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热带海洋学报 >

2026 , Vol. 45 >Issue 2: 42 - 58

DOI: https://doi.org/10.11978/2025104

海洋水文学

长江口咸潮入侵格局变化及其成因

  • 裘诚 , 1 ,
  • 朱宜平 2 ,
  • 朱建荣 , 3
展开
  • 1 上海市海洋监测预报中心, 上海 200062
  • 2 上海城投原水有限公司, 上海 200125
  • 3 河口海岸全国重点实验室(华东师范大学), 上海 200241
朱建荣。email:

裘诚(1987—), 男, 上海市人, 高级工程师, 从事河口海岸学研究。email:

Editor: 殷波

收稿日期: 2025-07-14

  修回日期: 2025-07-24

  网络出版日期: 2025-07-28

基金资助

上海市科委重点项目(23DZ1203002)

国家自然科学基金项目(U2340225)

国家自然科学基金项目(42276174)

收起

Changes and causes of saltwater intrusion patterns in the Changjiang Estuary

  • QIU Cheng , 1 ,
  • ZHU Yiping 2 ,
  • ZHU Jianrong , 3
Expand
  • 1 Shanghai Marine Monitoring and Forecasting Centre, Shanghai 200062, China
  • 2 Shanghai Chengtou Raw Water Limited Company, Shanghai 200125, China
  • 3 State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research (East China Normal University), Shanghai 200241, China
ZHU Jianrong. email:

Editor: YIN Bo

Received date: 2025-07-14

  Revised date: 2025-07-24

  Online published: 2025-07-28

Supported by

Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(23DZ1203002)

National Natural Science Foundation of China(U2340225)

National Natural Science Foundation of China(42276174)

Fold

摘要

2007—2021年长江口重大圈围工程导致河道缩窄, 显著改变局部地形。文章利用2007—2025年的实测地形和盐度资料, 分析期间长江口河势变化和咸潮入侵格局变化, 并利用数值模式揭示格局变化的成因。由于工程致使长江口北支下段南侧发生严重淤积, 北支上端出现新生沙体, 导致北支下段和上端2021年的河槽容积比2007年分别减小了33.33%和13.26%。2007年和2025年枯季盐度观测资料表明, 北支咸潮入侵和北支盐水倒灌显著减弱, 而北港咸潮入侵在气候态风时减弱、强北风时加剧。月平均径流量和风作用的数值模拟结果表明, 从2007年至2021年, 咸潮入侵在北支大幅减弱, 在北港上段和中段大部分区域减弱, 在南港、北槽和南槽显著加剧; 北支盐水倒灌大幅减弱导致南支咸潮入侵减弱。2021年与2007年相比: 北支2月大潮、小潮期间纳潮量分别减小了2.88×108m3、1.98×108m3, 进入南支的净水通量分别减小了423m3·s-1、369m3·s-1, 盐分倒灌的净盐通量分别减小了10.06kg·s-1、1.10kg·s-1; 北支上段净单宽盐通量变化也说明北支盐分向南支输运大幅减小; 2007年北支盐水倒灌显著, 2021年几乎消失。北港2月大潮、小潮期间纳潮量分别减小了1.92×108m3、1.86×108m3, 净水通量分别增加了857m3·s-1、1379m3·s-1, 分流比分别增加了12.79%、7.79%, 向海的净盐通量减小了2.28kg·s-1、5.42kg·s-1。这些因素的变化解释了北港上段和中段大部分区域咸潮入侵减弱的原因。北港分流比的明显增加和相应的南港分流比减小说明了南港、北槽和南槽咸潮入侵加剧的成因。北港中段大潮期间小部分区域盐度上升是由横沙小港净盐通量从北槽向北港输运显著增加造成的。

关键词： 河势变化; 咸潮入侵; 纳潮量; 分流比; 盐通量

本文引用格式

裘诚 , 朱宜平 , 朱建荣 . 长江口咸潮入侵格局变化及其成因[J]. 热带海洋学报, 2026 , 45(2) : 42 -58 . DOI: 10.11978/2025104

Abstract

Studying changes in estuarine saltwater intrusion patterns can deepen the understanding of its mechanism and help better ensure the safe use of freshwater resources. Based on measured topographic and salinity data, this paper analyzes changes in river regime and saltwater intrusion patterns in the Changjiang Estuary. A numerical model is used to reveal the causes of these pattern changes. From 2007 to 2021, major reclamation projects in the estuary led to channel narrowing and significant local topographic changes. Due to severe siltation on the south side of the lower North Branch and the emergence of a new sand body at its upper end, the channel volume decreased by 33.33% and 13.26% (with the negative sign denoting northward transport from the south), respectively. Salinity observations in the dry seasons of 2007 and 2025 indicate a significant weakening of saltwater intrusion and of the North Branch saltwater backflow into the South Branch. In the North Channel, saltwater intrusion weakened under prevailing climatic winds but intensified under strong northerly winds. Overall, the saltwater intrusion pattern in the Changjiang Estuary has changed. Numerical simulations, considering multi-year monthly mean river discharge and wind, show that from 2007 to 2021, saltwater intrusion weakened significantly in the North Branch, weakened in the upper and most middle reaches of the North Channel, but intensified significantly in the South Channel, North Passage, and South Passage. The saltwater backflow from the North Branch into the South Branch was greatly reduced, resulting in weakened saltwater intrusion in the South Branch, which is conducive to water intakes at source areas. In the North Branch, the tidal prism decreased by 2.88×108 m3 and 1.98×108 m3 during spring and neap tides in February, respectively. The net water flux into the South Branch decreased by 423 m3·s-1 and 369 m3·s-1, and the net salt flux into the South Branch decreased by 10.06 kg·s-1 and 1.10 kg·s-1. The variation of net unit-width salt flux in the upper North Branch also indicates a major reduction in salt transport to the South Branch. Significant North Branch backflow observed in 2007 had nearly disappeared by 2021. In the North Channel, during February spring and neap tides, the tidal prism decreased by 1.92×108 m3 and 1.86×108 m3, while the net water flux increased by 857 m3·s-1 and 1379 m3·s-1. The water diversion ratio increased by 12.79% and 7.79%, and the net seaward salt flux decreased by 2.28 kg·s-1 and 5.42 kg·s-1. These changes explain the weakening of saltwater intrusion in the upper and most middle reaches of the North Channel. The obvious increase in the North Channel’s water diversion ratio (corresponding to a decrease in the South Channel’s ratio) also accounts for the intensification of saltwater intrusion in the South Channel, North Passage, and South Passage. A localized salinity rise in a small part of the North Channel during spring tide is caused by a significant increase in the net salt flux from the North Passage into the North Channel. This paper reveals the hydrodynamic causes of the changing saltwater intrusion pattern in the Changjiang Estuary through changes in net water flux, net salt flux, tidal prism, and water diversion ratio.

