長江口咸潮入侵變化特征及成因分析

李文善，王慧*，左常圣，董軍興，徐浩，潘嵩，金波文，高通

( 1. 國家海洋信息中心，天津 300171)

1 引言

長江口是長江在東海入?？诘囊欢嗡?，平面呈喇叭形，是一個多級分汊的三角洲河口[1]。長江口年徑流量大，徑流有明顯的洪、枯季變化，5-10月徑流量較大，11月至翌年4月較小。長江口河段在上海境內全長148 km，屬于中等強度潮汐河口，由于潮汐作用，大潮期鹽度大于小潮期。冬季枯水季節，咸潮上溯，對工農業生產帶來不利影響[2-4]。

長江口咸潮入侵程度與海平面、潮汐、風暴潮和上游來水等因素密切相關[5-13]。1980-2018年，中國沿海海平面上升速率為3.3 mm/a，高于同期全球平均水平[14]。進入20世紀，在氣候變化大背景下，我國主要河口如長江口的咸潮入侵也出現了新變化，海平面上升累積效應使沿海地區潮水沿河上溯加強[15]，高海平面期間同時疊加天文大潮、風暴潮增水等，進一步加劇咸潮入侵程度[16-17]。原國家海洋局自2009年起，組織開展中國沿海海平面變化影響調查評估工作，并將咸潮入侵監測與評估作為業務化工作之一，給予高度關注。

長江口咸潮入侵的研究始于20世紀80年代，近期開展的長江口咸潮入侵研究多基于數值模型[18-21]和分析模型[22]。朱建榮和鮑道陽[23-25]從河勢變化、水動力和鹽水入侵角度，系統分析了近60年來長江河口河勢變化及其對水動力和鹽水入侵的影響。沈煥庭等[26]詳細研究了長江口咸潮入侵的類型、鹽分來源和鹽度分布變化特性，并從動力機理上對長江口部分咸潮入侵現象給出了解釋。肖成猷等[27-28]利用實測資料，分析了徑流、潮汐、地形等幾個重要因子對長江口咸潮入侵的影響。茅志昌等[29-30]利用實測資料，從長江口咸潮入侵鋒、北支倒灌鹽水通量等多方面對咸潮入侵特征進行了探討，并從動力機制上給出了一定的解釋。Chen等[10]基于Mike3建立了高精度的三維數值模型，定量評價了不同海平面上升情景下長江口咸潮入侵距離和河口鹽度分布，以及對上游水廠取水的可能影響。

近年來，長江口沿海海平面持續處于歷史高位，個別月份甚至達到歷史同期最高值；同時，極端氣候事件引起的風暴增水和干旱以及人為影響等，加劇了長江口的咸潮入侵影響程度。海平面上升長期累積作用、季節性海平面與徑流量的共同作用，以及天文大潮和天氣氣候事件（如風暴潮）等對長江口咸潮入侵的影響亟待進一步研究。

本文綜合利用國家海洋觀測站網水文氣象數據、海平面變化影響調查信息，以及長江口水文站徑流量數據等，系統分析了2009-2018年長江口咸潮入侵的變化特征以及與海平面、徑流量、天文大潮和風暴增水的關系。

2 數據和方法

2.1 數據

咸潮入侵過程基本信息（入侵次數、持續時間、徑流量和氯度值等）來源于2009-2018年中國沿海海平面變化影響調查業務化工作成果。其中，徑流量數據來自于長江口大通站，時間為2007-2017年。

潮位數據來源于自然資源部以及地方海洋站，時間為1980-2018年，代表站包括呂四、大戢山、蘆潮港、佘山、崇明南和吳淞。所有的數據均經過了嚴格的質量控制和均一化訂正處理[31]。由于相鄰臺站受到相同的天氣、氣候事件影響時，產生的增減水過程也相近，因此對于資料缺測的站位使用了相鄰站相關法對缺測月份的增減水數據進行插補。

2.2 方法

2.2.1 增減水的計算

增減水是指實時潮位數據去掉天文潮剩余的部分，即

另外，采用ECOM模型[32]模擬了風暴潮影響期間長江口的風增水。

2.2.2 咸潮影響指數計算

河口咸潮上溯受海平面、增減水和河口徑流量的共同作用影響。海平面、增減水和徑流量的計量數量級差異較大，為定量評價三者對咸潮入侵過程的共同影響，分別將各月海平面、增減水及徑流量進行無量綱標準化處理（式（2）至式（4）），推求海平面-徑流量綜合影響指數及增減水-徑流量綜合影響指數，并采用Pearson乘積矩法分析各自與咸潮發生次數的相關性。

采用t統計量檢驗方法分別檢驗海平面-徑流量綜合影響指數、增減水-徑流量綜合影響指數和咸潮入侵次數（）的相關顯著水平，即

3 咸潮入侵變化特征

長江口咸潮入侵呈現較強的季節變化特征。海平面變化影響調查咸潮入侵采集信息統計分析結果顯示，長江口咸潮入侵季節變化特征明顯，一般從每年的9-10月咸潮開始入侵，翌年4-5月退出三角洲，6-8月無咸潮入侵現象發生。3月咸潮入侵次數最多，達12次，其次為1月、2月和11月；9月發生過1次，出現在2013年；5月發生過2次咸潮過程，均發生在 2011 年（圖 1）。

