代表性水文条件与盐度过程概述

青草沙水库为潮汐河口避咸蓄淡型水库，如何选取设计典型年的氯化物浓度过程和最长不宜取水时间是分析青草沙水库及取输水泵闸工程规模的关键问题之一。由于水库区域缺乏代表典型年的氯化物浓度资料，因此不可能通过代表典型年的实测资料，分析典型年青草沙水库取水口附近的咸潮入侵情况。因此采用实测资料相关分析和数学模型计算分析的技术手段，研究代表典型年最长不宜取水天数与代表典型年的氯化物浓度过程。

2.2.5.1 典型年选取

长江河口咸潮入侵主要受外海潮汐和上游径流量共同影响。外海潮汐的强弱年际差异较小，年内的周期性日变化和月季变化虽然差异较大，但规律性较为明显，预测难度不大。而上游径流量的大小，由于受到降雨、汇流、引调水等多方面影响，其年际和年内差异大，长序列的预测较难，但上游径流量影响到长江河口咸潮入侵存在一定的滞后时间，可以通过这之间的时间差对长江河口的咸潮入侵强弱进行短期预测。对长江河口咸潮入侵分析的上游径流量一般采用大通水文站的数据，一方面是因为该站具有长期的实测资料，另一方面是该站远位于潮流界之上，为潮区界，实测径流量受潮汐影响较小。大通水文站位于安徽省池州市梅龙镇，距离长江河口640km，是长江下游干流的一个重要水文站，分析大通站长江径流变化能够在一定程度上预测青草沙取水保证率。

据大通站1950—2006年资料统计，多年平均年径流量为9004亿m3，最大年径流量（1954年13590亿m3）约为最小年径流量（1978年6760亿m3）的2倍，因此长江径流量的年际变化不大，即长江上游每年保证一定的来水。但径流量在年内分配不均，存在明显季节性变化，见图2-14。汛期5—10月，占全年的70.9％，其中主汛期（7—9月）占全年的39.4％；枯季11月至次年4月占全年的29.1％，其中12月至次年3月仅占全年的15.5％，径流量的年内季节性变化使得青草沙水库在年内可取到淡水的概率存在差异。

图2-14 长江径流量的年内变化

青草沙水域咸潮入侵发生在枯季，其中11月至次年3月咸潮入侵最严重，因此重点分析11月至次年3月来水情况。根据大通站长系列枯季11月至次年3月径流量资料，采用P-Ⅲ型曲线进行频率分析，见图2-15。

图2-15 大通站11月至次年3月平均流量频率曲线

根据《城市给水工程规划规范》（GB50282），城市给水水源的枯水流量保证率可采用90％～97％。考虑到上海为国际型大都市，枯水流量保证率取为≥97％。采用系列较长的长江大通站枯季径流量（11月至次年3月）的统计值，根据分析，1978年11月至1979年3月枯水期平均径流量为10500m3／s，是系列中最枯的时段，保证率约为97.9％，因此，选取1978—1979年枯水期作为代表典型特枯年。

2.2.5.2 代表典型年枯水流量过程分析

1978年9月20日至1979年5月31日，大通站实测长江径流量逐日变化见图2-16中粗实线。9月20日长江径流量达28000m3／s左右，至该月底下降为25000m3／s左右。10月径流量下降很快，至月底为14000m3／s左右。11月径流量为14000～17000m3／s。12月径流量又快速下降，从月初的17000m3／s下降到月底的8000m3／s左右。1979年1月径流量继续下降，至月底仅为6000m3／s左右。2月和3月中上旬径流量略微上升，但仍保持在很低的水平。3月中下旬径流量快速上升，至月底达到15000m3／s左右。4月径流量比较稳定，为14000～16000m3／s。5月径流量快速上升，至20日达到了32000m3／s左右，至下旬径流量下降，但仍达到24000m3／s左右。可见，从1978年12月中下旬至1979年3月中旬的3个月时间内，长江径流量小于10000m3／s持续时间长，尤其是1—2月大部分时间径流量小于8000m3／s，为特枯的时段。

针对代表典型年1978—1979年特枯年份，在综合考虑三峡工程、南水北调和沿江取水等影响因素之后的逐日径流量变化过程，如图2-16中虚线所示。

图2-16 1978年9月20日至1979年5月31日大通流量逐日变化

2.2.5.3 代表典型年最长不宜取水天数与盐度过程

鉴于工程水域缺乏代表典型年1978—1979年的实测氯化物浓度资料，在规划研究阶段采用实测资料相关分析和数学模型计算分析的技术手段，研究代表典型年最长不宜取水天数与代表典型年的氯化物浓度过程。“青草沙水源地盐水入侵规律分析研究”专题（1996年）得出以下主要结论：

