[00128031]长江河口特大型避咸蓄淡水库建设和运行中关键技术

该项目在长江河口淡水资源应用关键技术、盐水入侵动力过程和机制上取得了下列科技创新成果： 1、河口盐水入侵数值预报系统中平流项数值计算格式和盐水初始场给出核心技术的研发和应用 （1）高计算精度物质输运方程中平流项数值计算格式的研制 研制了一个空间上具有三阶精度、数值无频散的物质输运方程平流项差分格式3rd HSIMT-TVD,该格式具有数值无频散、低耗散、高阶精度的优点,和目前国际广为流行的主流数值格式相比,具有更高的计算精度。该格式的研制成功极大地提升了河口盐水入侵动力过程研究和数值预报的水平,目前已被国际著名海洋模式ROMS所采用,作为平流项数值格式选项。 （2）盐度初始场的给出 温盐热力过程对边界条件响应时间远比水动力过程慢,因此短期盐水入侵数值预报极大地依赖于盐度初始场。基于数值模拟的预报时刻盐度场和盐度自动监测网络数据,研发了三维变分法同化技术,给出接近实况的盐度初始场,提高了盐水入侵数值预报的水平。 （3）河口盐水入侵数值预报系统应用 在研发河口盐水入侵数值预报系统核心技术、深化河口盐水入侵动力过程和应用盐度自动监测系统的基础上,该项目近5年开展了枯季长江河口盐水入侵短期（10天）数值预报。 2、水库建设中最长连续不宜取水天数这个决定库容的关键参数给出和应用 在长江河口建设避咸蓄淡特大型水库,水库库容的确定是水库设计中的关键参数。该项目基于研发的先进长江河口三维盐水入侵数值模式,以径流量特枯的1978-1979年作为水文计算年,考虑三峡工程、南水北调和沿江引排水对径流量的修正,根据长江河口2003年地形计算得出了青草沙水库取水口盐度随时间变化过程,以及最长连续不宜取水天数为68天的重要结论。这一结论为上海市水务局和设计部门设计青草沙水库库容提供了关键科技支撑。 3、深化河口水动力和盐水入侵动力过程研究,揭示了强北风、河势演变、海平面上升、北支倒灌水盐通量、口门横向环流等对盐水入侵影响的动力过程和机制 （1）揭示强北风对水动力和盐水入侵影响的动力过程和机制 长江河口受北支倒灌盐水的影响,以前认为崇西水文站盐度最大峰值发生在大潮期间,但观测发现小潮期间也出现盐度最大峰值的现象。数值模拟结果表明强北风是其产生的动力成因,得出了风速和风向变化对盐水入侵具有重要影响的结论。 2014年2月长江河口发生了极端严重的盐水正面入侵事件,南支被海水占据,青草沙水库不宜取水时间长达23天。期间大通径流量与多年月平均值接近,未出现低径流量情况,但发生了长达16天的持续偏北大风。该项目再现了该次严重盐水入侵事件的过程,揭示了长时间持续的偏北大风产生的强烈增水,以及向河口的艾克曼输运、形成北港流进南港流出的水平输运,是该极端严重正面盐水入侵事件产生的动力成因。 （2）揭示北港北汊加剧北港盐水入侵的动力过程 该项目针对北港北汊对盐水入侵影响,开展了多船同步定点观测,发现在北港北汊口底层盐度大于北港下游拦门沙区域底层盐度的现象。数值模拟再现了这一现象,并从北港北汊水深、潮型、风应力变化上揭示了北港北汊盐水入侵的动力过程,指出北港北汊加剧了北港盐水入侵,影响青草沙水库取水安全。 （3）揭示长江河口海平面上升对盐水入侵和淡水资源的影响 数值模拟不同情景下海平面上升对盐水入侵和淡水资源的影响。海平面上升加剧了潮汐动力、减弱了径流,加重了盐水入侵,尤其在拦门沙和北支上段盐度锋面处,揭示了长江河口海平面上升对盐水入侵和淡水资源的影响,为上海淡水资源的规划提供了科技指导。 （4）北支倒灌水盐通量、口门横向环流、盐度对大通径流量响应时间、水源地盐水入侵来源的深刻揭示 该项目定量给出了北支倒灌水量与径流量和青龙港潮差的定量关系,揭示了盐水倒灌的动力机制;给出了枯水水文年下北支倒灌的盐通量;给出了长江口从南槽到北槽,再到北港的穿越潮滩的横向环流,及其对各汊道盐水入侵的影响;揭示了长江河口潮汐季节性变化对盐水入侵的影响;研究结果表明不同潮型期间河口盐度对大通径流量变化的响应时间在4.0-6.2天之间,小潮期的响应时间明显长于其它潮型期的响应时间。揭示了在一般径流量和风况下青草沙水库取水口除了在小潮后中潮期间盐水入侵主要来自北支倒灌。 4、揭示人类活动对长江河口盐水入侵和淡水资源影响 （1）长江流域重大水利工程对长江河口盐水入侵和淡水资源的影响 三峡水库对径流量的季节性调节,秋季蓄水期间减少径流量,增强和提前盐水入侵,不利淡水资源利用;枯季放水增加径流量,减弱盐水入侵,有利淡水资源利用。南水北调东线工程使得长江入海径流量减少,盐水入侵增强,淡水资源减少。 （2）河口深水航道和圈围工程对盐水入侵和淡水资源影响 长江河口深水航道工程导致北槽因航道的增深上段盐水入侵加剧,下段盐水入侵较弱。横沙东滩圈围工程、南汇边滩圈围工程和北支新村沙封堵工程会局地改变河势,影响水动力和盐水入侵;该项目揭示了它们对局地水动力和盐水入侵的影响。