極端干旱下長(zhǎng)江口咸潮入侵成因及壓咸補(bǔ)淡措施

陳致遠(yuǎn) 吳敬文 喬紅杰 陳鶴翔 金光球

收稿日期：2024-01-26；接受日期：2024-03-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U2040205）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFC3202602）

作者簡(jiǎn)介：陳致遠(yuǎn)，男，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)等方面的研究。E-mail：ChenZhiyuan000817@163.com

通信作者：金光球，男，教授，博士，研究方向?yàn)楹恿鳚摿骱秃０兜乃畡?dòng)力及生態(tài)環(huán)境。E-mail：jingq@hhu.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號(hào)：1001-4179（2024） 06-0098-08

引用本文：陳致遠(yuǎn)，吳敬文，喬紅杰，等.

極端干旱下長(zhǎng)江口咸潮入侵成因及壓咸補(bǔ)淡措施

［J］.人民長(zhǎng)江，2024，55（6）：98-105.

摘要：2022年長(zhǎng)江上游遭受極端干旱，長(zhǎng)江口咸潮入侵加劇，區(qū)域用水安全受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。為探究極端干旱天氣下咸潮入侵成因和應(yīng)對(duì)策略，基于長(zhǎng)江口2019～2023年枯水期的實(shí)測(cè)鹽度、潮水位、風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)與同期上游大通站徑流量數(shù)據(jù)，采用Spearman相關(guān)性分析、卡方分析等方法，分析了2022年9月起長(zhǎng)江口咸潮入侵過(guò)程與長(zhǎng)江口咸潮入侵的主要影響因素。分析結(jié)果顯示：① 2022年8月起長(zhǎng)江干流枯水期提前，疊加臺(tái)風(fēng)和天文大潮情況，使得2022年9月至2023年4月長(zhǎng)江口地區(qū)崇明洲頭站、楊林站和六滧站的鹽度大幅超標(biāo)，分別達(dá)到1.922‰，0.585‰和2.134‰。② 長(zhǎng)江口3個(gè)主要鹽度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)受上游來(lái)水影響時(shí)間存在前后差異，在大通站流量低于15 000 m3/s時(shí)，不同站點(diǎn)所屬區(qū)域發(fā)生了不同程度的咸潮入侵情況。③ 2022年10月的壓咸補(bǔ)淡措施在小潮期間作用于長(zhǎng)江口地區(qū)，使得大通站流量高于12 000 m3/s，在南支上半段產(chǎn)生較好的壓咸效果。研究成果可為長(zhǎng)江口流域不同地區(qū)咸潮上溯成因分析和壓咸補(bǔ)淡應(yīng)對(duì)策略提供參考。

關(guān)? 鍵? 詞：咸潮入侵； 鹽度； 徑流量； 潮差； 壓咸補(bǔ)淡； 長(zhǎng)江口

中圖法分類(lèi)號(hào)： P731.23;P343.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.014

0? 引 言

咸潮入侵是一種天然的河口水文現(xiàn)象，期間河口區(qū)域鹽度升高并擴(kuò)散，使得河流中咸淡水混合，造成上游河道水體變咸，形成咸潮［1］。長(zhǎng)江口區(qū)域的咸潮入侵一般發(fā)生在枯水期［2］（11月至次年4月），期間長(zhǎng)江干流徑流量減少，徑流作用弱于天文潮動(dòng)力［3］，口外海水在潮動(dòng)力的影響下從4個(gè)入?？诘构噙M(jìn)長(zhǎng)江口區(qū)域造成局部鹽度升高，影響流域居民的用水安全。通常認(rèn)為河口地區(qū)鹽度超過(guò)0.2‰時(shí)即發(fā)生咸潮入侵［4］，而當(dāng)鹽度超過(guò)0.45‰（即氯化物濃度250 mg/L）時(shí)，將對(duì)工業(yè)和居民用水造成不利影響。因此根據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)規(guī)范要求，將鹽度達(dá)到0.45‰作為咸潮入侵產(chǎn)生危害的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)有研究表明，長(zhǎng)江口咸潮入侵受到上游徑流量、潮汐動(dòng)力、口外海水鹽度及風(fēng)力風(fēng)向等諸多因素影響［5-7］，其中影響最直接的是徑流量和潮差［8-9］。咸潮入侵強(qiáng)度與上游徑流量的關(guān)系并不是線(xiàn)性的，通常當(dāng)徑流量超過(guò)某一臨界值時(shí)，咸潮入侵的強(qiáng)度和頻度均明顯減弱［10］，但臨界流量的具體數(shù)值則沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?！堕L(zhǎng)江口綜合整治開(kāi)發(fā)規(guī)劃》將大通站流量10 000～13 000 m3/s作為長(zhǎng)江口“咸潮入侵適度控制”的需求流量；顧玉亮等［11］提出當(dāng)大通站流量