Key words： river regime change; saltwater intrusion; tidal prism; water diversion ratio; net salt flux

河口咸潮入侵是河口的普遍现象, 河流淡水和外海海水在口门处交汇、混合, 形成盐水和盐度锋面。在涨潮流、混合和底层向陆密度流作用下盐水上溯, 产生咸潮入侵。咸潮入侵主要由径流量、潮汐、风应力、混合作用等决定, 河势变化、海平面上升、流域和河口重大工程等对咸潮入侵也有影响。
长江河口为三级分汊、四口入侵的大型河口(图1)。南支是径流入海主要通道, 淡水资源丰富, 河口水源地都建于南支。北支呈喇叭口形状, 其上段与南支近乎垂直且水浅, 枯季进入北支的径流量不到3% (Ding et al, 2021; 李志鹏 等, 2022; Yang et al, 2023)。北支的特殊河势导致北支纳潮量大, 是长江口咸潮入侵最严重的分汊河道。长江河口咸潮入侵的最大特点是北支盐水倒灌进入南支, 北支特殊地形, 分流比小, 上段潮位的涌升和潮致余流, 是倒灌形成的主要动力机制(沈焕庭 等, 1980; Wu et al, 2006; 吴辉 等, 2007; Xue et al, 2009;朱建荣 等, 2011; Lyu et al, 2018)。倒灌进入南支的盐水在潮流和径流的作用下, 在上下游震荡过程中向下游输运, 与北港、南港正面入侵的盐水汇合, 导致咸潮入侵时空分布和变化的复杂性。Wu等(2006)通过数值模式研究了北支水量倒灌强度与上游径流量和青龙港潮差的定量关系。朱建荣等(2011)给出了不同径流量下北支盐水倒灌的盐通量。
图1 长江口形势图

该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266号的标准地图制作, 底图无修改。图中绿点为崇明东滩气象站; 黑点为水库取水口; 白色部分为水库区域; 北槽南北两侧的刻度线为导堤的丁坝

Fig. 1 Sketch map of the Changjiang Estuary. The green dot in the figure indicates the position of Chongming Dongtan (eastern shoal) meteorological station; black dots indicate the water intakes of reservoirs

长江口咸潮入侵还受到风应力的作用, 冬季北风产生向岸的艾克曼(Ekman)输运, 加剧了咸潮入侵(Li et al, 2012; Zhu et al, 2020; 李林江 等, 2021)。Zhu等(2020)揭示了2014年2月长江河口发生极端严重咸潮入侵事件的动力成因, 持续强北风产生沿岸增水、北港向陆的Ekman输运克服向海的径流, 是导致北港流进南港流出的净水盐输运的动力机制。
河口河势的演变, 包括长时间的自然演变和短时间的局地工程, 影响水动力和分流比, 进而影响咸潮入侵(Li et al, 2014; 朱建荣 等, 2016; Chen et al, 2019)。流域水利工程和河口深水航道工程、滩涂圈围工程等人类活动, 影响着河口的水动力和物质输运。长江流域大型水库和南水北调工程通过改变径流量(Wang et al, 2008; An et al, 2009; Xu et al, 2012; Qiu et al, 2013), 河口工程通过改变局部地形(李林江 等, 2015; Lyu et al, 2019; 朱建荣 等, 2020; Li et al, 2020; Ding et al, 2021), 影响河口水动力、咸潮入侵和淡水资源。
以往研究表明, 2010年前长江口水源地面临咸潮入侵威胁主要来自北支盐水倒灌(韩乃斌, 1983; 沈焕庭 等, 2003; 陈泾 等, 2014; Lyu et al, 2018; 朱建荣 等, 2019)。以往观测资料和数值模拟结果表明, 2021年之后北支咸潮入侵和盐水倒灌越来越弱, 北港咸潮入侵愈来愈强, 尤其在持续强北风作用下(Zhu et al, 2020; 顾靖华 等, 2021; Ma et al, 2025)。本文从地形和盐度实测资料分析和数值模拟, 研究长江河口咸潮入侵格局发生变化及其动力成因。

1 实测资料分析

1.1 北支河势变化

本文收集了美国陆地卫星系列的第五颗卫星(Landsat5)和第八颗卫星(Landsat8)覆盖下的长江口数据, 分别提取出2007年和2021年岸线数据。如图2所示, 绿线表示2007年的岸线, 黑线表示2021年的岸线。本文还收集了2007年和2021年长江口实测水深数据。为了方便描述和分析, 将北支划分为4个区域用于讨论河势变化。其中, 区域1为北支上端新生沙体区域, 区域2为北支上段, 区域3为北支中段, 区域4为北支下段和口门区域, 包括顾圆沙。
图2 长江口2007年和2021年岸线

