.数值试验结果表明,随着径流量的增加,在2014年2月10—13日盐水入侵最严重时段北港上段的净水体输运仍然向陆,但量值随径流量增加趋于减小;北港上段的净分流比、净水通量和盐通量随着径流量增加而增加;在实际径流量试验中,北港上段分流比为–29%(负号表示净水通量向陆),净水通量为–2 300 m³/s,净盐通量为–68 t/s,表明受到持续强北风产生的向陆艾克曼输运作用,北港净水通量和盐通量向陆.当径流量增加3 000 m³/s时,北港净分流比和水通量接近零...     

长江口南汇边滩围垦工程对流场和盐水入侵的影响

考虑枯季一般状况的径流量和风况,数值计算和动力分析南汇边滩围垦工程对长江河口流场和盐水入侵的影响.南汇边滩围垦工程实施后,南槽喇叭口形状减小,改变了涨潮流和纳潮量.研究表明,围垦工程导致南槽大潮期间纳潮量减少13%,小潮期间减少16%,越过深水航道导堤的涨潮流减小;从南槽向北的越堤盐通量减小,导致北槽向海的盐通量减弱,中上段向陆的盐通量减弱,工程东南侧向陆的盐通量减弱,但因南槽口门处缩窄向陆的盐通量增强.围垦工程后南槽盐度锋面减弱,大潮期间南槽口门处和工程东南侧盐度上升,量值超过1.0;因纳潮量、越堤流和向陆盐通量减小,南槽中上段、北槽和横沙东滩盐度下降,量值超过0.5;北港和崇明东滩盐度上升,盐度超过0.5.小潮期间因潮动力减弱口门处的涨潮流和向陆盐通量减小,整个南槽盐度下降,量值超过1.5.因围垦工程后南槽盐度锋面减弱,阻挡径流进入南港的作用减弱,大潮和小潮期间北港净分流比略微减小,南槽的分流比大潮和小潮期间分别比工程前增加了1.57%和1.50%.     

河口形状对河口环流和盐水入侵的影响

作者应用改进的ECOM模式，通过设计一个平直和喇叭形理想河口，研究河口形状对环流和盐水入侵影响。盐水入侵产生盐度锋面，在锋面处底层存在着向陆的密度流，为保持断面上质量连续，上层的流速明显增大；表层流有偏北的分量，底层流有向南分量，表明有横向环流存在。盐水入侵产生的盐度锋面在水平面上向西北倾斜，北岸盐水入侵比那南岸大，在垂直上向上游倾斜，底层盐水入侵比表层大，高盐水位于北岸的下层。张潮流、向陆的密度流和混合是产生盐水入侵的动力因子。科氏力使涨潮流向北岸偏转，向陆的密度流存在于底层，这种动力机制导致了盐度分布的不对称。盐度横向分布产生的斜压压强梯度力指向南岸，并随水深增加，导致底层流向南岸流动；因要满足质量守衡，在北岸因底层流的辐散产生下降流、水位下降，而在南岸因底层流的辐合产生上升流、水位抬升，水位的横向分布又导致表层流向北，想成一垂向横向环流。喇叭形河口因口门内河口变宽，造成流的幅散，向海的流速减少和产生上升流，底层向陆的密度流向西流动的距离减少，口门处盐度增加，但盐水向西入侵的距离减少；河口喇叭扣南岸下层也出现明显的高盐水；垂直混合增强，盐度垂向趋于均匀。     

长江河口水位上升对流场和盐水入侵的影响

基于长江河口水动力和盐水入侵三维数值模式ECOM-si,通过数值模拟分析长江河口水位上升对径流、潮流和风生流的影响,以及在多种动力因子综合作用下对流场和盐水入侵的影响.数值实验结果表明,在长江河口水位上升30 cm的情况下,各河道横截面面积增大,向海的径流流速减小;潮流随水深增深略微增大;枯季北风作用产生的北港进、南港出的水平风生环流加强,在北支向陆的风生流有所加强.水位上升后,北支盐水入侵增强;南支中段盐度变化不明显;北港、北槽盐水入侵随水位增加变化最为显著,小潮期间盐度增大值大于1,大潮期间增幅有所降低,北港北汊受水深增加盐水入侵变化最为强烈;南槽口门处滩地由于水位增加,非线性效应减弱,盐度不同程度的降低.水位上升后南支水源地三个水库取水口盐度均有所上升,减少了可取水时间,不利于供水安全.     

长江河口北支新村沙围垦工程对盐水入侵的影响

长江河口北支新村沙围垦和南水道封堵工程于2012年实施,人为改变了北支河势.本文采用长期应用、改进和验证的长江河口三维盐水入侵数值模式,考虑1月和2月平均径流量和风况,计算和分析北支新村沙围垦工程对北支盐水倒灌以及南支青草沙水库、陈行水库和东风西沙水库取水的影响.在北支新村沙下游,围垦工程导致盐水入侵加强,盐度上升0.05~0.10;在新村沙上游,盐水入侵减弱,盐度下降0.05~1.0.工程导致在大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮期间北支上段断面平均倒灌盐通量分别下降百分比分别为7.52%、16.48%、10.17%、6.94%.北支倒灌的减弱,导致南支盐度低于0.45的淡水面积增大.大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮期间表层平均盐度在东风西沙水库取水口分别下降了4.52%、10.23%、9.15%、5.81%,连续不宜取水时间由10.1 d减少到9.3 d;陈行水库取水口分别下降了10.59%、13.11%、32.89%、13.95%,连续不宣取水时间由5 d减少到4.4 d;青草沙水库取水口分别下降了10.50%、8.19%、9.17%、11.99%,连续不宜取水时间由6.2 d减少到5.1 d.北支新村沙围垦工程缩窄了过水断面,减弱了北支倒灌,有利于南支水源地淡水资源的利用.     

南水北调(东线)工程和皖苏沿江抽引水对长江口盐水入侵的影响

枯水年和平水年调水均加重了长江口南支、南港上段的盐水入侵强度,丰水年调水600m3/s、1000m3/s、1500m3/s对长江口南支宝钢河段、南港高桥河段水域的盐水入侵强度无影响.特枯水文年即使只调水600m3/s,对长江河口南支、南港河段盐水入侵就造成严重影响.建议枯水年枯季调水最好不要超过1000m3/s;平水年调水最好不要超过2000m3/s.另外,不同特征水文年调水对长江南港高桥站的盐水入侵强度的影响程度比对南支宝钢河段盐水入侵强度的影响要小.