【摘要】：河口受流域和海洋雙重作用,是陸海相互作用激烈的區(qū)域。氣候變化和重大工程導致河口水文、鹽水入侵和生態(tài)環(huán)境等變化,越來越受到政府和社會的關(guān)注。氣候變化對河口的影響,主要體現(xiàn)在流域降水的變化導致入海徑流量的變化,以及海平面上升。重大工程對河口的影響,主要體現(xiàn)在流域重大工程對入海水沙的影響,如三峽大壩和南水北調(diào)工程對長江入海徑流量的影響,以及河口重大工程對局地河勢的影響。本文應(yīng)用改進的三維數(shù)值模式ECOM-si,以2012年為基準年數(shù)值模擬和定量分析長江河口水動力和鹽水入侵,預(yù)測和分析至2030、2050和2100年在氣候變化和重大工程聯(lián)合作用下長江河口水動力、鹽水入侵和淡水資源及其變化。保持某個因子不變,比較模式計算結(jié)果與上述各年份綜合計算結(jié)果,定量剝離氣候變化和重大工程各項單獨因子對鹽水入侵的影響。本文還數(shù)值模擬和分析了1999年冬季、2006年秋季和2011年春季長江低徑流量情況下海平面上升對鹽水入侵和淡水資源的影響。主要成果有： 1.氣候變化和重大工程在數(shù)值模式邊界條件中的給出。數(shù)值模擬氣候變化和重大工程對長江河口鹽水入侵的影響,需要確定不同年代的海平面和徑流量,以給出模式的邊界條件。海平面變化考慮由氣候變化導致的絕對海平面上升、地基沉降和地殼下沉(相對海平面),徑流量變化考慮由氣候變化引起的徑流量變化和三峽水庫、南水北調(diào)工程的影響。通過歷史資料分析和以往研究成果比較,得出2012、2030、2050和2100年入海徑流量分別為13755、13057、12792和13631m3/s,相對海平面上升值分別為112.1、281.1和703.6mm。 2.數(shù)值模擬和動力分析上述不同年份長江河口枯季鹽水入侵對氣候變化和重大工程的響應(yīng)。采用通量機制分解方法分析大小潮期間鹽水入侵的動力機制。結(jié)果表明,斯托克斯輸運是長江河口向陸鹽份輸送的主要動力因素,同時也是北支倒灌的主要原因。北港口門在大潮期間鹽份輸送在河道內(nèi)向海,在灘地上向陸,小潮期間由于垂向切變增強,鹽份在河道內(nèi)向陸、灘地上向海輸送。南槽大潮期間向陸的斯托克斯輸運占主導地位,小潮期間歐拉輸運在科氏力作用下呈現(xiàn)北進南出的態(tài)勢,同時上段鹽份在潮泵和垂向切變共同作用下向陸入侵。南北槽之間有明顯的鹽份交換,南槽上溯的高鹽水進入北槽后下泄,使北槽形成向海的鹽份輸送。通過機制分析發(fā)現(xiàn),長江河口大潮期間淡水資源主要受到北支倒灌和外海鹽水上溯兩方面的威脅,而在小潮期間威脅主要來自下游。2100年由于海平面上升值最大,鹽水入侵最強,2012年因為入海徑流量最大,鹽水入侵最弱。長江河口2月的淡水資源在2030、2050和2100年相對于2012年分別減少18.64%、11.39%和33.43%。 3.定量剝離和動力分析氣候變化和重大工程中單一因子對長江河口鹽水入侵和淡水資源的影響。由氣候變化導致的長江枯季入海徑流量在未來呈增加的趨勢,河口鹽水入侵有所削弱。進入北支的徑流量增加,抑制了北支鹽水倒灌。口門附近大潮期間鹽度減小,向陸的斯托克斯輸運在徑流量增加后有所減小是影響鹽度的主要原因。小潮期間由于徑流增大了北港河道內(nèi)的表底層鹽度梯度,使得垂向切變作用增強,而在南槽徑流抑制了北進的歐拉輸運,從而減弱入侵強度,北槽的鹽份輸送相應(yīng)減少。2月的淡水資源在2030、2050和2100年受氣候變化引起的徑流量變化影響分別增加5.46%、30.31%和27.71%。 海平面上升增大了潮汐振幅,致使潮汐強度增加,同時也使河道增深,過水面積加大,徑流減弱,而且海平面上升后垂向環(huán)流加強,增強了垂向分層結(jié)構(gòu)。在北支,潮汐強度增加使得2030和2100年的鹽水倒灌加劇,而2050年則由于過水斷面加大使得進入北支的徑流增加,導致倒灌減弱。在口門,大潮期間鹽水入侵增強,其主要原因是潮汐強度加強使得向陸的斯托克斯輸運加大；小潮期間由于水深加深,北港垂向切變顯著增強,南槽北側(cè)的歐拉輸運增加,從而口門鹽水入侵增強。2月的河口淡水資源在2030和2100年受海平面上升影響分別減少8.95%和49.45%,而2050年由于北支倒灌減弱,淡水資源增加約4.41%。 三峽水庫在枯季持續(xù)性的放水,顯著增加了長江入海徑流量。三峽工程引起的枯季入海徑流量增加明顯抑制了大潮期間向陸的斯托克斯輸運,使河口鹽度明顯下降,鹽水入侵減弱。2030和2100年情況基本一致,但2050年受海平面上升引起的地形變深非線性作用影響,斯托克斯輸運減弱程度較小,導致總體拉格朗日向陸輸運略有增加,九段沙灘地上向陸的鹽通量明顯降低,使整體南槽鹽度降低。小潮期間,尤其在2050年徑流量較小的情況下,垂向切變作用顯著增強。2月的河口淡水資源在2030、2050和2100年受三峽工程影響分別增加30.26%、45.46%和32.38%。 南水北調(diào)工程顯著減小了長江入海徑流量,導致河口鹽度明顯增高。大潮期間向陸的斯托克斯輸運和向海的歐拉輸運造成的鹽份輸運模式增強。小潮期間北港鹽度鋒面向口內(nèi)移動,垂向切變作用減弱；南槽徑流抑制作用減小,向陸的歐拉輸運增強,同時上游斜壓力增加,鹽水進一步入侵南港,相應(yīng)的北槽向海鹽份輸送也加強。2月的河口淡水資源在2030、2050和2100年受南水北調(diào)工程影響分別減少19.21%、42.79%和34.41%。 通過氣候變化和重大工程各項因子與長江河口淡水資源及北支倒灌鹽通量的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),三峽工程和南水北調(diào)工程是2030和2050年影響河口鹽水入侵的主要因素,但在2100年鹽水入侵增強的主要因子是海平面上升,三峽和南水北調(diào)工程帶來的影響相應(yīng)減弱。 4.數(shù)值模擬和分析了1999年冬季、2006年秋季和2011年春季長江低徑流量情況下海平面上升對鹽水入侵和淡水資源影響。結(jié)果表明,相比于2012年徑流量一般的情況,1999年鹽水入侵強度顯著增強,而2006和2011年情況下影響水庫的時段顯著增加。在低徑流量和海平面上升同時發(fā)生的不利情況下,除了2006年海平面上升至2050年情況,由于過水斷面增加北支倒灌減弱,東風西沙水庫、陳行水庫和青草沙水庫取水口鹽度略有下降,其余情況下水庫不宜取水的時間均出現(xiàn)不同程度的增加。
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【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P731.2

【參考文獻】

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本文編號：2424681