咸潮入侵對長江上海段過境水資源利用的影響探討

卜東平

摘 要：長江是上海重要的飲用水水源地，沿江兩岸已建有4 座水庫。長江流域水資源豐富，但入海水量年際變化大，年內(nèi)分配不均，易受長江口咸潮入侵影響，上海的長江原水供應(yīng)仍存在安全威脅。基于長江大通水文站長系列流量數(shù)據(jù)（1950—2022 年），采用P-III 型曲線進(jìn)行水文頻率計(jì)算，分析不同保證率下的大通站來水量，結(jié)合徐六涇水文站潮流量數(shù)據(jù)（2005—2022 年），進(jìn)行長江上海段的過境水量分析，掌握了豐水年、平水年和枯水年以及枯水期長江上海段的水量情況。分析結(jié)果顯示：在枯水期或“汛期反枯”的情況下，長江口咸潮入侵成為制約長江上海段水資源利用的最主要因素，并據(jù)此提出相應(yīng)的水資源聯(lián)合調(diào)度等對策建議。

關(guān)鍵詞：水資源；長江原水；咸潮入侵；供水安全；水量分析； 長江上海段

中圖分類號：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）03-0061-07

長江是中國第一大河，流域水資源豐富，入海水量年際變化大，年內(nèi)分配不均。上海地處長江入?？冢L江上海段過境水量巨大，為上海市的居民生活用水、城市公共用水和工農(nóng)業(yè)用水提供了大量淡水資源。目前，上海在沿長江兩岸建設(shè)有寶鋼水庫、陳行水庫、青草沙水庫、東風(fēng)西沙水庫共4 座水庫（除寶鋼水庫外，其余3 處為飲用水水源地），長江水源在上海市原水供應(yīng)中起著重要作用，長江已成為上海市的主要飲用水水源地。

通常某地區(qū)的水資源量包含地表水資源量（天然河川徑流量）和地下水資源量。根據(jù)《2021 年上海市水資源公報(bào)》，2021 年上海市深層地下水開采量為 97.41 萬m3，全市連續(xù) 11 年保持人工回灌水量大于開采量。由此可見，上海市開采利用的地下水資源量微乎其微。因此，本文分析的長江上海段過境水資源量僅指長江的地表徑流量，不考慮長江河道的地下水資源量，并用該地表水資源量來進(jìn)一步分析上海市長江過境的水資源可利用情況。

目前上海供水格局為黃浦江、長江并舉，黃浦江上游水源地及長江口青草沙、陳行、東風(fēng)西沙水庫水源地“兩江四庫”之勢[1-2]。2021 年時長江水源地的原水供應(yīng)約占上海市原水供應(yīng)總量的75%，其中青草沙水庫的供水量約占長江口原水供應(yīng)量的72%。

雖然長江上海段過境入海水量很大，水質(zhì)良好，但在枯水期或“汛期反枯”的情況下，由于受到長江口咸潮入侵的影響[3-4]，上海的長江原水供應(yīng)仍存在安全威脅。當(dāng)發(fā)生長江口咸潮入侵時，上溯的咸水會造成長江口水源地取水口含氯度超標(biāo)，對長江口水源地造成很大影響。開展長江上海段過境水量及制定咸潮影響下的應(yīng)對措施是必要的。

顧圣華[5] 在2001 年對上海市過境水量及其變化特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為長江入海水量年內(nèi)分配不均，導(dǎo)致枯季易遭受長江口咸潮入侵，而枯水年的枯水季節(jié)更為嚴(yán)重，并定量給出了長江干流多年平均過境水量及不同頻率下的過境水量。羅藝[6] 等采用極值分布的方法分析了陳行水庫和青草沙水庫受長江口咸潮影響時的水資源短缺風(fēng)險，認(rèn)為陳行水庫每年缺水事件的最大概率高于80%，青草沙水庫僅為3%。目前，受以三峽水庫為代表的水工程運(yùn)行調(diào)度的影響，長江流域來水出現(xiàn)了新的變化，延長流量數(shù)據(jù)系列重新進(jìn)行水量分析具有重要意義，也可為上海市的長江淡水資源利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

