后三峽工程時代長江口水源地鹽水入侵規律及其應對措施

陳祖軍

(上海市水務規劃設計研究院，上海 200233)

后三峽工程時代長江口水源地鹽水入侵規律及其應對措施

陳祖軍

(上海市水務規劃設計研究院，上海 200233)

在簡述長江口鹽水入侵主要影響要素與特性的基礎上，對三峽水庫運行以來長江大通水文站年徑流量、月徑流量的變化規律進行了簡析，發現長江下游仍呈現典型豐、平、枯水年特征，其季節變化規律也十分顯著。同時對后三峽工程時代的長江口水源地鹽水入侵特征進行了研究，結果表明，枯水期水源地咸潮入侵與其發生首日的大通水文站前6日日徑流量相關性相對較好;影響期一般在農歷九月至來年四月間，尤以二月最為嚴重;各月呈現出以初八和廿二為“雙駝峰”型的氯化物質量濃度峰值分布特性。提出了進一步減輕長江口鹽水入侵對上海水源地供水安全影響的建議，包括采取加強流域與區域信息資源共享、北支控制工程聯建、長江口水源地(水庫群)聯動開發等措施。

后三峽工程時代;長江口水源地;鹽水入侵;城市供水安全

上海市瀕江臨海，位于長江及太湖兩大流域下游的典型平原感潮河網地區，長江、黃浦江、吳淞江穿境而過，為上海市帶來相對豐沛的水資源。但是，由于上游江河沿岸地區水資源過度開發利用及水污染控制措施不力等諸多原因，上海市優質水資源長期不足，該狀況一直困擾著上海市歷屆政府及其有關管理部門。為保障地區城鄉經濟社會發展用水安全，上海市城市水源地幾經變遷，至2010年長江口青草沙水庫建成運營以來，上海市城市飲用水安全保障已由以黃浦江為主、長江為輔的兩大水源地供水局面轉變為以長江為主、黃浦江為輔的“兩江并舉”供水格局，長江口水源地將是未來上海市經濟社會高速發展及社會和諧穩定的重要支撐和戰略保障。目前長江口陳行水庫、青草沙水庫及正在建設中的東風西沙水庫因均處于典型河口水域，水質(本文特指氯化物質量濃度)的好壞與鹽水入侵狀況息息相關，豐水期水庫原水基本無礙，但枯水期經常遭受鹽水入侵的威脅，嚴重時會造成區域斷水，對部分地區的生產與生活造成較大影響。筆者以后三峽工程時代陳行水庫(該庫建成運行時間較長，相關資料全面)水源地鹽水入侵為例，分析自2003年底三峽水庫運行以來長江口水源地鹽水入侵出現的一些新特征，并提出幾點建議，旨在為相關部門加強長江口水源地的運營保障提供技術參考。

1 長江口水源地鹽水入侵的主要影響因素

長江口獨特的地理地形及其復雜的河口水系特征，導致長江口水源地鹽水入侵的影響因素眾多，變化規律也十分復雜。上海市長江口水源地分布見圖1。諸多研究表明，長江口水源地鹽水入侵的主要影響因素包括上游徑流量、外海潮汐、河口地勢及其演變、氣候氣象、海平面變化等［1-7］，綜合反映在徑流量和潮流量的此消彼長上，其疊加作用決定了長江口水域鹽水入侵狀況及對長江口水源地供水安全的影響程度。

1.1 徑流量

徑流量對長江口鹽水入侵的影響呈現出中、大時間尺度的豐枯期(年或季)變化特征。長江口水域氯化物質量濃度的年際與年內的分布及其變化與長江干流徑流量關系甚為密切，徑流量包括年徑流量、月徑流量和日徑流量等。已往研究文獻或資料［4-5］表明，長江大通水文站枯水期流量偏小，流量在10000 m3/s以下時，長江口各代表水文站(點)的氯化物質量濃度都普遍升高，如1978—1979年、1984年、1987年、1993年;流量在13 000 m3/s以上時，河口各代表水文站(點)的氯化物質量濃度都普遍下降，如1982年、1983年、1989年;流量在15000m3/s以上時，吳淞口、高橋基本免遭咸潮侵擾，其余各站氯化物質量濃度也大幅度降低，如1990年、1991年、1995年。另外，也有研究發現，長江口水域氯化物質量濃度還與枯季月平均流量或咸潮前某日徑流量有關。詳細成果可參見文獻［2，8］。

