枯水期咸潮入侵對(duì)長(zhǎng)江口水源地氯化物影響分析

摘要：為了解枯水期特枯流量下長(zhǎng)江口咸潮對(duì)三大水庫(kù)的取水影響，2023年1月開展了枯水期長(zhǎng)江口咸潮監(jiān)測(cè)?；趯?shí)測(cè)資料，分析了不同區(qū)域不同潮時(shí)下的氯化物濃度變化情況。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了長(zhǎng)江口三大水庫(kù)受咸潮影響的程度各有不同。結(jié)果表明：青草沙水庫(kù)主要受北港正面入侵影響，此次大潮期與小潮期相比，氯化物濃度最大值相差約150 mg/L，大潮期更易發(fā)生咸潮入侵；陳行水庫(kù)主要受北支倒灌影響，但在這一次調(diào)查中未受影響；東風(fēng)西沙水庫(kù)則受潮汐和北支倒灌雙重影響。在崇頭和北港區(qū)域，氯化物濃度存在明顯分層現(xiàn)象。此次調(diào)查成果可為咸潮預(yù)報(bào)、水庫(kù)優(yōu)化取水調(diào)度提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：咸潮入侵； 枯水期； 氯化物； 長(zhǎng)江口

中圖法分類號(hào)：P731.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.006

文章編號(hào)：1006-0081（2024）09-0036-06

0 引 言

為了支撐上海市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，確保人民生活及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)對(duì)水資源的需求，2010年后位于長(zhǎng)江河口的青草沙水庫(kù)開始供水。目前，青草沙水庫(kù)的供水范圍已經(jīng)覆蓋楊浦、浦東等區(qū)域，受益人口超過上海人口的一半。同時(shí)，位于崇明島的東風(fēng)西沙水庫(kù)、位于寶山區(qū)的陳行水庫(kù)，也分別從長(zhǎng)江取水，給附近區(qū)域城鎮(zhèn)居民供水。

長(zhǎng)江河口區(qū)的水文、沉積等特殊條件，形成了典型的多分汊、多洲灘的地貌系統(tǒng)。長(zhǎng)江口每年的入海流量雖然巨大，但年內(nèi)分配不均，枯季11月至次年4月的半年期間，流量?jī)H占全年的28.3%［1］，在此期間，極易發(fā)生咸潮入侵，對(duì)人民的飲用水安全及工農(nóng)業(yè)用水造成影響，因此三大水庫(kù)取水時(shí)需準(zhǔn)確估算咸潮的發(fā)生時(shí)間及持續(xù)時(shí)段。按照國(guó)家地表水標(biāo)準(zhǔn)，以氯化物濃度250 mg/L為取水上限，超過此限值則不宜取水。

長(zhǎng)江口三大水庫(kù)庫(kù)容不同，抵御長(zhǎng)江口咸潮入侵影響的時(shí)間也不同。2022年長(zhǎng)江汛期以來，長(zhǎng)江流域出現(xiàn)類似2006年的大范圍干旱，降雨及上游來水均嚴(yán)重偏少，長(zhǎng)江發(fā)生流域性嚴(yán)重枯水［2］，中下游干流8月出現(xiàn)超100 a一遇枯水，9月平均下泄流量為9 600 m3/s，最小流量6 400 m3/s，已經(jīng)遠(yuǎn)低于枯季特枯流量的標(biāo)準(zhǔn)（枯季特枯流量小于13 616 m3/s）［3］，造成長(zhǎng)江口9月開始持續(xù)產(chǎn)生咸潮入侵，嚴(yán)重影響了長(zhǎng)江口區(qū)域的供水。

