prediction and countermeasures of saltwater intrusion in the qiantang estuary

13
www.seipub.org/awrp Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 62 Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary Han Zengcui 1 , Shi Yingbiao* 2 , You Aiju 3 Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, China 1 [email protected]; *2 [email protected]; 3 [email protected] Abstract This paper analyzed sixty years’ field data of chlorinity in seven stations along the Qiantang estuary from 1953 to 2012. In this period, the Qiantang estuary went through three different stages: lower human activity intervention stage before 1960, runoff regulation stage after the construction of Xin’an reservoir in the upper stream from 1960, and reclamation stage since 1980. With the social and economic development, daily water demanded by our country, industry, agriculture and environment were increased rapidly. This paper analysed the temporalspatial chlorinity variations in the three stages and their influencing factors. Meanwhile, the variation of the chlorinity and number of days over standard chlorinity also changed extensively year to year and month to month. Based on the field data, 1D and 2D mobile riverbed numerical model had been developed by the second author of this paper to study the saltwater intrusion in Qiantang estuary. Optimal water discharge mode of the Xin’an reservoir which took the tidal cycle into consideration has been studied by the developed model, and “large discharge in spring tide, small discharge in neap tide” mode was proposed. The discharge mode has experienced nearly 40 years of improvement and practice. Besides applying the above discharge mode, in order to ensure the security of water usage, other measures such as water storage by channel networks, water intake moved to upper stream, reverse regulation reservoir construction by the estuary, negotiation mechanism among relevant authorities were carried out. Thus, the winwin result was achieved between water resources saving and water supply security. Keywords Salt Water Intrusion; Mobile Riverbed Mathematical Model; Predictive and Countermeasure Practice; the Qiantang Estuary Introduction The estuary region is densely populated and economically developed. Domestic, industrial, agricultural and environmental water demanded by the estuarine plain are taken from the estuary. Due to uneven temporal and spatial distribution of runoff, and swift variation of strong and weak tides (marked by the magnitude of the tide range), the river water chlorinity often exceeded the standard value (0.25gL 1 for domestic use; 0.35gL 1 for agricultural and environmental use), resulting in water supply cutoff from time to time. It is one of the most important tasks for social stability by taking a series of corresponding measures to guarantee the water supply security. In addition, the chlorinity of mixed saltwater and fresh water in the estuarine reach is not only a trace material for fluid motion, but also an important parameter for the sediment, pollutants (such as CODMn) monitoring. In this regard, the investigation of saltwater intrusion has a practical and scientific significance. In 1950s, seven regular shore chlorinity observation stations (as seen in Fig. 1) were set up along Qiantang estuary, taking samples at high water slack and low water slack everyday to obtain the daily maximum and minimum chlorinity, which show the variation law in the natural condition with lower human activity intervention. FIG. 1 LAYOUT OF QIANTANG ESTUARY In year 1960, a multiyear regulating reservoir named Xin’anjiang was built in the upstream of estuary with major functions of electricity generation, electricity front adjustment and emergency backup as well as flood control and irrigation. The reservoir greatly increased the low flow discharge in dry season and decreased the chlorinity and exceeding standard time of the estuarine reach. With the social and economic

Upload: shirley-wang

Post on 02-Apr-2016

214 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

http://www.seipub.org/awrp/paperInfo.aspx?ID=16325 This paper analyzed sixty years’ field data of chlorinity in seven stations along the Qiantang estuary from 1953 to 2012. In this period, the Qiantang estuary went through three different stages: lower human activity intervention stage before 1960, runoff regulation stage after the construction of Xin’an reservoir in the upper stream from 1960, and reclamation stage since 1980. With the social and economic development, daily water demanded by our country, industry, agriculture and environment were increased rapidly. This paper analysed the temporal-spatial chlorinity variations in the three stages and their influencing factors. Meanwhile, the variation of the chlorinity and number of days over standard chlorinity also changed extensively year to year and month to month. Based on the field data, 1D and 2D mobile riverbed numerical model had been developed by the second author of this paper to study the saltwater intrusion in Qian

TRANSCRIPT

Page 1: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

www.seipub.org/awrp                                                                Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 

62 

Prediction and Countermeasures of Saltwater 

Intrusion in the Qiantang Estuary Han Zengcui1, Shi Yingbiao*2, You Aiju3 

Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary, Hangzhou 310020, China 

[email protected]; *[email protected][email protected] 

 Abstract 

This  paper  analyzed  sixty  years’  field  data  of  chlorinity  in 

seven stations along the Qiantang estuary from 1953 to 2012. 

In  this  period,  the  Qiantang  estuary  went  through  three 

different  stages:    lower  human  activity  intervention  stage 

before 1960, runoff regulation stage after the construction of 

Xin’an  reservoir  in  the  upper  stream  from  1960,  and 

reclamation  stage  since 1980. With  the  social and  economic 

development,  daily  water  demanded  by  our  country, 

industry,  agriculture  and  environment  were  increased 

rapidly. This paper analysed  the  temporal‐spatial chlorinity 

variations  in  the  three  stages  and  their  influencing  factors. 

Meanwhile,  the  variation  of  the  chlorinity  and  number  of 

days over standard chlorinity also changed extensively year 

to year and month to month. Based on the field data, 1D and 

2D mobile riverbed numerical model had been developed by 

the  second  author  of  this  paper  to  study  the  saltwater 

intrusion  in  Qiantang  estuary.  Optimal  water  discharge 

mode of the Xin’an reservoir which took the tidal cycle  into 

consideration has been studied by the developed model, and 

“large discharge in spring tide, small discharge in neap tide” 

mode was  proposed.  The  discharge mode  has  experienced 

nearly  40  years  of  improvement  and  practice.  Besides 

applying  the above discharge mode,  in order  to  ensure  the 

security  of  water  usage,  other  measures  such  as  water 

storage by  channel networks, water  intake moved  to upper 

stream,  reverse  regulation  reservoir  construction  by  the 

estuary, negotiation mechanism  among  relevant  authorities 

were  carried  out.  Thus,  the  win‐win  result  was  achieved 

between water resources saving and water supply security. 

Keywords 

Salt  Water  Intrusion;  Mobile  Riverbed  Mathematical  Model; 

Predictive and Countermeasure Practice; the Qiantang Estuary 

Introduction

The  estuary  region  is  densely  populated  and 

economically  developed.  Domestic,  industrial, 

agricultural  and  environmental  water  demanded  by 

the estuarine plain are taken from the estuary. Due to 

uneven  temporal  and  spatial  distribution  of  runoff, 

and swift variation of strong and weak  tides  (marked 

by  the magnitude  of  the  tide  range),  the  river water 

chlorinity often exceeded  the standard value  (0.25gL‐1 

for  domestic  use;  0.35gL‐1  for  agricultural  and 

environmental  use),  resulting  in water  supply  cutoff 

from time to time. It is one of the most important tasks 

for social stability by  taking a series of corresponding 

measures  to  guarantee  the water  supply  security.  In 

addition,  the  chlorinity  of mixed  saltwater  and  fresh 

water in the estuarine reach is not only a trace material 

for  fluid motion, but also an  important parameter  for 

the sediment, pollutants  (such as CODMn) monitoring. 

In  this  regard,  the  investigation of saltwater  intrusion 

has a practical and scientific significance. 

In  1950s,  seven  regular  shore  chlorinity  observation 

stations (as seen in Fig. 1) were set up along Qiantang 

estuary,  taking  samples  at  high water  slack  and  low 

water  slack  everyday  to  obtain  the  daily  maximum 

and  minimum  chlorinity,  which  show  the  variation 

law in the natural condition with lower human activity 

intervention.   

 

FIG. 1 LAYOUT OF QIANTANG ESTUARY 

In year 1960, a multi‐year  regulating  reservoir named 

Xin’anjiang was built  in  the upstream of estuary with 

major  functions  of  electricity  generation,  electricity 

front  adjustment  and  emergency  backup  as  well  as 

flood  control  and  irrigation.  The  reservoir  greatly 

increased  the  low  flow  discharge  in  dry  season  and 

decreased  the chlorinity and exceeding  standard  time 

of  the  estuarine  reach. With  the  social  and  economic 

Page 2: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014                                                               www.seipub.org/awrp 

63 

development  along  the  Qiantang  estuary,  needed 

water and diverted water increased so rapidly that the 

river  chlorinity  was  prone  to  exceed  standards  in 

Hangzhou river reach from 1972 to the present.   