圖1 長江口水源地分布

1.2 潮汐

潮汐對長江口鹽水入侵的影響呈中小時間尺度的周期性影響特征。長江口水域潮汐受天文潮影響顯著，既呈現半日非規則潮汐特征，也呈現朔望潮汐等長周期特征。研究表明［2-4］，長江口鹽水入侵與潮汐規律相對應，也存在朔望變化規律，即呈現半月中出現大潮和小潮各一次，日平均氯化物質量濃度值也會出現一個高值區和一個低值區;同時，隨著半日潮漲潮落的日潮周變化規律，長江口氯化物質量濃度也會出現與潮汐關系密切的漲憩落憩氯化物質量濃度峰谷值。

1.3 河勢變化

由于河口在空間上的地形地勢不斷演變，導致河口區域水動力特征在徑流與潮汐共同作用下不斷變化，相應也引起鹽水入侵規律的隨之改變。河勢變化對長江口鹽水入侵的影響表現在空間尺度上。這些空間尺度因素主要包括:①沿江沿海灘涂圍墾及水土資源開發利用改變了河口區岸線形態，河口潮流流態也隨之改變，潮差位相等潮汐動力特征也發生顯著變化，并伴隨鹽水運移規律與特征的改變;②由于長江口深水航道整治，河槽加深，漲落潮流隨之增大，造成鹽水入侵加劇［9］;③長江口北支整治工程使北支河槽不斷萎縮，北支口的潮差加大，涌潮加劇，致北支高鹽水倒灌南支現象進一步增強［6］。

1.4 氣象

氣象也是影響河口鹽水入侵程度的重要因素之一。有研究［10］發現，對長江口鹽水入侵影響最大的因素是風向和風力。在大潮期，當長江口風向為東風或偏東風時，風向與漲潮流向一致或基本一致，當風力達到一定級別時，極易導致風助潮涌，長江口外海的高鹽水就會順勢向西上溯，其中一股分別經南槽、北槽匯至南港、北港，進入南支，構成鹽水上溯入侵;另一股則經北支上溯至崇頭倒灌入南支，構成倒灌入侵(以鹽水團形式)。兩股入侵鹽水的共同作用形成對南支水源地雙重鹽水入侵的影響，使長江口南支沿線氯化物質量濃度呈現“兩頭高、中間低”或“兩頭低、中間高”交替分布的特征。實際監測表明，若風向與漲潮流同向，且風力越大，北支青龍港初形成的涌潮就越厲害，鹽水倒灌南支就會越嚴重，加劇鹽水入侵的強度和持續時間;反之，則鹽水入侵程度大為減弱。一般規律顯示，長江口偏東風，且風力為5級以上時，氣象對北支鹽水倒灌南支形成明顯加重的影響。

1.5 海平面變化

海平面變化對長江口鹽水入侵的影響為大時間尺度的影響，主要體現在通過外海平均潮位的變化導致外海的高鹽水隨漲落潮流進出河口區域強弱程度的變化，從而影響到該區沖淡水的分布［11-12］。外海海平面上升，將增大漲落潮的潮汐水動力，從而增大高鹽水入侵近海及河口區的程度;反之，則降低外海高鹽水入侵的程度。近100年來，全球氣候變暖導致海平面不斷上升是不爭的事實。近年來，《中國海平面公報》也顯示中國沿海海平面的變化總體呈波動上升的趨勢。據分析，1980—2011年，中國沿海海平面平均上升速率為2.7 mm/a，高于全球平均水平，預計到2050年，上海沿海海平面將比常年升高145～200 mm［13］。因此，海平面上升將是長期影響長江口鹽水入侵潛在而重要的因素。

