英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
长江口北支径流、潮汐与海水外溢的定量关系:数值研究
摘要
本文研究了长江口北支径流和潮差与海水入侵（SSO）的定量关系。为了同时确定受上游径流和下游潮差直接影响的SSO强度，分别以日和半月为基础对净横断面水团通量（NTWF）进行了数值计算。通过一系列数值模拟，包括7000-40000的河流径流，并且每个都经历大-小潮汐周期，并获得了相对应的NTWF。在日变化情况下，NTWF可由533.1times;exp(0.361times;Isso)-533.1(Issoge;0)和226.0times;Isso(Issolt;0)确定，其中Isso(SSO指数)定义为TR-1.58times;exp(0.2457RF/10000)，TR为青龙港的潮差范围(m)，RF为径流()。ISSO与昼夜NTWF具有相同的符号。在半月径流情况下，NTWF由701.89ln(-RF/10000 6.2)-553.54确定，随径流量的增加而减小，当径流量达到40000时降至零。潮差和径流量每天分别在青龙港站和大通站测量。因此，通过使用以上这些公式可以容易地获得NTWF。
关键词: 盐水入侵;径流;潮汐范围;定量关系;长江口
- 介绍
长江径流枯季时，从北支溢出的咸水（SSO）是长江口海水侵入的一种特征现象。北支的盐水向上游侵入，穿过南支和北支的分叉，最终流入南支。地形、径流与潮汐力的相互作用通常被认为是盐水入侵主要的动力机制(Shen et al.1980,1983;韩璐，1984年;徐和袁，1994;茅慎，1995;肖等，2000;Gu等人，2003)。随着自然演变和人工填海的潮间带的形成，50年代到70年代,北支上游的宽度已经严重缩小,并几乎正交于南支,而下游变成漏斗形(图1)。前者变化有助于阻止径流进入北支，尤其是在枯季；而后者使北支潮差比南支大,这导致海水在枯季入侵时从北支流入南支。
SSO是南支淡水水源取水的主要影响因子，该支流内存在几个重要的水源区，如陈行水库（如图2所示）。虽然自1980年以来，SSO的机理得到了广泛的研究，但是除了以下情况外，径流和潮差与SSO的定量关系很少被提及。韩、陆（1984）发现，青龙港的潮差大于2.5m，径流小于25000时出现SSO。(2003)发现在径流小于30000、潮差大于2m时，SSO可能出现，在径流小于20000、潮差大于2.5m时，SSO变得显著（2003）。2001年8月至11月，陈行水库发生SSO事件，径流38000。但它被视为一个独立的事件，不包括在发生的标准。上述径流量都在大通站测量得到，该站是长江枯季潮汐上限站，距长江口630公里。这些现象都确定潮差的增大和径流的减少将加剧SSO，但二者的定量关系不精确、不一致，急需进一步研究。
由于径流、地形、气候条件的不同，以及实测数据的缺乏，使得这种关系难以准确建立。然而，在各种动态条件下的数值模拟可以很容易地实现。因此，通过数值模拟可以得到任意径流和潮汐条件下的SSO强度。利用模型结果，可以建立数学关系的定量关系。本文利用北支上游净横断面水团通量（NTWF）对SSO的强度进行了描述。
图1：研究区的位置在长江口（左上角）及其地形。虚线箭头表示海水溢出的过程。青龙港是一个潮汐站。
- 数值模型
这里使用的数值模型是Chen等人开发的三维非正交坐标变换河口、海岸和海洋模型ECOM-si。（2001）。该模型是布伦贝格和Mellor（1987）3D原始方程模型的修正版本。朱（2003）对此模型作了数值改进。模型域覆盖长江口的整个区域（图2）。模型网格几乎是正交的、平滑的，符合沿南北分岔的海岸线形状。在北支的上游沿岸方向水平分辨率约为75m，沿岸方向水平分辨率约为450m。在垂直方向上使用S坐标变换（10层）。数值积分的时间步长为20s，采用湿/干法处理移动潮滩，最小深度为0.2m。
长江口地形根据2003年所测量到的数据建立。盐度的初始分布是由最近观测到的数据组成的。外海边界条件是由八个天文分潮驱动的：M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1。