Since  1968,  regulating  and  narrowing  project  lasting 

for over 40 years has been carried out  to  regulate  the 

shifting estuary. The estuary has undergone the regime 

of the straight and curved shape as well as wet and dry 

year.  All  the  natural  changes  and  human  activities 

influence the chlorinity characteristics in the Qiantang 

estuary. The  field data  reflect  the modes of  saltwater 

intrusion  for  these  different  periods,  and  also  lay  a 

solid foundation for studies on the chlorinity variation 

and forecast method. 

Fresh  water  and  saltwater  mixed  homogeneously 

along  the Qiantang  estuary  at  every  cross‐section.  In 

1950s,  the mixed  fresh water and  tide prism  segment 

were  used  to  simulate  the  longitudinal  chlorinity 

distribution  (Ketchman  1951). With  the hypothesis of 

the  tide motion  as  sinusoid  curved  and  the diffusion 

coefficient  being  proportional  to  the  product  of 

characteristic velocity and  length, an analysis solution 

was  further  obtained  by  vertical  integrating  salt 

continuity  equation  (e.g.  Aron  and  Stommel  1951; 

Charless  1976). Using  the  data  of monthly  averaged 

chlorinity  of  the  seven  stations,  this  analysis  of 

solution  of  the  saltwater  intrusion was verified  (Mao 

1964). The formula for the flushing number which was 

proportional  to  fresh  water  discharge  and  inversely 

proportional  to  tidal  range,  river  volume was  given 

(Han  1986).  However,  all  the  above  solutions  were 

suitable  for  steady  flow,  far  different  from  the  real 

unsteady  state where  fresh water discharge  and  tidal 

rang change day by day. Since 1970s, 1D, 2D and 3D 

unsteady mathematical models for saltwater  intrusion 

have  been  rapidly  developed  (e.g.,  Stiger  1976; 

Harleman  1974;  Abraham  1975;  McDowell  and 

O’Connor 1977; Savenije 1986, 1992; Nguyen 2008; Luo 

and Cheng 2005; Wang and Lu 2008; Ma and Liu et. al 

2006). However, most models were  fixed‐bed models 

which were not suitable for the Qiantang estuary with 

intensely  changing  riverbed.  This  paper  introduced 

numerical  solution  of  moveable  bed  model,  the 

prediction  and  countermeasures  for  saltwater 

intrusion in the Qiantang Estuary. 

The Qiantang Estuary Saltwater Intrusion Feature

Basic Properties of the Qiantang Estuary 

The  basin  area  of  the Qiantang  estuary  is  55,558km2 

with  the  estuarine  length  is  282km  (Han  2003).  The 

estuary  is  divided  into  three  reaches:  runoff  reach 

(78km), tidal currents and runoff effected reach (120km) 

and  tide  dominated  reach  (84km).  The  30km  section 

from Wenyan  to Qibao  is  densely  dotted with water 

intakes  and  seriously  affected  by  saltwater  intrusion. 

Annual runoff of the Lucibu hydrological station (tidal 

limit)  is  950m3/s,  however,  the  runoff  distribution  is 

uneven  yearly  and  monthly:  the  monthly  average 

maximum  discharge  is  5170m3/s  in  the  wet  season 

(April  to  June),  while  the  minimum  average  low 

discharge  is only 140m3/s  in dry  season  (November ~ 

February).  Substantial  variation  in  inter‐annual, 

monthly runoff causes the large range of the river bed 

siltation  and  erosion,  after  feedback,  the  high  tidal 

level,  low  tidal  level,  tidal  range  variations  influence 

river bed and chlorinity with different degrees. 

The  averaged  and  maximum  tidal  range  along  the 

Qiantang estuary is shown in Table 1.   

TABLE 1 AVERAGED AND MAXIMUM TIDAL RANGE ALONG   

THE QIANTANG ESTUARY 

Location average tidal range/m  Max. tidal range/m

Ganpu  5.64  9.00 

Yanguan 3.28  7.26 

Cangqian 1.53  5.27 

Qibao 0.79  4.28 

Zhakou  0.56  3.72 

Wenyan  0.47  3.17 

The  maximum  and  averaged  tidal  range  of  Ganpu 

station is 9m and 5.70m respectively. For Qibao station, 

which  is  the  most  sensitive  to  saltwater  intrusion 

among  water  intakes  of  Hangzhou  city,  its  annual 

average  tidal  range  is  only  0.79m,  but  the maximum 

value  is  4.28m.  The  reason  for  the  substantial  yearly 

and  monthly  variation  of  tidal  range  is  that  the 

riverbed  of  the Qiantang  estuary  consists  of  silt  bed 

material prone to erosion and deposition. The wet/dry 

runoff  and  the  tidal  strength  lead  to  bending  or 

straight  river  bed,  changing  stream  length  and  the 

changes of  tidal  ranges, and  their  interactions  further 

cause  the  variation  of  river  bed.  From  1968  to  2012, 

about  80km  length  of  the  estuary was narrowed  and 

fixed, which  limited  the  shifting mainstream,  but  the 

variation  range  of  riverbed  erosion/deposition,  tidal 

range  and  chlorinity  were  decreased  in  the  wet/dry 

years.   

Analysis of Main Influence Factors of Salt Water 

Intrusion 

Through  40  years  of  observation  on  chlorinity, 

underwater  topography  and  tidal  level,  the  law  of 

Page 3: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

www.seipub.org/awrp                                                                Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 

64 

saltwater intrusion is mainly determined by following 

factors. 

1) The Magnitude of Runoff Discharge in the 

Dry Season 

Runoff  discharge  reflects  the  upper  boundary 

condition  of  freshwater  value.  As  tide  has  a 

semi‐monthly  cycle  and  a  semi‐diurnal  cycle,  the 

chlorinity  varies  accordingly.  The  average  runoff 

discharge in certain period (especially in spring tide 

period)  is  the most  critical  factor  to  the  chlorinity, 

and  the  value  of  chlorinity  also  relates  to  runoff 

discharge  in  the  pasted  30  days,  60  days  and  90 

days. The magnitude  for  the different  frequencies 

of discharge at Fuchunjiang power station is seen in 

Table 2. 

TABLE 2 THE MAGNITUDE FOR THE DIFFERENT FREQUENCIES OF 

DISCHARGE 

G.F.  condition  15d  30d  60d  90d 

95% before/ m3.s‐1  20  40  70  80 

after/ m3.s‐1  130  140  180  190 

90% before/ m3.s‐1  30  40  70  80 

after/ m3.s‐  138  140  180  200 

70% before/ m3.s‐1  48  70  100  160 

after/ m3.s‐1  185  260  300  360 

50% before m3.s‐1  60  100  170  226 

after m3.s‐1  284  366  420  460 

The saltwater intrusion at the intake of waterworks 

generally  occurs  when  the  discharge  is  less  than 

300m3/s. However, the phenomenon would not last 

24 hours due to the tide variation, and there would 

be 8‐16 hours while the chlorinity is lower than the 

critical  value  and  applicable  for  diversion.  This  is 

very favorable for urban water supply system with 

river  networks  or  adjustable  reservoir.  Table  2 

shows  the  contrast  of  the  dry  season  discharge 

between  before  and  after  the  construction  of 

Xin’anjiang  reservoir,  the  monthly  averaged 

discharge  increases  by  100‐250m3/s,  however,  it  is 

still frequently less than 300m3/s. 

2) The Magnitude of Tidal Range   

Magnitude of tidal range represents tidal dynamics 

of  the  lower  boundary  condition.  Taking  the 

Yanguan  (①)  and  Ganpu  (②)  stations  as  the 

representation  of  middle  and  downstream 

respectively,  Table  3  gives  their  monthly  average 

tide range before and after regulation, in conditions 

of  curved  channels  (in  dry  year)  and  straight 

channels  (in  wet  year).  As  the  tidal  range  is  in 

proportion to the tidal volume, it can also represent 

the strength of the tide.   

From Table 3,  it discloses that for the same month, 

the difference of tidal range is very small in wet/dry 

year  or  before/after  regulation  at  Ganpu  station. 

However, at Yanquan station,  the difference of  the 

tide  range  for  the  same  month  is  2‐6  times 

difference  in wet  and dry years before  regulation, 

and  this  value  has decreased  1.5‐3  times  after  the 

river bed regulation. It suggests that the regulation 

has  controlled  the  shifting  of  the  mainstream 

substantially  and  those  changes  are  favorable  for 

decreasing saltwater intrusion. 