低于

20 000 m3/s時(shí)，在潮汐作用下長(zhǎng)江口北支開(kāi)始發(fā)生咸水倒灌；陳慶江等［12］基于陳行水庫(kù)取水條件以及不同月份下潮動(dòng)力不同的情況，提出大通站的臨界流量范圍為12 000～18 000 m3/s；2006年長(zhǎng)江口出現(xiàn)極端枯水情況時(shí)，朱建榮等［13］判斷大通徑流量?jī)H為13 000 m3/s左右是當(dāng)年10月就發(fā)生咸潮入侵的重要原因；李亞平等［14］指出在青龍港站潮差為2.4～3.3 m的條件下，連續(xù)發(fā)生10～30 d咸潮入侵時(shí)所對(duì)應(yīng)大通站流量為6 820～16 000 m3/s；嚴(yán)鑫等［15］通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)算陳行水庫(kù)和東風(fēng)西沙水庫(kù)等水源地咸潮入侵的臨界流量為11 000～12 000 m3/s。綜上可知，由于長(zhǎng)江口特殊的“三級(jí)分汊、四口入?！焙觿?shì)地形情況，以及不同水源地取水標(biāo)準(zhǔn)的不同，需根據(jù)上游徑流量和潮差等相關(guān)因素探究其對(duì)咸潮入侵造成的影響。

2022年夏季，長(zhǎng)江流域“汛期反枯”水文災(zāi)害使長(zhǎng)江口咸潮入侵大幅提前，最早于8月10日就出現(xiàn)了咸潮入侵事件［4］，較同為極端枯水情況的2006年提前近一個(gè)月。后續(xù)9月份起又遭遇上游徑流量少、天文大潮和“軒嵐諾”“梅花” 和“南瑪都”等臺(tái)風(fēng)的先后疊加影響［16］，咸潮入侵強(qiáng)度增加并嚴(yán)重影響了長(zhǎng)江口水源地的取水安全。為此，本文基于2022年9月起的反常咸潮入侵現(xiàn)象，結(jié)合期間枯水期的實(shí)測(cè)資料，通過(guò)數(shù)據(jù)分析手段探討2022年中長(zhǎng)期咸潮入侵下各站點(diǎn)鹽度呈現(xiàn)的客觀規(guī)律，分析控制不同站點(diǎn)鹽度變化的大通站臨界流量以及對(duì)應(yīng)潮差產(chǎn)生的影響。

1? 數(shù)據(jù)與方法

1.1? 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域主要為長(zhǎng)江口南支部分，該河段上起徐六涇，下至南北港分流口，長(zhǎng)約65 km（圖1）。南支河段以七丫口、瀏河口為界分為上、中、下3段，其間包含東風(fēng)西沙水庫(kù)、太倉(cāng)瀏河水庫(kù)和陳行水庫(kù)等重要水源地，而這一河段主要的鹽水來(lái)源為北支倒灌［17］。除此之外，本次研究還包含北港河段，它是長(zhǎng)江入海的二級(jí)汊道，位于上海市崇明島與長(zhǎng)興島和橫沙島之間，上起中央沙頭，下至攔門(mén)沙外，全長(zhǎng)約80 km，河道形態(tài)微彎，其間包含青草沙水庫(kù)，本文對(duì)該區(qū)域的研究集中在南北港分流口至北港六滧站這一河段。本次研究選取的主要分析站點(diǎn)為徐六涇站、崇明洲頭站、楊林站和六滧站，其中徐六涇站為長(zhǎng)江口連接上游干流的控制站，而崇明洲頭站與東風(fēng)西沙水庫(kù)、楊林站與陳行水庫(kù)以及六滧站與青草沙水庫(kù)的直線(xiàn)距離均約為30 km，因此這3個(gè)站點(diǎn)的鹽度值能一定程度上作為長(zhǎng)江口東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)和青草沙水庫(kù)等主要水源地咸潮入侵情況的判斷依據(jù)。

1.2? 研究數(shù)據(jù)

研究采用長(zhǎng)江口區(qū)域的徐六涇站、崇明洲頭站、楊林站和六滧站2019～2023年枯水期（11月至次年4月，其中2022年的枯水期從9月開(kāi)始，至2023年4月結(jié)束）的鹽度和潮位實(shí)測(cè)資料，2003～2023年上游大通站日均徑流資料，以及2022年9～10月的徐六涇站實(shí)測(cè)風(fēng)向和風(fēng)速資料。

采用潮差來(lái)代表潮動(dòng)力強(qiáng)弱，其計(jì)算采用日最大潮差的形式，其意義為1 d內(nèi)任意相鄰大潮潮位與小潮潮位之差的最大值，即計(jì)算1 d內(nèi)任意兩連續(xù)潮位極值之差絕對(duì)值的最大值作為最終數(shù)據(jù)，計(jì)算方式如下：Tr=maxTli+1-Tli（1）

