上海市用水變化特征及水資源保障能力分析

陳 燕

(淞際環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(上海)有限公司，上海 200232)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。國務(wù)院批準(zhǔn)的《上海市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》明確了基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)3000萬人的要求，在此基礎(chǔ)上，《上海市供水規(guī)劃(2017—2035年)明確全市供水水源地遠(yuǎn)期供水規(guī)模不小于1600萬m3/d。其中，長江水源地青草沙、陳行和東風(fēng)西沙三座水庫供水規(guī)模不低于1100萬m3/d；黃浦江上游水源地按照500萬m3/d控制。另外，還存在一定規(guī)模的農(nóng)業(yè)灌溉以及工業(yè)自備水量。為更好地分析上海市用水需求和保障能力，本文深入研究了近些年上海市生產(chǎn)、生活、生態(tài)等領(lǐng)域用水格局、變化特征及水資源情況，從中找出相關(guān)問題，為打造具有世界影響力的社會主義現(xiàn)代化國際大都市提供技術(shù)支撐。

1 用水情況現(xiàn)狀

上海地處長江口，長江流域、太湖流域尾閭，境內(nèi)河網(wǎng)水系受潮汐、氣象及上游徑流影響較大，河道水流呈往復(fù)流狀態(tài)。目前，上海市除蘇州河以南的老市區(qū)外，將基本條件類似的地區(qū)劃分成14個自然片進(jìn)行綜合治理(包括3個敞開片)，確立了“以蓄為主，蓄以待排”的治水基本思路，明確了各水利片的治理標(biāo)準(zhǔn)、工程布局和工程規(guī)模。目前，除3個敞開片外，其余11個水利片外圍已經(jīng)建閘泵控制。至2020年底，全市河道(湖泊)面積共640.931km2，河湖水面率10.11%。

上海市本地水資源量少，區(qū)域水資源與流域來水密切相關(guān)。上海市多年平均地表徑流量為26.91億m3，多年平均過境水資源總量為9299.37億m3，過境水資源量遠(yuǎn)大于本地水資源量，其中，太湖流域來水量114.89億m3，長江干流來水量9184.48億m3[1]。

1.1 供水體系

目前，上海基本建成黃浦江上游以及長江口青草沙、陳行和東風(fēng)西沙四大水源地，“兩江并舉、集中取水、水庫供水、一網(wǎng)調(diào)度”的水源地格局已經(jīng)形成，原水供水規(guī)模達(dá)到1312.5萬m3/d。其中：青草沙水源地供水規(guī)模為731萬m3/d，陳行水源地供水規(guī)模為206萬m3/d，東風(fēng)西沙供水規(guī)模為24.5萬m3/d，黃浦江上游金澤水源地供水規(guī)模為351萬m3/d。為提高供水保障，四座水源地均預(yù)留應(yīng)急供水能力，如青草沙水源地庫容可確保68天連續(xù)供水。另外，全市大部分水廠建有就地河道應(yīng)急取水口，總規(guī)模為906萬m3/d。

1.2 企業(yè)自備水源

企業(yè)自備水源包括長江口、黃浦江以及內(nèi)陸河網(wǎng)水系，取水戶主要包括火電企業(yè)、一般工業(yè)。以長江水為取水水源的火電企業(yè)共12家，年取水規(guī)模約45.23億m3；在黃浦江干流段日取水量超過2萬m3的大中型取水口有12個，年取水規(guī)模約13.09億m3。

1.3 農(nóng)業(yè)、生態(tài)發(fā)展

a.農(nóng)業(yè)發(fā)展情況。根據(jù)多年的《上海農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》，從農(nóng)作物播種類型上分析，全市農(nóng)業(yè)種植有糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物，其中糧食作物主要包括稻谷、小麥和大麥；經(jīng)濟(jì)作物主要包括棉花、花生、油菜、菠菜、園林水果、草莓、西甜瓜、西瓜、甘蔗等。從多年的農(nóng)作物播種面積數(shù)據(jù)分析，全市播種面積從2007年的40.06萬hm2降至2019年的26.43萬hm2，總體呈下降趨穩(wěn)態(tài)勢，各類糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物的種植面積也基本是同樣的變化趨勢。

b.生態(tài)綠化發(fā)展情況。根據(jù)《上海綠化市容行業(yè)年鑒》，2009—2017年全市綠化覆蓋面積、綠地面積、林地面積三個指標(biāo)均呈增加趨勢，上海市多年綠化指標(biāo)變化趨勢見圖1。