通過模型演算可以很大程度預(yù)測(cè)咸潮發(fā)生的過程，為水庫(kù)科學(xué)安排取水時(shí)間提供依據(jù)，但極端氣候變化會(huì)強(qiáng)化咸潮影響的時(shí)間和范圍，增加模型演算誤差，需要及時(shí)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充修正［4-7］。因此，在長(zhǎng)江口徑流量達(dá)到特枯年份標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)咸潮影響過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，研究咸潮變化規(guī)律，對(duì)分析特枯年份的咸潮影響是非常重要的補(bǔ)充手段。本文通過分析2023年1月長(zhǎng)江口現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，研究水源地區(qū)域氯化物濃度變化過程，以期為新形勢(shì)下長(zhǎng)江口水庫(kù)防范咸潮風(fēng)險(xiǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 長(zhǎng)江口咸潮成因及變化分析

咸潮是海洋潮汐中的一種特殊現(xiàn)象，通常出現(xiàn)在河口或半封閉的海灣。長(zhǎng)江口咸潮主要是由海水強(qiáng)制入侵導(dǎo)致，當(dāng)海水受潮汐影響進(jìn)入長(zhǎng)江口時(shí)，會(huì)隨漲潮流將高鹽度水體推入河口區(qū)域，導(dǎo)致該區(qū)域水體鹽度上升，形成咸潮。咸潮的強(qiáng)度及變化過程，主要受長(zhǎng)江口徑流量、潮汐因素影響［7］，同時(shí)，氣象、海平面變化、逐漸改變的地形以及工程也會(huì)造成咸潮的強(qiáng)度及咸水團(tuán)的移動(dòng)路徑發(fā)生變化［2，7-10］。

1.1 長(zhǎng)江流域徑流量影響

長(zhǎng)江流域徑流量是影響長(zhǎng)江口咸潮強(qiáng)度的主要因素之一。長(zhǎng)江流域的水文條件變化，如豐水、平水和枯水年份的流量變化，尤其是11月至次年4月枯季下泄流量的變化，會(huì)直接導(dǎo)致長(zhǎng)江口咸潮強(qiáng)度的變化。當(dāng)長(zhǎng)江徑流量較大時(shí)，下泄的淡水會(huì)沖淡上溯進(jìn)入河口的海水，降低長(zhǎng)江口的水體鹽度，減弱咸潮的強(qiáng)度及水庫(kù)不可取水天數(shù)。反之，當(dāng)長(zhǎng)江徑流量減少時(shí)，通過漲潮流上溯及北支倒灌產(chǎn)生的咸水團(tuán)會(huì)加強(qiáng)咸潮影響，進(jìn)而影響水庫(kù)蓄水［4，7，11］。

1.2 潮汐因素影響

潮汐條件是長(zhǎng)江口咸潮強(qiáng)度的重要影響因素之一，這一因素主要受天文及大尺度地形影響。長(zhǎng)江口地區(qū)潮汐為非正規(guī)半日潮，完成一個(gè)大、中、小潮的變化過程一般在8 d左右。同時(shí)，長(zhǎng)江口地區(qū)潮差大，通常在2～4 m左右，意味著海水的漲落幅度大，進(jìn)而對(duì)水流的運(yùn)動(dòng)和沉積物的懸浮與輸運(yùn)產(chǎn)生更大的影響。大潮往往會(huì)造成咸潮上溯能力增強(qiáng)，而當(dāng)下泄流量減少，同時(shí)遇到大潮潮差加大時(shí)，兩者疊加就會(huì)加強(qiáng)咸水團(tuán)的上溯，增大長(zhǎng)江口咸水團(tuán)的控制范圍和影響時(shí)長(zhǎng)［4，7，12］。

1.3 氣象因素影響

氣象因素也是導(dǎo)致長(zhǎng)江口枯水期形成咸潮的重要因素之一。首先，從大尺度來說，溫潤(rùn)的氣候、豐沛的雨季會(huì)保障上游來水充足，形成較大的長(zhǎng)江徑流，緩和咸潮的強(qiáng)度和影響。其次，從小尺度來說，臺(tái)風(fēng)、寒潮等極端天氣可能會(huì)對(duì)長(zhǎng)江口咸潮的形成和發(fā)展產(chǎn)生影響，秋冬季的強(qiáng)勁北風(fēng)會(huì)加強(qiáng)長(zhǎng)江口咸潮影響［3-7］。