式中：Tr為潮差，m;Tli與Tli+1為任意兩連續(xù)潮位極值，m，一般情況下i=1，2，3，4。

1.3? 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

本文采用算術(shù)平均法計(jì)算各站點(diǎn)的日均鹽度數(shù)據(jù)，并采用矢量平均法計(jì)算徐六涇站的日均風(fēng)速數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算Spearman相關(guān)系數(shù)探求大通站流量影響長(zhǎng)江口相關(guān)站點(diǎn)的大致時(shí)間錯(cuò)位情況?？ǚ綑z驗(yàn)是一種以卡方分布為基礎(chǔ)的假設(shè)檢驗(yàn)方法，本文用其分析不同流量分段下上游來(lái)水情況與長(zhǎng)江口3個(gè)站點(diǎn)咸潮入侵情況的差異性；并分析崇明洲頭站在特定上游來(lái)水區(qū)間內(nèi)、站點(diǎn)不同潮差情況下咸潮入侵情況的差異性。

2? 水文條件情況

2.1? 流域來(lái)水情況

大通站是長(zhǎng)江干流最后一個(gè)徑流控制站，距長(zhǎng)江口約624 km，大通站以下水系入?yún)R流量?jī)H占長(zhǎng)江總徑流量的3%～5%［18］，且大通站與徐六涇站流量變化趨勢(shì)基本一致［19］，故一般認(rèn)為大通站的徑流情況可以代表進(jìn)入長(zhǎng)江口的徑流。以2022年為例（表1），1～4月徐六涇站凈下泄流量較大，5～11月大通站的凈下泄流量較大，總體來(lái)講，二者月均流量的差值均在2%～10%之間，其中3～4月和10～11月兩站的差值較大，推測(cè)這與枯水季大通站至徐六涇站之間河段的眾多支流引、排水行為有關(guān)。兩站全年實(shí)際差值為5.59%，結(jié)合大通站所測(cè)流量基本不受潮流量影響的特點(diǎn)，故本次研究采用大通水文站的日均流量作為上游來(lái)水進(jìn)行分析。

2020～2022年，大通站日均流量數(shù)據(jù)在年際間呈現(xiàn)顯著波動(dòng)（圖2）。其中2020年長(zhǎng)江水量相對(duì)充沛，經(jīng)過(guò)5月略微波動(dòng)下降后于7月下旬達(dá)到高峰，并于12月初降至最低點(diǎn)。2021年與2022年上半年情況相似，7月之前徑流量已經(jīng)達(dá)到高峰，然而2021年下半年出現(xiàn)反彈，并在枯水期前保持了相對(duì)高的上游水量，整個(gè)2022年下半年持續(xù)保持較低的徑流量。

2022年6～10月，長(zhǎng)江中下游降雨量較同期偏少30%，且長(zhǎng)江流域高溫發(fā)展嚴(yán)重區(qū)域與降雨量偏少區(qū)域高度重合［20］，在8月后出現(xiàn)了超過(guò)1953、2006年和2013年等典型長(zhǎng)江流域氣象干旱年的發(fā)展趨勢(shì)［21-22］，并在長(zhǎng)江流域整體儲(chǔ)水量不足的情況下，8月開(kāi)始中下游干流及兩湖主要控制站水位均低于歷史同期［23］，最終導(dǎo)致了長(zhǎng)江中下游干流8月出現(xiàn)超70 a一遇枯水［24］。數(shù)據(jù)顯示，2022年大通站年平均流量較2003～2022年三峽水庫(kù)運(yùn)行期間的平均值減少了14.2%。特別是在8～11月，月均流量?jī)H為同期的35%～51%，而9月的月均流量相較于同期偏少65%。觀察連續(xù)流量過(guò)程可知，從2022年8月18日開(kāi)始，日均流量未能達(dá)到三峽水庫(kù)運(yùn)行后11月的月均流量（19 583 m3/s）；而在9～12月的日均流量則低于歷年12月的月均流量（14 942 m3/s）。這表明自2022年8月中旬起，大通站流量接近于三峽水庫(kù)運(yùn)行后11月至次年2月的枯水期平均流量。“汛期反枯”的情況使得長(zhǎng)江口區(qū)域比往年提前了3個(gè)月進(jìn)入枯水期，為長(zhǎng)江口鹽水入侵提供了自然條件。

