長江口水源地咸潮入侵應對預案體系

陳祖軍，阮仁良，韓昌來，沈華中，陳國光，夏雪瑾

(1.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335； 2.上海市水務局，上海 200050；3.長江防汛抗旱總指揮部，湖北 武漢 430010； 4.上海市供水調度監測中心，上海 200003；5.上海市水務規劃設計研究院，上海 200233)

大江大河河口區水源地供水安全一直是區域城市(鎮)政府及社會各界高度關注的重大民生保障問題[1]。長江口區城市(鎮)密集，人口眾多，工業與服務業發達[2]，在全國經濟社會發展中有著舉足輕重的地位，區域水源地供水安全保障程度影響深遠，意義重大。目前，長江口水源地已有5個，其中，上海有陳行、寶鋼、青草沙和東風西沙4個水庫，其原水總供水量占全市比例已超70%；江蘇省有太倉瀏河水庫，為太倉市主要水源地。每年枯水期長江口不同程度的咸潮入侵災害時常影響甚至威脅到區域供水安全，一直是困擾地方政府的一大隱患和重大民生問題。如，陳行水庫自1994年運行以來歷年咸潮入侵均有發生，每次影響少則兩三天，多則10余天，尤其2014年2月春節期間更是發生了史上最嚴重的咸潮入侵事件(連續20余天不能取水，造成上海部分城區停水)，引起國家有關部委和上海市委市府的高度重視，有關領導指示要求盡快組織好長江口咸潮應對工作，以有效協同機制與手段共保長江口水源地未來供水安全。本文在此背景下開展長江口水源地咸潮應對預案體系研究。

1 長江口咸潮入侵及其發展態勢

1.1 咸潮入侵基本特征

我國東海大陸架高鹽水團隨潮汐周期性沿河口上溯，并與長江入海徑流淡水不斷摻混而形成河口區咸淡水分布，且其含鹽量自陸向海、自口門內向口門外不斷升高。該咸潮入侵程度與長江上游干流下泄徑流量、潮汐、風應力、河口形態及水下地形等因素息息相關，諸因素相互耦合，導致歷年長江口水情復雜多變，咸潮隨之也呈各年各異特征[3-9]。總體上，長江口屬中等強度的多級分汊潮汐河口，其復雜的分支、港、槽和溝灘分布使水勢水流及咸水入侵形式與途徑極其復雜(圖1)，有外海咸水入侵型、咸水倒灌型、淺灘通道(串溝)水體交換型和漫灘歸槽型[5-6]。其中，外海咸水入侵有南槽、北槽、北港和北支4條途徑，且南槽和北槽入侵鹽水上溯至南北槽分流口段匯入南港后，咸水入侵又出現南港、北港和北支3條線路，且尤以北支最為嚴重(進潮量約占長江口進潮量的25%)，在枯季其鹽度甚高，往往繞過崇頭倒灌入南支，使得南支水域出現鹽度超標現象，影響到南支蘇滬兩地水源地供水安全，嚴重時會導致咸潮災害發生。自20世紀以來諸多單位及學者[9-12]開展過長江口咸潮入侵規律或機理研究，取得了不少成果，為長江口水資源開發利用尤其是蘇滬地區水源地建設與安全保障提供了技術支撐。

圖1 長江口水源地分布及咸潮入侵途徑示意圖

1.2 咸潮入侵發展態勢

a. 水源地咸潮入侵影響概況。咸潮入侵亦稱為咸水(或鹽水)入侵，是長江口淡水資源開發利用的最大制約因素[6，9-10]。長江口咸潮一般發生在冬春枯水季節(11—4月)，持續時間約6個月。每逢枯水期，長江口蘇滬地區水源地在一定時段內都會受到咸水入侵的威脅和影響，其持續時間一般5～7 d，多則10 d。陳行水庫自建成后1994—2014年共有125次咸潮入侵(該水庫最早建庫，咸潮資料齊全，其統計詳見表1)，其中，1998年長江流域大洪水后的1999—2008年間發生咸潮入侵最大次數為13次，每年入侵總天數最高達近80 d，年平均近54 d；2009—2014年咸潮入侵最大次數達12次，每年入侵總天數最高也在48 d左右，年平均達29 d[11]。寶鋼水庫咸潮入侵情況與陳行水庫接近；瀏河、青草沙、東風西沙水庫建庫及運行時間短，咸潮入侵情況稍好，但有待進一步觀測。