使用2001年2月和2004年4月观测到的径流量和水位数据，以验证了数值模型的正确性。模拟结果与实测数据吻合较好。根据陈行水库实测资料，利用1999年1月22日至2月19日的表层盐度进行模式验证（图3）。陈行水库位于南支南岸，受SSO严重影响，盐度最高可达1.8左右。1999年1月25日和2月7日，小潮期间出现两个高峰，并且与大-小潮周期水位变化过程不一致，原因是小潮期间北支的盐水随径流向海面溢出，6天左右到达陈行水库。数值模型从1999年1月7日的数据开始运行，模拟15天后输出数值并进行分析。从1月22日到2月2日，计算结果与观测数据一致。他们在2月3日之后有点不同。总的来说，计算结果是可以接受的。
冬季北风盛行于长江口海域，因此本研究以5m/s的恒定北风进行试验。
图2：长江口、杭州湾及邻近海域的模型网格（上图，1/3分辨率）和放大区域（下图）。
- 结果分析
高盐度是从北支溢出的水团最重要的特征。它不仅受径流和潮差的影响，还受北支盐度分布的影响，即与过去潮差和径流的状况有关。因此，用盐度作为SSO强度的指标来描述其与径流和潮汐范围的关系是不合适的。相反，北支上游的水通量仅由目前的径流和潮差决定。水团是盐度的载体，其运动规律可以反映SSO的动力学机制，因此本研究以水团通量作为SSO强度的指标。
水通量定义为单位时间内通过一个截面的水量。目前水通量机制的基本分析方法有两种：横截面通量（以为单位）和单位宽度通量（以为单位）。当用一个或几个潮汐周期平均时，分别定义了剩余（净）横断面水团通量（NTWF）和剩余单位宽度水团通量（RUWF）。NTWF代表通过给定样条的潮汐平均水团输送速率。RUWF代表潮汐平均输送速率和在指定位置的水团方向。NTWF以日平均NTWF和半月平均NTWF两种形式出现，分别以一日潮汐周期和小潮汐周期进行平均。
北支上游的日和半月NTWF（横断面位置见图1）和RUWF已经计算得到。NTWF在指向南支时是正的，而对北支则是负的。日NTWF可以代表具有特定径流和潮汐范围的北支盐水溢出强度。半月NTWF消除了潮差周期性变化的影响，仅由径流决定。
图3：1999年1月22日至1999年2月19日在陈行水库进行地表盐度验证。点表示观测数据；线表示模拟数据。
3.1北支上游的RUWF
RUWF用下列公式计算：
其中是RUWF，T是一个或多个潮汐循环，H(x,y)是静水深，zeta;是水位， 是水平流矢量。如果沿着一个横断面积分RUWF，就可以得到NTWF。
为了精确计算RUWF，开放边界上的水位仅由分潮M2驱动。M2的振幅分别乘以1.4和0.4，作为大潮和小潮的开边界条件。在这两个模拟中，径流被设定为30000 。在10个M2周期后，计算北支上游的RUWF。
-
-
- 大潮的RUWF
-
北支上游的NTWF在这种情况下指向南支。在涨潮期间，那里的水位显著升高，水团穿过东滩（见图1）进入南支。在退潮和涨潮开始期间，水位下降，潮滩出现，这限制了水团向后流经西部浅水道（见图1）。因此，RUWF指向东潮滩上的南支和北支上游西浅水道的北支（图4）。
3.1.2 小潮的RUWF
在这种情况下，NTWF指向北支。小潮期间洪水水位不够高，所以水团几乎不能穿过潮滩，尽管流向仍指向南支。同时，在西部浅水区的RUWF比在大潮的情况下更为显著（见图4）。因此，在小潮期间，来自南支的水团进入北支并流经西浅水道。
3.2 北支上游的NTWF
NTWF用下列公式计算：
其中，T是日潮周期或小潮周期，L是断面宽度，是垂直于断面的速度分量。在开海边界处的高程由八个成分潮汐驱动。采用15个数值试验，计算径流量7000、9000、10000～40000，增量2500的NTWF。模型在潮汐、径流和风力作用下运行1天，然后在第二天加入初始盐度场。6天后，得到模型结果并进行分析。
图4：RUWF位于北境支流的上游，在大潮（上层）和小潮（下层）。南支的RUWF大潮和小潮时都指向下游，比北支大得多，所以为了清楚起见，这里省略了它
3.2.1 日NTWF
青龙港潮汐站位于北支的上游（见图1），青龙港的潮汐水位可以代表北支的潮汐能量。昼夜NTWF在不同的径流（15种）和潮汐潮位（不同于大-小潮周期）计算。径流和潮位的单位分别为和m。
昼夜NTWF的轮廓是一组平行曲线（见图5）。当径流指定时，日潮汐NTWF随潮汐范围的增加呈非线性增加。当潮汐范围确定时，日径流NTWF随径流的增加而下降。
利用轮廓线0的线性回归分析，得到如下的指数方程：
其中TR是青龙港的潮汐范围，RF是径流。将方程（3）的左边定义为盐水物质溢出的指数（ISSO）：