2.2? 風(fēng)應(yīng)力變化情況

長(zhǎng)江口地區(qū)冬季季風(fēng)通常以北風(fēng)為主，根據(jù)以往研究［25］可知，風(fēng)應(yīng)力對(duì)于長(zhǎng)江口咸潮上溯的主要影響體現(xiàn)在，偏北風(fēng)在達(dá)到一定強(qiáng)度后會(huì)產(chǎn)生向岸的艾克曼水體輸送，引起沿岸強(qiáng)烈增水。以2014年2月為例，李林江［26］和Zhu［27］等研究表明，上游來(lái)水接近多年平均值，長(zhǎng)江口在偏北強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力作用下形成北港流進(jìn)、南港流出的持續(xù)水平環(huán)流，使北港的咸潮入侵加強(qiáng)。同時(shí)朱建榮［28］和Li［29］等的研究均發(fā)現(xiàn)北風(fēng)風(fēng)速超過(guò)5 m/s可能會(huì)導(dǎo)致北支咸水倒灌程度大幅增大，而Zhang等［30］的研究則表明偏北風(fēng)易通過(guò)短期提升水位的方式增大北支倒灌的強(qiáng)度。因此在出現(xiàn)偏北方向的較強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力的影響下，3個(gè)研究站點(diǎn)均可能存在咸潮入侵程度加重的情況。

2022年9～10月徐六涇站的實(shí)測(cè)日均風(fēng)向和風(fēng)速如圖3所示。在2022年9月3～5日、9月12～15日和9月17～19日期間，第11號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“軒嵐諾”、第12號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“梅花”和第14號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“南瑪都”持續(xù)影響著研究區(qū)域。其中“軒嵐諾”和“南瑪都”為北向型臺(tái)風(fēng)，路徑位于長(zhǎng)江口東側(cè)較遠(yuǎn)海域，持續(xù)期間均產(chǎn)生了北風(fēng)，日均風(fēng)速分別達(dá)到11.66 m/s和8.95 m/s。 “梅花”臺(tái)風(fēng)為登陸型臺(tái)風(fēng)，持續(xù)期間研究區(qū)域從登陸前較弱的東北風(fēng)轉(zhuǎn)為登陸時(shí)段的強(qiáng)勁南風(fēng)［4］，日均風(fēng)速達(dá)到8.31 m/s。而在10月4日和10月17日也出現(xiàn)過(guò)兩次寒潮過(guò)程，產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間分別為5 d和3 d的北風(fēng)，日均風(fēng)速分別達(dá)到7.54 m/s和8.15 m/s。

2.3? 潮汐變化情況

長(zhǎng)江口是中等強(qiáng)度的潮汐河口，潮流在口內(nèi)為往復(fù)流，屬于非正規(guī)半日潮流，出口攔門(mén)沙后逐漸向旋轉(zhuǎn)流過(guò)渡，口外屬于正規(guī)半日潮。長(zhǎng)江口內(nèi)一天中兩漲兩落，一漲一落平均歷時(shí)12.42 h，日潮不等現(xiàn)象明顯［31］。除此之外，長(zhǎng)江口地區(qū)的潮汐變化也存在較明顯的半月潮與大小潮變化情況［32］，其中一般3月和9月的潮差較大，6月與12月的潮差較?。?9］。

2022年9月至2023年5月的日潮差如圖4所示，整體來(lái)看，9月的平均潮差最大，隨后至1月初期間逐漸降低，而后又出現(xiàn)一定的反彈。其中2022年9月15日各站點(diǎn)潮差因受到臺(tái)風(fēng)“梅花”的影響，存在較大幅度提高，但隨后迅速降低回歸正常?？傮w而言，9月較大的潮差易導(dǎo)致北支出現(xiàn)咸水倒灌的現(xiàn)象，這也是該月咸潮入侵且持續(xù)的主要原因之一。

橫向?qū)Ρ瘸缑髦揞^站、楊林站與六滧站的日均潮差可知，3個(gè)站點(diǎn)的最小潮差分別為1.01，0.89 m和0.86 m，最大潮差4.97，4.99 m和4.45 m。可知3個(gè)站點(diǎn)潮差在枯水期變幅由大到小分別為楊林站、崇明洲頭站和六滧站，說(shuō)明由于長(zhǎng)江口漲泄流量大量流經(jīng)南支，處于南支中段的水域整體日均潮差增幅較大，而處于北支分汊口的崇明洲頭站和離口外海域最近的六滧站則變化偏小一些。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 鹽度變化情況