本文基于長江大通站長系列流量數(shù)據(jù)（1950—2022年），采用P-III 型曲線進(jìn)行水文頻率計(jì)算，分析了不同頻率的長江大通站來水量，結(jié)合徐六涇站潮流量數(shù)據(jù)（2005—2022 年）進(jìn)行長江上海段的過境水量分析，據(jù)此掌握豐水年、平水年和枯水年以及枯水期長江上海段的水量情況。針對在枯水期或“汛期反枯”的情況下，長江口咸潮入侵會對上海市長江水源地的原水供應(yīng)安全造成威脅，為保障上海市原水供應(yīng)安全，根據(jù)歷年應(yīng)對長江口咸潮入侵的經(jīng)驗(yàn)，提出初步可行的應(yīng)對措施建議。

1 資料及方法

大通水文站是長江干流最后一個徑流控制站（見圖1），距長江口約624 km，集水面積170.5 萬 km2。大通水文站以下集水面積僅占大通以上集水面積的5%。本次水量分析計(jì)算采用大通水文站1950 ～ 2022 年共73 年連續(xù)系列流量資料。

徐六涇水文站位于長江下游干流河口段，是控制長江口河段徑流、潮流水情的國家基本水文站（見圖1）。該站自2005 年起開展逐時潮流量資料整編，本次水量分析計(jì)算采用2005—2022 年共18 年連續(xù)系列潮流量資料。

長江上海段過境水量可用徐六涇水文站斷面的水量作為代表。徐六涇水文站距上游大通水文站約500km，因徐六涇水文站實(shí)測資料是從2005 年開始的，相對大通站來講系列不夠長，而大通水文站不受潮流影響，資料系列長，代表性好。因此，本文采用大通水文站的實(shí)測徑流量作為長江上海段過境水量計(jì)算的主要依據(jù)。

研究方法：采用2005—2022 年大通站和徐六涇站同期的流量資料，分別計(jì)算出大通站和大通至徐六涇站區(qū)間逐年和逐月的徑流量，得到區(qū)間徑流量占大通站的比值，用此比值放大大通站不同頻率下的徑流量成果得到徐六涇站不同頻率下的徑流量成果。

2 大通站水量及其頻率分析

2.1 大通站水沙變化分析

根據(jù)大通水文站資料統(tǒng)計(jì)：大通站多年平均流量為28400 m3/s，多年平均徑流量為8974 億m3，年徑流量最大值為13590 億m3（1954 年），最小值為6666 億m3（2011年），最大值是最小值的2.04 倍，徑流量年際變化相對較小。從20 世紀(jì)50 年代以來，大通站年徑流量在多年平均徑流量上下波動，變化相對比較平穩(wěn)（見圖2）。

大通站年內(nèi)最大流量一般出現(xiàn)在7、8 月份，最小流量一般在1、2 月份。徑流年內(nèi)分配不均勻（見圖3），5～10 月為汛期，11 月～ 次年4 月為枯水期。大通站多年平均最大流量出現(xiàn)在7 月份，約為50000 m3；多年平均最小流量出現(xiàn)在1 月份，約為11800 m3。多年平均月最大流量是最小流量的4.24 倍，徑流年內(nèi)波動明顯高于年際變化。汛期5～10 月的徑流量占全年的70.15%。

大通站年平均輸沙量3.42 億t。近年來，隨著長江上游水土保持工程及水庫工程的建設(shè)，以及沿程挖沙造成長江流域來沙越來越少[7]。輸沙量以葛洲壩工程和三峽工程的蓄水為節(jié)點(diǎn)，呈現(xiàn)明顯的三階段變化特點(diǎn)，輸沙量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。1951—1985 年平均年輸沙量為4.70 億t，1986—2002 年平均年輸沙量為3.40 億t，2003—2022 年平均年輸沙量為1.29 億t。汛期（5～10 月）輸沙量占全年的比例達(dá)到86.8%，年內(nèi)分配集中特征較徑流量更顯著。