表1 長江口陳行水庫歷年咸潮發生的次數及咸潮經歷時間統計

b. 近年咸潮入侵新特點[12-14]。主要表現為北支咸水倒灌及外海正面襲擊雙重顯著增強的趨勢，尤以2013—2014年冬春季的咸潮出現歷時超常規入侵災害，其主因包括上游徑流量減小(月均值僅為11 500 m3/s，較前3年同期值均低)、潮動力增強(鹽鋒較一般年份上移超過30 km)、風應力作用強勢(歷經14 d偏北大風影響)以及河口河勢河床變化(河口深水航道建設等)等綜合影響。

2 長江口水源地咸潮入侵影響因素

影響長江口水源地咸潮入侵程度的因子眾多，但可歸類為自然水情因素和工程工情因素，二者互相作用與影響，導致河口咸情異常復雜多變。

2.1 潮汐強弱

潮汐強弱是影響河口水域咸潮入侵強弱的關鍵因素之一[8，14-15]。長江口受東海潮汐及喇叭形口門形態影響，潮汐呈現南北支及南北港等區域(段)時空分布不均的獨特變化特征，尤其東海潮汐強弱直接影響長江口咸潮強弱。中等強度的非正規半日潮型潮汐及外寬內窄的長江河口導致其潮流量巨大。研究[15]表明：一般情況下(即上游平均徑流量及口外為平均潮差時)進潮量可達年平均徑流量的9.2倍；若同時考慮風力助推影響，兩個全潮進潮量可達60億m3左右。長江口如此巨量潮流裹脅高鹽度潮水入侵至口門內，與上游徑流量的疊加作用必然會嚴重影響長江口區的鹽度分布狀況(上溯距離、鹽度三維分布及持續時長等)，但一般汛期上游徑流量大于3萬 m3/s時，河口區基本為淡水區；而枯水期日均流量小于1.5萬 m3/s時，咸潮強勁則會大大增加咸潮入侵風險和入侵程度。

2.2 徑流大小

河口上游徑流大小是影響河口水域咸潮入侵強弱的另一關鍵因素，兩者相關性特征已經被諸多研究[8，16-18]所證實。長江干流徑流量對長江口咸水入侵的影響呈現出中、大時間尺度的豐枯期(年或季)變化特征，且其間小時間尺度的徑流與潮流相互作用又會導致河口咸潮入侵的強度和入侵距離的多變性、復雜性。一般在長江汛期(每年6—8月)徑流量大，其相對于長江口門外潮汐潮動力占優，咸潮弱，河口區則幾乎為淡水所控制；而在非汛期(尤其在枯季冬春11—4月)情況則相反，徑流量小而潮流量占優，河口區沖淡水不斷減少，咸潮入侵時有發生。有研究[8，15-16]發現，長江大通站流量在不大于1萬 m3/s或不小于1.5萬 m3/s時，長江口區咸潮存在嚴重入侵或基本免遭咸潮侵擾的典型或臨界特征，鹽度與枯季月平均流量或某日徑流量持續時長有關。

2.3 氣候氣象變化

氣候氣象要素(風矢、降雨徑流等)變化也是影響河口咸情大小的重要因素[11，19-22]。小尺度氣候氣象主要是河口區域的季風變化導致的風應力或風矢量變化，中尺度氣候氣象可指長江流域范圍內氣候改變導致降雨條件及徑流量變化(中尺度影響可歸于徑流大小影響因素類)，而大尺度氣候氣象則是指全球氣候變化影響等。

2.3.1 風矢量的影響

風情對咸潮入侵的影響可認為小時間尺度的影響，主要表現在不同風矢量(即風速與風向)作用于河口區潮汐漲、落潮流，從而影響原有潮汐規律的強弱乃至咸潮入侵程度。風矢量與漲落潮流相向為正影響(助推助長作用)，逆向則為負影響(延緩滯遲作用)。不同風矢量可以產生不同的水平環流，由此對河口咸潮入侵產生一定的影響。有學者[19-20]對枯季北風產生的向岸埃克曼(Ekman)輸運、偏北風產生的北港咸潮入侵加強和南港及以下河段的咸潮入侵有所減弱等進行過一定探索，發現影響程度從大到小依次為正北風、西北風、東北風，入侵強度呈現隨風速增加而產生非線性增大的效果。