TABLE 3 MONTHLY AVERAGE TIDE RANGE BEFORE AND AFTER 

REGULATION 

  Jan. Mar.  May  Jul.  Sep. Nov.

beforewet 4.51 5.06  4.40  4.26  5.07 4.65 

dry  0.70 0.92  0.67  1.25  2.04 1.36 

afterwet 3.92 3.52  3.53  3.48  3.91 3.79 

dry  1.07 1.60  2.40  2.20  2.02 2.06 

beforewet 4.76 5.18  5.39  5.50  5.56 5.16 

dry  5.02 5.41  5.56  5.82  5.81 5.50 

afterwet 5.63 5.70  6.01  6.07  6.06 5.84 

dry  5.43 5.64  5.70  5.84  6.07 5.72 

3) The Magnitude of the River Bed Volume 

The  river  bed  condition  is  the  inner  boundary 

condition  for  runoff/tide  dynamics.  The Qiantang 

estuary  is an estuary of strong shifting and widely 

varying  erosion  and  deposition.  Besides  the 

monthly  changes  caused  by  astronomical  tide, 

runoff  is  another  critical  factor.  Therefore,  in wet 

year,  the  river  bed  is  eroded  and  the  tide  range 

increases; in the dry year, the river bed is deposited 

and  the  tide  range decreases. Data  of Yanquan  in 

Table  3  show  that  the  difference  of  tide  range 

between wet and dry years  is due  to  the  feedback 

by the magnitude of the river bed. 

Table 4 compared tidal range of spring, middle and 

neap  tide  in August and  January  in year 2010 and 

2008 at Qibao station. 

TABLE 4 THE SPRING, MIDDLE, NEAP TIDE AT QIBAO STATION 

Time spring  middle  neap 

①~④  ①~④  ①~④ 

August in 2010 3.08~3.28  1.8~2.44  0.04~0.82 

January  1.55~1.81  1.01~1.18  0.01~0.32 

August in 2008 1.33~1.48  0.86~0.94  0.09~0.18 

January  0.23~0.30  0.12~0.15  0.05~0.08 

It  shows  the  average  semi‐month  tidal  range  in 

spring tide is 8 times larger than in the neap tide for 

the  two  years,  and  it was  caused  by  the  different 

river bed. In winter, the river bed is deposited and 

the  tidal  ranges  are  smaller, while  in August  the 

river bed is eroded and leads to a larger tidal range. 

Page 4: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014                                                               www.seipub.org/awrp 

65 

Therefore, water  chlorinity  in  the  river  reaches  of 

Hangzhou  seldom  exceeds  the  standard. All neap 

tide  in  August  has  a  small  tide  range,  there  are 

rarely  more  than  10  days  successively  exceeding 

standard (with exception in successive dry months).   

4) The Position and Scale of Water Intakes   

Water  intakes  provide water  for  the  city  dweller, 

agriculture and environment. The water  intakes at 

Nanxingqiao, Zhakou, Baitaling and Shanhusha are 

the  most  important  for  urban  water  supply, 

confining to 8km scope (seen in Fig. 2).   

 

FIG. 2 WATER INTAKES DISTRIBUTION IN QIANTANG ESTUARY 

The  quantity  of  water  withdrawal  is  rapidly 

increasing  with  the  development  of  society  and 

economics.  In  1970s,  the  water  demanded  by 

Hangzhou  city was only  0.15 million  ton per day. 

At  that  time,  it  could  be  regulated  by  the  river 

networks  in  cities when  the  river water  chlorinity 

exceeded  the  critical  value.  Later  on,  the  needed 

water  increased  to 0.3‐1.2 million  ton per day, and 

saltwater  intrusion  occured  occasionally,  thus  the 

plain  reservoir  Shanhusha  reservoir  was 

constructed  to  store  fresh  water,  meanwhile, 

dispatch  on  salt water  intrusion was  initiated  by 

Xin’anjiang reservoir to solve the problem.   

In  2013,  the  water  diversion  of  Hangzhou  city 

reached  to  25m3/s  (planned maximum  permission 

diversion discharge  is 35m3/s) with high guarantee 

rate  requirement,  while  agricultural  and 

environmental water consumption also increased to 

100‐150m3/s  with  relatively  low  guarantee  rate 

requirement.  Due  to  staggering  in  time,  the 

simultaneous discharge would  not  be  so  great.  In 

addition,  the distance of water  intakes  is about 20 

km.  The  maximum  successively  and  exceeding 

standard  times  were  different,  so  the 

counter‐measures were also different. 

The Temporal and Spatial Variation of the Chlorinity   

In the estuary such as Qiantang estuary, the differences 

of  chlorinity  at  any  two  arbitrary  points  in  the  same 

cross‐section  are  within  ±  30%.  According  to  the 

classification method  (Simmons  1963),  The  Qiantang 

estuary belongs  to  the  strong mixing  type,  at  least  at 

85%  of  the  time.  The  convection  diffusion  equations 

with  1D  unsteady  model  can  describe  it.  From  this 

point of view, studying on saltwater intrusion problem 

for this estuary is relatively simpler than others.   

The chlorinity intakes are influenced by the runoff and 

tidal  range.  In  the  full  tidal  process,  the  highest 

cholornity value arises at  the high  tidal slack, and  the 

minimum value is in the ebb tidal slack. At some water 

intakes,  chlorinity  in  flood  tide  exceeds  the  standard 

but  not  in  the  ebb  tide, which  provides  a  favorable 

condition  for water  diversion  and  regulation. Unlike 

the estuary of the Yangtze River and Pearl River, where 

the  successive  exceeding  standard  time  is  as  long  as 

20‐50  days  (Shen  2003;  Bao  2009),  the  Qiantang 

estuary’s  continuous  over‐standard  time  is  only  0.5‐5 

days. Therefore,  this paper  stipulates  that only  in  the 

statistics of measured  chlorinity: when  the maximum 

and minimum chlorinity are both greater than 0.25g/L, 

the over‐standard time is recorded as 1 day; when the 

maximum  chlorinity  exceeds  the  standard  but  the 

minimum  does  not,  the  exceeding  standard  time  is 

recorded as 0.5 day. 

As water intakes are in the upper stream of the estuary, 

the  spring  tide and dry  flow period  (from  July 1st  to 

November  15th)  is  prone  to  saltwater  intrusion  and 

severe sediment deposition. At this time, the tide range 

of stations upper stream of Yanguan  increases rapidly 

due  to  astronomical  tide  and  sediment  deposition. 

Therefore,  movable  riverbed  model  is  required  to 

simulate  the  saltwater  intrusion,  coupling  the  flow 

equation,  bed  deformation  equation  and  chlorine 

conservation  equations  (Han  1987,  2012).  In  addition, 

the  empirical  relationships  of  observed  tidal data  are 

calibrated  in  different  months.  This  is  one  of 

complexities  and  difficulties  for  simulation  of  the 

saltwater intrusion in the Qiantang estuary that differs 

from the Yangtze and Pearl estuary. 

In  Table  5,  ①represents  the  period  before  the 

construction  of  Xin’anjiang  reservoir  (in  1955‐1960). 

②represents  the  period  after  the  completion  of 

Xin’anjiang  reservoir  but  before  the  regulation  (in 

1972‐1975). ③represents the period after the regulation 

Page 5: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

www.seipub.org/awrp                                                                Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 

66 

(in 1976‐2010). The monthly maximum, yearly average 

chlorinity for each station are listed in Table 5.   

Fig.  3  and  Fig.  4  show  that  in  the  dry  season  the 

chlorinity  of  each  station  changes  in  a monthly  and 

semi‐monthly,  and  the  longitudinal  distribution, 

reflecting  the  influence  of  runoff  discharge  and  tidal 

range  on  the  saltwater  intrusion  and  over‐standard 

days at the water intake. 

TABLE 5 MONTHLY MAXIMUM, YEARLY AVERAGE CHLORINITY 

  FOR EACH STATION 

Station monthly maximum  Yearly average 

①  ②  ③ ①  ②  ③

Wenyan  0.2  0.1  0.1  0.0  0.0  0.0 

Shanhusha  0.5  0.1  0.3  0.1  0.0  0.0 

Zhakou  1.5  0.1  0.2  0.3  0.0  0.0 

Qibao  2.6  0.6  0.9  0.8  0.2  0.3 

Cangqian  4.8  0.9  1.7  2.0  0.5  0.6 

Yanguan  7.3  3.9  1.6  2.7  2.2  1.2 

Ganpu  9.3  8.2  6.7  6.2  5.6  5.5 

 

FIG. 3 EFFECT OF DISCHARGE AND TIDAL RANGE ON 

CHLORINITY 

Zhakou  station  is used  to  reflect  the domestic  intake 

conditions as shown in Table 6. 

