2022年長江口北支咸水倒灌傳播特征分析

喬 紅 杰，劉 大 偉，聞 衛(wèi) 東，王 玨，張 東 鋒

(長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

0 引 言

2022年入夏以來長江流域發(fā)生歷史罕見的流域性枯水，長江干流及主要支流來水量較常年同期偏少5～7成。長江大通水文站9月份平均流量僅為11 600 m3/s，較常年同期偏少近7成。受長江來水偏少和2022年第11號“軒嵐諾”、12號“梅花”、14號“南瑪都”等臺風的連續(xù)疊加影響，9月以來，長江口地區(qū)水源地遭遇咸潮入侵，徐六涇以下河段的瀏河水庫、陳行水庫等6處水源地均遭受嚴重的咸潮影響，供水安全受到嚴重威脅。

長江口北支為長江入海的4條通道之一，北支咸水倒灌主要發(fā)生在11月至次年4月的冬春枯水季節(jié)，而2022年9月時即發(fā)生較強的北支咸水倒灌，較為罕見。北支高含鹽水體倒灌南支是南支及南、北港上段咸潮入侵的主要來源之一[1]。當大通站流量低于14 000 m3/s時，北支進口大潮期存在較強的鹽水倒灌現(xiàn)象，而小潮期則相對較弱[2]。北支海水倒灌是影響崇頭鹽度超標的唯一入侵源，南支崇頭高鹽水下移，可以影響陳行取水口、青草沙水庫[3]。研究認為20世紀 70年代至今長江河口鹽水入侵逐漸趨弱，隨著長江流域上游水庫群的建成和北支進一步萎縮，長江口鹽水入侵將繼續(xù)減弱[4]，面對特殊水情疊加極端氣象條件下，長江口鹽水入侵機理異常復雜，有必要進一步深化研究。

針對2022年9月以來發(fā)生的長江口咸水入侵，本文基于長江口歷年枯季、2022年9月以來實測鹽度、潮汐資料以及同期大通站、徐六涇站徑流量成果，分析了2022年北支咸水倒灌的特點及與其他年份的差異，結合流域來水及極端天氣事件，探討了北支咸水倒灌的影響因素，分析了北支咸水倒灌的強度、傳播特征及其對水源地的影響程度，大致掌握了北支咸水倒灌的傳播路徑。

1 資料及方法

本文主要采用了崇明洲頭站2014～2021年的枯季實測數(shù)據(jù)，崇明洲頭站、白茆、楊林站共3處長期站9～11月初的實測數(shù)據(jù)，以及蕩茜、太倉石化、瀏河水庫取水口和陳行水庫取水口共4站10～11月初的監(jiān)測數(shù)據(jù)；7個站的儀器均采用固定安裝方式，因長江口漲落潮潮差較大，采樣位置大致為水體表層或中上層。3處長期站同時采集潮位、電導率數(shù)據(jù)，其余4站僅收集電導率數(shù)據(jù)。鹽度監(jiān)測站的位置見圖1。

圖1 監(jiān)測點位布置Fig.1 Arrangement of surveillance points

潮位采用浮子式水位計，電導率采用電導率儀，潮位及電導率均采用在線采集的方式。電導率與鹽度之間的轉換采用現(xiàn)場率定的公式推求，不同電導率儀進行率定時，建立某一溫度下標準海水的鹽度與電導率的關系，進而推求該站的逐時鹽度。

2 水文氣象條件

影響長江口咸潮入侵的因素主要包括流域來水、天文潮汐、區(qū)域氣象條件等方面。流域來水和潮汐是影響咸潮入侵的決定性因素。

2.1 流域來水

羅小峰等[5]利用平面二維鹽度數(shù)學模型，探討了長江口鹽度與徑流潮流的關系，認為上游徑流量越少，咸水上溯距離越遠，在徑流相同的情況下，隨著潮差的增大，鹽水入侵距離就越遠。