圖1 上海市多年綠化指標(biāo)變化趨勢

2 需求趨勢分析

2.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化趨勢

上海市常住人口總體呈穩(wěn)中有升趨勢，2013—2019年凈增12.99萬人，年均增長率1.0‰。從城鎮(zhèn)化率來看，由2013年的88.3%上升至2019年的90.3%，7年間增加2%。上海市多年常住人口和城鎮(zhèn)化率變化趨勢見圖2。根據(jù)國際上公認(rèn)的城鎮(zhèn)化發(fā)展階段[2]，城鎮(zhèn)化率處于30.0%～70.0%時，為城鎮(zhèn)化快速發(fā)展期；城鎮(zhèn)化率不小于70.0%時，則進(jìn)入平緩穩(wěn)定期。2019年底，上海市城鎮(zhèn)化率為90.3%，處于城鎮(zhèn)化平緩穩(wěn)定期。按照當(dāng)年價統(tǒng)計，2013—2019年上海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，GDP年均保持9.9%的增長速度，由2013年的21602億元增至2019年的38155億元。工業(yè)增加值年均增長率為 5.0%，由2013年的7237億元增至2019年的9671億元。上海市多年GDP和工業(yè)增加值變化趨勢見圖3。

圖2 上海市多年常住人口和城鎮(zhèn)化率變化趨勢

圖3 上海市多年GDP和工業(yè)增加值變化趨勢

2.2 用水量變化趨勢

2013年以來上海市用水總量整體呈穩(wěn)中有降趨勢，尤其是工業(yè)用水量呈下降趨勢，生活用水量略有下降，上海市多年用水量變化趨勢見圖4。從用水結(jié)構(gòu)變化趨勢看，農(nóng)業(yè)用水量占用水總量的比重基本不變，生活用水量占用水總量的比重不斷提高，工業(yè)用水量占比呈下降趨勢，上海市多年用水結(jié)構(gòu)變化趨勢見圖5。

圖4 上海市多年用水量變化趨勢

圖5 上海市多年用水結(jié)構(gòu)變化趨勢

2.3 用水指標(biāo)變化趨勢

多年來，隨著節(jié)水技術(shù)的改進(jìn)以及市民節(jié)水意識的增強(qiáng)，上海市用水水平和用水效率均有較大提高。上海市人均綜合用水量變化趨勢總體為穩(wěn)中有降。按照2019年當(dāng)年價計算，萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、用水效率及水資源管理水平的提高，下降較快。農(nóng)田灌溉畝均用水量變化不僅與該年份作物生長期的有效降水有關(guān)，而且與作物種植結(jié)構(gòu)和灌溉習(xí)慣等密切相關(guān)。總體來看，上海市農(nóng)田灌溉畝均用水量呈區(qū)間波動變化趨勢。上海市多年用水指標(biāo)變化趨勢見圖6。

圖6 上海市多年用水指標(biāo)變化趨勢

3 上海市取水水量風(fēng)險分析

3.1 用水保障能力分析

經(jīng)國務(wù)院批復(fù)的長江流域、太湖流域相關(guān)規(guī)劃，明確了流域水資源開發(fā)利用與保護(hù)的總體格局和要求。其中，長江流域水資源開發(fā)利用保護(hù)的總體布局是“自給自足、上下兼顧、南北調(diào)配”；太湖流域規(guī)劃擴(kuò)大流域引長江能力，利用太湖調(diào)蓄能力，提高太湖向下游及周邊地區(qū)供水能力，形成以太湖、望虞河、太浦河及新孟河為重點(diǎn)，流域、區(qū)域和城市三個層次相協(xié)調(diào)的配置格局；上海立足自身平原感潮河網(wǎng)特點(diǎn)，制定了各水利片的水資源調(diào)度方案，包括引排水方向、閘泵調(diào)度控制要求以及調(diào)度代表站和水位控制范圍等。為進(jìn)一步完善水資源保障能力，近些年，流域部門以及上海市水務(wù)部門陸續(xù)印發(fā)相關(guān)文件，明確了包括黃浦江、淀山湖元蕩在內(nèi)的上海相關(guān)重要河湖和水利片的生態(tài)水位管控要求。

根據(jù)以上梳理分析可知，在常規(guī)氣候條件下，上海市的取水保障能力是較高的。但如果時空上發(fā)生大尺度的特殊氣候情況，比如大范圍的干旱或者潮流強(qiáng)于徑流，需進(jìn)一步深入研究。