2022年夏季汛期，在長(zhǎng)江徑流出現(xiàn)歷史性持續(xù)低量時(shí)，咸潮影響已初露端倪，9月4日開始接踵而至的“軒嵐諾”“梅花”“南瑪都”等臺(tái)風(fēng)推動(dòng)海水入江，加劇了咸潮入侵的強(qiáng)度和持久度，咸潮影響一直上溯到白茆口上游附近，長(zhǎng)江低徑流量又未能緩和咸潮的持續(xù)影響，使長(zhǎng)江口三大水庫(kù)在9月份就已經(jīng)面臨連續(xù)多日的取水困難。

1.4 長(zhǎng)江口地形及工程影響

長(zhǎng)江口水下地形的變化也會(huì)影響水流的速度和方向。1954 年特大洪水（大通站流量92 600 m3/s）后，隨著北槽的貫通，形成了目前長(zhǎng)江口三級(jí)分汊四口入海的格局，能下泄百年一遇的特大洪水而不會(huì)發(fā)生重大變化，在工程守護(hù)下，長(zhǎng)江出?？诘靡苑€(wěn)固。同時(shí)，局部區(qū)域由于徑流與潮流都很強(qiáng)勁，而組成沙洲的物質(zhì)抗沖刷性能差，在不斷沖刷和淤積的交替影響下，沙洲始終保持動(dòng)態(tài)變化，不斷滿足新的平衡需求［9］。

此外，工程影響也會(huì)改變長(zhǎng)江口分流比。長(zhǎng)江口深水航道整治工程之前，1998年4月調(diào)查結(jié)果顯示，北槽和南槽的分流比約為55∶45，根據(jù)模型預(yù)測(cè)，工程完工后分流比為49∶51。2012年9月長(zhǎng)江口綜合調(diào)查結(jié)果顯示，漲潮潮量分流比，北槽和南槽約為45∶55，使北槽和南槽流量的主從作用發(fā)生了較大的改變［8-9］，對(duì)咸潮上溯的路徑產(chǎn)生了影響。從1974～2020年的衛(wèi)星照片分析可知，長(zhǎng)江口北支上、中段因人類活動(dòng)及自然沖淤影響發(fā)生了很大的改變，不斷收縮的河寬減小了北支對(duì)南支的倒灌影響，使長(zhǎng)江口咸潮發(fā)生的強(qiáng)度逐步降低和影響天數(shù)也減少［10］。

1.5 海平面長(zhǎng)期影響

海平面的長(zhǎng)期變化也會(huì)影響到咸潮的發(fā)生。海平面的逐年上升會(huì)增強(qiáng)鹽水上溯強(qiáng)度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980～2018年，中國(guó)沿海海平面上升速度為3.3 mm/a。按照模型估算，以1999年冬季、2006年秋季和2011年春季的低徑流條件為參考，根據(jù)海平面上升速度預(yù)測(cè)至2100年，長(zhǎng)江口的淡水資源將大幅下降，水庫(kù)最長(zhǎng)不宜取水天數(shù)也會(huì)有所增加［9，13］。

2 枯水期調(diào)查

針對(duì)2022年秋冬季長(zhǎng)江口持續(xù)發(fā)生的咸潮入侵，為研究長(zhǎng)江口咸潮入侵機(jī)理，積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證及改進(jìn)咸潮入侵模型精度，從而為城市水源地原水調(diào)度提供科學(xué)支撐，2023年1月6日（臘月十五）至1月14日（臘月廿三）在長(zhǎng)江口開展了咸潮專項(xiàng)調(diào)查。自南北支分汊口上游的蘇通大橋至橫沙島東側(cè)的北港口范圍內(nèi)，根據(jù)地形變化及潮流特點(diǎn)，布設(shè)了11條固定垂線及兩條縱向斷面，對(duì)長(zhǎng)江口的潮流、鹽度等參數(shù)進(jìn)行覆蓋大、中、小潮的同步持續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)位置見圖1。