2.1.1上游徑流量對比分析

大通水文站距離長江入?？诩s624 km，是長江河口的潮區(qū)界，是長江干流下游泥沙、流量的代表水文站，本次收集了該站1950年以來連續(xù)的實測系列水文資料。徐六涇水文站位于長江流域長江下游干流河口段，距上游大通水文站約500 km，是控制長江下游干流長江口河段徑流、潮流水情的水文站；該站自2005年起開展逐時潮流量資料整編。

統(tǒng)計顯示：2022年7月份開始，長江流域來水較往年正常偏少；大通水文站8月份月平均流量較多年平均偏少約51%，9月份月平均流量較多年平均偏少約69%。長江流域出現(xiàn)了“汛期反枯”現(xiàn)象，長江中下游來水偏枯，大通站日平均流量，自8月17日時回落至20 000 m3/s以下(僅19 700 m3/s)，9月時月平均流量僅相當于往年1月時，長江流域提前3個月進入枯水期。

2022年5～9月，徐六涇站月平均流量比大通站低1.0%～7.5%。5～8月，兩站的差值逐步擴大，8月份徐六涇站月平均流量比大通站低約1 500 m3/s(見表1)。分析原因，隨著進入夏季，氣溫逐步升高，疊加流域性降水異常偏少，受大通至徐六涇河段沿江眾多支流、引江口門和調水工程等的引、排影響，區(qū)間引水量較高，導致進入長江口的流域來水量進一步減小。較低的徑流量，沒有足夠的淡水壓減咸水，將加劇長江口咸潮入侵強度。

表1 2022年大通站、徑六涇站月平均流量對比統(tǒng)計Tab.1 Comparison statistics of average monthly discharge of Datong Station and Xuliujing Sation in 2022

2.1.2三峽水庫壓咸補淡應急調度

為有效緩解長江口地區(qū)咸潮上溯影響，在水利部的統(tǒng)一指揮下，長江水利委員會啟動以三峽為核心的水工程壓咸補淡應急調度。10月2日起調度三峽水庫增加下泄水量，日均下泄流量由7 000 m3/s加大至12 800 m3/s左右并在12 000 m3/s以上持續(xù)8 d，累計向下游補水40.6億m3，協(xié)同大通以下主要引調水工程壓減取水，有效增加了長江中下游干流沿線水量補充。三峽水庫的補水調度，10月6日開始影響大通站，最大增加大通站日均流量約4 000 m3/s，大通站流量最大漲至日均13 700 m3/s(10月15日)，12 000 m3/s以上流量持續(xù)時間達9 d左右。三峽水庫壓咸補淡應急調度，顯著降低了10月16～23日間長江口水體的鹽度，為長江口水源地創(chuàng)造了取水窗口。

2.2 臺風及寒潮大風情況

吳輝[6]認為偏北風的作用使得北港鹽水入侵加強，而南港及其以下河段的鹽水入侵有所減弱，對北港鹽水入侵的加劇程度從大到小依次為正北風、西北風、東北風。

2022年第11號臺風“軒嵐諾”為超強臺風，9月3～5日間，影響長江口地區(qū)；第12號臺風“梅花”為強臺風，9月15日夜間登陸上海，9月12～15日間，影響長江口地區(qū)；第14號臺風“南瑪都”為超強臺風，9月17～19日間，其外圍影響長江口地區(qū)。10月4日，10月17日出現(xiàn)兩次寒潮過程，以4日風力最強。

2.3 潮汐動力變化

潮差隨下游天文潮汐強弱變化而規(guī)律變化，潮汐越強，潮差越大，反之，則潮差減小。自2022年9月初長江口出現(xiàn)咸潮入侵開始，統(tǒng)計了9～11月初崇明洲頭站的漲潮潮差(見圖2)，9月15日(農(nóng)歷八月二十)，受臺風“梅花”過境影響，漲潮潮差最大，為4.44 m，高于9月11日(農(nóng)歷八月十六)。9月27日、10月10日及10月27日3個大潮期，潮汐動力基本相當。