3.2 流域發(fā)生旱情

3.2.1 流域旱情歷史分析

上海市位于流域下游，流域發(fā)生旱情或者來水減少，對上海市的影響會極為明顯。長江流域由于地形地貌復(fù)雜多變，各區(qū)域氣候變化較大，每當(dāng)大氣環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生異常時，上游地區(qū)的春夏旱持續(xù)延長，中下游地區(qū)的多雨期出現(xiàn)“枯梅”或“空梅”，使伏旱提前，旱期延長，易釀成流域性干旱。

《中國近五百年旱澇分布圖集》[3]分析了1470—1979年500多年來長江流域重旱和極旱情況及影響程度，認(rèn)為長江流域發(fā)生比較嚴(yán)重干旱的頻率平均為5.55%，中下游地區(qū)受旱機(jī)會高于上游地區(qū)，其中長江三角洲、干流中下游和洞庭湖地區(qū)干旱頻率高達(dá)9.00%以上，為全流域最高干旱頻率區(qū)；其次是上游的嘉陵江地區(qū)，中心最高干旱頻率為7.00%以上。分析認(rèn)為，長江流域輕旱以上平均約2～3年一次，重旱以上約78年一次。20世紀(jì)發(fā)生的干旱事件在頻率和程度上均比18世紀(jì)、19世紀(jì)嚴(yán)重，與16世紀(jì)、17世紀(jì)的干旱多發(fā)期相近。持續(xù)性干旱災(zāi)害破壞性也最強(qiáng)。陳吉余等[4]將長江流域旱災(zāi)特征總結(jié)為：?干旱的季節(jié)性：上游地區(qū)春夏旱頻繁，中下游夏秋旱居多；?旱災(zāi)的區(qū)域性：上游地區(qū)干旱頻率高于中下游地區(qū)，且過程不同步，各自成一體；流域內(nèi)有若干易旱中心；?干旱的周期性及持續(xù)性。

3.2.2 上海歷史旱情統(tǒng)計分析

根據(jù)《上海水旱災(zāi)害》[5]，1001—1991年上海區(qū)域共發(fā)生旱災(zāi)109次，其中中等級以上旱災(zāi)次數(shù)占72%，中等旱災(zāi)、大旱災(zāi)和特大旱災(zāi)分別占旱災(zāi)總次數(shù)的21%、46%和5%，說明旱災(zāi)中，中等級以上旱災(zāi)出現(xiàn)次數(shù)多。上海歷史旱災(zāi)年內(nèi)變化也存在一定的規(guī)律性，若出現(xiàn)無雨或少雨，土壤很快蒸發(fā)失水，造成旱災(zāi)，因此旱情主要出現(xiàn)在夏秋兩季。1949年后，上海市發(fā)生了受災(zāi)程度不同的旱災(zāi)，其中最嚴(yán)重的是1978年，為全市大旱，其余均為局部小范圍旱災(zāi)。

3.2.3 典型旱情分析

1978年是長江流域性極重干旱年，也是太湖流域特大干旱年，是20世紀(jì)最旱的一年，也是1949年后第一大旱年。重旱區(qū)主要分布在長江中下游和淮河流域。長江中下游地區(qū)，4月各地降水比常年偏少3～8成，作物關(guān)鍵生長期的7—8月降水偏少4～6成。干旱少雨和高蒸發(fā)量使得河川天然徑流大幅度減少。大通站來水量比常年同期少4成左右，受災(zāi)率最高為江蘇、上海。受流域大旱影響，徐六涇以下河段遭受鹽水侵襲長達(dá)6個月之久，當(dāng)時的上海吳淞水廠因取水口鹽度值超標(biāo)而持續(xù)142天不能取水，咸潮還沿黃浦江上溯，使得沿江7個取水口鹽度值長時間超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)。由于1949年后加強(qiáng)水利工程建設(shè)，全市抗旱能力增強(qiáng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)未受明顯影響。

近幾十年來，長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，有必要結(jié)合現(xiàn)狀下墊面以及取用水工況，量化分析若再次發(fā)生1978年型旱情的低潮水位情況。本文利用太湖流域河網(wǎng)數(shù)值模型計算分析如下。

a.河湖水系概化。河道斷面概化中，縣級以上河道基本采用了實(shí)測斷面，部分縣級以下河道采用概化斷面。本模型共概化河道總長15100km，河道斷面10120個，平均斷面密度1.49km/個。太湖流域河網(wǎng)概化見圖7。

