2022年長江口壓咸補淡調(diào)度實踐及成效

許銀山 曾明 裘誠 胡挺

摘要：

2022年長江流域出現(xiàn)罕見的“汛期反枯”現(xiàn)象，徑流量顯著偏少，長江口咸潮入侵發(fā)生時間早、持續(xù)時間長、入侵程度嚴(yán)重。開展水工程群聯(lián)合調(diào)度是壓咸補淡、保障供水安全的重要舉措。針對長江口咸潮入侵特點，基于長江流域水文預(yù)報調(diào)度體系，通過搭建長河系、遠(yuǎn)距離、多類水工程綜合影響的一維水力學(xué)模型進(jìn)行多工況場景模擬，并結(jié)合原型資料分析，從調(diào)度時機(jī)和調(diào)度目標(biāo)兩個角度提出了適應(yīng)長江流域現(xiàn)狀水工程群的壓咸補淡調(diào)度策略。通過開展水工程群壓咸補淡調(diào)度，明顯抬升了中下游沿程水位，減輕了長江口咸潮影響，基本緩解了供水緊張的局面，取得了顯著的社會效益和生態(tài)效益。提出的策略可為今后長江口地區(qū)的壓咸補淡調(diào)度提供技術(shù)參考。

關(guān) 鍵 詞：

咸潮入侵； 壓咸補淡； 聯(lián)合調(diào)度； 水工程群； 三峽水庫； 長江口

中圖法分類號： P338

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.006

0 引 言

長江口地區(qū)的咸潮入侵一般發(fā)生在枯水期［1］，期間河口處水體氯化物濃度的升高，將對長江口地區(qū)水源地取水造成較大威脅。咸潮入侵的影響因素眾多［2］，其中上游徑流與外海潮汐是最主要因素［3-4］。水工程群調(diào)度作為水量調(diào)配最直接的工程措施，在應(yīng)對咸潮、保障供水安全中可發(fā)揮明顯作用。相關(guān)學(xué)者針對水工程群調(diào)度對長江口咸潮的影響開展了相關(guān)研究，如丁磊等［5］分析得知枯水期補水調(diào)度明顯增加了12月至次年3月的大通站徑流量，降低了長江口水源地取水口平均氯化物濃度；李文善等［2］分析得知三峽水庫啟動試驗性蓄水后長江口咸潮入侵次數(shù)和持續(xù)時間均呈下降趨勢；何俊杰等［6］采用ECOM-si三維數(shù)值模型進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)枯季三峽水庫泄流使長江口三大水源地不宜取水時間縮短約1～2 d；朱慧峰等［7］提出，三峽水庫運行對長江口地區(qū)枯季咸潮壓制具有正向作用，而蓄水期咸潮入侵周期將提前。

關(guān)于抵御咸潮的水工程調(diào)度，在珠江流域，劉夏等［8］分析了流域內(nèi)單庫、多庫聯(lián)合調(diào)度效果和補水次序，該流域自2005年開始壓咸補淡調(diào)度，并逐步過渡至整個枯水期骨干水庫群水量統(tǒng)一調(diào)度［8-10］，有效抑制了珠江河口磨刀門水道的咸潮上溯；在長江流域，2014年初陳行水庫取水口氯化物濃度出現(xiàn)罕見的連續(xù)超標(biāo)［11-12］，三峽水庫通過增加下泄流量有效補充了淡水水量。長江上中游水庫群調(diào)節(jié)能力強，河口區(qū)引調(diào)水工程規(guī)模大，針對長河系、多種類水工程協(xié)同開展壓咸補淡調(diào)度的相關(guān)研究成果較少，還未有明確的調(diào)度策略和應(yīng)用實踐。

為此，本文針對2022年長江流域“汛期反枯”［13-14］、長江口咸潮入侵發(fā)生時間明顯提前［15-16］的現(xiàn)象，基于數(shù)值模擬結(jié)果和實測資料，提出了長江流域現(xiàn)狀水工程群的壓咸補淡調(diào)度策略并應(yīng)用于實踐，總結(jié)了壓咸補淡調(diào)度成效。