圖2 崇明洲頭站逐日漲潮潮差Fig.2 Daily rising tidal range of Chongming Zhoutou Station

農(nóng)歷八月十六前后的天文大潮為一年內潮汐動力最強的時間段。長江流域遭遇特枯水情，疊加3次臺風的影響，北支咸水倒灌與外海咸水正面襲擊相疊加，導致了2022年罕見的持續(xù)久、強度高的咸潮入侵現(xiàn)象發(fā)生。

3 結果與探討

3.1 咸水倒灌狀況分析

長江口咸潮入侵是枯水季節(jié)經(jīng)常發(fā)生的一種自然現(xiàn)象，當河口的實測鹽度值高于0.45‰時，即認為發(fā)生了咸潮入侵。在歷史上的特枯水文年，長江河口經(jīng)常發(fā)生嚴重的咸水入侵[7]。長江口北支咸水是否倒灌南支，可通過崇明洲頭站的實測鹽度數(shù)據(jù)判斷，根據(jù)白茆、楊林等站的實測數(shù)據(jù)，可判斷咸水對南支右岸的影響程度。

根據(jù)崇明洲頭站實測鹽度資料，9月1日至11月3日間，共發(fā)生7次北支咸水倒灌現(xiàn)象(見表2)。

表2 2022年9～11月初北支咸水倒灌情況統(tǒng)計Tab.2 Situation of saltwater intrusion in north branch from September to early November in 2022

(1) 9月2日，為第一次咸水倒灌。持續(xù)時間短，強度弱，伴隨北支漲潮流，咸水進入南支，影響時長約3 h，崇明洲頭站最大鹽度為0.925‰。

(2) 9月5～6日，為第二次咸水倒灌，持續(xù)時長約21 h，崇明洲頭站最大鹽度為1.703‰，日平均鹽度為0.56‰。與第一次相同，白茆站、楊林站鹽度未超標。

(3) 9月9～17日，為第三次咸水倒灌。受臺風“軒嵐諾”影響，南支右岸的楊林站遭受顯著的咸潮入侵。此次咸水倒灌持續(xù)時長達9 d，崇明洲頭站最大鹽度為2.637‰，期間平均鹽度為1.176‰；楊林站最大鹽度為2.149‰，期間平均鹽度為0.844‰；而白茆站鹽度未超標。

(4) 9月19日 17：00至9月20日 1：00，為第四次咸水倒灌。受寒潮偏北大風影響，咸水倒灌持續(xù)時長約9 h，崇明洲頭站最大鹽度為2.604‰，期間平均鹽度為2.270‰；白茆站、楊林站鹽度未超標。

(5) 9月20日至10月16日，為第5次咸水倒灌。此次持續(xù)時間長，強度大，范圍廣；持續(xù)時長約27 d，最上游影響至白茆站所在水域；崇明洲頭站最大鹽度為10.328‰，期間平均鹽度為2.227‰；楊林站最大鹽度為3.632‰，期間平均鹽度為1.592‰；白茆站在高平潮附近短時超標，最大鹽度為2.785‰，期間平均鹽度為0.257‰。若按天文潮劃分，此次咸水倒灌可劃分成兩個時間段，分別為9月20日～10月4日和10月5日～10月16日兩個時間段。

(6) 10月17日 14：00至10月17日22：00，為第6次咸水倒灌。受寒潮偏北大風影響，咸水倒灌持續(xù)時長約9 h，崇明洲頭站最大鹽度為1.984‰，期間平均鹽度為1.792‰；白茆站鹽度未超標、楊林站平均鹽度為0.466‰。

(7) 10月24日至11月3日，為第7次咸水倒灌，此為三峽水庫壓咸補淡調度實施后發(fā)生的首次北支咸水倒灌；持續(xù)時長約11 d，最上游影響影響至白茆站水域；崇明洲頭站最大鹽度為4.671‰，期間平均鹽度為1.961‰；楊林站最大鹽度為1.859‰，期間平均鹽度為1.021‰；白茆站在高平潮附近短時超標，最大鹽度為0.990‰，期間平均鹽度為0.214‰。