調(diào)查期間采用ADCP監(jiān)測(cè)流速流向，按照6點(diǎn)法對(duì)定點(diǎn)垂線的鹽度進(jìn)行分層測(cè)量，采用電導(dǎo)率儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，每小時(shí)觀測(cè)一次，每次觀測(cè)10 min。圖1中BMSB點(diǎn)位于東風(fēng)西沙水庫(kù)取水口，LHK點(diǎn)位于陳行水庫(kù)取水口，QCS點(diǎn)位于青草水庫(kù)沙取水口，CT點(diǎn)位于崇頭，分別用于分析三大水庫(kù)取水口及崇頭北支咸潮倒灌影響。

3 調(diào)查分析

本次調(diào)查期間，長(zhǎng)江口三大水庫(kù)未見咸潮影響，但水庫(kù)周邊及崇頭、北港口等區(qū)域附近的氯化物濃度變化過程，在不同區(qū)域、不同潮期的表現(xiàn)形式有所不同，仍然說明長(zhǎng)江口咸潮存在著北支倒灌及大潮期正面沖擊的疊加影響。

3.1 徑流量影響分析

本次調(diào)查期間，雖然長(zhǎng)江大通流量保持在9 600～9 700 m3/s左右，處于統(tǒng)計(jì)學(xué)上的枯水期特枯流量范圍內(nèi)［3］，和往年相比仍處于偏枯（大通站1月多年平均流量11 900 m3/s）水平，也低于歷史上可能會(huì)造成陳行水庫(kù)連續(xù)7 d無法取水的11 800 m3/s的臨界流量［14］，但整個(gè)調(diào)查期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)取水產(chǎn)生較強(qiáng)影響的咸潮入侵過程，三大水庫(kù)附近的氯化物濃度均滿足低于250 mg/L的取水標(biāo)準(zhǔn)。

因此，可以認(rèn)為長(zhǎng)江徑流量對(duì)咸潮的影響程度和以往相比可能已有所不同，以往在相似徑流條件下，1～2月份幾乎必然出現(xiàn)的咸潮入侵影響可能隨著某些影響因素的變化而有所變化，其原因還需深入分析。

3.2 水庫(kù)取水口附近潮汐影響分析

青草沙水庫(kù)（QCS）取水口附近氯化物濃度受潮汐影響較為顯著，隨漲落潮有明顯的變化過程，且大潮時(shí)期的變化幅度遠(yuǎn)大于小潮時(shí)期。大潮期間氯化物濃度最大值為192 mg/L，變化幅度為144 mg/L；小潮期間最大值為46 mg/L，變化幅度僅為23 mg/L，見圖2。說明該區(qū)域的氯化物濃度較易受漲潮流的直接影響，長(zhǎng)江口外高濃度咸水較易隨漲潮影響到青草沙水庫(kù)。而且，大潮期間水動(dòng)力強(qiáng)勁，較易將長(zhǎng)江口外咸水體推送入北港。

東風(fēng)西沙上游白茆沙北（BMSB）的氯化物濃度整體在20～50 mg/L之間波動(dòng)，隨漲落潮有明顯的潮汐變化，但大、小潮期間的變化幅度并沒有表現(xiàn)出有明顯差異?？紤]到該處位置離長(zhǎng)江口門較遠(yuǎn)，分析其氯化物濃度應(yīng)主要受來自上游的崇頭和下游的新橋水道水體的交互影響。上下游水體鹽度的差異造成該處水體鹽度隨漲落潮有所變化，但大、小潮的潮汐強(qiáng)度差異已經(jīng)較難在該處水體有所反映。