2019～2023年枯水季各站日均鹽度變化如圖5所示。數(shù)據(jù)表明，在上游來(lái)水正常的年份，通常在12月才會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的咸潮入侵［33］，這與12月的長(zhǎng)江徑流量一般是全年最低有關(guān)。2022年9月起，3個(gè)主要遭受咸潮入侵影響的站點(diǎn)其日均鹽度從高到低依次為：六滧站2.134‰、崇明洲頭站1.922‰和楊林站0.585‰。這與3個(gè)站點(diǎn)的所屬地理位置有關(guān)，六滧站位于長(zhǎng)江口北港，距離口外海域最近，咸潮入侵到達(dá)該站點(diǎn)最容易，且局部更易形成高濃度鹽度帶；崇明洲頭站雖與口外海域最遠(yuǎn)，但由于北支是咸潮入侵的主要路徑之一，因此在北支倒灌情況發(fā)生時(shí)，該站點(diǎn)的鹽度也會(huì)在短期內(nèi)較高；而楊林站位于長(zhǎng)江口南支中段，雖受多個(gè)咸潮入侵路徑共同影響，但由于南支有較大的凈下泄流量沖淡咸潮的影響，因此鹽度最低。值得一提的是，徐六涇站在2022～2023年的枯水季并未出現(xiàn)任何鹽度超標(biāo)情況，最大鹽度為0.354‰，因此不考慮咸潮上溯超過(guò)蘇通大橋斷面的情況。

3.2? 上游來(lái)水條件匹配

大通站流量雖可以較好地代表長(zhǎng)江口的入?yún)R流量，但大通站距長(zhǎng)江口距離較遠(yuǎn)，需考慮大通站流量實(shí)際影響長(zhǎng)江口地區(qū)的滯后時(shí)間。采用崇明洲頭站、楊林站和六滧站2022年9月至2023年4月期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)位分析，分別選取不同的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)起始時(shí)間和不同的上游流量情況，對(duì)大通站不同流量情況下開(kāi)始影響長(zhǎng)江口地區(qū)鹽度的時(shí)間差進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。站點(diǎn)鹽度數(shù)據(jù)與大通站流量數(shù)據(jù)的錯(cuò)位時(shí)間選取為0～10 d，兩種數(shù)據(jù)起始時(shí)間分別約對(duì)應(yīng)大通站15 000 m3/s與10 000 m3/s兩種流量情況，選取對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)最大的錯(cuò)位天數(shù)作為大通站流量顯著影響相應(yīng)站點(diǎn)的代表時(shí)間，分析結(jié)果如表2所列。

由表2可知大通站流量開(kāi)始影響3個(gè)站點(diǎn)鹽度的時(shí)間分別約為5，6 d和7 d，這與現(xiàn)有研究約為6 d的結(jié)論基本相符［34-35］，其中，在各種數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和起始條件下楊林站的錯(cuò)位天數(shù)較為穩(wěn)定，均在6 d左右，而另外兩個(gè)站點(diǎn)在不同條件下錯(cuò)位天數(shù)存在3 d左右的差別，表明錯(cuò)位時(shí)間5 d和7 d僅能代表研究周期內(nèi)咸潮入侵過(guò)程整體情況，而在短期咸潮入侵過(guò)程中則可能存在較大的不同。整體而言，3個(gè)站點(diǎn)鹽度數(shù)據(jù)均與大通站流量呈現(xiàn)較顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系，證明大通站流量對(duì)于整個(gè)長(zhǎng)江口地區(qū)咸潮入侵均存在很大的影響，是影響2022年9月起咸潮入侵的關(guān)鍵控制因素，但不同流量條件下流量數(shù)據(jù)與鹽度數(shù)據(jù)的相關(guān)性有較大不同，需要進(jìn)一步分析。

3.3? 咸潮入侵影響因素

本文主要分析上游來(lái)水和潮動(dòng)力變化情況，將其作為判斷咸潮入侵程度和范圍的影響因素。由于咸潮入侵存在半日潮和半月潮等規(guī)律，則簡(jiǎn)單將上游來(lái)水與其進(jìn)行相關(guān)性判斷得到的結(jié)論不夠準(zhǔn)確，需對(duì)不同上游來(lái)水與咸潮入侵期進(jìn)行分類(lèi)后進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

對(duì)于大通站上游來(lái)水情況的臨界值，本文選取15 000，12 000 m3/s和10 000 m3/s 3種控制流量，確定了4組流量梯度工況，分別為：工況Ⅰ大通站流量大于15 000 m3/s，工況Ⅱ 12 000～15 000 m3/s，工況Ⅲ 10 000～12 000 m3/s，工況Ⅳ小于10 000 m3/s。

2022年9月1日至2023年4月30日，從崇明洲頭站、楊林站和六滧站分別收集到了242組日均鹽度數(shù)據(jù)，分別按照上文分析的大通站流量的影響時(shí)間進(jìn)行5，6，7 d的錯(cuò)位匹配，再對(duì)4組流量梯度工況和咸潮的出現(xiàn)情況進(jìn)行卡方分析。