依據(jù)2022年9～11月初的鹽度觀測數(shù)據(jù)，初步分析了長江口發(fā)生的咸潮入侵狀況。9月20～29日，為北支咸水倒灌疊加外海咸水上溯正面襲擊時段，其余時間段均表現(xiàn)為以北支倒灌為主導，但9月中旬外海正面上溯的高濃度咸水受上游徑流的沖淡需要一定過程，10月份南支中下段持續(xù)受到外海上溯咸水的影響，隨著時間推移，其強度逐步減弱。潮位、鹽度變化過程線見圖3。

圖3 潮位、鹽度變化過程線Fig.3 Process line of tidal level and salinity

3.2 咸水倒灌特點分析

根據(jù)9～11月初的實測數(shù)據(jù)，長江口出現(xiàn)的咸潮入侵以北支咸水倒灌最為頻繁，受流域來水變化、臺風及寒潮偏北大風等因素共同影響，不同時間段存在明顯的差異，2022年9月以來的長江口咸潮入侵大致存在以下特點：

(1) 北支咸水倒灌出現(xiàn)時間較往年顯著提前。根據(jù)2014～2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)，汛期后至當年12月份，崇明洲頭站均未出現(xiàn)鹽度超過0.45‰；2019年11月下旬時，僅在漲潮期出現(xiàn)短暫的北支咸水倒灌，鹽度最大值為1.40‰；2020年11月至2021年4月，未出現(xiàn)北支咸水倒灌。而2022年在9月初即出現(xiàn)北支咸水倒灌，較往年早近3個月，極為罕見。

(2) 隨著上游來水減弱，北支咸水倒灌強度呈逐步增強趨勢(見表2)。前5次鹽度峰值，由9月2日時的0.925‰提高至10月4日的10.328‰。從天文潮汐的半月周期看，9月1日至10月16日間共經(jīng)歷3次大潮期，在不考慮氣象因素影響時，大潮期的北支咸水倒灌的鹽度峰值分別為2.637‰(9月15日)、3.828‰(9月29日)、4.582‰(10月12日)。分析原因，大通日平均流量由8月31日時的15 100 m3/s回落至10月5日時的9 000 m3/s，9月時僅相當于往年1月時水平，在潮動力基本相當?shù)那闆r下，上游來水的減少，北支咸水倒灌強度增大。

(3) 在臺風的影響下，外海高鹽度海水沿南支上溯正面襲擊長江口，并影響南支上段白茆沙水域。受9月中上旬3次臺風的影響，9月20～26日間，楊林站的鹽度顯著高于崇明洲頭站，白茆站短時鹽度也高于崇明洲頭站。期間，楊林站最大鹽度為3.632‰(9月24日)，白茆站最大鹽度為2.785‰(9月24日)，顯示出該時段高濃度咸水來自于南支下游，而非來自北支咸水倒灌。

(4) 在寒潮偏北大風影響下，北支咸水倒灌強度顯著增大(見表3)。當發(fā)生寒潮時，在偏北大風的影響下，北支會出現(xiàn)顯著的咸水倒灌，根據(jù)9月以來的觀測數(shù)據(jù)，共出現(xiàn)3次寒潮過程。在偏北大風的助力下，北支漲潮流攜帶大量高濃度咸水倒灌入南支，以10月4日影響最為強烈，崇明洲頭站最大鹽度為10.328‰，期間平均鹽度為8.439‰，持續(xù)約9 h。

表3 偏北大風期間崇明洲頭站鹽度統(tǒng)計Tab.3 Salinity of Chongming Zhoutou Station during the northerly wind

(5) 北支咸水倒灌存在與潮汐類似的周期性變化趨勢，其強度與天文潮汐動力呈正相關。北支咸水倒灌一般開始于中潮向大潮過渡期，隨著潮差增大，倒灌強度振蕩增大，大潮時倒灌咸水的鹽度到達峰值，大潮后潮差變小，倒灌強度開始振蕩減弱；在倒灌咸水的濃度持續(xù)升高過程中，當水體鹽度達到2‰左右時，開始并逐步影響南支右岸的白茆至陳行水庫一帶水域(見圖3～5及表2)。