圖7 太湖流域河網(wǎng)概化

b.計算條件設(shè)定。潮位邊界。采用1978年的實(shí)際潮位。由于水位站數(shù)目少于太湖流域外排口門數(shù)目，無潮位資料的口門根據(jù)水位站與口門位置關(guān)系，采用拉格朗日三點(diǎn)插值得到。

山丘區(qū)流量邊界。采用太湖流域第三次水資源調(diào)查評價中降雨產(chǎn)流模型計算結(jié)果為本次計算提供典型年山丘區(qū)流量邊界。

下墊面構(gòu)成。采用太湖流域第三次水資源調(diào)查評價成果對模型系統(tǒng)下墊面、本地地表水資源量、現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用進(jìn)行更新完善后用于計算。

大取水戶、排水戶。以第三次水資源調(diào)查評價水資源開發(fā)利用調(diào)查成果為基礎(chǔ)，分別統(tǒng)計規(guī)模以上取水戶年取水量，本地水源及沿長江、錢塘江水源取、耗水量。

水利工程調(diào)度。各水利工程調(diào)度原則基本已采用太湖流域防辦工程調(diào)度方案工作手冊概化。

c.量化計算結(jié)果。根據(jù)計算，在1978年型旱情下，黃浦江松浦大橋斷面凈泄量有32天低于90m3/s；黃浦江在1—5月、8—9月的低水位均明顯偏低(最低水位2.31m)，導(dǎo)致絕大部分水利片存在長時間無法引水的情況(水利片常水位基本在2.50～2.80m)。1978年型下黃浦江(松浦大橋)低水位變化見圖8。

圖8 1978年型下黃浦江(松浦大橋)低水位變化

3.3 咸潮上溯

長江口是一個多級分汊的三角洲河口，平面呈喇叭形。長江口年徑流量大，徑流有明顯的洪、枯季變化，5—10月徑流量較大，11月至翌年4月較小。由于潮汐作用，大潮期鹽度大于小潮期，冬季枯水季節(jié)，咸潮上溯，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

長江口咸潮入侵以2013年11月至2014年5月期間最為嚴(yán)重，特別是在2014年2月遭受了北支與南支外海正面咸潮入侵的雙面夾擊，三次咸潮幾乎連在一起，中間僅在2月9—10日出現(xiàn)一個5～6h的氯化物濃度值低于250mg/L的間隔期，2013年11月至2014年5月東風(fēng)西沙氯化物-大通流量變化見圖9。目前，針對長江口咸潮入侵的研究很多，認(rèn)為長江口咸潮入侵程度與海平面、潮汐、風(fēng)暴潮和上游來水等因素密切相關(guān)[6-8]。但很多學(xué)者認(rèn)為長江口咸潮上溯與大通流量呈現(xiàn)明顯的反相關(guān)關(guān)系，大通流量越小，長江口受咸潮入侵影響越大。長江防汛抗旱總指揮部、上海市水務(wù)局聯(lián)合印發(fā)的《長江口咸潮應(yīng)對工作預(yù)案》，將長江大通站的流量作為長江口咸潮入侵的指示指標(biāo)之一。

圖9 2013年11月至2014年5月東風(fēng)西沙氯化物-大通流量變化

4 結(jié)論與建議

a.上海市位于長江流域下游，過境水資源量較豐沛，且通過興建封閉式水源地、構(gòu)建水利片等工程措施，以及完善調(diào)度管理、應(yīng)急取水等非工程措施，進(jìn)一步提升了全市取用水安全能力。常規(guī)氣候條件情況下，全市不會發(fā)生較大風(fēng)險的供水問題。

b.從水資源量的角度，上海市取用水最大的風(fēng)險是流域干旱和咸潮上溯。長系列的數(shù)據(jù)表明，上海市不易發(fā)生中等級以上的旱情；但從長歷時角度，長江流域發(fā)生過較嚴(yán)重的干旱，其中長江口是流域中發(fā)生干旱概率最高的區(qū)域之一。因此，立足防患于未然，需制定流域?qū)蛹壍母珊捣揽貙Σ叽胧?/p>

c.枯水期長江口咸潮上溯是當(dāng)前影響上海市取水安全的最重要因素，但咸潮上溯的機(jī)理研究尚未形成統(tǒng)一意見，建議進(jìn)一步深入開展研究。