流域來沙量的急劇減少，對長江口灘涂演變及資源利用的影響有待進(jìn)一步研究。

2.2 枯水期和2022 年“汛期反枯”現(xiàn)象的分析

長江流域枯水期（11 月～ 次年4 月）平均流量約為17100 m3，而12 月～ 次年2 月，各月平均流量均低于15000 m3/s。受長江流域降水偏少及大范圍持續(xù)的高溫影響，2022 年6 月下旬開始，大通站來水量逐步減少，7 月中旬開始快速下降，并于8 月中旬降至20000 m3/s 以下，長江流域來水豐枯急轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出“汛期反枯”現(xiàn)象。

2022 年入汛至9 月上旬，長江流域發(fā)生嚴(yán)重枯水，8 月時，長江中下游干流來水的重現(xiàn)期大于100 年一遇[8]。2022年大通站流量年內(nèi)變化見圖3。

大通站2022 年9 月平均流量不足12000 m3/s，僅相當(dāng)于多年平均1 月時的量值，較多年平均減少近7 成，長江流域提前3 個月進(jìn)入枯水期。2022 年的月平均最小流量出現(xiàn)在11 月份，為9700 m3/s。2022 年9 月～11 月大通站來水的重現(xiàn)期均超100 年一遇。持續(xù)超過3 個月的低徑流量，導(dǎo)致9 月份長江口即出現(xiàn)咸潮入侵，且強(qiáng)度大，持續(xù)時間長，歷史罕見，嚴(yán)重威脅到了上海市長江水源地的原水供應(yīng)安全。

2.3 水文頻率分析

通過對1950—2022 年大通站系列流量資料進(jìn)行頻率分析計(jì)算，將大通站73 年資料按遞減的次序進(jìn)行排列，第m 項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)累積頻率采用下式計(jì)算：

式中：Pm 為第m 項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)累積頻率（%）；n 為資料年數(shù)。采用P- Ⅲ型曲線進(jìn)行適線[9]，確定適線參數(shù)均值、Cv、Cs。大通站年平均流量頻率曲線見圖4。根據(jù)2017年水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院《全國水資源調(diào)查評價技術(shù)細(xì)則》規(guī)定及工程水文計(jì)算所采用的典型年劃分方法，經(jīng)適線分析：豐水年（P ＝ 10%）、偏豐年（P ＝25%）、平水年（P ＝ 50%）、偏枯年（P ＝ 75%）及枯水年（P ＝ 90%）各頻率下大通站的年平均流量分別為33600 m3/s、30800 m3/s、28000 m3/s、25500 m3/s 和23600m3/s；豐水年（P ＝ 10%）、偏豐年（P ＝ 25%）、平水年（P ＝ 50%）、偏枯年（P ＝ 75%） 及枯水年（P ＝90%）各頻率下大通站的年徑流量分別為10640 億m3、9746 億m3、8857 億m3、8075 億m3 和7458 億m3（表1）。

3 長江上海段過境水量分析

3.1 大通站與徐六涇站的區(qū)間來水量

根據(jù)2005—2022 年大通水文站與徐六涇水文站同期流量資料，計(jì)算了兩站之間的區(qū)間水量及區(qū)間來水量年際變化率（見圖5）以及區(qū)間水量年內(nèi)逐月變化率（見圖6）。2005 年以來大通站與徐六涇站的區(qū)間水量占大通站來水量的-2.36% ～ 7.70%，多年平均約占3.20%，區(qū)間水量多年平均值約為281 億m3。

大通站與徐六涇站之間的區(qū)間來水主要是通江河流的入江水量，各年的區(qū)間來水量不一樣，其中，2015 年和2017 年區(qū)間水量比較大，分別為676 億m3 和722 億m3，分別占當(dāng)年大通站來水的7.40% 和7.70%；2019 和2022 年區(qū)間水量為負(fù)值，表明區(qū)間內(nèi)來水較枯，且取用水量較大。

大通站以下，兩岸各地在長江干流沿江修建了大量的水閘，阻斷了各支流的天然通江狀態(tài)，由圖6 中區(qū)間水量的年內(nèi)逐月變化來看，5 月和6 月甚至出現(xiàn)了負(fù)流量，即沿江通江河流出現(xiàn)引水大于排水現(xiàn)象。