TABLE 6 NUMBER OF DAYS EXCEEDING STANDARD 

  Mean annual  Maximum annual  Minimum annual

  ①  ②  ③  ①  ②  ③  ①  ② ③

All day/d  55  0  2  85  0  43  26  0  1 

Half day/d  85  6  13  145  12  127  40  0  5 

Comparison  shows  that  in period ③, both  the whole 

exceed  day  and  half  exceed  day  are  greatly  reduced 

than  that  in period ①. This  is  the combined effects of 

low‐flow  increase  by  Xin’anjiang  reservoir  and  the 

maximum  tidal  range  reduction  after  the  river 

constriction.   

 

FIG. 4 THE LONGITUDINAL DISTRIBUTION OF CHLORINITY 

The  monthly  average  discharge,  the  monthly 

maximum tidal range at Qibao, and the instantaneous 

maximum chlorinity of the water intake station in 2003 

are  listed  in  Table  7.  It  is  clear  that  the  chlorinity  at 

water  intakes  are  less  than  0.25g/L when  the  runoff 

discharge  is  over  318m3/s,  inversely, when  the  runoff 

discharge  is  in  318  ~  170 m3/s,  chlorinity  at  all water 

intakes  exceeds  the  standard.  The  smaller  the 

discharge is, the higher the chlorinity is. In September, 

October  and  November  in  year  2003,  the  monthly 

average runoff discharge was 318‐170m3/s, accordingly, 

the  exceed  standard  time  was  103,  132,  109h  at 

Nanxingqiao  intake  and  12.5,  60,  28h  at  Shanhusha 

intake respectively. However, the maximum successive 

exceeding  time of  the above  two  stations was 69, 41h 

respectively.  This  was  a  serious  saltwater  intrusion 

incident in recent years. The incident is the result of the 

zero  discharge  of  the  Xin’anjiang  Reservoir,  due  to 

maintenance of transformer substation during that time.   

TABLE 7 MONTHLY DISCHARGE, TIDAL RANGE AND CHLORINITY OF 2003 

Time  Jan.‐Aug.  Sep.  Oct. Nov. Dec.

discharge/m3s‐1  547~1768  318  173 172 215

maximum tidal range/m  1.68~3.05  2.96  2.76 2.31 1.46

chlorinity of Nanxingqiao/gL‐1 0.01~0.1  1.96  2.1 2.1  0.75

chlorinity of Shanhusha/gL‐1 0.01~0.04  0.57  1.07 1.4  0.28

The Numerical Prediction Model of Saltwater Intrusion

The Qiantang Estuary is well‐mixed so that 1D and 2D 

mathematical  models  can  be  used  to  describe  the 

Page 6: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014                                                               www.seipub.org/awrp 

67 

macro  law  of  motion  of  its  water  flow,  sediment, 

chlorinity  and  so  on.  2D numerical model  of  salinity 

can  be  used  to  describe  river  bends  near  the  intake 

with varying morphology. Ever since 1970s, there were 

substantial literatures concerning 1D and 2D saltwater 

intrusion,  the  majority  of  which,  however,  was 

confined  to  the  solution  of  fixed  beds,  rather  than 

moveable  beds.  As  the  Qiantang  estuary  is  a 

wandering  estuary  with  strong  tide,  high  sediment 

concentration  and  intensely  changing  river  bed,  the 

high silting intensity decrease flood tidal volume at the 

middle and later periods during the dry season. This is 

one of the special difficulties for the medium and long 

durational prediction of  the saltwater  intrusion  in  the 

Qiantang estuary. Therefore, concerning the predicted 

formula,  the  conservation  equations  of  water  mass, 

momentum  and  salt  content  should  be  coupled with 

the  sediment  continuity  equation  and  the  riverbed 

deformation equation of the moveable bed model.   

1D Mobile Riverbed Salinity Mathematical Model 

The  sediment  laden by  the  tide  flow of  the Qiantang 

estuary  mainly  contains  fine  grain  suspended  load, 

which also largely contributes to the easily eroded and 

deposited feature of the estuary.   

The  governing  equations  of  the  1‐D  movable  bed 

mathematical  model  composed  of  shallow  water 

equations,  sediment  transport  and  riverbed 

deformation  equations,  salinity  convection  diffusion 

and state equations, written as  follows (Shi 2004, Han 

1986, 1987, 2012): 

lqx

Q

t

A

                                (1) 

022

2

x

AHg

ARC

QQg

x

ZgA

A

Q

xt

Q

z

   (2) 

)( *21 STSTBx

SEA

xx

QS

t

AS

        (3) 

)( *21

STSTt

Zos

                        (4) 

)(1

x

CAD

xAx

Cu

t

C

                    (5) 

100035.1 C                               (6) 

where x is the longitudinal coordinate;t is the time;Q 

is the discharge of the water;B is the river width; Z is 

the  tidal  level;A is  the  flow  area;  Cz  is  the  Chezy 

coefficient;  R  is  the  hydraulic  radius;  S  is  the 

cross‐section averaged sediment concentration; S* is the 

cross‐section  averaged  sediment  transport  capacity;T1 

is  the  ratio  of  the  near‐bed  and  section‐averaged 

concentration of  the suspended  load; T2  is  the ratio of 

the near‐bed and section‐averaged sedimend transport 

capacity  of  the  suspended  load;  ω  is  the  settling 

velocity  of  sediment; Z0  is  the  cross‐section  averaged 

elevation of river bed; ql is the lateral discharge; E is the 

longitudinal diffusion coefficient of sediments; γs is the 

dry density of sediment; ρ is the density of water flow, 

sediment concentration and chlorinity mixture; C is the 

cross‐section averaged chlorinity;D is the longitudinal 

dispersion  coefficient  of  chlorinity.  By  dimensional 

analysis  and  the  measured  data  calibration,  D  is 

suggested to determine as follows (Han 1981). 

uHC

C

TQ

W

gH

uD if

10])·exp(1[00

2

            (7) 

In  which,  u2/gh  is  the  Froude  number;  u,  H  is 

cross‐section averaged  flow velocity and water depth 

respectively; g  is the acceleration of gravity; Wf/Q0T  is 

the ratio of the flood volume to fresh water volume in 

a  tidal  cycle; Wf  is  the  flood volume; Q0T  is  the  fresh 

water volume  in a  tidal cycle; Ci/C0  is  the  ratio of  the 

local cross‐section averaged chlorinity  to  that of  fresh 

water. 

The boundary conditions and  initial condition  should 

be given to solve Equations (1) ~ (5). The processes of 

the fresh water discharge, sediment concentration and 

chrolinity are given as follows for the upper boundary 

condition at the Fuchunjiang Hydroelectric station.   

Q(0,t)=Q0(t), when Q(0,t)>0, S(0,t)=S0(t), C(0,t)=C0(t) 

The processes of the tidal level, sediment concentration 

and  chrolinity  are  given  as  follows  for  the  lower 

boundary conditions at Ganpu cross‐section.   

Z(l,t)=Z0(t), when Q(l,t)<0, S(l,t)=S1(t), C(l,t)=C1(t) 

The initial conditions: Z(x, 0) =Z*(x), S(x, 0) =S*(x), C(x, 

0) =C*(x). 

In the paper, the verification of the saltwater flow and 

salinity  were  carried  out  using  the  salinity 

mathematical model developed by the authors in 1980 

and 1997.   

1) Verification for Short Duration 

For fixed bed mathematical model of short duration 

salinity  simulation,  combination  of  the  equations 

(1), (2) and (5) were adopted and sets of results had 

been provided in many literatures (Han 1981, 1987, 

2012).  Fig.  5  is  the  verification  results  of  the 

chlorinity  in  the  cross‐section of Nanxingqiao  and 

Page 7: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

www.seipub.org/awrp                                                                Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 

68 

Zhakou.   

FIG. 5 THE CONTRAST OF THE CHLORINITY BETWEEN 

CALCULATION AND MEASUREMENT 

Table  8  shows  the  simulated  results  of  the 

maximum chlorinity and duration of over‐standard 

hours (C>0.25g/L) in the water intakes of Hangzhou 

city.  The  result  proves  that  the  chlorinity  in  the 

main  intakes,  such  as  Zhakou  and  Shanhusha,  is 

lower than 0.25g/L for quite a few days within one 

month,  so  that  the  water  can  be  taken  between 

intervals.  Itʹs much better  than  the Pearl River and 

Yangtze  River  estuaries  where  duration  of 

exceeding standard is more than 15‐55 days, which 

makes water intake impossible.   