1 2022年長江口咸潮入侵概況

2022年汛期，長江流域發(fā)生流域性嚴(yán)重枯水，加之9月臺風(fēng)“軒嵐諾”“梅花”“南瑪都”對東海海面的頂托，長江口地區(qū)遭遇嚴(yán)重咸潮入侵，城市供水安全受到嚴(yán)重威脅。此次咸潮入侵罕見地發(fā)生在夏末秋初，具有發(fā)生時間早、持續(xù)時間長、影響范圍廣的特點。

2022年7月以來，大通站來水快速消退，由7月初日均流量54 600 m3/s消退至月底的30 900 m3/s，此后流量進(jìn)一步減少，9月初日均流量已降至15 000 m3/s以下，9月上旬末降至12 000 m3/s，27日起降至10 000 m3/s以下，隨后輕微波動。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，8月中旬起長江口地區(qū)開始出現(xiàn)咸潮入侵現(xiàn)象，隨著上游來水的持續(xù)減少，入侵程度持續(xù)增強，形勢日益嚴(yán)峻。東風(fēng)西沙水源地9月1～4日遭遇第一次咸潮入侵，9月6日第二次咸潮入侵起汛；青草沙水源地9月5日咸潮入侵起汛；陳行水源地9月14日咸潮入侵起汛，自此，長江口三大水源地均出現(xiàn)取水困難。隨著長江流域來水持續(xù)減少，崇明島南側(cè)北港河段的六滧站氯化物濃度持續(xù)大于250 mg/L（飲用水標(biāo)準(zhǔn)），在1 000～5 000 mg/L之間波動；南北支分汊口崇明洲頭站氯化物濃度在1 000～2 000 mg/L之間；位于上游的南北支分汊口南側(cè)白茆（備）站氯化物濃度隨潮位間歇性大于250 mg/L。長江口地區(qū)氯化物監(jiān)測站點分布見圖1，其中六滧站氯化物濃度變化過程見圖2。

2 長江口壓咸補淡調(diào)度策略

2.1 調(diào)度對象及分析方法

針對長江口咸潮參與聯(lián)合調(diào)度的水工程群主要包括以三峽為核心的水庫群和長江下游引調(diào)水工程。聯(lián)合調(diào)度的水工程群和調(diào)度措施以《水利部關(guān)于2022年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運用計劃的批復(fù)（水防〔2022〕262號）》和《關(guān)于長江口咸潮應(yīng)對工作預(yù)案的批復(fù)（國汛〔2015〕1號）》（以下簡稱“預(yù)案”）為依據(jù)，納入聯(lián)合調(diào)度范圍的控制性水庫51座，引調(diào)水工程14座，具體情況見圖3及表1。

長江口壓咸補淡調(diào)度策略主要是基于數(shù)值模型模擬分析結(jié)果。以預(yù)案中大通站流量閾值和閾值以上維持時間為調(diào)度目標(biāo)，基于長江中下游水力學(xué)模型、長江口地區(qū)氯化物濃度分析模型，模擬分析水工程群不同調(diào)度工況對長江口水源地淡水的補充量和氯化物濃度影響程度，據(jù)此提出壓咸補淡調(diào)度的啟動時機(jī)和調(diào)度過程。

基于長江流域作業(yè)預(yù)報體系，采用水力學(xué)模型模擬分析長江中下游大通站流量過程［17］，模型范圍自三峽水庫壩址至長江口，納入模型的干流長度約1 881 km，且包含沿線主要支流來水，以支流來水及三峽出庫流量過程為上邊界、長江口天文潮位過程為下邊界。長江口地區(qū)氯化物濃度分析模型基于ECOM-si三維數(shù)值模式構(gòu)建［18］，以大通站來水、外海潮位過程和相關(guān)氣象資料為邊界，計算長江口氯化物濃度變化過程。