3.2 長江上海段過境水量計(jì)算

相對于長江干流的流域來水量而言，大通站與徐六涇站之間的區(qū)間來水量占比很小，平均占大通站來水量的3.2%，即上海長江入境水量的96.8% 來自大通站以上的流域來水。由1950—2022 年大通站長系列流量資料及其區(qū)間水量計(jì)算出長江上海段過境水量多年平均約為9270億m3。

根據(jù)大通站不同頻率的徑流量成果進(jìn)行放大3.2%，作為每年長江上海段入境水量，所得水量具體為：豐水年（P ＝ 10%）、偏豐年（P ＝ 25%）、平水年（P ＝50%）、偏枯年（P ＝ 75%）及枯水年（P ＝ 90%）各頻率下年平均流量分別為34700 m3/s、31800 m3/s、28900m3/s、26300 m3/s 和24400 m3/s； 豐水年（P ＝ 10%）、偏豐年（P ＝ 25%）、平水年（P ＝ 50%）、偏枯年（P＝ 75%）及枯水年（P ＝ 90%）各頻率下年徑流量分別為11000 億m3、10060 億m3、9140 億m3、8330 億m3 和7700 億m3（表2）。

3.3 枯水期和2022 年“汛期反枯”水量分析

（1）枯水期水量分析

根據(jù)大通水文站資料，大通站多年平均逐月流量最小值出現(xiàn)在1 月份，為11800 m3/s；次低值出現(xiàn)在2 月份，為12600 m3/s。采用P- Ⅲ型適線法，水文頻率計(jì)算得到大通站1 月各頻率下的平均流量及徑流量（見表3）。從區(qū)間來水量年內(nèi)分配看（見圖6），1 月份徐六涇站流量比大通站高出約3.5%，得到徐六涇站多年平均1 月流量約為12300 m3/s，對大通站不同頻率的流量成果進(jìn)行同比例放大，可得到長江上海段1 月份過境水量的不同頻率的月平均流量值（見表3）；2 月份徐六涇站流量比大通站高出約4.87%，得到徐六涇站多年平均2 月流量約為13200 m3/s，對大通站不同頻率的流量成果進(jìn)行同比例放大，可得到長江上海段2 月份過境水量（見表3）。以1月份為例，豐水年（P ＝ 10%）、偏豐年（P ＝ 25%）、平水年（P ＝ 50%）、偏枯年（P ＝ 75%）及枯水年（P＝ 90%）各頻率下長江上海段1 月份過境水量的年平均流量分別為17000 m3/s、14000 m3/s、11400 m3/s、9650m3/s 和8600 m3/s。

（2）2022 年“汛期反枯”水量分析

2022 年8 月～11 月份，徐六涇站來水量比大通站低4.20%～7.14%（見表4），對應(yīng)的區(qū)間水量減小值在500～1100 m3/s 之間。表明在發(fā)生流域性干旱的情況下，大通站與徐六涇站之間區(qū)間引水量較高，導(dǎo)致入海水量進(jìn)一步降低。2022 年9 月，長江入海平均流量僅為11400 m3/s，在歷史同期實(shí)屬罕見。監(jiān)測資料顯示，2022 年9 月初，青草沙水庫開始受到長江口咸潮影響，糾其原因，較低的長江徑流量為主要影響因素，沒有足夠的長江淡水沖淡咸水，加劇了長江口咸潮入侵的影響程度。

4 結(jié)果與分析

通過對大通站多年平均流量和徑流量及枯水期（1 月～2 月）多年平均流量進(jìn)行頻率分析，得到了不同頻率下的平均流量，并對比分析2005—2022 年間徐六涇站與大通站流量過程，得到區(qū)間徑流量占大通站的比值，用此比值放大大通站不同頻率下的（徑）流量成果得到徐六涇站不同頻率下的（徑）流量成果，并以此水量作為長江上海段過境水資源量。此水量為總的入海地表徑流量，為維護(hù)長江口生態(tài)環(huán)境平衡，需要保持足夠的生態(tài)流量；另外，枯水期長江口易發(fā)生咸潮入侵，當(dāng)發(fā)生咸潮入侵時，需要保證足夠大的徑流量才可以達(dá)到壓制咸潮的目的。