陳行水庫(kù)（LHK）在本次調(diào)查期間氯化物濃度始終保持在30～50 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)，且其變化過程沒有表現(xiàn)出明顯的潮汐影響，尤其在中、小潮時(shí)氯化物濃度基本在30～35 mg/L的窄幅區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。這說明陳行水庫(kù)附近雖然有潮汐影響，但其上下游水體中的鹽度已基本保持一致。

3.3 北支倒灌影響分析

通過分析崇頭、東風(fēng)西沙水庫(kù)、陳行水庫(kù)附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以看到北支倒灌的影響自崇頭至陳行水庫(kù)呈現(xiàn)逐漸降低的特征。本次調(diào)查期間，陳行水庫(kù)附近受北支倒灌影響的程度不明顯。

東風(fēng)西沙水庫(kù)取水口附近氯化物濃度除了受潮汐影響外，同時(shí)也表現(xiàn)出受北支倒灌影響的特征，具體表現(xiàn)在大小潮期間氯化物濃度的變化過程有著明顯差異，雖然變化幅度接近，但大潮與中小潮的變化過程卻有所不同。從氯化物濃度和潮流變化過程線可以看到，大潮時(shí)氯化物濃度會(huì)隨著落潮逐步降低，但中小潮時(shí)，潮水由漲轉(zhuǎn)落后，氯化物濃度仍然會(huì)逐步上升，待落潮4～5 h后才逐步下降，驗(yàn)證了其氯化物濃度除了來自于下游的漲潮流外，還來自于上游的北支倒灌的疊加影響，見圖3～5。

同期青草沙水庫(kù)的氯化物濃度沒有表現(xiàn)出明顯的受北支倒灌影響特征。而以往同樣較易受北支倒灌影響的陳行水庫(kù)，在整個(gè)調(diào)查期間的氯化物濃度雖然有小幅波動(dòng)，但沒有明顯的變化特征。這可能是由于本次調(diào)查期間北支倒灌的影響并沒有強(qiáng)烈到能夠影響到陳行水庫(kù)。

位于南北支分岔處的崇頭水庫(kù)受北支倒灌影響尤為明顯，大潮時(shí)崇頭的氯化物濃度基本沒有變化（30～50 mg/L），僅隨落潮有小幅上升，但中、小潮時(shí)隨落潮有明顯的大幅上升過程，且小潮分層單點(diǎn)最高達(dá)到741 mg/L，振幅達(dá)到700 mg/L（圖6）。從小潮氯化物濃度上升的時(shí)間點(diǎn)來看，崇頭的氯化物濃度是在落潮期間快速上升，漲潮后快速下降，也說明了其高鹽度水體來自于北支倒灌鹽水（圖7）。上述變化過程和崇頭下游的東風(fēng)西沙氯化物濃度變化過程非常相似，可以確定在中小潮時(shí)，落潮開始后，從崇頭流經(jīng)的高濃度咸水團(tuán)會(huì)擴(kuò)散至東風(fēng)西沙水庫(kù)附近。

3.4 咸潮 “分層”特征

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看到，高濃度咸水團(tuán)在行進(jìn)過程中，會(huì)存在明顯的“分層”特征。在崇頭、北港等區(qū)域表現(xiàn)尤為明顯，形似“咸舌”。隨著氯化物濃度上升，分層現(xiàn)象較為明顯，底層最大、中層次之、表層最低。隨著潮流混合，分層現(xiàn)象逐漸消除，上下層氯化物濃度趨于一致（圖8），說明高濃度咸水團(tuán)行進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的“鍥形”形態(tài)。青草沙水庫(kù)在漲落潮不同階段也有類似現(xiàn)象（圖9），這種現(xiàn)象對(duì)取水口選擇合適的取水時(shí)間和取水位置提出了較高的要求，即使在落潮一定時(shí)間后，表層氯化物濃度降到250 mg/L時(shí)，中、下層水體的氯化物濃度也仍然可能超過較多。因此，需待下層水體氯化物濃度也降到250 mg/L時(shí)才能開閘引水。