2.3.2 海平面上升影響

海平面變化對長江口咸水入侵的影響為大尺度氣候變化范疇，主要是通過外海(尤其黃海及東海區)平均潮位變化導致高鹽水潮汐進出河口區的強弱不同，從而影響該區的沖淡水分布狀況[8]。近百年來全球氣候變暖導致海平面一直不斷上升，其中中國沿海1980—2017年海平面上升速率為3.3 mm/a，高于同期全球平均水平；2017年中國沿海海平面為1980年以來的第4高位，高海平面發展趨勢必將加劇中國沿海尤其長江口咸潮入侵等災害[21]。另有研究預測[11，22]，海平面上升使長江口上海地區的咸潮入侵影響程度呈加劇態勢。

2.4 工程工情演變

工程工情演變對河口咸情程度的影響亦不可小視。自20世紀80年代以來，長江干流及長江口成為人類活動或人為干涉極其頻繁且嚴重的水域，沿江大中型跨江或河口橋梁、航道及港口、灘涂圈圍、三峽水利樞紐工程和南水北調工程以及其他各級各類涉水工程的蓬勃發展，嚴重影響干流來水規律及河口地形地勢，最終導致河口徑流和潮汐潮流態勢發生巨大變化，且以加劇河口水域咸潮入侵程度的負面影響為主。不少研究[23-25]表明，三峽水利樞紐工程及南水北調工程直接改變了長江的入海徑流量，其季節性水資源配置已經并將持續改變長江口咸潮入侵情勢，尤其對枯水期的影響更為嚴重。另外，工程工情管控調控及流域相關單位水資源開發利用的組織管理成效也是影響河口咸潮入侵態勢的不可或缺的重要因素，也是未來加強長江口咸潮應對需要考慮的重要方面。

3 長江口水源地咸潮災害應對措施

基于長江口水源地咸潮入侵影響因素的分析，可從調控長江干流或長江口自然水情因素、工程工情因素等入手，通過工程技術與非工程管理舉措，減輕長江口水源地咸潮災害影響程度。其中，工程技術舉措包括監測監控、預測預報、預案預警等手段；非工程管理舉措包括責權利相關方(主客體)職責明晰、組織管理模式(體制機制)等。

3.1 工程技術舉措

3.1.1 監測監控

應對長江口咸潮，必須全面開展和加強對長江干支流水文水情與水資源調控工情，長江口區及口門外潮汐及咸潮咸情、區域氣候氣象風情等關鍵要素的實時監測監控，為后期預報預測各要素變化趨勢提供模型模擬的基礎校驗支撐數據，盡早研判或預判其發展態勢和咸潮入侵程度等。監測監控工作須完善相關監測監控設備設施，優化布局，實現各要素情勢的有效監控與信息平臺實時化、智能化、智慧化。

3.1.2 預報預測

基于長江口咸潮影響要素的當前或近期的動態變化數據，采用經校驗的各影響要素預測模型，開展對應要素發展態勢的預測與預報，為長江口咸潮應對預警的形勢判別及應急響應預案行動等級提供決策依據。須加強對長江干支流及河口水域的水文水情與水資源調控工情、長江口及其鄰近水(海)域的氣象風情、長江口及其鄰近水(海)域的咸潮咸情等要素的預測與預報。