因此，長江上海段過境水量中真正可利用水量須要扣除生態(tài)用水及壓制咸潮的用水。

4.1 長江上海段過境可利用水資源量估算

長江上海段過境水量多年平均約為9270 億m3，總量巨大，長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在長江入海流量在15000 m3/s以上（對應(yīng)水量為4730 億m3）時，北港青草沙水庫取水口附近水域基本不受咸潮入侵影響?？鄢鷳B(tài)用水及壓制咸潮所需要的水量，長江上海段過境可利用水資源量多年平均約為4540 億m3。

當(dāng)遭遇枯水年，長江流域來水量較低，在枯水年（P＝ 90%）長江上海段的過境水量分別為：年平均流量為24400 m3/s，年徑流量為7700 億m3，扣除生態(tài)用水及壓制咸潮所需要的水量，長江上海段過境可利用水資源量約為2970 億m3。

4.2 枯水期和2022 年“汛期反枯”時可利用水資源量

在枯水期，長江過境入海流量往往較低，該情況下，影響上海段可利用水量的主要因素為長江口咸潮入侵。一般情況下，在11 月至次年4 月份的冬春枯水季節(jié)，長江口易發(fā)生咸潮入侵，但持續(xù)時間存在不確定性。當(dāng)咸潮持續(xù)時間短，未超過水庫的應(yīng)急供水天數(shù)時，可充分發(fā)揮水庫的“蓄淡避咸”功能，保證原水供應(yīng)。當(dāng)咸潮持續(xù)時間超過水庫的應(yīng)急供水天數(shù)時，則需要加強(qiáng)沿長江三處水庫間的聯(lián)網(wǎng)調(diào)度，并從黃浦江上游水源地或通過內(nèi)部骨干河網(wǎng)取水來滿足原水的供應(yīng)。

以2022 年“汛期反枯”為例，9～12 月份，長江入海平均流量不足11000 m3/s，遠(yuǎn)低于壓制咸潮所需的入海流量，此期間，上海沿長江口的3 處水源地均多次遭受咸潮入侵，并持續(xù)較長時間。在該情況下，各水源地僅能在咸潮間隙，搶抓取水窗口，及時補(bǔ)庫。2022 年的年徑流量為7712 億m3，扣除生態(tài)用水及壓制咸潮所需要的水量，長江上海段過境可利用水量約為2982 億m3，相當(dāng)于枯水年（P ＝ 90%）的情形。

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)可知，2022 年9～12 月份，由于頻繁遭受長江口咸潮入侵的影響，以青草沙水庫為代表的上海沿長江水源地可取水的保證率不足50%，甚至更低。

4.3 受咸潮影響時保障原水供應(yīng)的措施

長江上海段豐富的流域來水，水質(zhì)良好，在滿足長江口良好生態(tài)環(huán)境需要的同時，為長江口沿江地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了大量的淡水資源，長江水源已成為長江口沿江城市的主要飲用水水源地，具有十分重要的地位，但長江水資源的利用同時也存在一些不可忽視的制約因素，比如枯水期長江口咸潮入侵等。

當(dāng)前制約長江口水資源利用的最主要因素為枯水期或“汛期反枯”情況下長江口咸潮入侵，當(dāng)發(fā)生咸潮入侵時，水源地遭受高濃度咸水的包圍，連續(xù)多日無法取水，會對沿江的水源地供水安全造成極大威脅。據(jù)有關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，2022 年9 月后發(fā)生的長江口咸潮，沿長江的三處水源地的連續(xù)不可取水天數(shù)均超過27 天，發(fā)生于9 月下旬至10 月中旬[10]。

目前，長江是上海市飲用水的主要水源地，上海在沿長江建設(shè)的青草沙水庫、陳行水庫、東風(fēng)西沙水庫3 處水源地，保障著上海主城區(qū)及浦東新區(qū)的供水，日供水總量占全市70% 以上，這三座水庫均為“蓄淡避咸”水庫。為保障上海市原水供應(yīng)安全，建議采取如下措施：