2.2 調(diào)度策略

基于天文潮汐變化規(guī)律，根據(jù)水工程群對長江口咸潮的影響時間和影響程度，確定調(diào)度時機(jī)和調(diào)度過程。

（1） 調(diào)度時機(jī)。以水庫可供水量大小和引取水工程的流量調(diào)整空間為前提，以長江口潮汐預(yù)測以及河道水流傳播特性為依據(jù)，確定各調(diào)度對象的調(diào)度時機(jī)。

通過模型模擬、歷史資料、各年歷次補水調(diào)度過程，分析枯水時長江中下游沿程河道的水流傳播時間和坦化規(guī)律進(jìn)而反推水工程的調(diào)度時機(jī)。根據(jù)長江口在小潮期間補淡的要求，三峽水庫需提前約10 d啟動補水工作，考慮到小潮出現(xiàn)前3 d潮動力也較小，建議進(jìn)一步提前至13 d以上開始補水調(diào)度，其他水利工程根據(jù)枯水演進(jìn)特性確定其配合三峽水庫開展壓咸補淡調(diào)度的時機(jī)。低水情況下，三峽水庫下泄至下游各站的傳播時間見表2。

（2） 調(diào)度方式。根據(jù)調(diào)度對象對長江口水量大小的影響效果確定調(diào)度方式。以大通站流量最大漲幅與三峽水庫下泄流量增加值之間的比值作為大通最大影響流量響應(yīng)系數(shù)，以此來衡量三峽水庫的補水效果，亦可稱為三峽對大通的補水等效比?；谌龒{水庫增加下泄流量大小、調(diào)度維持時間長短進(jìn)行工況組合，分析調(diào)度前后對大通站的補水效果。結(jié)果表明：三峽水庫對大通站的補水等效比與調(diào)度持續(xù)時間更為相關(guān)，維持時間越長，補水效果越明顯（見圖4），結(jié)合調(diào)度時機(jī)，建議補水調(diào)度較小潮期提前約13 d啟動，并維持10 d以上，效果較為顯著。長江下游引調(diào)水工程由于距離長江口較近，控制引取水流量對長江口影響可基本視為等效，引調(diào)水工程在三峽水庫影響量到達(dá)時，相應(yīng)減少引調(diào)水量，減少幅度越大，效果越明顯。

（3） 調(diào)度策略。長江口壓咸補淡調(diào)度主要以小潮期間補充淡水為目標(biāo)，按水庫群和引調(diào)水工程分別確定調(diào)度時機(jī)和調(diào)度方式，其中水庫群開展聯(lián)合補水調(diào)度，引調(diào)水工程開展流量控制調(diào)度。考慮枯水期上游各水工程調(diào)度后水量變化到達(dá)長江口的傳播時間，以長江口所需的補水窗口期為依據(jù)時間，倒推各水工程需開展調(diào)度的時間，即為調(diào)度啟動時機(jī)。對長江口的補水過程以在小潮期間填谷使之達(dá)到目標(biāo)流量為主，因沿程河槽調(diào)蓄作用，補水效率小于1，水庫下泄水量需大于填谷所需水量。按模型模擬并結(jié)合實踐驗證的補水等效比確定調(diào)度過程。

3 2022年調(diào)度實踐及成效

分析推演天文潮汐規(guī)律可知10月19日為長江口最小低低潮，受潮位降低影響，10月17～21日將為氯化物濃度低值區(qū)。通過及時采取以三峽水庫為核心的水工程群聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度，錯時加大三峽、丹江口水庫出庫流量向下游補水，加強長江下游沿江主要引調(diào)水工程流量控制，在長江口小潮期加大淡水補充、進(jìn)一步降低了濃度，獲得取水窗口，增強了上海市和江蘇省太倉市供水保障能力。

3.1 調(diào)度過程

本次以三峽水庫為核心的水工程群聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度從10月2日啟動，具體調(diào)度過程如下：