3.1.3 預警預案

a. 預警要素設定。預警要素包括預警等級設定及預警指標選取。首先，基于歷史咸潮災害影響案例及影響程度，設定一定預警等級(一般取4級)以及對應的應對響應行動預案。其次，根據代表性或典型性指標來分析決策與確定預警等級，保證該預警指標及其等級判別依據盡可能簡潔、方便、高效。如長江口咸潮災害預警指標可選擇長江干流來水量、長江口某些代表性或典型性站點咸潮指標、長江口水源地取水口咸潮持續時間等。

b. 應急響應行動預案。根據人為可控或可減(延)緩咸潮災害程度的對策措施，應急響應行動分外部應對和內部應對兩方面。外部應對：加強長江干流流量調控、增加枯水期上游來水量，是應對長江口水源地咸潮災害最直接、最有效、最便捷、最可靠的方式。長江干流及其支流上的引排水閘、泵站及水電站等水利工程設施是調控長江口徑流量(來水量)的重要控制工程，通過一定的組織協調程序，按照一定的技術調控手段與步驟，即可達到長江口上游來水量有效調控的目的。內部應對：主要是加強長江口咸潮災害所影響地區(即蘇滬兩地城市(鎮))的水資源配置或保障設施的進一步優化增能、智能化調控、節水型社會建設、省(市)際聯動調水等舉措，來減輕或延緩災害的危害面和危害程度，以保障與滿足區域生產、生活、生態用水需要。

3.2 非工程管理舉措

3.2.1 責權利相關方(主客體)職責

明確長江流域水資源開發、利用、保護與管理等的責權利相關方，長江口水源地咸潮災害應對的組織管理體系包含組織實施方、流域或區域組織協調方(如長江、太湖流域有關水患災害防御組織協調部門)、流域或區域水資源監控調控技術支持方(如長江、太湖流域及沿線地方水文水利部門)、水利水電建管運營方(如三峽集團、國家電網公司等)、區域水資源開發利用方(如蘇滬等省市水利水務部門)等主客體對象，并明確長江口咸潮應對各責權利相關方對應的職責。

3.2.2 組織管理模式

當枯水期長江干流來水量減少、長江口咸潮入侵形勢緊迫時，組織協調好長江上中下游各水利水電建管運營及水資源開發利用單位的關系，形成統一指令，實施全流域水情調度與調控，增加長江干流下泄流量，達到“沖咸保淡”的目的和效果，這就需要強有力的組織管理體制和機制，必須明確各相關單位服從長江口咸潮應對期的組織體系的管理，建立一套應對咸潮災害的應急響應行動預案或方案，制定各級預警和應急響應期的應對措施與行動方案，各主客體遵守各自對應的統一調度與調控指令，保障預案順利實施。

4 長江口水源地咸潮應對預案體系框架

長江口咸潮影響因素復雜面廣，涉及的領域包括行政、技術、工程、行業或社會組織等。長江口水源地咸潮應對體系包含組織(審批監督與組織實施)體系、監測體系、預報體系、預警體系、應急響應體系、保障體系等。

4.1 組織體系

根據預案相關架構和實施管理要求， 長江口水源地咸潮應對預案的組織體系擬由批準及監督機構、組織實施機構、配合實施部門和單位組成(圖2)。批準及監督機構為預案的管理與監督部門。基于我國水患防災減災的管理體制，本預案的管理與監督部門為國家防汛抗旱總指揮部(以下簡稱“國家防總”)，由其負責預案的審批、管理和監督。組織實施機構為預案的具體組織落實與實施的部門。經責權利相關分析，該部門為長江防汛抗旱總指揮部(以下簡稱“長江防總”)和蘇滬兩省(直轄市)防汛抗旱指揮部(以下簡稱“蘇滬防指”)，由兩單位按照各自的流域或行政區職能分別組織預案的實施。配合實施部門和單位主要為預案落實與實施關系比較密切或影響較大的其他部門或單位。經對流域涉水事水權相關單位屬性與特性分析，其他部門或單位包括：①區域流域管理機構，即太湖流域管理局，其根據黃浦江上游水源切換需要，及時調控太浦河泵閘的供水流量，按照調度要求調控引江濟太工程的引水流量；②長江干流四川以下至安徽共7省(直轄市)防汛抗旱指揮部門(以下簡稱“防指”)，其中長江下游的江蘇、安徽等省防指按照調度指令負責調控本轄區沿江引調工程的引水流量及轄區內應急調度的監督檢查與突發事件的應對工作，其他長江中上游省(直轄市)防指則主要是按照調度指令做好水庫調度等工作；③電力調度單位、發電公司及引調水工程管理單位，主要有長江上中游(含三峽)大中型國家與地方電網或水電開發公司、長江下游南水北調東線及引江濟巢(太)等引調水工程管理單位，其中，前者按照調度指令控制水庫下泄流量并合理安排電力生產和電網調度，后者按照調度指令調控沿江相關引調水工程的引水流量。