（1）實(shí)時關(guān)注長江上游大通站、徐六涇站來水量，掌握流域來水變化趨勢，長江入海流量較枯時，在發(fā)生咸潮入侵之前，三座水庫可提前蓄水，以備應(yīng)急供水之用。

（2）當(dāng)咸潮持續(xù)時長超過水庫的應(yīng)急供水天數(shù)時，需要加強(qiáng)青草沙水庫、陳行水庫、東風(fēng)西沙水庫以及黃浦江上游水源間的聯(lián)網(wǎng)調(diào)度[11-13]，擇機(jī)啟用黃浦江上游應(yīng)急水源地及啟用內(nèi)部骨干河網(wǎng)取水，并提高黃浦江上游水源地及內(nèi)河供水比例。

（3）長江口受咸潮入侵影響期間，應(yīng)根據(jù)各鹽度監(jiān)測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，關(guān)注咸潮發(fā)展趨勢，充分利用咸潮間隙，搶抓取水窗口，及時為水庫補(bǔ)充淡水。

5 結(jié)論與建議

基于長江大通站長系列流量數(shù)據(jù)（1950—2022 年），結(jié)合徐六涇站潮流量數(shù)據(jù)（2005—2022 年），分析了不同保證率下長江上海段的過境水量，主要結(jié)論與建議如下：

（1）大通水文站多年平均徑流量為8974 億m3，多年平均輸沙量3.42 億t，年輸沙量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，三峽水庫運(yùn)行后（2003—2022 年）多年平均年輸沙量為1.29億t。流域來沙量的急劇減少，對長江口灘涂演變及資源利用的影響有待進(jìn)一步研究。

（2）長江上海段過境水量可用徐六涇水文站斷面的水量作為代表，長江上海段過境水量年際變化大，年內(nèi)分配不均勻，過境水量多年平均約為9270 億m3，若扣除長江口生態(tài)用水及壓制咸潮所需要的水量，長江上海段過境可利用水資源量多年平均約為4540 億m3。

（3）在枯水年（P ＝ 90%），長江流域來水量較低，長江上海段的過境水量約為7700 億m3，扣除長江口生態(tài)用水及壓制咸潮所需要的水量，長江上海段過境可利用水資源量約為2970 億m3。

（4）長江上海段過境水量多年平均月最小流量出現(xiàn)在1 月份，約為12300 m3/s。2022 年8 月份開始，長江流域呈現(xiàn)出“汛期反枯”現(xiàn)象。2022 年9 月，長江入海平均流量僅為11400 m3/s，在歷史同期實(shí)屬罕見。2022 年8 月～11 月份，徐六涇站來水量比大通站低4.20%～7.14%，在發(fā)生流域性干旱的情況下，大通站與徐六涇站之間區(qū)間引水量較高，導(dǎo)致入海水量進(jìn)一步降低，加劇了長江口咸潮入侵的影響程度。

（5）在枯水期或“汛期反枯”的情況下，長江口咸潮入侵成為制約長江上海段水資源利用的最主要因素。為保障上海市原水供應(yīng)安全，建議采取如下措施：及時掌握長江流域來水變化趨勢，在發(fā)生長江口咸潮入侵之前，上海沿長江的水庫可提前蓄水；當(dāng)咸潮持續(xù)時長超過水庫的應(yīng)急供水天數(shù)時，需要加強(qiáng)青草沙水庫、陳行水庫、東風(fēng)西沙水庫以及黃浦江上游水源間的聯(lián)網(wǎng)調(diào)度，擇機(jī)啟用黃浦江上游應(yīng)急水源地及啟用內(nèi)部骨干河網(wǎng)取水，并提高黃浦江上游水源地及內(nèi)河供水比例；受長江口咸潮入侵影響期間，應(yīng)關(guān)注咸潮發(fā)展趨勢，充分利用咸潮間隙，搶抓取水窗口，及時為水庫補(bǔ)水。

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