（1） 以三峽水庫為核心的水庫群。考慮三峽水庫泄流至長江口的傳播時間和影響效果，計劃三峽水庫于10月2日啟動補水調(diào)度工作，10月2～11日，三峽水庫日均出庫流量加大至9 090～12 800 m3/s，較原計劃出庫流量共增加40.63億m3。10月5～6日，結(jié)合漢江下游滯留船舶疏解，丹江口水庫加大下泄流量至1 000 m3/s（補水0.9億m3）。10月2～11日期間，三峽、丹江口水庫共增加向下游補水量41.53億m3。

（2） 長江下游引調(diào)水工程。長江下游引調(diào)水工程較多，引水量較大，經(jīng)統(tǒng)計，8～10月引水流量在440～1 830 m3/s之間，其中8月中旬至9月上旬調(diào)水流量較大，平均為1 500 m3/s，9月中旬起調(diào)水流量在1 000 m3/s 左右。10月15～19日，安徽、江蘇省水利廳加強轄區(qū)內(nèi)沿長江主要引調(diào)水工程引水流量控制，日均引水流量分別為14.7，793 m3/s，較10月上旬分別減少66%和26%。

3.2 調(diào)度成效

（1） 明顯抬升了中下游干流及兩湖水位。

受水庫群補水調(diào)度影響，中下游干流水位先后起漲，沙市-九江江段水位較補水前最低水位抬升約3.4～1.6 m，持續(xù)時間達(dá)15～24 d，改善了沿江城鄉(xiāng)取水和農(nóng)業(yè)灌溉條件。洞庭湖、鄱陽湖受長江補水頂托影響，兩湖出口附近水位亦回升1.5～2.5 m，其中，鄱陽湖區(qū)水位抬升0.25～1.5 m，洞庭湖區(qū)水位抬升0.35～2.5 m，增加了兩湖通航水深，水域面積較不調(diào)度時均增加100 km2左右。

（2） 有效增加了長江入海流量。

10月15日大通站最大日均流量漲至13 700 m3/s，12 000 m3/s以上流量持續(xù)時間達(dá)9 d左右，10 000 m3/s以上流量持續(xù)時間達(dá)17 d左右，為應(yīng)對咸潮提供了有效徑流保障，有效確保了補水關(guān)鍵期大通站流量的穩(wěn)定。

采用水力學(xué)、大湖演算模型等多模型綜合反演，分析對比水工程群聯(lián)合調(diào)度前后大通站流量變化（見圖5）。若不開展聯(lián)合調(diào)度，10月大通站日均流量將在10 000 m3/s以下持續(xù)波動緩?fù)?；通過開展水工程群聯(lián)合調(diào)度，大通站流量增加的持續(xù)時間超20 d，最大增加約4 000 m3/s，增大幅度約40%，大通站最大增加流量與三峽水庫增泄流量的比值達(dá)0.8左右。

（3） 顯著減輕了長江口咸潮影響。

根據(jù)長江委水文局的實況氯化物濃度場加密監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用長江口氯化物濃度分析模型進(jìn)行復(fù)盤分析，結(jié)果見圖6。本次調(diào)度平均降低陳行水庫氯化物濃度250 mg/L（10月10～26日，下同），使陳行水庫取水口氯化物濃度低于250 mg/L的時間由0 d增加至8 d；平均降低東風(fēng)西沙水庫取水口氯化物濃度190 mg/L，使低于250 mg/L的時間由4 d增加至8 d；平均降低青草沙水庫取水口氯化物濃度300 mg/L，其中19～20日氯化物濃度由900 mg/L降低至接近250 mg/L，為水庫搶水爭取了時機(jī)。

基于長江口氯化物濃度實測數(shù)據(jù)可知，開展聯(lián)合調(diào)度之前，大通流量在9 000 m3/s時，咸潮一般可以上溯至蕩茜，甚至白茆以上；聯(lián)合調(diào)度之后，咸潮上溯的氯化物濃度鋒面逐漸下移，與10月初實際監(jiān)測結(jié)果相比，10月16日南支漲、落潮期250 mg/L的分界線均下移約10～20 km，以三峽水庫為核心的水工程群聯(lián)合調(diào)度影響在長江口地區(qū)逐步顯現(xiàn)。10月中旬末補水達(dá)到最大影響量時，250 mg/L分界線最遠(yuǎn)處已下移至中央沙頭附近，整體來看，分界線較10月初下壓了20 km以上。