（1）青草沙水域（广义）的含氯度既受南北港盐水入侵的影响，同时也受北支咸潮倒灌的影响。

（2）中央沙、瑞丰沙、青草沙（垦区附近）各点不同水文条件下最大连续不可取水天数见表2-9。

表2-9 研究水域最大连续不可取水天数统计 （d）

（3）研究水域含氯度纵向变化较大，梯度明显，故取水口位置在工程布置许可的条件下适当上移较为有利。

在设计阶段，根据长江口水流运动和咸潮入侵基本规律，采用改进的三维数值模型对工程区域咸潮入侵情况进行模拟，推求青草沙水库取水口的氯化物浓度过程和最长不宜取水时间。

1）三维氯化物浓度数学模型建立

（1）三维数学模型改进。在河口数值模拟计算工作中，过去一般采用POM模式，该模式在计算连续性方程时采用分裂算子和时间滤波方法，由于受CFL判据的限制，一般计算时间步长较小，计算时间较长。本研究的三维数学模型在计算连续性方程时采用时间上前差格式以及半隐格式，消除CFL判据的限制，可大大增加模式计算时间步长；在水平方向上采用非正交曲线网格，能够较好地拟合岸线。此外，该模型在水平项采用显式差分，而对垂向湍流黏滞和扩散项则采用隐式差分，不仅可有效减少计算时间，同时也可保证在垂向上具有较高的分辨率和稳定性。(www.xing528.com)

该三维数学模型相对早期模式有以下优化改进：

①为了有效避免数值计算的频散，在计算物质输运方程平流项时采用欧拉-拉格朗日方法。

②采用预估修正法计算科里奥利力项，解决了模式在涡动黏滞系数较小的情况下存在的弱不稳定性。

③通过采用三阶精度的HSIMT-TVD数值格式求解物质输运方程中平流项，消除了数值频散，降低了数值耗散，大大提高了氯化物浓度计算的精度。

（2）三维数学模型设置。

①计算范围和网格。计算区域包括整个长江河口、杭州湾及其邻近海区，上游至江阴以上150km处（图2-17）。采用非正交曲线网格，较好地拟合长江河口及长江河道岸线，对局部区域如深水航道等区域作加密处理，并具有良好的正交性和光滑性。在长江口南北支分汊口区域对计算网格适当加密，在北支上端区域横向分辨率为75m左右；在长江口深水航道区域对网格加密且拟合导堤、丁坝，航道区域的分辨率为100m左右；南槽沿岸附近对网格适当加密，网格横向分辨率为70m左右；长江口内其他区域分辨率一般为100～500m；口外网格较疏，最大为7km左右。从放大了的深水航道和南北支分汊口区域网格图（图2-18），可以看到网格的正交性、平滑性、岸线拟合度以及局部加密要求均得到了很好体现，有利于提高计算模型的稳定性和计算精度。

图2-17 模型计算范围及网格（a、b对应见图2-18）

图2-18 计算范围局部放大网格图

②上游边界条件。上边界设置在江阴以上150km处。径流量由实测资料给出，盐度设置为零。

③外海开边界。外海开边界条件考虑陆架环流和潮流，陆架环流以余水位的形式给出，由渤海、黄海、东海大区域数值模型进行模拟计算提供，外海开边界由潮位驱动，潮流考虑8个主要分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1，由各分潮调和常数合成得到，即。式中，ζ为潮位；ζ0为余水位；f为节点因子；Hi为振幅；ωi为角频率；gi为迟角；Vi＋ui为订正角，它可由具体的年、月、日求得。

外海的盐度开边界条件由多年月平均的实测资料给出，每个计算时间步长进行线性插值边界盐度，再根据边界处水体流进和流出情况，最终由辐射边界条件确定边界盐度。

④海表面边界条件。计算过程中考虑海表面风应力的作用。海表面风场由实测资料给出。长江口外冬季以北风和西北风为主。不考虑海表面蒸发和降雨对盐度的影响。

⑤潮滩动边界。潮滩动边界问题常常是河口海岸数值模型需要考虑的重要问题。长江河段洲滩较多，涨落潮期间交替淹没和露出。洲滩的淹没和露出准确与否对数值模拟计算精度具有重要影响。在数值模型的计算过程中，对于干湿过程主要是通过网格的移除与否来处理的。目前对于水流潮滩动边界的处理方法有很多，如冻结法、切削法、窄缝法、干湿法、开挖法、阻塞函数法等。根据长江口自然条件，在本模型计算过程中，主要采用干湿法进行判断。干湿法的基本思路为：先设定一个临界水深，当单元格水深小于临界水深时，则该单元格为干，并将其从计算域移除，反之则为湿，并参与模式计算。

（3）模型的初始条件。对水动力场初始水位和流速，因水动力过程反应的时间短，一般均给为零。初始盐度因热力过程反应的时间长，必须给出初始的空间分布。本次研究依据模型起算月份对应的众多历史实测资料，经综合分析后给出盐度初始场。

2）三维盐度数学模型验证

改进后的数学模型已在长江河口进行了大量的率定验证，计算模拟的水位、流速流向和盐度过程与实测资料均吻合良好。采用2004年4月、2005年4月、2004年12月至2005年1月和1999年1月长江河口现场观测资料，对计算模型进行验证。4次观测资料验证结果表明，模型计算结果与实测资料吻合良好，说明采用的计算模型选取的计算参数合理，计算结果能够较好地体现长江下游河道潮波传播特性以及河口盐度输运的时空分布规律。

3）代表典型年盐度过程

采用三维长江河口咸潮入侵数值模型，以代表典型年1978—1979年修正后的特枯径流过程作为上游边界条件，模拟代表典型年长江口及水库水域的咸潮入侵过程。

计算分析结果表明，在1978—1979年代表典型年枯季，水库水域受多次咸潮入侵影响而导致水体氯化物浓度超标（图2-19）。其中最长不宜取水时间出现在1978年12月18日至1979年2月24日，在长达约68d时间内，青草沙水库取水口水域盐度均高于饮用水标准，不宜取水。

图2-19 代表典型年水库取水口盐度过程线拟合结果