以鹽度值0.45 ‰為咸潮入侵臨界值分析的結(jié)果顯示，總體情況下崇明洲頭站的咸潮入侵情況與大通站流量梯度有顯著關(guān)系（χ2=69.468，P<0.001）（圖6（a）），但在工況Ⅱ的條件下，咸潮入侵的發(fā)生與否分布較為平均，這表明大通流量低于15 000 m3/s時(shí)，長(zhǎng)江口北支就易發(fā)生口外鹽水倒灌的情況，且在工況Ⅱ?qū)?yīng)的流量區(qū)間內(nèi)，咸潮入侵同時(shí)受到其他因素影響，與上游來(lái)水的小幅變化共同決定了咸潮上溯的具體情況。楊林站的咸潮入侵情況與大通站流量梯度也呈現(xiàn)出顯著關(guān)系（χ2=51.319，P<0.001）（圖6（b）），且結(jié)果分布顯示，楊林站僅在大通站流量低于12 000 m3/s時(shí)，咸潮入侵情況才較為明顯，表明該站點(diǎn)受上游流量減少的影響相對(duì)較小，這也與楊林站位于南支中段，干流水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)有直接關(guān)系。六滧站的咸潮入侵情況與大通站流量梯度呈現(xiàn)出極顯著關(guān)系（χ2=124.194，P<0.001）（圖6（c）），除非大通站流量高于15 000 m3/s，其他流量情況下該站均發(fā)生了嚴(yán)重的咸潮入侵，在大通站流量低于10 000 m3/s時(shí)咸潮入侵率達(dá)到100%，這既是因?yàn)榱鶞臼蔷嚯x口外海水源最近的站點(diǎn)，較易接觸口外高鹽度水體；也是因?yàn)殚L(zhǎng)江干流流量經(jīng)過(guò)兩次分流后水動(dòng)力被削弱，口外海水上溯動(dòng)力更強(qiáng)。

由圖6還可以看出：六滧站在4組流量工況下咸潮入侵規(guī)律均顯示出了顯著的差異性，崇明洲頭站在工況Ⅱ?qū)?yīng)的大通站流量區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)較均勻的分布現(xiàn)象，而楊林站則在工況Ⅲ+工況Ⅳ的條件下呈現(xiàn)出了一定的均勻分布現(xiàn)象，這表明后二者在這些工況下的咸潮入侵情況無(wú)法僅依靠對(duì)應(yīng)的大通站流量作為分析依據(jù)，還需要考慮潮動(dòng)力等其他的影響因素。

通過(guò)繪制的散點(diǎn)圖（圖7（a））可知，在12 000～15 000 m3/s的大通站流量背景下，崇明洲頭站的鹽度超標(biāo)率為41.5%，且在潮差大于2.74 m時(shí)，咸潮入侵的情況顯著加劇。其中潮差低于2.74 m時(shí)鹽度超標(biāo)的發(fā)生率為18.2%，高于2.74 m時(shí)則提升至80%，表明崇明洲頭站在該流量梯度內(nèi)其鹽度超標(biāo)的情況與潮差是否大于2.74 m形成了顯著差異（χ2=19.601，P<0.001），可以在一定程度上說(shuō)明中潮以及大潮情況下，在該流量梯度內(nèi)崇明洲頭站發(fā)生北支倒灌的鹽水入侵的幾率將大大增加。

楊林站的散點(diǎn)圖（圖7（b））顯示，即使上游來(lái)水較小，該站點(diǎn)鹽度超標(biāo)情況與潮差的變化并沒(méi)有存在顯著相關(guān)性，但該站點(diǎn)的日均鹽度數(shù)據(jù)局部最大值隨著潮差的增大呈現(xiàn)了上升趨勢(shì)（潮差從1.0 m增大到3.5 m的過(guò)程中鹽度由0.93‰提高至3.39‰），可見(jiàn)雖然楊林站在大通站低流量情況下發(fā)生咸潮入侵情況的比例相較其他兩個(gè)站點(diǎn)低，但潮動(dòng)力依舊影響著其咸潮入侵的程度。

3.4? 壓咸補(bǔ)淡成效分析

為了應(yīng)對(duì)2022年9月不平常的“汛期返枯”的現(xiàn)象，以有效緩解長(zhǎng)江口地區(qū)咸潮入侵對(duì)工業(yè)和居民用水的影響，長(zhǎng)江水利委員會(huì)啟動(dòng)了壓咸補(bǔ)淡應(yīng)急調(diào)度［36］，讓以三峽水庫(kù)為核心的水庫(kù)群于10月2～11日期間累計(jì)向下游補(bǔ)水41.53億m3?，F(xiàn)有研究表明，三峽水庫(kù)下泄流量影響到大通站的時(shí)間約為5.5 d［36］，即三峽水庫(kù)下泄流量約在2022年10月8日對(duì)大通站流量產(chǎn)生影響。壓咸補(bǔ)淡期間，大通站流量自10月8日起，連續(xù)5 d流量增加量達(dá)到500 m3/s，隨后3 d來(lái)流量穩(wěn)定在13 700 m3/s左右，較10月5日補(bǔ)水影響前的最低日均流量（7 400 m3/s）提升了85%，效果十分顯著。10月17日補(bǔ)水影響基本結(jié)束，大通站日均流量開(kāi)始回落，首先快速跌至10月23日的11 100 m3/s左右，隨后均勻跌至10月31日的10 000 m3/s并達(dá)到局部穩(wěn)定的情況。