TABLE 8 THE CHLORINITY VERIFICATION CALCULATION RESULT IN THE 

SHORT DURATION 

Items 

Max chlorinity 

gL‐1 

Exceeding standard  

hours 

①  ②  ③  ①  ②  ③

Measured 

in Oct. 1995 

25  2.82  1.18  0.79  20  <12  6 

26  4.00  1.07  1.38  24  10  9 

27  4.20  1.78  1.94  24  <12  12 

28  3.60  1.22  1.40  24  24  10 

29  3.30  0.63  1.40  21  <12  8 

Calculated 

25  3.03  1.93  0.64  22  12  6 

26  3.22  2.11  1.43  24  8.6  8 

27  3.24  2.66  1.78  24  8.6  12 

28  3.63  1.83  1.38  24  23  11 

29  2.90  1.63  1.12  20  7  9 

(Note: ①, ②, ③ refers to Nanxingqiao, Zhakou and Shanhusha 

station, respectively) 

2) Verification for Long Duration 

Generally,  the  chlorinity  simulation  for  short 

duration  is  satisfied  by  means  of  the  fixed  bed 

model. However,  the moveable  bed mathematical 

model  of  the  above  equation  (1)~(5)  should  be 

adopted to forecast the chlorinity for relatively long 

term  simulation  from  July  to  December.  This  is 

because  on  the  one hand,  the  astronomical  tide  is 

changing; on the other hand, the bed volume from 

Zhakou  to Yanguan  of  the Qiantang River differs 

0.05  billion m3  due  to  the  change  of  runoff,  and 

with the same bed volume for different month, the 

tidal range at Qibao also differs from 0.4~0.8m (see 

Fig. 6).   

FIG. 6 MONTHLY MAXIMUM TIDAL RANGE UNDER 

DIFFERENT RIVER VOLUME 

Fig. 7 compares the measured chlorinity at Qibao to 

its  simulated  data  using  the  fixed  and moveable 

bed models, which obviously proves the difference 

between  moveable  and  fixed  bed.  Agreement 

between  the  measured  and  the  calculated  result 

using  the  moveable  bed  model  is  fairly  good, 

especially  during  the  low  chlorinity  period.  The 

calculated result using the fixed bed model deviates 

far  from  the  measurement,  which  has  a  great 

impact on the calculation of the exceeding standard 

duration  and  may  lead  to  overestimated 

conclusion. 

 

FIG. 7 CONTRAST OF CHLORINITY SIMULATED BY MOVEABLE 

AND FIXED BED NUMERICAL MODEL 

The Establishment and Verification of 2D Model 

Although  the  Qiantang  Estuary  is  a  well‐mixed 

estuary,  there  is a main  channel and  shoal on  certain 

cross  section,  and  the water depth  and  flow  velocity 

also differ,  resulting  in  the difference of  chlorinity  in 

the  plane.  Therefore,  2D  salinity  transport  numerical 

model  should  be  established  for  the  research. 

Considering the impact of water density change on the 

water  pressure  after  the  saltwater  intrusion 

longitudinally  and  vertically,  the  two‐dimension 

Page 8: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014                                                               www.seipub.org/awrp 

69 

shallow water equations of the conservation form, and 

the  control  equation  of  chlorinity  to  convective 

diffusion are written as follows (Shi 2012): 

Sy

G

x

F

t

U

 

                          (8) 

Where U=  (h,  hu,  hv,  hc)  T  is  the  vector  of  flow  and 

chlorinity  variables.  The  flux  terms  F, G,  and  source 

term S are defined as: 

2 212

2 t

t

x

hu

uhu gh h

xF u v

huv hy x

chuc E h

x

; 2 21

22

t

t

y

hv

u vhuv h

y xG v

hv gh hy

chvc E h

x

;

2 2 20

2

2 2 20

2

cos( )2

sin( )2

s

sz

sz

s s

Q A

z u u v gh cgh fhv Q u A

x xC hS

z v u v gh cgh fhu Q v A

y yC h

Q C A

 

where h is the water depth; u and v are depth‐averaged 

flow velocities  in  the x, y direction,  respectively;c  is 

the  chlorinity  of  the  water;  g  is  the  acceleration  of 

gravity;  z0  is  the  bed  elevation,  Cz  is  the  Chezy 

coefficient;  f  is  the  Coriolis  coefficient;  νt  is  the  flow 

turbulent  viscosity  coefficient,  decided  by 

Smagorinsky empirical relation (Smagorinsky 1963);ρ 

is the saltwater density, ρ=ρ0+αc ;ρ0 is the fresh water 

density; Ex and Ey are turbulent diffusion coefficient of 

chlorinity in x, y directions, respectively; Qs and Cs are 

the discharge and chlorinity  in water  intake or outlet, 

respectively ; A is the area of control cell. 

The  turbulence viscosity coefficient  (νt )  is determined 

by the following Smagorinsky empirical relations, and 

Ex and Ey are determined by Elder  formulation  in  the 

model. 

2 221

2T e

u v u vA

x y y x

          (9) 

Where, α is a constant coefficient with 0.1‐0.25; Ae is an 

element area. 

The  governing  equations  are  solved  with  the  finite 

volume method, and an unstructured grid of triangles 

is used as the control cell in order to accurately fit the 

irregular  river  boundaries.  The  core  of  the  finite 

volume method  is  the  flux  calculation  of  the  control 

body at cell faces. Many schemes have been used, such 

as  TVD  (Harten  1980),  MacCormack  (MacCormack 

1972),  BGK  (LAI  2008)  and KFVS  (Pan  2006).  In  this 

thesis,  the  fluxes are computed by Roe’s method (Roe 

P L.  1981). The diffusion  fluxes  are  calculated by  the 

central difference scheme of  the unstructured grid.  In 

order  to  reach  an  advanced  and  stable  calculation 

numerical scheme, the variable slopes are limited so as 

to  adjust  and  control  the  dissipative  and  dispersive 

effects  of  figures.  Similar  to MUSCL,  the  first  order 

accuracy is improved to the second order. Confined by 

the  length  of  this  article,  the  detailed  deduction  of 

numerical  scheme  is  seen  in  the  literature  (Shi  2012). 

This  mathematical  model  was  developed  by  the 

second author of the paper in 2006. 

Fig. 1 shows the simulation area and  the hydrological 

validation points. The upper boundary of the model is 

located  in  the  Fuchunjiang Hydroelectric  station  and 

the  lower  boundary  is  in  the  Ganpu  section  of  the 

Qiantang  Estuary.  The  computational  area  is  790km2 

which  composed  of  11710  triangles  with  minimum 

side  length  of  100m,  and  the  time  step  is  4s.  The 

measured  and  calculated  results  of  the  flow velocity, 

the  chlorinity  and  tidal  process  among  the  12 

chlorinity monitoring  sites  and  13  tide  stations  from 

Oct. 25 to 30 in 2007 have been compared. Fig. 8 shows 

the contrast between the calculated flow velocities and 

the  measured  flow  velocities  of  Qibao  (701#)  and 

Ganpu  (710#);  Fig.  9  shows  the  comparison  between 

the chlorinity of Qibao and Ganpu (710#).   

 

 

FIG. 8 THE VALIDATION CURVE OF WATER FLOW PROCESS, 

OCT. 2007 

It  can  be  seen  from  the  figure  that  the  strong  tidal 

movement  in  the  Qiantang  estuary  and  the  serious 

Page 9: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

www.seipub.org/awrp                                                                Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 

70 

saltwater  intrusion  result  in  the  chlorinity  in  Qibao, 

reaching as high as above 0.7g/L. Based on the model. 

The  calculated  figures  of  the  vertical  average  flow 

velocity  and  the  chlorinity  agree  well  with  the 

measured  figures, which  clearly  reflect  the  saltwater 

intrusion  of Qiantang  estuary  affected  by  the  strong 

tide. 

 

 

FIG. 9 THE VALIDATION CURVE OF CHLORINITY PROCESS, 

OCT. 2007 

Optimized Water Release Method Based on Tidal 

Range Scale   

During the dry season of spring tides, the water release 

of the upper Xin’anjiang Reservoir should be increased 

in  order  to prevent  the  saltwater  intrusion.  Since  the 

tidal  stage  change periodically within  15 days, water 

release method  decides  the  optimum  distribution  of 

water resources to guarantee the lowest chlorinity and 

the  longest  qualified  intake  hours.  Therefore,  three 

modes of water release are investigated: the first mode 

is  to  release water  evenly within 15 days;  the  second 

one  is  to  increase  30%  of  water  release  during  the 

spring tide and decrease 30% during the neap tide; and 

the  third method  is  to release 70% of  the water during 

the later period of the spring tide. The calculated results 

are listed in Table 9. Obviously, the second mode is the 

best: it has the lowest chlorinity and shortest days in a 

month while the chlorinity exceeds the limits.   