4 結(jié)論與展望

本次在枯季開展的調(diào)查，對(duì)新形勢(shì)下水源地附近的氯化物濃度變化過程有了一定的了解，建議通過加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)等多種方式，提高上海市水源地抵御咸潮影響的能力。

（1） 本次調(diào)查期間，三大水庫(kù)附近均未發(fā)生咸潮影響，表明即使在長(zhǎng)江口枯季特枯流量下，咸潮影響也有可能較弱，不一定會(huì)對(duì)長(zhǎng)江口三大水庫(kù)取水造成影響。

（2） 長(zhǎng)江口南支，尤其是東風(fēng)西沙水庫(kù)附近仍然受北支倒灌影響，在中潮及小潮期尤為明顯，但陳行水庫(kù)在本次調(diào)查期間基本沒有受到咸潮影響。說明北支倒灌影響雖然仍然會(huì)影響到長(zhǎng)江口南支，但其影響程度比以往同期已有所降低。

（3） 青草沙水庫(kù)附近氯化物濃度主要受潮汐影響，其值在落潮一定時(shí)間后才逐漸下降，且存在明顯的分層現(xiàn)象。水庫(kù)應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，待下層水體氯化物濃度也降到250 mg/L時(shí)才能開閘引水。

本次調(diào)查范圍集中在南北支分汊口、南支、北港等傳統(tǒng)咸潮影響水域，對(duì)北支、南港、北槽、南槽等區(qū)域缺少關(guān)注，難以對(duì)北支咸水團(tuán)形成過程、南槽漲潮影響進(jìn)行分析判斷及驗(yàn)證。期待后續(xù)的調(diào)查過程中，加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)江口全流域的過程性監(jiān)測(cè)，摸清變化過程，提高咸潮預(yù)測(cè)能力。同時(shí)，建議通過建立咸潮入侵?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)預(yù)測(cè)咸潮發(fā)展過程、加強(qiáng)流域機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)調(diào)水、加速上海各原水廠并網(wǎng)供水、拓展原水取水渠道、通過工程減少北支倒灌影響等多種方式，提高上海市水源地抵御強(qiáng)咸潮影響的能力，增強(qiáng)城市韌性。

致 謝

感謝長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局張志林教授級(jí)高工，上海市海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心裘誠(chéng)高工的技術(shù)指導(dǎo)！

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（編輯：李 慧）

Impact analysis of saltwater intrusion on chloride of water source of Changjiang River Estuary during dry season

PAN Yujia1，BI Junfang2

（1.Shanghai Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center，Shanghai 200106，China； 2.Yangtze River Estuary Survey Bureau of Hydrology and Water Resource，Changjiang Water Resources Commission，Shanghai 200136，China）

Abstract：

In order to understand the impact of the saltwater intrusion in the Changjiang River Estuary on the water intake of the three major reservoirs under the condition of extremely low flow during the dry season，the monitoring of saltwater intrusion in Changjiang River Estuary was carried out in January 2023.Based on the actual measurement data，we analyzed the changes of chloride in different regions under different tides.The monitoring also verified that the three major Changjiang River reservoirs in Shanghai were affected by saltwater intrusion to different degrees with different sources.The Qingcaosha Reservoir was mainly affected by the frontal intrusion of Beigang，and the maximum chloride concentration difference between the high tide period was about 150 mg/L compared with the low tide period，and the saltwater intrusion was more likely to occur during the high tide period.Chenhang Reservoir was mainly affected by the backflow of the North Branch，but not affected in this investigation.Dongfengxisha Reservoir was affected by the effects of tidal and North Branch backflow.In addition，there was a stratification phenomenon in the chloride concentration in Chongtou and Beigang areas.The monitoring results can provide a reference for saltwater intrusion forecast and optimization of water intake operation.

Key words：

saltwater intrusion； dry period； chloride； Changjiang River Estuary