(6) 長江口咸潮入侵機理十分復雜，存在北支咸水倒灌，也存在外海咸水通過南支上溯正面襲擊，并疊加共同影響長江口地區(qū)，制約因素有流域來水、天文潮汐、臺風暴潮及風力等。

3.3 對水源地的影響

朱建榮等[9]根據(jù)對實測數(shù)據(jù)的分析，認為北支倒灌的鹽水團從南北支分汊口附近的崇頭到達陳行水庫需要2～3 d時間。趙捷等[10]認為南支鹽度的大小較北支小一個量級，其變化較北支復雜，尤其是在落潮時段鹽度短時間內明顯增加。

2022年9月后的長江口咸潮入侵，長江口地區(qū)的各大水源地均遭受了不同程度的影響。當水源地取水口處的鹽度高于0.45‰時[11]，水庫不宜取水，根據(jù)實測鹽度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了北支口、南支右岸共3處水源地最大不宜取水天數(shù)。受影響最大的為圩角河水源地，其次為瀏河水庫和陳行水庫，兩個月內，不宜取水天數(shù)最大為49.5 d(見表4)。

表4 水源地不宜取水天數(shù)統(tǒng)計Tab.4 Statistics of days of inadequacy for water intake in water source area reservoirs d

在以北支咸水倒灌為主導的情況下，3處水源地在小潮期存在短期的取水窗口。

9月上旬，為北支咸水倒灌為主；9月中下旬，徐六涇以下的各處水源地均遭受嚴重的影響，北支口的圩角河水源地是受北支咸水倒灌的影響，瀏河水庫及陳行水庫取水口同時受北支咸水倒灌及外海咸水上溯的影響，青草沙水庫取水口則受外海咸水沿北港上溯影響。10月份，前期外海正面上溯的高濃度咸水仍未完全消退，青草沙水庫取水口持續(xù)受到外海咸水的影響，而其他幾處水源地則主要受北支咸水倒灌影響。

以北支咸水倒灌為主的情況下，長江口南支右岸最遠可影響至陳行水庫附近水域，南支左岸可影響崇頭-南門-堡鎮(zhèn)一帶水域。李國平等[12]研究顯示青草沙水庫取水口遭遇鹽水入侵時，以北港下游正面鹽水入侵為主，發(fā)生于小潮或小潮后中潮，在小潮期間遇到強北風作用會導致較嚴重的正面鹽水入侵；陳涇等[13]研究認為，除了小潮后中潮期間青草沙水庫取水口底層鹽水入侵來源主要為下游外海，表層和底層鹽水入侵來源主要為北支鹽水倒灌，尤其是大潮后中潮和小潮期間幾乎全部來自北支鹽水倒灌。

3.4 咸水倒灌的傳播路徑分析

長江口的咸潮入侵通道有4條，分別為北支、北港、北槽和南槽，北支鹽度居4條入海通道之首，南支咸潮入侵程度較北支輕。南支河段主要受3個咸潮入侵源的影響，即外海咸水經(jīng)南、北港直接入侵和北支向南支倒灌。已有研究認為，在大、中潮期間，北支以咸水團的形式向南支倒灌輸送大量鹽分[14]，倒灌的咸水團進入南支河段后，在漲潮流作用下向長江上游輸移擴散，鹽度快速降低；落潮期，在徑流和潮流的雙重作用下，咸水團向下游移動擴散，可能影響該河段各水源地。沈煥庭等[15]研究認為，倒灌咸水團主體經(jīng)白茆沙北水道進入南支，在新建水閘附近分成三路，分別進入新橋水道、七丫口河段以及漫過白茆沙進入南水道。綜合前文分析，在以北支咸水倒灌為主導的情況下，北支倒灌咸水對南支右岸白茆至陳行水庫一帶產(chǎn)生明顯影響。