TABLE 9 A COMPARISON OF THE WATER RELEASE MODES 

Modes of Releasing Water  No. 1  No. 2  No. 3 

Max. chlorinity/gL‐1 

Qibao  5.83  3.37  7.40 

Zhakou  2.61  1.44  4.80 

Shanhusha  1.10  0.07  2.70 

Days of Exceeding the Limit  6.6  2.1  6.2 

In  order  to  verify  the  actual  effect  of  the  prediction, 

two  verification  periods  without  water  release 

prediction  and  with  water  release  prediction  are 

chosen.  The  two  periods  should  have  similar  tidal 

range and water release volume in 15 days. The former 

period is from Jul. 23 to Aug. 1, 1972 without optional 

water  release,  and  the  latter period  is  from Oct.  1  to 

Oct. 15, 2006 with the released water completely under 

prediction (cf. Table 10). 

TABLE 10 A COMPARISON OF CHLORINITY IN ZHAKOU WITH/WITHOUT 

PREDICTION 

time (1972)  7/25  26  27  28  29 30 31 8/1

Without 

prediction

Water 

release/m3s‐1344  244  183  147  192 2.51 257 412

Tidal range in 

Qibao/m 0.88 1.21 1.53 1.65 1.44 1.27 1.18 0.93

Max 

Chlorinity/gL‐10.10 0.30 1.34 3.88 4.14 2.61 1.48 1.20

Min 

Chlorinity/gL‐10.02 0.06 0.80 1.45 2.70 1.48 0.80 0.50

Exceeding 

standard/d 

Half day: 2d, All Day: 6d, water 

supply was seriously affected 

time (2006)  10/4  5  6  7  8 9 10 11

With 

prediction

Water 

release/m3s‐1298  382  357  492  372 364 300 321

Tidal range in 

Qibao/m 0.4  0.7  1.2  1.46 1.44 1.52 1.39 1.1

Max 

Chlorine/gL‐10.02 0.02 0.10 1.03 0.98 0.70 0.33 0.12

Min 

Chlorine/gL‐10.01 0.01 0.01 0.12 0.15 0.10 0.01 0.01

Exceeding 

standard/d 

Half day: 4d, All Day: 0, water 

supply was secured 

From Table 10, the former  is 10% larger  in water flow 

and 8% smaller in tidal range under similar conditions. 

The  result  shows  that  the  former  released discharges 

completely  according  to  the  power  requirements 

without  consideration needs of  saltwater  intrusion.  It 

turns out that the actual discharge is smaller in spring 

tide,  the  chrlonity  have  been  larger.  Comparatively, 

under predictions, more water is released in the spring 

tide, the max chlorinity decreases from 4.14 g/L to 1.03 

g/L,  only  one  fourth  of  the  former. Whatʹs more,  the 

former has 6 days with over‐limit chlorinity,  in sharp 

contrast  to  the  latter.  It  proves  sufficiently  that  it 

functions well  to  release water  according  to  the  tidal 

range  and  it  has  contributed  greatly  to  improve  the 

water supply security of Hangzhou City. 

The Application of the Prediction Model

Anti‐saltwater Intrusion Control and Application 

Confirmation 

The  common  measures  for  preventing  saltwater 

intrusion are city river regulation, building regulation 

reservoir  on  river  bank,  moving  the  intake  to  the 

upstream, increasing discharge of large reservoirs, etc. 

Page 10: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014                                                               www.seipub.org/awrp 

71 

They are practiced in the Qiantang estuary. Before the 

operation of Xin’anjiang reservoir, daily water supply 

was  so  low  that household water  storage, well water 

and  channel  net  storage  could  be  adopted when  the 

chlorinity  of water  exceeded  the  standard. When  the 

river water  quality  improved,  the water  supply  and 

drainage water storage could be resumed again. When 

the  Xin’anjiang  reservoir  was  built,  the  low‐water 

discharge  increased  from  50~100m3/s  to  250~300m3/s, 

and greatly lighten saltwater intrusion. 

When  the daily water supply of cities  increased  from 

0.1  million  tons  to  0.3~1.2  million  tons,  the  water 

release  discharge  of  Xin’anjiang  reservoir  has  to  be 

increased,  the  intakes  have  to  be  moved  to  the 

upstream,  and  the  methods  of  anti‐adjustment  and 

anti‐saltwater  reservoir must  be  implemented  jointly 

in  order  to  guarantee  the  water  supply  security  of 

Hangzhou  city.  The  effectiveness  of  these  measures 

largely depend on the accuracy of the prediction of the 

river  water  chlorinity.  During  these  years,  the  river 

width,  runoff,  daily  water  supply,  water  supply 

facilitate  and  other  conditions  are    constantly 

changing,  as  a  result,  the  required  water  release 

discharge  of  the  Xin’anjiang  has  to  be  adjusted  each 

day  accordingly.  If  the  chlorinity  of  water  doesnʹt 

exceed the standard at all intakes, the pre‐discharge is 

more  than  required;  if  the  days when  the  chlorinity 

exceeds  the  standard  are  too  long,  then  the 

pre‐discharge is less than required.   

Therefore,  itʹs  quite  difficult  to  predict  the  best  fit 

water  release.  The  elaboration  of  the  anti‐salt  water 

intrusion prediction and practice is as follows. 

1) The Comparison of the Case According/not 

According to Prediction   

From  September  19  to  25,  1994,  the  7‐day  and 

15‐day  real  water  discharge  were  in  compliance 

with  the  predicted  values,  as  shown  in  Table  11. 

Therefore,  the  continuous  over‐limit  chlorinity 

duration  at Nanxingqiao was  less  than  24  hours. 

From  the  end  of  October  to  the  beginning  of 

November,  2003,  because  of  the  transformer 

maintenance  in  Xinʹanjiang  Hydroelectric  Station, 

the actual discharge of 15 days was only half of the 

predicted  value  so  that  continuous  exceeding 

standard duration of Nanxingqiao and Shanhusha 

was 80h and 48h respectively. 

2) The Practice Confirmation of the Long‐term 

Prediction   

Since  1978,  the  actual  release  discharge  of  the 

Xinʹanjiang  and  the  Fuchunjiang  hydroelectric 

station has been almost  implemented according  to 

the  prediction.  Table  12  shows  the  relationship 

between  over‐limit  chlorinity  days  of  a  typical 

intake, Zhakou and the main factors (the minimum 

runoff of 30d, and the maximum annual tidal range 

in Qibao).   

1)  Small  discharge  is  the  main  reason  for  the 

chlorinity of water  to exceed  the standard all days 

and half days. Before the Xinʹanjiang reservoir was 

built  (in  1960),  the  monthly  average  runoff  was 

148m3/s,  the  tidal  range  1.12m,  the  maxium 

chlorinity  5.0g/L,  and  the  exceeding  standard 

duration was  62 days  (all day:  45, half day:  17.2). 

After  the  reservoir was built,  the  runoff discharge 

increased  to 443m3/s  in  the wet years with straight 

channel  (in 1988~1997), which directly  contributed 

to the improvement: the tidal range was 3.45m, the 

maximum  chlorinity  was  1.23  g/L,  and  the 

exceeding  standard  duration  was  declined  to  20 

days  (all day, 0.66 day; half day, 19.3 days). When 

the reservoir doesnʹt release water according to the 

prediction, such as zero water discharge  (1978), or 

water  release not with prediction  (2003),  itʹs quite 

possible  for  the  chlorinity  of  water  to  exceed 

standard for so long as 103 days and 32 days, which 

proves the essentiality of the prediction.   

TABLE 11 A COMPARISON ACCORDING/NOT ACCORDING TO PREDICTION 

  Time Tidal range /m 

/m3.s‐1 

Exceeding standard 

duration/h 

①  ②  ③ ④

According

to 

prediction

Sep. 19 2,28  410  270  12  0 

20  2,59  540  569  20  0 

21  2,69  540  550  20  0 

22  2.74  540  687  17  0 

23  2.65  540  502  15  0 

24  2.43  540  417  13  0 

25  2.28  410  273  11  0 

 

1994

7d ave.  490  456  

15d ave.  410  430 

Not according

to 

prediction

Nov.