圖2 長江口水源地咸潮應對工作預案組織體系

4.2 監測體系

a. 水文監測。基于對長江中下游干支流來水水情控制的需要，水文監測系統主要布設于三峽至長江口的干流主要節點以及洞庭湖、鄱陽湖水系和清江、漢江、滁河、青弋江、水陽江等一級支流主要控制站25座。

b. 引調水監測。經綜合研究，可主要對長江大通以下沿江設計引調水流量大于或等于50 m3/s的引調水工程進行監測。主要調水工程包括南水北調東線、引江濟巢、泰州引江河、引江濟太4座調水工程。主要沿江引水工程包括安徽省的裕溪閘、烏江抽水站2座和江蘇省的南通節制閘、秦淮新河水利樞紐、諫壁抽水站等8座引水泵閘工程。

c. 咸潮監測。基于長江口現有咸潮26個監控點相關性比較，現階段可納入預案中實施長江口咸潮監測的站點確定為崇頭、陳行水庫取水口、青草沙水庫取水口3個站點。

4.3 預報體系

a. 長江干流來水量預報。大通站和徐六涇站是長江下游來水流量管控的兩個重要節點。兩站來水流量預報應根據有關水文情報預報規范要求[25]編制兩站短(1～5 d)、中(6～20 d)、長(21～30 d)期水文預報方案。

b. 長江口咸潮預報。根據崇頭鹽度變化情況并結合長江口潮汐規律，預測預報北支咸潮入侵對長江口5大水庫取水口(瀏河、寶鋼、陳行、青草沙、東風西沙水庫)的起始影響時間、結束時間、持續時間、影響強度等。

4.4 預警體系

參考上海市及國家有關水源地水質災害事故應急預案，結合目前長江口水庫冬季運行模式，長江口咸潮災害預警等級由低至高可劃分Ⅳ級(藍色)、Ⅲ級(黃色)、Ⅱ級(橙色)、Ⅰ級(紅色)4級。經分析多年枯水期長江口咸潮監測數據與長江干流大通流量之間響應關系，確定大通流量、崇頭鹽度和水源地水庫咸潮入侵影響時間共3個關鍵指標。①大通流量。經對1979—2013年大通實測日徑流量進行P-Ⅲ適線分析，并綜合多年來上海市科學技術委員會及水務部門對大通流量與長江口水源地咸潮災害的響應關系研究成果[10-12]、陳行水庫有效庫容(或調蓄能力)和上海市供水調度管理相關實施方案，確定以6 d、8 d、10 d、12 d調蓄時間為等級，劃分長江大通流量響應咸潮災害預警的對應Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級指標，由此形成長江口咸潮應對大通流量預警指標體系方案，見表2。表2中，方案1的大通流量分月預警指標，其中，考慮到長江干流枯水期徑流的傳播時間，核定預警條件時可取大通流量滿足各等級對應流量下持續6 d為同步條件。另為了預案實施與管理工作的方便，經綜合研究分析可簡化表2中的分月大通流量預警指標而形成枯水期(12—3月)平均流量預警指標為推薦方案2，即對應于Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級大通流量預警指標分別為1.5萬 m3/s、1.3萬 m3/s、1.2萬 m3/s、1.0萬 m3/s，持續時間同為6 d。②長江口崇頭鹽度。上海市城投部門對崇頭氯化物監測點多年積累數據分析及運行管理實踐發現，當崇頭ρ(Cl-)≥500 mg/L并持續一段時間后(一般24 h中累計超過8 h)，在陳行水庫取水口往往會有咸潮發生，若致較為嚴重的咸潮發生(如陳行水庫連續6 d以上不可取水)，ρ(Cl-)≥500 mg/L的持續時間3 d內須達到50 h以上。經深入研究2006年以來歷次(統計樣本共58次)陳行水庫咸潮影響時期在崇頭監測點的不同咸潮持續影響時間的統計結果，且為與下文水源地取水口咸潮入侵安全時間(最長不可取水天數)預警指標相對應，經綜合頻率分析后推薦設定崇頭Cl-指標4級預警取值見表2。