该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266号的标准地图制作, 底图无修改。图中黑点为青龙港、崇头、青草沙A、青草沙B测站; 红点为北支模式输出点NB1、NB2、NB3、NB4; 红线将北支划分为区域1、区域2、区域3和区域4; S1、S2为北支上段、下段横断面; S3、S4为北港中段、上段横断面; S5为横沙小港横断面

Fig. 2 Shorelines of the Changjiang Estuary in 2007 and 2021. The black dots in the figure represent the measuring stations; the red dots represent the model output points in the North Branch; the red lines divide the North Branch into four areas. S1 and S2 are the transects of the upper and lower reaches of the North Branch; S3 and S4 are the transects of the middle and upper reaches of the North Channel; S5 is the transect in the Hengsha Channel

在河口潮滩淤积和剧烈人类活动下, 从2007年至2021年长江口各河道一些区域呈现束窄趋势, 岸线向离岸方向移动。在南支上段区域, 徐六泾河道逐渐束窄, 北岸岸线向南移动, 潮滩变成陆地。北支上端新生沙体附近(区域1)岸线向河道小幅度移动, 河道表面积减少1.7×106m², 变化率为-4.26% (表1)。北支上段(区域2)东岸岸线向河道移动, 表面积减少2.2×106m², 变化率为-5.38%。北支中段(区域3)河道北侧岸线变化不大, 区域3上游处由于新村沙被围垦并入南岸, 南侧岸线大幅度北移, 河道缩窄接近一半。在区域3下游, 兴隆沙围垦并岸后形成的沙洲群不断淤涨, 与崇明岛相连, 导致中下段南岸岸线北移。剧烈的岸线变化导致区域3河道表面积减少3.1×107m², 变化率达到-30.10%。在北支下段(区域4), 北岸岸线基本无变化, 南岸岸线向河道小幅度移动, 整体上该区域岸线变化不大。该区域河道表面积减少2.1×107m², 变化率为-4.10%。
表1 长江口北支各区域河槽表面积变化(单位: m2)

Tab. 1 Changes in channel surface area in various regions of the North Branch of the Changjiang Estuary (unit: m2)

年份 区域1 区域2 区域3 区域4
2007 4.16×107 4.31×107 1.34×108 5.33×108
2021 3.99×107 4.09×107 1.03×108 5.12×108
变化率 -4.26% -5.38% -30.10% -4.10%
图3为2007年至2021年长江口各河道水深变化图。在区域1, 水体表面积减小, 且新生沙体的严重淤积导致水深变浅, 河槽容积减少了6.8×107m3, 2021年相较于2007年减少33.33% (表2)。在区域2, 岸线较为弯曲, 水深变化整体上呈现凹岸冲刷、凸岸淤积的趋势, 主槽沿着河道的凹岸加深。该段虽然表面积减少, 但由于河道被大幅度冲刷, 河槽容积增加3.1×107m3, 变化率为+21.09%。在区域3, 河道相对北支上段更加顺直, 主槽依然冲刷, 但冲刷深度较小。区域3内众多围垦工程使得该段河道表面积大幅度减少, 同时也导致中段下游淤积严重。该段新村沙圈围, 导致过水河道面积减小近一半, 由于过水面积减小, 新村沙北水道(现北支水道)涨落潮流速增加, 河床冲刷加深。在岸线和水深变化的双重影响下河槽容积减少了5.4×108m3, 变化率为-12.13%。在区域4, 整体上呈现淤积趋势, 淤积程度可达6m以上, 仅在下段北侧部分区域出现小幅度冲刷。该段表面积减少, 大部分区域表现为淤积, 河槽容积减少了3.7×108m3, 2021年相较于2007年减少了13.26%。整体上, 北支呈现分汊口严重淤积、上段和中段沿主槽冲刷、下段沿岸严重淤积的状态。
图3 2007年至2021年长江口水深变化

该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266号的标准地图制作, 底图无修改。红色表示淤积; 蓝色表示侵蚀

Fig. 3 Changes in the depth of the Changjiang Estuary from 2007 to 2021. Red indicates deposition; blue indicates erosion

表2 长江口北支各区域河槽容积变化(单位: m3)

Tab. 2 Changes in river channel volume in different areas of the North Branch of the Changjiang Estuary (unit: m3)

年份 区域1 区域2 区域3 区域4
2007 2.72×108 1.16×108 4.99×108 3.16×109
2021 2.04×108 1.47×108 4.45×108 2.79×109
变化率 -33.33 % +21.09 % -12.13 % -13.26 %
新生沙体和顾圆沙是影响北支分流比、纳潮量和咸潮入侵的重要地形(陆佳玉 等, 2020; 李志鹏 等, 2022)。2007—2021年北支上端地形变化剧烈, 西侧淤积严重, 最大淤积超过6m, 新生沙体从无到有生长而来。这改变了南支进入北支的主槽路径, 从2007年靠近西岸的西南—东北向转为2021年靠近东岸崇明岛的东南—西北向。主槽的变化也使得新生沙体东侧冲刷, 冲刷深度最深可达4m。北支上端河势的变化会影响南支和北支之间水盐交换, 影响北支盐水倒灌强度。
顾圆沙自2007年至2021年呈现西南淤积、东北冲刷现象, 主体区域呈现淤积趋势, 仅东北端外沿和西侧头部极小区域存在冲刷。南侧外沿淤积最为严重, 达到4m, 而北侧外沿冲刷最大超过4m。顾圆沙北侧和南侧航道均有所冲刷, 主槽分别加深约2m和1m。顾圆沙东侧外海区域存在小幅冲刷, 加深约1m。崇明岛北侧淤积严重, 淤积最高达4m。北支下端河势的变化会影响进入北支的纳潮量, 影响北支咸潮入侵。
2007—2021年, 在北港上段建设了青草沙水库, 江心的青草沙成了水库内岛屿, 北港上段缩窄近一半。在北港中段, 横沙东滩圈围成陆, 形成横沙新洲, 使北港南侧成为岸线, 阻隔了北港与北槽间水盐交换。在南槽南侧, 圈围了广阔的南汇边滩, 南槽的喇叭口形状变窄。这些重大工程显著改变了局地河势, 会影响水动力和咸潮入侵。