壓咸補(bǔ)淡期間大通站的日均流量以及長(zhǎng)江口3個(gè)站點(diǎn)的日均鹽度數(shù)據(jù)過(guò)程線(xiàn)如圖8所示，其中鹽度過(guò)程時(shí)間采取錯(cuò)位6 d的對(duì)應(yīng)日期。在壓咸補(bǔ)淡措施影響至長(zhǎng)江口地區(qū)前，3個(gè)站點(diǎn)的鹽度數(shù)據(jù)均大于臨界鹽度0.45‰，當(dāng)大通站流量從10月11日起大于12 000 m3/s開(kāi)始，正式進(jìn)入壓咸補(bǔ)淡影響期（圖8陰影部分）。10月15日崇明洲頭站的鹽度出現(xiàn)第一次陡降，由3.051‰降至1.679‰，降幅達(dá)到45%；10月17日楊林站的鹽度出現(xiàn)第一次陡降，由1.247‰降至0.505‰，降幅達(dá)到60%。兩站點(diǎn)鹽度均在10月18日降至臨界線(xiàn)以下，但之后幾天的鹽度走向略有不同。崇明洲頭站保持低鹽度水平持續(xù)至10月24日左右，中間幾乎沒(méi)有波動(dòng)；而楊林站在10月22～25日期間存在鹽度反彈，隨后有短期波動(dòng)，至10月28日鹽度再次超標(biāo)。六滧站在壓咸補(bǔ)淡過(guò)程期間的鹽度變化情況與大通站上游來(lái)水之間的關(guān)系并不顯著，其原因主要是10月17日附近的強(qiáng)冷空氣伴隨的偏北風(fēng)產(chǎn)生了向陸的艾克曼輸送，導(dǎo)致北港咸潮入侵加劇，因此先于其他兩個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)了鹽度的劇烈反彈。而且壓咸補(bǔ)淡期間大通站流量依舊低于15 000 m3/s，在2022年9月至2023年4月的整個(gè)過(guò)程中，處于該流量級(jí)及以下的情況，六滧站日均鹽度超標(biāo)率達(dá)到94.5%，因此補(bǔ)水后北港受南支下泄的水動(dòng)力影響依舊不足，導(dǎo)致該站點(diǎn)壓咸效果較差。綜上可知，在崇明洲頭站鹽度低于臨界鹽度，即長(zhǎng)江口北支咸水倒灌現(xiàn)象強(qiáng)度較弱時(shí)，楊林站的主要咸水來(lái)源為南支上溯，因此在10月21～28日期間，楊林站與六滧站的鹽度變化過(guò)程類(lèi)似，均為先增后減，但由于艾克曼效應(yīng)導(dǎo)致在北港與南港范圍內(nèi)較易形成環(huán)流，且冷空氣導(dǎo)致的強(qiáng)北風(fēng)僅從10月17日起持續(xù)了近3 d，因此整體對(duì)南支中上范圍的影響有限，楊林站鹽度僅提高至0.825‰。而當(dāng)崇明洲頭站鹽度于10月26日陡增至1.658‰后，楊林站鹽度也于10月28日和29日迎來(lái)兩次陡增，證明在此期間內(nèi)咸水倒灌進(jìn)南支的影響范圍擴(kuò)大至瀏河口及以下區(qū)域。

除此之外，壓咸補(bǔ)淡措施的時(shí)間選取也是關(guān)鍵。此次長(zhǎng)江口壓咸補(bǔ)淡措施具體實(shí)施時(shí)間是通過(guò)分析推演天文潮汐規(guī)律，得知10月19日為長(zhǎng)江口最小低潮，3個(gè)站點(diǎn)潮差分別低至1.01，1.16 m和1.03 m，受潮位整體降低影響，10月17～21日的天然鹽度也將有所降低。根據(jù)上文提到的各站點(diǎn)在12 000～15 000 m3/s的大通來(lái)水情況下鹽度超標(biāo)的比例來(lái)看，在該流量區(qū)間內(nèi)崇明洲頭站是受潮位影響最大的，控制在其日均潮差低于2.74 m的情況下補(bǔ)水產(chǎn)生的咸潮抑制效果將最優(yōu)，但抑制六滧站及南支上溯的咸水范圍和濃度則更需要提高補(bǔ)水的水量，這在現(xiàn)有的補(bǔ)水方案中較難實(shí)現(xiàn)，因此選擇天文潮動(dòng)力較弱時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水的必要性依然很大。