2 后三峽工程時代長江下游干流徑流量變化特征

2.1 年平均徑流量

自2003年三峽水庫正式蓄水運行以來，長江大通水文站的年平均徑流量與三峽工程建成之前一樣，仍呈現典型豐、平、枯水年特征(圖2)。除2010年和2012年的年平均徑流量分別為32407 m3/s和31640 m3/s，為典型豐水年外，其余年份的年平均徑流量均在30 000 m3/s以下，且多為25 000 m3/s以下，屬于平水年型和枯水年型，其中2006年和2011年的年均徑流量分別僅為21925m3/s和21154m3/s，接近于歷史最枯年份1978年(該年徑流量為21400 m3/s)。1978年的下泄通量為7 670億m3，來水保證率約為近50年來枯水期流量的97%，而且長江口外海鹽水嚴重入侵，圍困崇明島達3個月之久，嚴重影響了島域居民的生產生活用水。

圖2 后三峽工程時代長江大通水文站年均徑流量變化態勢

2.2 月平均徑流量

長江三峽水庫運營至今，長江大通水文站月平均徑流量的季節變動規律顯著，呈現豐水期和枯水期典型特征(圖3)，其中，豐水期月均徑流量超過30000 m3/s的月份多集中在6—9月，如2007年、2008年，少數年份前后延長1個月，即5—10月間，如2003年、2005年、2009年;枯水年的豐水期相對平水年減少1個月，如2006年為5—7月，2011年為6—8月。枯水期月均徑流量低于15000 m3/s的月份多集中在12—2月間，如2005—2006年枯季，2011—2012年枯季;部分年份也會或前展或后延長1個月，即11—2月或者12—3月，如2003—2004年枯季、2009—2010年枯季;2006—2007年枯季時間最長，為10～2月;最短的枯季年份有2008—2009年、2010—2011年，枯季發生時間為1—2月或2—3月。

圖3 后三峽工程時代長江大通水文站月均徑流量變化態勢(2004年1月—2012年12月)

3 后三峽工程時代長江口水源地鹽水入侵特性分析

對三峽工程建成后的2003—2011年長江口陳行水庫取水口鹽水入侵情形進行分析研究，發現其鹽水入侵次數達到49次，總入侵天數達到378 d。

3.1 徑流量對鹽水入侵程度的影響

3.1.1 日徑流量與鹽水入侵的關系

考慮到潮汐往復流對徑流量數據可靠性的影響，在開展長江口鹽水入侵研究中，通常不直接利用距離河口最近的徐六涇水文站的相關數據，而是利用長江干流上位于潮區界之外不受潮汐影響的大通水文站徑流量數據。據有關研究［14］，徐六涇水文站和大通水文站之間對應的日徑均流量和月均徑流量(或凈泄流量)存在良好相關性(相關系數R2=0.92)，其中，兩站的日均徑流量過程總體上基本一致，徐六涇水文站的流量過程略滯后一些，且徐六涇水文站流量峰值出現的時間較大通水文站滯后約5d。

筆者分析研究長江三峽水庫運行至今的枯水期，長江口水源地咸潮發生首日的大通水文站前5 d、6 d、7 d和此3 d的平均徑流量分別與長江口水源地取水口鹽水入侵的關系，結果表明:①大通水文站前6 d的日徑流量與長江口鹽水入侵影響程度的相關性好于前5 d和前7 d情形;②日徑流量對長江口鹽水入侵影響嚴重(按照上海市城市供水水質指標及國家地表水水質標準，以水源地原水氯化物質量濃度大于250 mg/L為不合格水源或鹽水入侵水源，下文同)的情形主要集中在20 000 m3/s以下流量的區間，個別甚至在27 500 m3/s流量時也有影響;③前6 d的鄰近3 d平均徑流量與長江口鹽水入侵的相關特性與前6 d的徑流量下的鹽水入侵關系趨近(圖4)。

