基于径流和潮汐的长江口盐水入侵统计预测研究

郑晓琴，肖文军，于芸，潘灵芝

（国家海洋局东海预报中心，上海 200081）

1 引言

枯季长江河口盐水入侵，特别是北支盐水倒灌已严重影响到上海的生活和工业用水。多年来，由于自然演变和人为作用，北支河势发生了剧烈的变化，青龙港潮差呈加速上升趋势，北支盐水的倒灌频率和强度也呈加速上升趋势，盐水入侵呈现出开始时间提前，持续时间延长，影响程度严重等特征。每年枯季，几乎每个潮周期都会产生盐水倒灌，倒灌的盐水直接影响宝钢、陈行水库等水源地的取用水安全[1-2]。长江河口盐水入侵因其时间、空间、影响因子复杂等多因素，使得如何及时有效地进行预报一直是众多学者[3-6]关注的重要问题。

已有研究成果表明，径流和潮汐是影响长江口盐水入侵的主要动力因素。以往研究人员[7-8]大多从定性的角度研究两者对于盐水入侵的影响，分别将径流量和青龙港潮差临界值作为北支盐水倒灌南支的发生条件，但是较少有涉及从定量的方法研究径流、潮差和盐度三者之间的关系。海洋局自2007年底在长江口南北支和口门附近先后布设了14个盐度自动化观测站点（见图1），目前已积累了一批高时间分辨率的盐度观测资料，使得通过资料分析和多元回归方法建立长江口主要站点盐度预测模型成为可能。本文在前人研究工作的基础上，分析大量的实测资料，探讨北支盐水倒灌到南支的时间和强度规律。通过研究盐度、潮差以及径流量之间的相关关系，建立三者之间的统计预测模型，对于预防长江河口盐水入侵灾害以及为陈行、宝钢等水源地的避咸蓄淡工作起到一定的警示作用。

2 资料来源与处理方法

盐度资料采用2008年1月—2010年4月的“青龙港”、“新建闸”、“宝钢水库”的逐时盐度观测值（站点位置见图1）；其中2008年1月—2009年4月的盐度数据用以统计模型建立，经过分析，得到日平均盐度Smean、日最大盐度Smax、日最小盐度Smin；2009年10月—2010年4月的盐度资料用以后报检验。

图1 长江口盐度监测站点位置图

流量数据根据长江水文信息网发布的一天4次大通径流量实测资料做日平均处理。

潮差取潮汐表的“青龙港”站每日潮差（日潮差=日最高潮-日最低潮）。

3 北支青龙港与南支测站盐度的相关性

青龙港位于北支上段，在长期的自然演变和人为作用影响下，北支逐渐萎缩，这种近垂直状态的分叉口地形在枯季径流量较小的情况下，北支涨潮盐水以楔状入侵越过分叉口进入南支，并逐渐形成倒灌盐水团严重影响到陈行、宝钢等蓄淡水库。盐水倒灌过程期间影响到各个站点的时间响应均不同。通过分析盐水入侵发生时，青龙港、新建闸、宝钢水库三者盐度变化的先后关系（见表1），得出：青龙港受北支盐水入侵一般出现在大潮时段，新建闸则一般滞后于青龙港4—5 h，而宝钢水库则滞后青龙港3—4 d。将三个测站盐度值进行相关性分析，通过尝试校准不同的相位差，比较其相关系数，不同相位差对应的相关系数不同，当相关系数最大时，对应的相位差为所需调整的相位。图2即青龙港日平均盐度分别与新建闸和宝钢水库进行相位相关系数的计算结果，可见当青龙港和新建的位相差天数为0的时候，其相关系数最高，为0.91；而宝钢水库与青龙港则是相差3 d之后的相关性最好，为0.76。