表2 長江口水源地咸潮應對預警指標組合一覽

考慮到陳行水庫和青草沙水庫應對咸潮災害、保障安全供水的實際能力與實踐，經綜合比較分析，筆者提出兩大水庫各自預警咸潮入侵影響時間：陳行水庫大于或等于6 d或青草沙水庫大于或等于12 d，作為Ⅳ級預警以上條件；另外其他預警等級為，陳行水庫取8 d、10 d和12 d，或者青草沙水庫取16 d、30 d和68 d，即分別對應于Ⅲ級、Ⅱ級和Ⅰ級預警條件。長江口咸潮影響因素眾多，經檢驗，單一預警指標很難判定咸潮災害發生是否符合實際情況。結合上海市水務局及長江口水源地供水運行和管理部門多年來的實際運行管理經驗，經綜合比較分析前述三大指標在研判長江口咸潮入侵影響的權重關系，設定長江口咸潮應對預警條件為上述指標三者之二各自符合對應單一條件預警等級時，即可發布對應等級的長江口咸潮災害預警[12]。經比較方案1和方案2兩種指標咸潮災害發生組合頻率分析結果，發現結論接近。經流域防總協調指導，也為了今后長江口咸潮應對工作簡便，推薦方案2的枯季月平均大通流量指標為近期預案預警指標，遠期結合預案實施情況可調整為方案1的分月大通流量預警指標方案。

4.5 應急響應行動體系

Ⅳ級應急響應行動以蘇滬兩地內部響應應對，保障青草沙水庫和陳行水庫原水系統不減量供應。Ⅲ級應急響應行動仍以蘇滬兩地內部響應應對，還包括節水措施，陳行水庫原水系統部分減量供應等。Ⅱ級應急響應行動主要措施為長江防總開展沿江引調水工程的流量控制，做好主要水庫的水量應急調度；太湖流域管理局視水源切換、黃浦江上游水源地水質及太湖水位、水質等情況，加大太浦河泵閘下泄流量；蘇滬兩地進一步加大長江口水域水庫鏈(青草沙水庫、陳行水庫、寶鋼水庫和瀏河水庫)的聯動及加強節水措施等工作，陳行水庫原水系統部分減量供應。Ⅰ級應急響應行動主要措施為長江防總在控制沿江引調水工程流量的基礎上，進一步做好三峽水庫等主要水庫的水量應急調度；太湖流域管理局繼續加大太浦河泵閘下泄流量，進一步增加黃浦江上游水源地供水量；上海市實施青草沙水庫原水與黃浦江上游原水部分應急切換，陳行水庫原水系統進一步減量供應，繼續強化節水措施及啟用部分戰備或應急深井等。

4.6 保障體系

完善的保障體系將有助于順利、高效地實施咸潮應對預案。長江口咸潮應對預案保障體系包括完善與加強技術保障、監督檢查、資金保障、宣傳培訓保障、人才或人力資源保障、制度保障等。

5 結 語

基于對長江口咸潮入侵及其發展態勢、水源地咸潮入侵影響因素及其災害應對措施等的深入分析，研究并構建了長江口水源地咸潮應對預案的框架體系及相關要素或指標，進而對預案組織與職責、監測、預報、預警、應急響應、保障等體系進行了細化設計。但受當前預測預報的技術手段、水平以及實測與檢驗數據的限制，對長江流域水情與長江口咸情的中長期預報的精度和可靠性還存在不少難點或瓶頸問題，有待不斷深入探索與實踐校驗。雖然長江入海口徐六涇站入海水量與長江口咸潮相關性最為密切，但鑒于當前河口流量分析技術與條件限制尚不能及時掌握與獲取，有待未來潮流量分析手段更加先進與可靠后予以應用到咸潮災害預警指標中。長江口河勢及咸潮入侵態勢復雜易變，尤其海平面上升對河口形態及潮汐潮型會形成持續影響，因此長江口咸潮入侵規律與機理研究仍需不斷跟進。