圖4 枯水期長江口咸潮發生前大通水文站多日的日均徑流量對水源地取水口鹽水入侵的影響

3.1.2 月徑流量與鹽水入侵的關系

長江三峽工程運行至今的枯水期長江口咸潮期當月的大通水文站月均徑流量與水源地取水口鹽水入侵的影響關系表明，大通水文站月均徑流量對長江口鹽水入侵影響嚴重的情形主要集中在25 000 m3/s以下流量區間，個別甚至影響到30000 m3/s左右流量的區間(圖5)。統計鹽水入侵期氯化物質量濃度最高達1648mg/L，而當月徑流量為11739m3/s。

圖5 大通水文站枯水期咸潮發生當月的徑流量對長江口鹽水入侵的影響關系

3.2 潮汐對鹽水入侵程度的影響

長江口枯水期鹽水入侵的重要因素是口門外潮汐。長江河口進潮量十分巨大，據資料統計，若上游徑流量接近年平均流量，口外為平均潮差，則河口進潮量可達到266 000 m3/s，為年平均徑流量的9倍［2］。口門外高鹽度潮水伴隨著如此強度的潮汐，會上溯入侵到長江口門內，與上游徑流量共同影響長江口水域的鹽度分布狀況。若上游徑流量大，則潮汐導致長江口鹽水入侵程度會小，一般在長江干流豐水期(日均徑流量通常在30 000 m3/s以上)會呈現該特征，長江口水域基本屬于淡水區域;若上游徑流量小，則潮汐導致長江口鹽水入侵程度加大，尤其在長江干流枯水期(日均徑流量通常在15 000 m3/s以下)，長江口水域鹽水入侵幾乎每年均有發生，少則數次，多則十幾次，且每次持續時間也會因上游來水量低而延長。

經對三峽工程運行以來長江口鹽水入侵程度及其發生時間(以農歷日計)的統計分析，呈現如下規律(圖6):①農歷九月至來年四月是長江口水源地鹽水入侵高發期;②以農歷二月鹽水入侵發生頻率最高，農歷一月和三月發生頻率次之，九月和來年四月發生幾率最小;③鹽水入侵影響程度最大期間主要發生在農歷一月下旬至二月，其氯化物質量濃度超過1000 mg/L幾率明顯增大，而三月偶有超過該值;④農歷九月至十一月上旬、來年農歷四月的氯化物質量濃度通常不會超過700 mg/L，但在鹽水入侵高發期的農歷一月上旬，該特征也有呈現，較為反常;⑤在一個農歷月周期內，即上半月農歷初八前后和下半月農歷廿二前后，鹽水入侵的幾率最大，入侵程度最嚴重，大致呈現出分別以農歷初八和廿二為氯化物質量濃度峰值的“雙駝峰”型。

圖6 三峽工程運行以來枯水期農歷各月長江口陳行水庫取水口鹽水入侵狀況分布

4 結論與建議

4.1 結論

影響長江口水源地鹽水入侵的因素較多，主要包括長江徑流量、外海潮汐、區域地形地勢演變、氣象條件、海平面變化等，這些因素的影響綜合反映在徑流量和潮流量的此消彼長上。徑流量和潮流量的雙重作用決定了長江口水域鹽水入侵狀況及其對長江口水源地安全供水的影響程度。對后三峽工程時代長江徑流量和潮汐對長江口水源地鹽水入侵影響進行分析研究，主要結論有:①長江大通水文站年平均徑流量變化呈現典型豐、平、枯水年特征，其月均徑流量的季節變動規律也十分顯著，其中，豐水期多集中在6-9月間(月均徑流量超過30000m3/s)，枯水期多集中在12—2月間(月均徑流量低于15 000 m3/s);②枯水期長江口水源地咸潮入侵與其發生首日的大通水文站前6 d日徑流量相關性相對較好，影響嚴重期為日徑流量在20 000 m3/s以下、月均徑流量則在25000 m3/s以下的時段;③長江口鹽水入侵程度與枯水期農歷月和農歷日相關性密切，且一般發生期在農歷九月至來年四月間，尤以農歷二月鹽水入侵發生頻率最高，農歷一月和三月發生頻率次之，九月和來年四月發生幾率最小;④鹽水入侵影響程度最大的月份在農歷一月下旬至二月，氯化物質量濃度超過1 000 mg/L的幾率明顯增大;⑤在一個農歷月周期內，以上半月農歷初八前后和下半月農歷廿二前后為鹽水入侵幾率最大和入侵程度最嚴重的時期，即大致在農歷初八和廿二呈現氯化物質量濃度峰值的“雙駝峰”型。