發(fā)生北支咸水倒灌初期，咸水濃度較低，南支右岸不受影響，當北支口鹽度持續(xù)升高至約2‰時，白茆站附近開始受到影響，滯后崇明洲頭站約3 d。白茆站的鹽度峰值與崇明洲頭站基本一致，表明白茆站的咸水來自北支；楊林站的鹽度峰值滯后于崇明洲頭站，滯后2～3 d，表明北支倒灌的咸水團隨著潮流的漲落振蕩下移。

瀏河水庫取水口鹽度峰值滯后于楊林站，陳行水庫取水口的鹽度峰值滯后于崇頭站3～4 d，表明北支倒灌的咸水團是自上游而下陸續(xù)影響白茆站以下水域(見圖4～5)。

圖5 太倉石化至陳行水庫取水口3站鹽度變化過程Fig.5 Process line of salinity at three stations from Taicang Petrochemical station to water intake of Chenhang Reservoir

從各監(jiān)測站鹽度變化過程對比分析可知，北支倒灌咸水的傳播路徑大致為：北支口鹽度較高時，另一部分咸水越過白茆沙頭部，影響至白茆站附近，隨漲落潮流沿白茆沙南水道振蕩下行，影響蕩茜口附近；一部分咸水隨漲落潮流沿白茆沙北水道振蕩下行，并與南水道的咸水在楊林-太倉石化附近匯流后，繼續(xù)下行，逐漸對瀏河水庫、陳行水庫取水口附近水域產(chǎn)生影響(見圖6)。

圖6 北支咸水倒灌傳播路徑示意Fig.6 Diffusion path of saltwater intrusion in the north branch

4 結 論

基于長江口歷年枯季、2022年9～11月初的實測鹽度和潮汐資料及同期大通、徐六涇站徑流量成果，結合流域來水及極端天氣情況，分析長江北支咸水倒灌傳播特征主要結論如下：

(1) 2022年9月初即發(fā)生北支咸水倒灌，開始時間較前幾年顯著提前，強度明顯提高；

(2) 2022年9月流域來水僅相當于往年1月份的水平，長江流域提前3個月進入枯水期；隨著上游來水的減少，北支咸水倒灌強度不斷增強，北支咸水倒灌嚴重程度與上游來水成負相關。

(3) 北支咸水倒灌對影響長江口的臺風及寒潮偏北大風較為敏感。在臺風和寒潮偏北大風影響下，咸水倒灌強度顯著增大，最上游可到達白茆河口上游，影響白茆沙水域，但未影響蘇通大橋以上水域。

(4) 在長江極枯水情條件下，天文大潮疊加臺風的影響，北支咸水倒灌與外海咸水正面襲擊相疊加，導致了2022年罕見的、持續(xù)久、強度高的咸潮入侵現(xiàn)象發(fā)生。

(5) 北支咸水倒灌存在與潮汐類似的周期性變化趨勢，其強度與潮差成正相關，咸水倒灌開始于中潮向大潮過渡期，大潮時鹽度到達峰值，小潮時降至最低。

(6) 白茆站的鹽度峰值與崇明洲頭站基本一致，楊林站的鹽度峰值滯后于崇明洲頭站，滯后2～3 d；瀏河水庫取水口鹽度峰值滯后于楊林站；陳行水庫取水口的鹽度峰值滯后于崇頭站3～4 d；這均表明北支倒灌的咸水團是自上游而下，陸續(xù)影響白茆站以下水域。

(7)在北支倒灌咸水的濃度持續(xù)升高至2‰左右時，開始并逐步影響南支右岸的白茆至陳行水庫一帶水域，對水源地的取水帶來顯著不利影響。高濃度的咸水一部分越過白茆沙頭部，影響至白茆站附近，隨漲落潮流沿白茆沙南水道振蕩下行，影響蕩茜口附近；另一部分咸水隨漲落潮流沿白茆沙北水道振蕩下行，并與南水道的咸水在楊林-太倉石化附近匯流后繼續(xù)下行，逐漸對瀏河水庫、陳行水庫取水口附近水域產(chǎn)生影響。