大辽河口盐淡水混合与水交换特性数值研究

摘要

大辽河是辽宁省境内的重要河流之一，每年入海淡水量达38.5×108m3，全河感潮，其入海河口处于辽东湾东北角，在工业、农业、渔业、港口、交通运输等方面具有重要的地理区位优势。近年来由于上游入河污染物增多和径流的减少，导致目前河口区的水质生态环境日益恶化，水质呈现富营养化，同时淡水资源严重不足，咸潮危害日益加剧。以河口区重要的环境因子盐度为基础，研究时空变化条件下的水体混合与交换的特征与规律，旨在为进一步治理保护大辽河口区生态环境以及优化利用淡水资源等提供科学合理的理论指导和依据。
　　 本文选用三维水动力.水质耦合数值模型(FVCOM)，考虑两大主要动力因素潮汐和径流的相互作用，对大辽河口区的盐度分布、盐水入侵和混合，以及水体的交换时间进行了模拟计算。首先，根据2009年和2010年大辽河口多期的水位、潮流和盐度监测资料，进行模型的合理性和稳定性验证；然后，综合考虑大辽河枯、平、丰水期的径流条件，得到河口的盐度时空分布变化特征，在此基础上运用混合比概念定量判定盐淡水的混合类型并深入分析研究其混合过程；最后，以保守物质对流-扩散方法讨论混合水域的水体交换特性。
　　 从盐度的平面分布上看，不同水期下大辽河口的盐水入侵和淡水扩展情况差异很大。枯水期涨潮时0.5等盐线位于田庄台河段，盐水上溯最远，入侵最为严重；平水期，0.5等盐线分布于刀把子附近河段，涨落潮过程中荣兴提水站附近的盐度均低于0.5，该水期的径流条件是用于农业灌溉提水压潮流量的参考标准。受河口地形及科氏力等因素的影响，冲淡水主要沿河口潮滩的西侧水道向外海扩展，从枯水期到平水期，随着径流的增大，冲淡水扩展越来越远，丰水期径流为434m3/s时，淡水影响至口门20km以外。
　　 从盐淡水垂向混合特征来看，大辽河口基本上处于高度混合状态，即为强混合河口，这与其强潮河口的性质和较大宽深比的地形条件密切相关，且混合进行的主要动力为垂向的湍扩散运动，掺混作用较弱；潮差越大，越利于盐淡水的垂向混合：混合的强度在河口潮流速最大的落急时刻反而最小，而在涨憩和落憩的转流时刻达到潮周期最大。需要特别指出的是，丰、平水期径流较大时，入海口门附近区域的盐淡水呈现较弱的部分混合特征，冲淡水主体峰区的这种层化现象加剧了大辽河口沉积和污染物输运等环境过程的复杂性。
　　 对于混合河段的水体在水平向的交换，径流的大小是决定其更新交换能力的强弱的主要动力因素，径流越大整个水体交换得越快；枯水期，外海潮流的稀释作用对于水体的更新占主导地位，尤其是受潮影响较大的下游河段；但当径流增大，径流下泄与潮流顶托这种相互作用显著时，最不利于中游河段的水体交换更新，故易造成污染物质的回荡和滞留。