1.2 测站盐度变化

本文分别收集了2007年和2025年在2月15日至3月31日期间大通水文站实测径流量和长江口测站盐度资料, 分析2007—2025年咸潮入侵的变化(图4)。径流量是决定河口咸潮入侵的一个主要因子, 长江入海径流量年际变化显著, 选用2025年2月15日至3月31日盐度实测资料, 是因为期间径流量与2007年相同时段比较接近(图4a)。青龙港水文站位于北支上段(位置见图2), 尽管在3月中上旬, 2007年径流量比2025年大, 但2007年的咸潮入侵比2025年严重, 期间盐度峰值明显比2025年高(图4b)。崇头水文站位于南支上端, 咸潮入侵全部来自北支盐水倒灌, 2007年的北支盐水倒灌强度远强于2025年(图4c), 表明随着北支淤浅变窄北支咸潮入侵和倒灌显著减弱。青草沙A测站位于青草沙水库取水口, 该处2007年的咸潮入侵大部分来自北支大潮期间的盐水倒灌, 出现半月一次的盐度峰值, 比崇头测站时间上滞后4~5d (图4d); 与2007年相比, 2025年的咸潮入侵大幅下降, 青草沙水库大部分时间可取水。青草沙B测站位于青草沙水库下闸口外侧, 2025年2月咸潮入侵弱于2007年, 但3月份的两次咸潮入侵均强于2007年, 且发生在小潮后的中潮期间(图4e)。北港咸潮入侵最强时段多发生于小潮后的中潮期间, 在强北风和西北风作用下会更明显(Li et al, 2012; 朱宜平, 2021; 仇威 等, 2023)。崇明东滩气象站实测风资料表明, 2025年3月份的两次明显咸潮入侵期间恰逢强北风作用(图5), 加剧了咸潮入侵。而在2007年3月16日前后东北风较强, 持续5d, 但该风向不会加重北港咸潮入侵(Li et al, 2012), 之后以偏南风为主, 减弱咸潮入侵。
图4 2月15日—3月31日大通实测径流量(a)和青龙港(b)、崇头(c)、青草沙A (d)、青草沙B (e)测站表层盐度随时间变化曲线

图中红线为2007年; 绿线为2025年。图中虚线表示盐度0.45‰, 为饮用水盐度标准

Fig. 4 Temporal variation in the measured river discharge at Datong Station (a), and surface salinity at measuring stations Qinglonggang (b), Chongtou (c), Qingcaosha A (d), and Qingcaosha B (e), from February 15 to March 31. The red line represents 2007, and the green line represents 2025

图5 2007年(a)和2025年(b) 3月8—31日崇明东滩气象站风矢随时间变化

Fig. 5 Temporal variation of wind vectors at Chongming Dongtan meteorological station from March 8 to 31 in 2007 (a) and 2025 (b)

2 咸潮入侵格局变化的数值模拟和成因分析

本文利用2007年和2021年长江口岸线和水深资料, 数值模拟和分析长江口河势变化对水动力和咸潮入侵影响。

2.1 数值模式设置

采用朱建荣课题组长期改进的河口海岸水动力三维数值模式(semi-implicit estuarine, coastal and ocean model, ECOM-si), 该模式在长江口水动力和咸潮入侵等研究中经过了大量的率定和验证(Lyu et al, 2018; Chen et al, 2019; Zhu et al, 2020; Ma et al, 2022; Wu et al, 2023; Yang et al, 2023), 得到了广泛的应用, 取得了众多研究成果。
根据2007年和2021年长江口岸线和地形, 设置两组数值试验。第一组(EX1)采用2021年长江口岸线和地形; 第二组(EX2)采用2007年长江口岸线和地形。两组试验除了岸线和地形设置不同外, 其他条件设置均相同。两组试验的径流量采用1950—2021年大通水文站的月平均径流量, 12月、1月和2月的径流量分别为14391、11795、12538m3·s-1。2007年和2021年两个数值试验中的风场数据采用中尺度天气预报欧洲中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) ERA5再分析数据集提供的海上10m处的风场数据, 时间分辨率为6h, 空间分辨率为0.25°×0.25°。模型初始温盐场和温盐边界资料来自《渤海黄海东海海洋图集(水文)》数字化结果(海洋图集编委会, 1992), 口内资料基于多次实测资料进行修正。模型初始水位和流速均取零。外海开边界由潮位和余水位给出。潮位由15个分潮调和常数合成给出, 包括M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、MN4、M4、MS4、S1和2N2。数据来自托佩克斯TPXO9数据库(https://www.tpxo.net/global/tpxo9-atlas)(Egbert et al, 2002), 余水位代表口外陆架环流, 由渤海黄海东海大区域数值模拟计算结果提供(Zhu et al, 2020)。模式运行时间均设置为2020年12月1日至2021年2月28日, 选取2月份的结果进行分析。