4.2 建議

長江口鹽水入侵對上海水源地供水安全產生影響將是長期存在的問題。掌握長江口鹽水入侵規律及鹽水入侵對城市水源地的影響，順勢而為，通過有效防控，可將鹽水入侵對上海市城市供水安全的影響降低到最小程度。建議可從如下幾點加以防控。

a.加強與流域、區域(指蘇滬兩省市)相關部門或單位協作，全面收集并綜合分析長江口南北支相關監測站點氯化物質量濃度隨潮流徑流變化的資料與相關文獻，發揮技術力量和資源信息共享與整合優勢，進一步全面、系統性了解該水域鹽水入侵(含鹽水倒灌)的規律;

b.流域機構聯合區域(指蘇滬兩省市)地方政府加快建設長江口咸潮控制工程措施，有效解決北支咸水入侵(倒灌)南支而影響水源地水質問題［15］;

c.加強與流域機構對水資源綜合規劃的溝通、協調與落實，保障長江口枯季“沖淡壓咸”生態用水需要，在大通水文站日均徑流量低于20000m3/s或月均徑流量低于25000 m3/s時，流域要加強水資源綜合調度，控制鹽水入侵，以有效保障上海市城鄉生產、生活供水的安全;

d.關注長江口鹽水入侵的周期性特征，加強長江口水源地(水庫群)的資源整合和聯動開發，以盡可能最大限度地規避鹽水入侵對供水安全產生的風險。

致謝:上海市供水調度監測中心陳國光教授級高工、孫晨剛工程師對本課題研究給予了大力支持與幫助，在此一并致謝!

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Saltwater intrusion into water source zone in Yangtze Estuary in post-Three Gorges engineering era and countermeasures

CHEN Zujun
(Shanghai Water Planning and Design Research Institute，Shanghai 200233，China)

Based on the main impact factors and features of saltwater intrusion in the Yangtze Estuary，the variations of the annual and monthly average runoff at the Datong Hydrological Station on the Yangtze River since the beginning of operation of the Three Gorges Reservoir were analyzed.The characteristics of typical wet years，normal years，and dry years are shown in the lower reaches of the Yangtze River with significant seasonal variations.Meanwhile，the features of saltwater intrusion into the water source zone in the Yangtze Estuary in the era after the beginning of Three Gorges engineering were studied.The results show that，in dry seasons，the saltwater intrusion into the water source zone had a relatively close correlation with the daily runoff at the Datong Hydrological Station six days prior to the first day on which the intrusion occurred.The impact of saltwater intrusion can usually be seen from September to the following April，and especially in February，according to the Chinese lunar calendar.The chloride concentration peak showed a double hump-shaped distribution on the 8th and the 22nd of each lunar month.Some suggestions are given for reducing the impacts of saltwater intrusion in the Yangtze Estuary on the water supply safety in the water source zone of Shanghai City.These suggestions include promoting cooperation and sharing of information between river basin administrations and local departments，jointly building the controlling projects on the north branch of the Yangtze Estuary，and co-developing the water source zones(reservoirs)in the Yangtze Estuary.

post-Three Gorges engineering era;water source zone in Yangtze Estuary;saltwater intrusion;urban water supply safety

P336

A

1004-6933(2014)03-0019-06

10.3969/j.issn.1004-6933.2014.03.005

上海市重大科研項目(10dz1210602)

陳祖軍(1969—)，男，高級工程師，博士，主要從事水資源與水環境規劃與研究工作。E-mail:chen_zujun@126.com

(收稿日期:2013-09-01 編輯:彭桃英)