6 1.34  320  0  7.5  0 

7  1.42  340  0  24.0  19.0 

8  1.58  360  506  24.0  24.0 

9  1.75  360  836  24.0  16.5 

10  1.59  360  367  11.5  0 

11  1.70  360  256  0  0 

12  1.26  340  191  0  0 

 

2003

7d ave.  348  308  

15d ave.  300  164 

(Note: ①, ② refers to Predicted and Facts, ③,④ refers to 

Nanxingqiao and Shanhusha station, respectively) 

2) The river conditions of the downstream also play 

an  important  role  on  deciding  the  tidal  range  in 

Qibao.  From  1988  to  1997,  the  straight  river 

Page 11: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

www.seipub.org/awrp                                                                Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 

72 

channels  in  the wet  year period  brought  the  tidal 

range  to 3.45m, which  led  to  the  serious  saltwater 

intrusion. As a result,  the release discharge had  to 

be increased to 443 m3/s with 19.7 days of over‐limit 

chlorinity per year. In comparison, from 1998~2009, 

with  improved  river  channels,  the  water  release 

was decreased to 120m3/s, the tidal range was 0.8m, 

and the average exceeding standard days was only 

2.6d, 6 times shorter than the former time. 

TABLE 12 THE DAYS EXCEEDING THE STANDARD AND ITS FACTORS IN 

ZHAKOU 

Year 

Monthly 

minimum 

discharge 

/m3.s‐1 

Tidal 

range in 

Qibao 

/m 

Max 

chlorinity 

/g.L‐1 

Exceeding standard

days/d 

Half 

day 

All 

daytotal

1955‐1960  148  1.12  5.0  17.2  45.2 62.4

1972‐1987  350  2.07  0.98  6.2  3.9 10.2

excluding 

1978 367  2.09  0.54  3.6  0.36 3.70

1988‐1999  443  3.45  1.23  19.7  0.66 20.4

2001‐2009  325  2.64  0.62  2.6  0.35 3.25

excluding 

2003       2.1  0  2.2

3)  Comparing  data  of  winding  river  channels  of 

1972~1987  with  that  of  2008~2009,  the  latter  one 

belonged  to  the  later  period  of  river  regulations 

when  the  tidal  range  was  0.57m  larger,  and  the 

runoff  was  7%  smaller.  The  average  exceeding 

standard days  reached  3.25 days,  shorter  than  the 

previous 10.2 days. Excluding  the special situation 

of 1978 and 2003, the two figures decreased to 3.70 

days  a  year  and  2.2 days  per  year, which  proved 

the improvement on saltwater intrusion brought by 

the river regulations. 

4)  It  is essential  for coordinate  relevant authorities 

to  carry  out  all  the  water  resource  optimum 

measures.  The  large‐scale  Xinʹanjiang  reservoir 

plays  the  role  of  electricity  generation,  electricity 

front adjustment and emergency backup as well as 

flood control, irrigation and water supply, with the 

regulated storage capacity of 1.0 billion m3. In 1978, 

the electricity sector declared that on the premise of 

emergency backup, the water supply security of the 

citizens in the lower reaches should be guaranteed. 

After  that,  the  coordinating  team  of  electricity, 

water supply and research (where the writer of this 

thesis works) authorities put forward the minimum 

discharge mode  of  the  Xinʹanjiang.  Power  Station 

and Fuchunjiang Power Station, in order to prevent 

the chlorinity of water from exceeding the standard, 

based  on  the  river  topography  at  the  end  of  the 

rainy  season  of  that  year.  It  turned  out  that  even 

when  the  actual  runoff was  larger  than predicted, 

the exceeding standard days didnʹt occur; when the 

runoff  was  20%  smaller  than  predicted,  the 

exceeding standard days would appear. Therefore, 

three  authorities  of  the  team  agreed  on  the 

reliability  of  the  prediction  and  took  measures 

accordingly for the next 30 years.   

Research on Guarantee Rate of Water Supply of 

Hangzhou City 

As  a  most  important  intake  of  water  supply  of 

Hangzhou  city,  Shanhusha  located  at  the  fringe  of 

saltwater intrusion. During the dry season with spring 

tide, the chlorinity always exceeded the standard, and 

the water quality also faceed the risk of regional water 

pollution and sudden pollution, which  led  to  the  low 

guarantee  rate of  the water  intake. Consequently,  the 

Hangzhou Municipal Government advocated building 

another emergency reservoir. Enhancing the capacities 

of  water  supply  and  saltwater  prevention,  the 

combination  of  two  reservoirs  aims  to  solve  the 

problems  of  normal  and  backup  water  supply. 

Therefore,  the  research was  carried  out  based  on  the 

previous prediction model.   

The  boundary  conditions  of  the  model  include  the 

released  discharge  (Q),  tidal  level  process  and 

chlorinity  of Ganpu  section,  the  total water  diverted 

from  the  estuary  (q).The  boundary  conditions  satisfy 

the  guarantee  rate  of  water  supply  of  95%.  The 

calculated results are shown in Table 13. 

From Table 13, under the present conditions, the water 

supply guarantee rate of Hangzhou City is about 80%. 

In  order  to  reach  P=95%,  during  a  period  of  45d, 

chlorinity  of  32.3d  are  over‐limit  in  the  Shanhusha 

TABLE 13 THE CALCULATED RESULTS OF THE 95% GUARANTEE RATE FOE HANGZHOU WATER SUPPLY   

 Shanhusha  Wenyan  Changansha 

① ② ③ ① ② ③  ①  ② ③

Q=250m3/s 

q=117m3/s 

(P=95%) 

 

Continuous exceeding /d  1.9  8.9  7.9  0.2  0.4  0.3  0  0.2  0 

Total exceeding/d  7.5  12.2  12.6  2.4  6  4.7  0  1.3  0 

Average Chlorinity/mgL‐1  413.8  850.6  700.2  119.1  282.2  197.5  36.1  88.1  55.9 

Max chlorinity/mgL‐1  1778  2572  1833  742.7  1321  771.4  261.9  561.1  261.8 

Total /d  32.3  13.1  1.3 

(Note: ①, ②, ③ refers to the 15d of the first, second and third spring neap cycle.) 

Page 12: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014                                                               www.seipub.org/awrp 

73 

water  intake,  with  a  successive  8.9  days  during  the 

second spring neap cycle, which is unable to satisfy the 

water supply of Hangzhou City. As a result, the water 

storage capacity of  the reservoir should be 8.5*106 m3. 

But in order to satisfy the second and the third spring 

neap  cycle,  the water  release discharge  in Xinʹanjiang 

reservoir should be increased to 250m3/s~300m3/s, with 

the  total  runoff  of  0.38~0.8  billion  m3;  or  the  water 

intake will be moved to the upstream of Chang’ansha 

with the successive over‐limit days being only 0.5 day. 

Considering that the water utilization rate is only 10% 

by  means  of  increasing  the  release  discharge  of 

Xin’anjiang  reservoir,  the  scheme  of  diversion water 

directly  from  the  Xinʹanjiang  reservoir  is  being 

discussed. 

Conclusions

This paper describes the conditions and practice about 

the  saltwater  intrusion  for  Qiantang  estuary,  which 

goes  through  two  periods:  natural  condition  and 

human  activities  influence  (reservoir  building  and 

estuarine  width  narrowing).  Those  human  activities 

drastically  have  changed  the  characteristics  of  salt 

water  intrusion  and  met  the  need  of  social  and 

economic development. 

(1)  Runoff  is  the  main  factor  which  decides  the 

chlorinity  in  the  intakes of Hangzhou City. Before  the 

construction  of  the Xin’anjiang  reservoir,  the  average 

exceeding standard days was 62.4 days per year. And 

in semi‐month, the successive exceeding standard day 

could be  8 days, making  it possible  to  store water  in 

another 7 days by the city channel network during the 

neap  tide  to  backup  for  spring  tide.  After  the 

Xin’anjiang  reservoir was  built,  the  discharge  of  dry 

seasons  increased  by  200m3/s,  with  the  average 

exceeding standard days declined to 2.2 days per year. 

This  is  one  advantage  of  the  Qiantang  estuary  in 

preventing the saltwater intrusion.   

(2) As  the Qiantang estuary  is a strong mixed estuary 

with  drastic  shifting,  the  difference  of  chlorinity 

between  arbitrary  points  in  cross‐section  is  within 

±30%.  For  the  short  period  saltwater  intrusion 

prediction, 1D fixed bed model can be adopted. But for 

long‐term prediction such as 1‐6 months, the variation 

of river bed should be  taken  into consideration, when 

the movable bed model must be used. At present, this 

kind  of  reference  about  saltwater  intrusion  is  rarely 

been seen. The long‐term (half year) movable riverbed 

model  of  this  thesis  has  been  successfully  applied  to 

predict the saltwater intrusion in Qiantang Estuary for 

more than thirty years. 