2.2 咸潮入侵及其变化

为了分析河势变化引起的咸潮入侵影响, 图6给出了2021年和2007年不同河势下长江口潮周期和垂向平均盐度的平面分布, 以及2021年相较于2007年盐度的变化。大潮期间, 2021年2月北支中下段被高盐水覆盖, 但上段盐度逐渐降低, 北支盐水倒灌几乎消失, 南支均为淡水(图6a)。北港正面的咸潮入侵到达北港中段, 南港的咸潮入侵程度较北港严重, 到达了南港上端。2007年2月整个北支被高盐水覆盖, 北支盐水倒灌现象严重, 0.45‰等盐度线可达南支下段, 东风西沙、太仓、陈行水库取不到淡水(图6c)。来自正面的咸潮入侵减弱, 等盐度线1.00‰相比于2021年向下游移动。2021年相较于2007年长江口盐度的变化(图6e), 北支盐度下降明显, 其中新生沙体区域盐度下降较小, 北支中段和下段盐度出现大幅度下降, 上段下降幅度最大, 达到20.00‰。北支口门处盐度增加显著, 最大值超过了5.00‰。在北港, 上段盐度下降, 横沙岛北侧盐度略有上升, 横沙新洲北沿和东侧盐度下降。南港、北槽和南槽盐度上升显著, 最大值超过了5.00‰。可见, 2021年相较于2007年大潮期间北支咸潮入侵和北支盐水倒灌明显减弱, 南支、北港上段和中段大部分区域咸潮入侵减弱, 南港、北槽和南槽咸潮入侵显著增强。
图6 2021年与2007年2月大潮和小潮期间的潮周期和垂向平均盐度分布以及2021年与2007年潮周期和垂向平均盐度差值分布

a. 2021年2月大潮; b. 2021年2月小潮; c. 2007年2月大潮; d. 2007年2月小潮; e. 2021年与2007年2月大潮盐度差值; f. 2021年与2007年2月小潮盐度差值。该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266号的标准地图制作, 底图无修改

Fig. 6 Distribution of tidal-period and vertically averaged salinity during spring tide (a, c, e) and neap tide (b, d, f) in February 2021 (a, b) and 2007 (c, d), as well as the distribution of differences in tidal-period and vertically averaged salinity between 2021 and 2007 (e, f)

小潮期间, 2021年2月随着潮动力的减弱, 北支上段的盐度相较于大潮后中潮期间减小, 1.00‰等盐度线下移至北支上段转弯处, 北支盐水倒灌现象消失(图6b)。南支和青草沙水库取水口均为淡水。而在2007年2月, 北支盐水倒灌相较于大潮期间减弱, 1.00‰等盐度线位于北支上端, 北支盐水倒灌几乎消失(图6d)。大潮期间倒灌进入南支的盐水团随径流向下游移动, 与北港正面入侵的盐水交汇, 导致青草沙水库取水口盐度接近0.45‰。由于潮动力减弱, 北支盐水倒灌减弱, 降幅最大的区域下移, 但北支口门处盐度增幅相较于大潮期间变小(图6f)。小潮期间盐度变化相比于大潮, 北港上段和中段盐度下降更大, 南港、北槽和南槽盐度增幅减小。
总体上, 2021年相比于2007年, 北支咸潮入侵大幅下降, 北港上段、中段大部分区域咸潮入侵减弱, 南港、北槽和南槽咸潮入侵显著加剧。
在北支上端新生沙体区域、北支上段、中段和下段分别设置了输出点NB1、NB2、NB3和NB4 (位置见图2), 分析了2021年2月和2007年2月表层盐度随时间变化过程(图7)。NB1输出点位于北支上端新生沙体北侧, 2021年2月表层平均盐度为0.10‰, 最大盐度不超过1.70‰, 盐度低于0.45‰的时间为26.3d(图7a)。2007年2月盐度出现明显随涨落潮和大小潮变化的特征, 大潮期间盐度最大达到15.30‰, 小潮期间盐约为1.80‰, 盐度低于0.45‰的时间为1.6d。
图7 NB1 (a)、NB2 (b)、NB3 (c)和NB4 (d)输出点表层盐度随时间变化

图中红线为2021年; 黑线为2007年。绿色虚线表示盐度0.45‰

Fig. 7 Temporal variations of surface salinity at the output points of NB1 (a), NB2 (b), NB3 (c), and NB4 (d). The red line represents 2021; the black line represents 2007. The green dashed line indicates a salinity of 0.45‰

NB2输出点位于青龙港附近, 2021年2月大潮期间盐度可达4.60‰, 大潮后中潮盐度开始下降, 小潮期间盐度基本在0.45‰以下, 盐度低于0.45‰的时间为12.1d (图7b)。2007年2月盐度远高于2021年2月, 表层平均盐度为13.50‰, 最大盐度可达26.50‰, 2月未出现盐度低于0.45‰的时段。
NB3输出点位于北支中段, 2021年2月表层平均盐度为10.90‰, 最高盐度可达到17.90‰ (图7c)。2007年2月盐度明显高于2021年2月, 表层平均盐度为26.30‰, 最大盐度为27.20‰, 2月全程被高盐水覆盖。
NB4输出点位于北支口门处, 2021年2月表层平均盐度为26.70‰, 最大盐度为29.10‰, 表层盐度没有明显随大小潮变化特征(图7d)。2007年2月盐度较高, 但整体低于2021年2月盐度, 表层平均盐度为23.60‰, 最大盐度为28.30‰。可见, 除了北支口门处北支输出点, 其他输出点盐度在2021年2月远低于2007年2月, 表明北支咸潮入侵显著减弱。
从南支4个水库取水口盐度变化过程看(图8), 2021年河势下的东风西沙水库2月盐度基本为0, 最大盐度0.10‰。2007年受北支盐水倒灌影响, 平均盐度为0.60‰, 大潮期间盐度最高可达1.40‰, 仅在小潮期间和小潮后中潮出现部分盐度低于0.45‰的时段, 盐度低于0.45‰的时间为8.3d。2021年太仓水库盐度基本为0, 未受到来自北支盐水倒灌的影响, 2月份均可取到淡水。2007年平均盐度为0.30‰, 受到北支盐水倒灌的影响, 2月14日盐度最大, 量值可达0.80‰, 小潮期间盐度下降到0.45‰以下, 盐度低于0.45‰的时间为18.63d。2021年陈行水库也未受到北支盐水倒灌的影响, 盐度基本为0。2007年盐度随着大小潮和涨落潮变化明显, 2月14日盐度最大, 可达到0.70‰, 可取水时间为18.9d。2021年青草沙水库盐度均低于0.45‰, 最大盐度为0.20‰, 淡水资源利用未受到来自北支盐水倒灌和北港咸潮入侵的威胁。2007年盐度随大小潮和涨落潮变化明显, 平均盐度为0.40‰, 盐度在2月16日达到顶峰, 最大盐度达0.90‰, 盐度低于0.45‰的时间为15.9d。
图8 东风西沙水库(a)、太仓水库(b)、陈行水库(c)和青草沙水库(d)取水口表层盐度随时间变化