图2 新建闸、宝钢水库盐度分别与青龙港盐度之间相位相关关系

表1 青龙港、新建闸和宝钢水库取水口近年部分盐水入侵统计表

图3 2008年1—4月观测数据处理

从表1中还可得出，盐水入侵的强度一般可以由两个方面体现：持续时间和过程极值。持续时间越长，过程极值越大表明盐水入侵的影响程度越严重。北支盐水入侵对青龙港的影响程度决定了北支盐水倒灌对宝钢水库的影响强度和持续时间。大通流量越小、北支潮差越大、涌潮越大，则北支盐水倒灌的量就越大；倒灌的盐水浓度越高则对南支河段的负面作用越大，就直接影响到南支各水源地的水质安全。

4 青龙港盐度统计预测分析

取预报量为日平均盐度Smean、日最大盐度Smax、日最小盐度Smin，自变量为m天前大通径流量Q，n天前的青龙港潮差Tr.（数据处理见图3），所得的经验预测模型为：S=f(T,Q)，S为一天内的特征盐度（Smean、Smin、Smax），下面研究都以日平均盐度（Smean）作为相关分析研究，日最大盐度Smax、日最小盐度Smin的处理方法是相同的，本文不作赘述。

4.1 盐度与潮差的相关关系分析

由盐度与潮差的相位差相关系数分析得到（见图4），青龙港潮差的峰值提前盐度峰值1 d。经过相位调整得到青龙港日平均盐度和潮差的对比图（见图5），可以看出，青龙港盐度月变化过程线与潮位过程线相位相似，一月中出现两高两低的现象，盐度峰值与潮位峰值几乎同时；可见，日盐度变化主要受潮汐影响，其周期变化比较一致，因此，对盐度-潮差相关关系进行探讨，绘制Smean-T散点图（见图6）。

图4 青龙港日平均盐度与潮差的相位差相关系数

图5 青龙港日平均盐度和潮差对应图

由拟合结果得到，青龙港日平均盐度与潮差有指数函数的对应关系：ST=aebT,T为潮差，a、b为经验系数。与1 d前青龙港潮差的相关系数R=0.62，相关性一般，仍需进一步找出径流对盐度的影响。

4.2 盐度、潮差与径流量的相关关系分析

通过上述的盐度-潮差指数经验函数，求出潮差因子对应的盐度值ST（潮差指数预报值），将实测值减去潮差指数预报值得到的盐度差（SQ=S实测-ST）来描述径流量因子对应的盐度影响。由于在径流量相同的情况下，大潮期间的盐度差较小潮期间来的大，将盐度差进行潮形归一化处理，即归一化盐度差：=SQ/ST，进一步滤去潮形的影响，得到更为真实的径流量因子对盐度的影响。通过分析归一化盐度差与径流量之间的关系，发现二者具有三次函数关系（见图7）：Q为径流量，C1—C4为经验系数。

综上，盐度-潮差、径流量关系式可表示如公式（1）：

4.3 青龙港盐度统计预测模型建立

在4.1和4.2节中对于盐度、潮差、径流量三者之间的相关关系已经做了详细分析，在确定方程形式的基础上，对2009年10月—10年4月观测数据进行后报。流量数据取4 d前大通径流量，潮差取1 d前青龙港潮差，得到满足方程（1）的各经验系数和相关系数R如表2所示：

图6 青龙港日平均盐度和潮差相关关系拟合

图7 归一化盐度差-大通径流量三次关系

表2 青龙港盐度统计预测模型的各经验系数和相关系数R

通过已建立的青龙港盐度统计预测模型对2009年10月—2010年4月青龙港盐度进行后报，与实测值的对比分析（见图8）得到，该盐度统计预测模型拟合度较好，拟合相关系数为0.744。

为了检验回归效果，此处将实测值与后报值的绝对误差进行信度分析，从图9显示的绝对误差分布直方图可以看到，95%置信区间为[-0.244,0.415]，该回归方程通过0.05的信度检验。