当ISSO等于零时，日NTWF下降到零，即横断面上的水团净传输消失。图5示出具有正ISSO的数据点在轮廓0之上，并且在轮廓0之下具有负ISSO。因此，ISSO与昼夜NTWF具有相同的符号。
在ISSO和日NTWF之间存在良好的对应关系，相关系数为0.976（参见图6）。通过回归分析，得到以下方程：
因此，可以利用EQS计算具有指定径流和潮差的日NTWF。（4-6）。
图5：北支上游的日NTWF。DOTS表示在指定的径流和潮汐范围内计算的日NTWF数据。实线和虚线轮廓表示正和负NTWF。粗虚线是轮廓线0拟合直线的直线。
3.2.2 半月度NTWF
随着径流量的增加，南支平均水位升高，日NTWF下降。因此，当径流达到40000 时，半月度NTWF也减少并下降到零（见图7）。从而得出径流与半月度NTWF之间的对数关系：
大通站和青龙港站每天分别测量径流量和潮位。利用这些观测数据和上述方程，可以很容易地计算日和半月度NTWF，然后能确定临界条件（如果SSO发生）和SSO强度。
图6：昼夜NTWF和ISSO的对应关系。点是计算的数据。虚线表示回归分析的拟合结果
图7：北支上游的半月度NTWF。点表示计算数据，第一个数旁边是径流，第二个是半月度NTWF。虚线是拟合结果
- 总结和讨论
地形、径流和潮汐力的相互作用是SSO发生的基本动力机制。RUWF分析结果表明，由于地形的特殊性，北支上游水团在东滩上向南支迁移，在西滩上向北支迁移。小潮期间，北支上游洪水位较高，大量水从东滩流入南支，SSO急剧。在小潮期间，洪水位较低，穿过潮滩的水量显著下降甚至消失，而通过西部浅水道进入北支的水量增加。因此，SSO减少甚至消失。潮差在帮助水团穿越北支上游的屏障状地形方面起着关键作用。
径流与潮差的相互作用决定了SSO的强度。在7000和40000的径流条件下，分别计算了青龙港和崇头港的水位过程（见图1）。崇头站位于分岔处，可代表南支的潮汐力。青龙港高水位高于崇头港，这是北支咸水团向南支溢流的原因。随着径流的增加，两个平均水位都增加了。然而，在崇头更为严重；崇头的水位相对较高。北支上游的水位越难克服南支径流的影响，SSO强度越弱。
图8：青龙港（实线）和崇头（虚线）在7000（上图）和40000（下图）径流作用下的水位过程比较
利用水团通量方法和三维数值模型，首次获得了SSO与径流和潮汐范围的定量关系。
日NTWF指向南支随潮差增大而增大，随径流量增大而减小。即使径流大到40000，在大潮期间仍有大量的水流入南支流。南支和北支维持动态平衡，即当径流与潮差之间满足指数关系(公式(3))时，不存在净水团输运。ISSO被定义为公式（4），其具有与日NTWF相同的符号。通过公式（5）和（6）得到了ISSO和日NTWF之间的定量关系。
半月度NTWF与径流（公式（7））呈对数关系，径流增加时减少。当径流量小于40000时，它指向南支流，当径流量达到40000时，它下降到零。长江月平均径流量有显著的季节变化。最小径流发生在一月，约为10700，而最大值约为50500 ，发生在七月。从六月到九月，月平均径流超过40000，而其余月份的平均径流则低于它。半月NTWF结果表明，SSO强度具有明显的季节变化，且在冬季前后趋于剧烈。Gu等人的观测表明，当径流小于40000时，SSO也可能发生在汛期。（2003）。他们在2001小时内在陈行水库观测到一个SSO事件，当时径流约为38000
公式（3）提供了潮位和潮差的关系，以确定SSO的发生。这种临界关系不仅比径流和潮汐范围本身还大。与汉、卢（1984）和顾等等人所发现的标准进行比较。（2003）利用公式（4）-（6）计算了它们在临界径流和潮汐范围内的日变化NTWFs，并利用公式（3）计算了在给定临界径流下SSO发生的最小潮差范围。结果显示在表1
表1：模型结果与以往标准的比较。注：RF-径流；TR-潮差；给定径流和潮差下的DN-日NTWF，使用公式(4)-(6)计算。满足给定公式的公式（3）所需的潮差范围
公式（3）提供了径流和潮差的密切关系，以确定SSO的发生。这种临界关系不仅比径流和潮汐范围
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[17590]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