图中红线为2021年; 黑线为2007年。绿色虚线表示盐度0.45‰

Fig. 8 Temporal variations of surface salinity at the water intake of Dongfeng Xisha Reservoir (a), Taicang Reservoir (b), Chenhang Reservoir (c), and Qingcaosha Reservoir (d). The red line represents the year 2021 and the black line represents the year 2007. The green dashed line indicates the salinity threshold

2007年北支盐水倒灌严重, 南支水源地取水受到影响。2021年河势下北支盐水倒灌相较于2007年明显减弱, 南支水源地盐度接近0, 青草沙水库取水口盐度远小于0.45‰。总体来说, 2007年至2021年的河势变化减弱了长江口水源地咸潮入侵, 有利于长江口水源地淡水资源的利用。Lyu等(2023)应用三维数值模式模拟和得出了长江口北支新村沙、北港青草沙和横沙东滩、南槽南汇边滩圈围工程对长江口咸潮入侵和淡水资源的影响, 对各个分汊河道和水库取水口的影响, 得出的结论与本文一致。

2.3 成因分析

2.3.1 北支潮位、净水盐通量、分流比和纳潮量

从2007年和2021年2月青龙港模拟的潮位过程看(图9), 受北支河势变化影响2021年高潮位和低潮位下降、潮差减小, 尤其是高潮位, 大潮期间下降了0.25m。大潮期间高潮位的下降和潮差变小, 降低了北支盐水倒灌强度。另外, 2007年落潮过程中折线在2021年消失。
图9 青龙港水文站2月潮位随时间变化

Fig. 9 Temporal variation of tidal level at Qinglonggang hydrometric station in February

从穿过北支上端横断面S1 (位置见图2)的净水通量、净盐通量和分流比来看(表3), 2021年2月大潮、大潮后中潮、小潮和全潮时段水体均由南支进入北支, 净水通量量值分别为49、249、445和173m3·s-1, 小潮后中潮水体由北支进入南支, 但量值极小, 仅为2m3·s-1 (负号代表涨潮方向, 下同)。仅大潮时段存在微弱的北支盐水倒灌, 大潮净盐通量为 -0.01kg·s-1, 其他时段净盐通量均为0。2021年北支S1断面大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段分流比分别为0.41%、1.77%、3.03%、-0.02%和1.36%, 北支盐水倒灌几乎消失。2007年2月仅在小潮期间水体由南支进入北支, 其他时段水体由北支进入南支, 大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮期间净水通量分别为-374、-226、76、-446和-2241m3·s-1, 分流比分别为-3.07%、-1.68%、0.55%、-4.06%和-1.81%。2021年相较于2007年由北支进入南支水体减少, 净水通量分别变化了423、475、369、444和397m3·s-1。净盐通量在5个统计时段则均是由北支进入南支, 分别为-10.07、-5.56、-1.10、-9.02和-5.94kg·s-1, 2021年相较于2007年北支盐分倒灌分别减小了10.06、5.56、1.10、9.02和5.94kg·s-1。
表3 2007年和2021年2月份大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮期间通过北支横断面S1的净水通量、净盐通量和分流比

Tab. 3 Net water flux, net salt flux and water diversion ratio across the North Branch transect S1 during spring tide, middle tide after spring tide, neap tide, middle tide after neap tide and the whole tidal cycles in February 2007 and 2021

统计时段 净水通量/(m3·s-1) 净盐通量/(kg·s-1) 分流比/%
2021年 2007年 2021年 2007年 2021年 2007年
大潮 49 -374 -0.01 -10.07 0.41 -3.07
大潮后中潮 249 -226 0.00 -5.56 1.77 -1.68
小潮 445 76 0.00 -1.10 3.03 0.55
小潮后中潮 -2 -446 0.00 -9.02 -0.02 -4.06
全潮 173 -224 0.00 -5.94 1.36 -1.81

注: 负号代表涨潮方向

从穿过北支下端横断面S2纳潮量来看(表4), 2021年相比于2007年大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮纳潮量分别减小了2.88×108、2.59×108、1.98×108、2.35×108和2.20×108m3。
表4 2007年和2021年河势下通过北支横断面S2和北港横断面S3大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮期间纳潮量(单位: ×108m3)

Tab. 4 Tidal prism during spring tide, middle tide after spring tide, neap tide, middle tide after neap tide and the full tidal cycles across the transect S2 in the North Branch and transect S3 in the North Channel in February under the river regime conditions of 2007 and 2021 (unit: ×108m3)

统计时段 北支 北港
2007 2021 2007 2021
大潮 9.82 6.94 16.51 14.59
大潮后中潮 8.11 5.52 13.29 11.48
小潮 5.44 3.46 10.56 8.70
小潮后中潮 8.80 6.45 15.54 13.71
全潮 6.63 4.43 10.28 8.93
2021年相较于2007年, 北支容积减小, 尤其是下段淤浅变窄, 纳潮量减小, 上端新生沙体出现, 导致北支分流比增加, 进入北支的水体明显增多, 北支盐水倒灌减弱。