(3)  Based  on  the  law  of  saltwater  intrusion  and  the 

characteristics  of  the  recent  river  channels,  the  low 

flow  from  Xinʹanjiang  Reservoir  could  be  increased, 

with the principle of “spring tide more discharge, neap 

tide  less  discharge”  (discrepancy  ±30%),  which  can 

shorten  the  days  of  saltwater  intrusion  and  improve 

the  availability  of  water  resources.  Practice  showed 

that  the release discharge based on  the prediction can 

satisfy  the minimum  flow  demand  for water  intakes 

and  guarantee  the  water  supply  for  Hangzhou  city, 

and also save 20% water resources, which brings great 

social and economic benefits. 

(4)  The  countermeasures  to  deal  with  saltwater 

intrusion for the Qiantang Estuary are storing water in 

channel network, building regulation reservoir in river 

bank,  moving  water  intake  to  the  upstream  and 

increasing  release discharge  from  large  reservoir,  etc. 

At  present,  the  water  supply  guarantee  rate  of 

Hangzhou is only 80%, less than the national standard 

95%. Therefore,  it  is necessary  to  increase  the  release 

discharge  from  Xin’anjing  Reservoir  to  satisfy  the 

minimum  low‐flow  from  Fuchunjing  Hydropower 

Station  of  over  300m3/s.  .On  the  other  hand,  for  the 

need  of  backup water  resources  in  emergencies,  it  is 

necessary  to build a new  reservoir with a  capacity of 

8.5  million m3.  Besides,  it  is  also  very  important  to 

coordinate  relevant  authorities  for  the water  resource 

optimization. 

ACKNOWLEDGMENTS

The research reported  in this paper was supported by 

the Ministry  of Water  Resources Nonprofit  Research 

Program of China (No. 201101056) and the Key Science 

and  Technology  Innovation  Team  Building  Project  of 

Zhejiang province, China (No.2010R50035). 

REFERENCES

Arons, A. B. and H.Stommel, 1951. A mixing length theory of 

tidal  flushing  [J].  Transaction  of  the  American 

Geophysical Union.No.32:p419‐421. 

Abraham G. Density Current due  to Disserence  in  Salinity, 

Rijkswaterstate, No 26 1975. 

Bao  Yun,  Liu  Jiebing,  Ren  Jie,  et  al.  Research  of  Law  and 

Dynamic Mechanism for Strong Saline water intrusion in 

Modaomen WaterWay [J], China Science G, 2009, Vol.39, 

No.10:1527‐1534. 

Charless B Officer, Physical Oceanography of Estuaries (and 

Associated  Coastal Waters),  John Wiley  and  Sons.1976 

p155‐183. 

Page 13: Prediction and Countermeasures of Saltwater Intrusion in the Qiantang Estuary

www.seipub.org/awrp                                                                Advances in Water Resource and Protection (AWRP) Volume 2, 2014 

74 

Harleman,  D,  R,  F.  and  Thalcher,  M,  L,  Longitudinal 

Dispersion and Unsteady Salinity  Intrusion  in Estuaries, 

La Houille Blanche, No1‐2, 1974.pp25‐81. 

Han Zengcui and Cheng Hangping. Research on the salinity 

calculation of  the Qiantang Estuary  [J], China  Journal of 

Hydraulic Engineering, 1981(6): 46‐50. 

Han Z.C. and Shao Yaqin. Salt water  intrusion and  counter 

measures in some coastal cities in China [J], China Ocean 

Engineering, 1986, Vol.3, No.2: 177‐193. 

Han Zengcui, Cheng Hangping. Calculation method  of  the 

riverbed deformation and its application in the Qiantang 

estuary [J], Chinese Journal of sediment research, 1987.(3): 

43‐54. 

Han  Zengcui  Edition.  Regulation  and  Exploitation  of 

Qiantang Estuary [M].China water power press 2003. (in 

Chinese). 

Han Zengcui, Cheng Hangpin, Shi Yingbiao, etc. Long‐term 

predictions  and  countermeasures  of  saltwater  intrusion 

in the Qiantang estuary [J], Chinese Journal of Hydraulic 

Engineering, 2012,Vol.43, No.2:232‐240. 

Harten, A. A high resolution scheme for the computation of 

weak  solutions  of  hyperbolic  conservation  laws  [J]. 

Journal of Comput Phys. 49: 357‐393. 

Ketchum, B, H1951, The exchange of  fresh and  saltwater  in 

tidal estuaries [j], Journal of Marine Research.No.10:18‐37 

Luo Xiaofeng, Cheng Zhichang. Numical simulation study of 

effect of  runoff and  tide on  the Changjiang  river mouth 

saltwater intrusion [J], Chinese Coastal Engineering,2005, 

Vol.24, No.3:1‐6. 

LAI Hui‐lin, MA  Chang‐feng.  The  Lattice  BGK Model  for 

Simulating  the  Two‐dimensional    Convection‐diffusion 

Equation  [J],  Journal  of  Fujian  Teachers 

University(Natural  Science),  2008,Vol.24,No.5:15‐18  (in 

Chinese). 

Mao H.L., A preliminary  study on  the Hangzhou Bay  tidal 

mixing [J], Oceanology ET Limnologia Sinica, 1964, Vol.6 

No.2. 

McDowell, D, M, and O’Connor (1977) Hydraulic Behaviour 

of estuaries The Macmillan press London UK. 

MacCormack  R  W,  P.  A.  J..  Computational  efficiency 

achieved by time split ting of finite difference operators[J], 

AIAA Paper: 1972, 72‐154. 

MaGangfeng,  Liu  Shuguang,  Qi  Dingman,  Three 

dimensional hydrodynamics model for Yangtz Estuary[J], 

Chinese  Journal  of  hydrodynamic,  2006,  Vol.21, 

No.1:53‐61. 

Nguyen Anh Duc (2008) Salt  intrusion, Tides and Mixing  in 

Multi‐Channel Estuaries  [M] UNESCO‐IHE  Institute  for 

water Education Delft, The Netherlands. 

PAN  Cun‐hong,  XU  Kun.  Kinetic  flux  vector  splitting 

scheme  for  solving  2‐D  shallow  water  equations  with 

triangular  mesh  [J].  Chinese  Journal  of  Hydraulic 

Engineering, China, 2006, Vol.37, No, 7: 858‐864. 

Roe P L. Approximate Riemann solves parameter vector and 

difference  [J],  Journal  of  Computational  physics, 

1981(43):357‐372. 

Stiger,  C,  Siemens,  J,  Calculation  of  Longitudinal  Salt 

Distribution  in Estuaries as Function of Time Pub No 52 

Delft Hydraulic Lab 1976.   

Savenije,H,H,G,(1986)  ,A one‐dimensional model for salinity 

intrusion  in  alluvial  estuaries    Journal  of  Hydrology 

ELSEVIER,asMSTERDAM,The Netherlands,85:85‐109. 

Savenije, H.H, G PID  (1992) Assessment Technique  for Salt 

Intrusion in alluvial Estuaries [M] The Netherlands IHHE   

Simmons.  H.B.  Brown,  F.R.  Salinity  Effect  on  Estuarine 

Hydranlic  and  sedimentation.  Proc.  13th  Congress  of 

IAHR. Vo1.3. 1963. 

Shen Fangding, Mao Zhichang, Zhu  Jianrong. The saltwater 

intrusion  of  the  Changjiang  Estuary  [M],  Beijing:  The 

Ocean Publish .2003. 

Smagorinsky.  General  Circulation  Experiment  with  the 

primitive  equations  [J].  Monthly  Weather  Review,  91, 

No.3, 1963: 99‐164. 

SHI Yingbiao, Lin Binyao, Xu Youchneg. Application of 1‐D 

Mobile‐bed  model  in  flood  control  of  the  Qiantang 

estuary [C]. Proc. of the 9th  international symposium on 

River sedimentation, 2004.10. 

SHI  Yingbiao,  Pan  Cun‐hong,  CHENG  Wenlong,  et  al. 

Temporal‐spatial variation and numerical forecast model 

of salt water intrusion of the Qiantang Estuarine reach [J]. 

Advances  in  Water  Science,  2012,  Vol.23,  No.3: 

419‐428.(in Chinese).   

Wang Zhili, LuYongjun. Unstructured 3‐D baroclinic model 

of  current  and  salt  for  strong  tidal  estuary  [J], Chinese 

ocean Engineering, 2008, Vol.26, No.2.