通過本次聯(lián)合調(diào)度，上海三大水源地水庫自10月19～30日有效取水共約5 010萬m3，若根據(jù)10月中下旬三大水源地平均日供水折算，可滿足約40 d的供水需求，結(jié)合其他應(yīng)急取水措施，已基本緩解了上海市供水緊張的局面。同時，經(jīng)過窗口期蓄水補充，江蘇省太倉市浪港、瀏河兩個水庫增加蓄水約1 200萬m3。

4 結(jié)論與展望

通過開展以三峽水庫為核心的水工程群聯(lián)合調(diào)度，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)水源地之間調(diào)水、保水、節(jié)水等多方綜合性舉措，顯著緩解了長江口供水緊張的局面，保障了內(nèi)河水源供水，取得了顯著的社會效益和生態(tài)效益。

（1） 本次調(diào)度過程進(jìn)一步驗證了以三峽水庫為核心的水工程群對長江口壓咸補淡調(diào)度的可行性。通過水庫群補水與引調(diào)水工程流量控制，有效增加了長江入海流量，顯著降低了長江口水源地取水口氯化物濃度，下壓了咸潮上溯邊界，增加了取水時間。

（2） 通過調(diào)度實踐，進(jìn)一步明確細(xì)化了水工程群的調(diào)度策略。以三峽水庫為核心的水工程群為調(diào)度對象，以小潮期間補充淡水并在大通站目標(biāo)流量以上持續(xù)天數(shù)為目標(biāo)，按水庫群和引調(diào)水工程分別確定調(diào)度時機(jī)和調(diào)度方式，建議三峽水庫補水調(diào)度較小潮期提前13 d啟動，并維持10 d以上，引調(diào)水工程在三峽水庫影響量到達(dá)時相應(yīng)減少引調(diào)水量，按等效比確定補水過程。

結(jié)合本次調(diào)度經(jīng)驗，認(rèn)為將來應(yīng)加強以下幾個方面研究：① 強化咸潮入侵特性和規(guī)律機(jī)理分析，優(yōu)化提升水文水動力水質(zhì)模型精度；② 提升枯水期水工程精細(xì)化補水預(yù)演能力，優(yōu)化壓咸補淡策略，研究制定極枯條件下流域水工程壓咸補淡預(yù)案；③ 進(jìn)一步挖潛水工程群安全合理的可調(diào)水量、分析長江口地區(qū)自身工程及非工程措施的提升空間，以保障長江口地區(qū)供水安全。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

In 2022，the Changjiang River Basin experienced a rare dry and drought climate in flood season，and the runoff was significantly less than normal.The salt tide intrusion in the Changjiang River Estuary occurred early，lasted for a long time，and its intrusion degree was serious.The joint operation of water projects group is an important measure to recharge fresh water for repelling saltwater intrusion and ensure the safety of water supply.According to the characteristics of saltwater intrusion in the Changjiang River Estuary，based on the hydrological forecast and operation system of the Changjiang River Basin，a one-dimensional hydraulic model considering the comprehensive influence of long river system，long distance and multi-type water projects was built to simulate the multi-condition scenarios.Combined with the analysis of prototype data，an operation strategy to recharge fresh water for repelling saltwater intrusion adapted to the current water projects group in the Changjiang River Basin was proposed from the perspectives of operation opportunity and objectives.Through this operation，the water level along the middle and lower reaches significantly raised，the impact of salt tide in the Changjiang River Estuary had been reduced，the situation of water supply shortage had been basically alleviated，and remarkable social and ecological benefits had been achieved.The research result can provide a reference for recharging fresh water for repelling saltwater intrusion in Chiangjiang River Estuary in the future.

Key words：

salt tide intrusion；recharge fresh water for repelling saltwater intrusion；joint operation；water projects group；Three Gorges Reservoir；Changjiang River Estuary