2.3.2 北支上段净单宽水通量和盐通量

净单宽水通量在大潮期间, 在2021年2月南北支分汊口西侧向南, 东侧向北, 总的南北支净水体交换很小(图10a)。在2007年2月, 南北支分汊口西侧大量水体从北支向南支输运, 量值约0.6m3·s-1, 东侧净单宽水通量很小(图10c)。在小潮期间, 在2021年2月南北支分汊口西侧净单宽水通量很小, 东侧向北, 量值约0.4m3·s-1 (图10b)。小潮期间南支水体进入北支。在2007年2月, 净单宽水通量输运态势不变, 但南支流入北支的量值显著下降(图10d)。总体上, 2007年至2021年2月大潮期间北支水体倒灌南支大幅减弱, 小潮期间南支进入北支水体显著减弱。
图10 2021年(a、b)和2007年(c、d)2月大潮期间(a、c)和小潮期间(b、d)北支上端区域单宽水通量平面分布

该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266号的标准地图制作, 底图无修改

Fig. 10 Planar distribution of net unit-width water flux in the upper region of the North Branch during spring tide (a, c) and neap tide (b, d) in February of 2021 (a, b) and 2007 (c, d)

净单宽盐通量在大潮期间, 2021年2月北支上段净单宽盐通量西侧向上游输运, 量值约0.2kg·s-1·m-1, 东侧向海输运, 量值小于0.1kg·s-1·m-1 (图11a); 而在新生沙体附近, 盐水均由北支向南支输运。2007年2月新生沙体未形成时, 北支盐水倒灌严重, 靠近北支上段单宽盐通量均向陆, 最大量值超过13.0kg·s-1·m-1, 远超过2021年单宽盐通量(图11c)。2021年相较于2007年, 北支净盐通量向陆输运大幅减弱。小潮期间, 2021年2月由于潮动力减弱, 北支净盐通量输运消失, 北支上端附近无盐输运(图11b)。2007年2月北支上段西侧盐输运为陆向, 约2.0kg·s-1·m-1, 东侧盐输运为海向, 量值相对较小, 约0.8kg·s-1·m-1 (图11d)。北支上段净单宽盐通量分布也说明了北支盐分向南支输运大幅减小。总体上, 2007年至2021年2月大潮期间北支盐分倒灌南支大幅减弱, 小潮期间北支盐分倒灌南支也显著减弱。这是北支河势变化导致北支盐水倒灌显著减弱的动力成因。
图11 2021年(a、b)和2007年(c、d) 2月大潮期间(a、c)和小潮期间(b、d)北支上端区域单宽盐通量平面分布

该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)3266号的标准地图制作, 底图无修改

Fig. 11 Planar distribution of net unit-width salt flux in the upper region of the North Branch during spring tide (a, c) and neap tide (b, d) in February of 2021 (a, b) and 2007 (c, d)

2.3.3 北港纳潮量、净水通量、净盐通量和分流比

2007年和2021年河势下穿过北港横断面S3纳潮量见表4, 大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段纳潮量2021年分别为14.59×108、11.48×108、8.70×108、13.71×108和8.93×108m3, 2007 年分别为16.51×108、13.29×108、10.56×108、15.54×108和10.28×108m3, 2021年相比于2007年分别减小了1.92×108、1.81×108、1.86×108、1.83×108和1.35×108m3。北港纳潮量的减小, 表明潮动力减弱, 咸潮入侵趋弱。
2007年和2021年河势下穿过北港横断面S4净水通量、净盐通量和分流比见表5, 大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段净水通量2021年分别为8611、10118、10938、5708和8693m3·s-1, 2007年分别为7754、8759、9559、5567和7660m3·s-1, 2021年相比于2007年分别增加了857、1359、1379、141和1033m3·s-1。净水通量的增加, 会导致分流比的增加。大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段分流比2021年分别为73.53%、70.50%、69.40%、63.52%和68.74%, 2007年分别为60.74%、60.55%、61.61%、55.22%和58.90%, 2021年相比于2007年分别增加了12.79%、9.95%、7.79%、8.30%和9.84%。北港分流比明显大于南港, 这就是为什么南港咸潮入侵强于北港的原因(图5)。大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段净盐通量2021年分别为0.18、0.18、0.09、0.17和0.16kg·s-1, 2007年分别为2.46、7.03、5.51、1.46和4.11kg·s-1, 2021年相比于2007年分别减小了2.28、6.85、5.42、1.29和3.95kg·s-1。北港向海净盐通量减小, 主要源自北支盐水倒灌的减弱。
表5 2007年和2021年2月份大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮期间通过北港横断面S4的净水通量、净盐通量和分流比

Tab. 5 Net water flux, net salt flux and water diversion ratio across the North Channel transect S4 during spring tide, middle tide after spring tide, neap tide, middle tide after neap tide and the full tidal cycles in February 2007 and 2021

统计时段 净水通量/(m3·s-1) 净盐通量/(kg·s-1) 分流比/%
2021 2007 2021 2007 2021 2007
大潮 8611 7754 0.18 2.46 73.53 60.74
大潮后中潮 10118 8759 0.18 7.03 70.50 60.55
小潮 10938 9559 0.09 5.51 69.40 61.61
小潮后中潮 5708 5567 0.17 1.46 63.52 55.22
全潮 8693 7660 0.16 4.11 68.74 58.90
2007年至2021年北港纳潮量减小、净水通量、分流比明显增加, 会减弱咸潮入侵。这在北港上段、中段大部分区域盐度差值分布图(图6e、6f)和青草沙取水口盐度过程线图8上得到了体现。相应的, 南港净水通量和分流比的减小, 会加剧南港、北槽和南槽的咸潮入侵, 这在盐度差值分布图(图6e、6f)上得到了体现。但大潮期间横沙岛北侧盐度上升, 与上面的机制分析不符。
从横沙小港净水通量和净盐通量变化来看(表6), 大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段净水通量2021年分别为-2041、-1859、-1122、-1367和-1566m3·s-1, 2007年分别为-393、-94、-412、-230和-226m3·s-1, 负号表明水体从北槽向北港输运, 2021 年相比于2007年横沙小港中向北输运净水通量分别增加了1648、1765、710、1137和1340m3·s-1。大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段净盐通量2021年分别为-17.65、-15.69、-11.19、-10.62和-13.59kg·s-1, 2007年分别为-2.84、-2.07、-4.24、-3.62和-2.99 kg·s-1, 负号表示净盐通量从北槽向北港输运, 2021年相比于2007年向北港输运的净盐通量分别增加了14.81、13.62、6.95、7.00和10.00kg·s-1。北槽深水航道疏浚至12.5m, 加大了底层向陆的斜压压强梯度力, 大量高盐水向北槽上游入侵, 河势变化又导致盐水通过横沙小港向北港输运, 导致大潮期间横沙岛北侧盐度有所上升。
表6 2007年和2021年2月份大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮期间通过横沙通道横断面S5的净水通量和净盐通量