4? 結(jié) 論

本文基于2022年9月至2023年4月的長(zhǎng)江口枯水期咸潮入侵情況，運(yùn)用Spearman相關(guān)性分析和卡方分析等方法分析徐六涇站、崇明洲頭站、楊林站和六滧站的鹽度和潮水位數(shù)據(jù)，以及同期大通站和徐六涇站的流量、風(fēng)力風(fēng)向數(shù)據(jù)，主要得到以下結(jié)論：（1） 2022年9月起長(zhǎng)江干流流量持續(xù)偏低，僅為三峽水庫(kù)運(yùn)行后同期的52%左右，枯水期提前疊加臺(tái)風(fēng)和天文大潮情況，導(dǎo)致長(zhǎng)江口區(qū)域咸潮入侵時(shí)間早、范圍廣且強(qiáng)度高。2022年9月至2023年4月，崇明洲頭站、楊林站和六滧站測(cè)得的鹽度均值分別達(dá)到1.922‰，0.585‰和2.134‰。

（2） 2022年大通站流量與徐六涇凈下泄流量的差值約為5.59%，流經(jīng)大通站的水量將分別通過(guò)5，6 d和7 d開(kāi)始最大程度影響崇明洲頭站、楊林站與六滧站的咸潮入侵情況。

（3） 長(zhǎng)江口流域的咸潮入侵主要與長(zhǎng)江口的凈下泄流量有關(guān)。當(dāng)大通站流量高于15 000 m3/s時(shí)，主要水源地附近的水文站點(diǎn)發(fā)生鹽度超標(biāo)現(xiàn)象的比例低于15%，而當(dāng)大通站流量低于10 000 m3/s時(shí)，這一指標(biāo)的比例將高于85%。當(dāng)大通站流量處于12 000～15 000 m3/s之間時(shí)，崇明洲頭站潮差是否大于2.74 m是其受咸潮入侵的重要影響因素，而楊林站受多條咸潮上溯通道共同影響，未體現(xiàn)出明顯的相關(guān)規(guī)律。

（4） 本次長(zhǎng)江口壓咸補(bǔ)淡措施選取天文潮汐的小潮期作為壓咸補(bǔ)淡的目標(biāo)作用時(shí)間，并使影響期間大通站流量達(dá)到12 000 m3/s，在南支上段取得了較好的調(diào)水效果。

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（編輯：胡旭東）

Causes analysis of saltwater intrusion in Yangtze River Estuary during extreme drought and countermeasures

CHEN Zhiyuan1，2，WU Jingwen3，QIAO Hongjie3，CHEN Hexiang1，2，JIN Guangqiu1，2

（1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;

2.The National Key Laboratory of Water Disaster Prevention，Hohai University，Nanjing 210098，China;

3.Yangtze River Estuary Investigation Bureau of Hydrology and Water Resources，Changjiang Water Resources Commission，Shanghai 200136，China）

Abstract：

In 2022，the upper reaches of the Yangtze River suffered extreme drought，and the saltwater intrusion in the Yangtze River Estuary （YRE） was intensified，leading to a severe test on regional water security.To investigate the causes and countermeasures of saltwater intrusion under extreme drought，this paper analyzed salinity，tide level，wind speed and direction data during low water periods between 2019 and 2023，as well as runoff data from upstream Datong Station during the same period.Spearman correlation analysis and Chi-square analysis were employed to examine the process of saltwater intrusion in September 2022 and identify key influencing factors.The analysis results revealed that：① Due to extreme drought，the dry conditions of the main stream of the Yangtze River advanced to August 2022.Combined with typhoons and astronomical spring tides，the salinity of Chongmingzhoutou Station，Yanglin Station and Liuyao station in the YRE greatly exceeded the limit from September 2022 to April 2023，reaching 1.922‰，0.585‰ and 2.134‰.② The three salinity monitoring stations located in the YRE experienced varying degrees of saltwater intrusion based on their respective upstream incoming water conditions.When the discharge at Datong Station fell below 15 000 m3/s，different regions along the estuary would be affected by saltwater intrusion accordingly.③ In October 2022，recharging fresh water for repelling saltwater intrusion were implemented during neap tide periods within the YRE.These measures resulted in an increase of discharge at Datong Station to over 12 000 m3/s after water replenishment and effectively compressed saline levels in the upper part of the southern branch.These findings provide theoretical support for analyzing factors contributing to saltwater intrusion across various areas within the YRE，and developing strategies for managing recharging fresh water for repelling saltwater intrusion.

Key words：

saltwater intrusion; salinity; streamflow; tidal range; recharging fresh water for repelling saltwater intrusion; Yangtze River Estuary