在主要考虑径流和潮差的影响下，盐水入侵过程大多能一一模拟出来，过程日平均盐度模拟值与实测值的相对误差控制在40%以内。但是，2009年11月中旬的这次盐水入侵过程比对结果来看，后报与实测结果的误差较大，相对误差超过60%，可见这次过程受到径流和潮差之外的因子影响甚大。根据现有资料的进一步分析发现，本次盐水入侵过程发生时青龙港处于中潮期，盐水入侵发生时间有所提前，同时通过长江口堡镇站实测风的分析比较，发现2009年11月9日10时—11月12日23时受到东北风和偏东风的共同影响达80 h以上。由于东北风和偏东风与长江口涨潮流几乎同向，风生流的作用有助于北支涌潮倒灌南支，风对长江口盐水入侵起到了推动的作用。现有的预测模型并没有考虑风的因素，风的作用涉及到各种风向的影响，风力大小的持续性，情况复杂且规律性差，这需要在日后研究工作中不断积累数据、总结经验，完善和修正该盐度统计预测模型。

图8 青龙港2009年10月—2010年4月统计预测模型后报值与实测值比较

图9 绝对误差分布直方图

图10 2011年5月宝钢水库和新建闸盐度日变化图

4.4 2011年长江口盐水入侵预报工作

2011年4月份以后，长江中、上游持续干旱，三峡库区上游来水持续减少，长江大通站5月份平均径流量为440（×108）m3，不到多年平均入海量的一半，导致长江口在4月份以后汛期期间仍有较强的盐水入侵发生，宝钢水库在5月份发生了2次盐水入侵过程（见图10，青龙港5月平均潮差为3.09 m）。利用4.3节所建立的盐度预测模型进行2011年长江口盐水入侵预报工作，图11即为预报与实测盐度的对比图，模型成功预测了在汛期5月期间外海高盐水入侵的过程。

5 结论与不足

（1）北支青龙港位于长江径流淡水的下泄分支，同时亦是北支盐水倒灌南支的拐点。青龙港受盐水入侵的影响强度决定了北支倒灌南支的程度，两者具有很好地时间相关，宝钢水库与青龙港盐度的相关性相位差为3 d左右；

表3 2010.10—2011.5大通入海量与多年平均入海水量比较(×108m3)

图11 青龙港2011年1—5月统计预测模型预报值与实测值比较

（2）以青龙港日平均盐度、潮差、大通径流量三者之间的相互关系建立盐度统计预测模型，通过后报检验表明：在考虑径流和潮差的因子下，该统计预测模型较好地将2008—2010年4月的各盐水入侵过程较准确地模拟出来。在2011年上半年盐水入侵预报工作中，该模型成功预测了在汛期发生的盐水入侵过程，为长江口水源地的安全供水起到警示作用；

（3）由于现有的预测模型并没有考虑风的因素，风的作用涉及到各种风向的影响，风力大小的持续性，情况复杂且规律性差，在未来的工作中应积累更多经验，以完善和修正该统计预测模型。

[1]顾玉亮,吴守培,乐勤.北支盐水入侵对长江口水源地影响研究[J].人民长江,2003,34(4):1-3.

[2]贺松林,丁平兴,孔亚珍.长江口南支河段枯季盐度变异与北支咸水倒灌[J].自然科学进展,2006,16(5):585-587.

[3]沈焕庭,茅志昌,朱建荣.长江河口盐水入侵[M].北京:海洋出版社,2003.

[4]吴辉.长江河口盐水入侵研究——北支倒灌、深水航道和冬季季风的影响[D].上海:华东师范大学,2006.

[5]吴辉,朱建荣.长江河口北支倒灌盐水输送机制分析[J].海洋学报,2007,29(1):17-26.

[6]Wu H,Zhu J R.Advection scheme with 3rd high-order spatial interpolation at the middle temporal level and its application to saltwater intrusion in the Changjiang Estuary[J]. Ocean Modelling,2010,33:33-51.

[7]肖成猷,沈焕庭.长江河口盐水入侵影响因子分析[J].华东师范大学学报,1998,3:74-80.

[8]顾玉亮,乐勤.长江口陈行水源地盐水入侵分析及预报[J].城市给排水,2004,18(2):19-20.