Tab. 6 Net water flux and net salt flux across the transect S5 of Hengsha Channel during spring tide, middle tide after spring tide, neap tide, middle tide after neap tide and the full tidal cycles in February 2007 and 2021

统计时段 净水通量/(m3·s-1) 净盐通量/(kg·s-1)
2021 2007 2021 2007
大潮 -2041 -393 -17.65 -2.84
大潮后中潮 -1859 -94 -15.69 -2.07
小潮 -1122 -412 -11.19 -4.24
小潮后中潮 -1367 -230 -10.62 -3.62
全潮 -1566 -226 -13.59 -2.99

注: 负号表示净水通量或者净盐通量从南港向北港输运

上面模拟和分析均是在月平均的气候态风况下, 在强北风作用下, 苏北沿岸流将高盐水输运至北港口门处, 横沙新洲阻碍了高盐水向南输运, 水位升高, 并且在Ekman输运作用下高盐水沿北港向陆输运, 甚至克服向海的径流, 造成北港流进南港流出的水盐输运, 造成极为严重的咸潮入侵。2014年2月和2022年9月长江口发生了极为严重的咸潮入侵事件, 前者是在持续16d强北风、后者是在连续3个台风产生强北风作用下向岸Ekman水盐输运, 给青草沙水库造成了极为严重的影响(Zhu et al, 2020; Ma et al, 2025)。在持续强北风作用下, 2021年横沙新洲成陆河势下会加剧北港咸潮入侵。

3 结论

本文从地形和盐度实测资料分析和数值模拟, 研究长江河口咸潮入侵格局发生变化及其动力成因。2007—2021年, 在河口潮滩淤积和剧烈人类活动下, 局地河势发生了显著变化。在北支新村沙南水道封堵, 北港上段建设青草沙水库, 北港中段横沙东滩圈围成陆, 在南槽南侧圈围南汇边滩, 显著改变了局地河势。北支上端、上段、中段和下段河槽面积分别减小了4.26%、5.38%、30.10%和4.10%, 河槽容积分别变化了-33.33%、21.09%、-12.13%和-13.26%。2007年和2025年2—3月盐度观测资料表明, 在径流量相当情况下北支咸潮入侵和北支盐水倒灌显著减弱, 南支和北港咸潮入侵减弱。长江口咸潮入侵格局发生了变化。
考虑多年月平均径流量和风, 数值模拟结果表明, 与2007年相比, 2021年北支咸潮入侵和北支盐水倒灌大幅减弱, 南支、北港上段和中段大部分区域咸潮入侵显著减弱, 南港、北槽和南槽咸潮入侵显著增强。河势变化有利于南支水源地淡水资源利用。从净水通量、净盐通量、纳潮量和分流比分析了咸潮入侵格式变化的动力原因。从2007年至2021年, 主要因为北支下段淤积变窄和上端新生沙体的出现, 2月份的大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮期间北支纳潮量分别减小了2.88×108、2.59×108、1.98×108、2.35×108和2.20×108m3, 北支进入南支的净水通量分别减小了423、475、369、444和397m3·s-1, 北支盐分倒灌的净盐通量分别减小了10.06、5.56、1.10、9.02和5.94kg·s-1。2007—2021年的2月北支上段净单宽水通量大潮期间从北支进入南支量值大幅减弱, 小潮期间南支进入北支水体显著减弱; 净单宽盐通量大潮期间北支盐分倒灌南支大幅减弱, 小潮期间北支盐分倒灌南支也显著减弱。2007年北支盐水倒灌显著, 2021年几乎消失。北支盐水倒灌大幅减弱导致南支咸潮入侵减弱。在北港, 2021年相比于2007年2月大潮、大潮后中潮、小潮、小潮后中潮和全潮时段纳潮量分别减小了1.92×108、1.81×108、1.86×108、1.83×108和1.35×108m3, 净水通量分别增加了857、1359、1379、141和1033m3·s-1, 分流比增加分别增加了12.79%、9.95%、7.79%、8.30%和9.84%, 向海的净盐通量分别减小了2.28、6.85、5.42、1.29和3.95kg·s-1。这些因素的变化均可以解释北港上段和中段大部分区域咸潮入侵减弱的原因。北港分流比的明显增加(相应的, 南港分流比减小)也说明了南港、北槽和南槽咸潮入侵显著增强的原因。北港中段大潮期间小部分区域咸潮入侵增加, 是由于横沙小港净盐通量从北槽向北港输运大幅增加造成的。北港上段咸潮入侵减弱, 盐度降低, 低盐水受径流量作用向下游输运同时受科氏力作用南偏, 沿横沙新洲北沿向东输运, 导致北侧和东侧盐度降低。
本文研究了月平均径流量和风作用下长江口河势变化对咸潮入侵的影响。若有持续强北风作用, 苏北高盐水沿岸向南输运, 流经崇明东滩后受横沙新洲阻挡水位抬升, 加强了向陆的Ekman水盐输运, 加剧北港咸潮入侵, 横沙新洲产生的河势变化产生相反的作用。

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