圖 1 2009-2018年長江口咸潮入侵季節變化Fig. 1 Seasonal variation of saltwater intrusion in the Changjiang River Estuary during 2009-2018

2009-2018年，長江口咸潮入侵次數和咸潮持續時間均呈下降趨勢。2009年長江口咸潮入侵次數最多，達13次，時間均發生在10月至翌年的4月；其次為2011年和2013年，均發生了9次咸潮入侵過程，其余年份均少于5次。咸潮持續時間年際變化較大，2011年，咸潮入侵持續時間最長，累計為55 d，2009年、2013年和2014年均超過35 d。2015-2018年，咸潮入侵次數和入侵持續時間均明顯減少，2018年沒有監測到咸潮入侵過程（圖2）。

圖 2 2009-2018年長江口咸潮入侵次數和持續時間變化Fig. 2 Times and duration of saltwater intrusion in the Changjiang River Estuary during 2009-2018

4 咸潮入侵變化成因

4.1 海平面和增減水以及徑流量的影響

長江口的咸潮入侵過程受海平面、增減水和徑流量的綜合影響顯著，呈明顯的蹺蹺板結構，此消彼長。本節詳細分析了2009-2018年長江口的季節海平面、增減水以及徑流量對咸潮入侵過程的綜合影響特點以及相關性。

1-4月和12月為長江口的季節低海平面期，8-9月為長江口的季節高海平面期，受徑流影響，長江口內吳淞站海平面年變幅可達58 cm，長江口外的大戢山站與杭州灣北岸的灘滸站年變幅約為40 cm。由于受東亞季風影響，長江口的增減水季節變化明顯，1-6月和9月總體以增水為主，7-8月和10-12月總體以減水為主，年變幅為4～5 cm。與海平面和增減水的季節高低時間特征不同，5-9月為長江口一年中徑流量較大期，其中7月徑流量最大，1-4月和10-12月徑流量小，其中2月最?。▓D3）。1-4月，長江口處于季節低海平面期，徑流量也較小，海平面-徑流量綜合影響指數均小于0.1，處于平衡狀態。但是，增減水-徑流量綜合影響指數明顯偏高，其中1月、2月、3月的影響指數分別為1.5、1.9和1.6，也就是說，1-4月長江口的咸潮入侵過程主要受增減水的影響。5-7月，長江口徑流量明顯增加，海平面-徑流量綜合影響指數均小于0，徑流作用強于海水上溯，其中6-7月長江口沒有咸潮入侵發生。8月，長江口徑流量開始下降，雖然季節海平面較高，但是長江口呈現明顯的減水過程，海平面-徑流量和增減水-徑流量的綜合影響指數分別為0.1和-1.6，所以也不會發生咸潮入侵。9月，長江口處于季節高海平面期，并且以增水為主，海平面-徑流量和增減水-徑流量的綜合影響指數分別為1.2和1.0，會發生咸潮入侵。10月、11月、12月，長江口開始處于枯水季，徑流量偏小，雖然這期間的季節海平面不高，且季風的作用長江口呈現減水過程，但是，從三者的影響指數來看，海平面-徑流量的綜合影響指數分別為1.5、0.8和0.1，均大于0，特別是10月和11月，徑流作用弱于海水上溯，易發生咸潮入侵（圖4，表1）。

咸潮入侵持續時間在1-5月隨著增減水-徑流量綜合影響指數的變化呈現正相關變化，相關系數達到0.9，并通過置信水平99.9%的顯著性檢驗（圖4），1-5月轉向季風引發的水體輸運和向岸堆積[33]，以及冬季北風產生向陸的Ekman水體輸運，加劇了該時段咸潮入侵程度[34]。咸潮入侵過程的持續時間在9-12月隨著季節海平面-徑流量綜合影響指數的變化呈現正相關變化，相關系數達到0.7，并通過置信水平95%的顯著性檢驗（圖4）。

圖 3 2009-2018年長江口平均海平面（a）、增減水（b）以及徑流量（c）季節變化Fig. 3 Seasonal variation of sea level (a), surge (b) and runoff(c) in the Changjiang River Estuary during 2009-2018

圖 4 長江口咸潮入侵持續時間、海平面-徑流量以及增減水-徑流量綜合影響指數變化Fig. 4 Seasonal variation of saltwater intrusion duration, sealevel-runoff impact index and surge-runoff impact index in the Changjiang River Estuary

表 1 2009-2017年各月長江口海平面-徑流量綜合影響指數Table 1 Sea-level-runoff impact index of each month during 2009-2017 in the Changjiang River Estuary

2009年2月，長江處于枯水期，大通站月平均徑流量較常年同期少2 227 m3/s；上海沿海月平均海平面較常年同期偏高12.5 cm，海平面-徑流量綜合影響指數達到0.3；長江口沿海各站月平均增減水約7 cm，增減水-徑流量綜合影響指數達到2.7，13-16日長江口外連續4 d出現兩次較強的增水過程，最大增水75～90 cm（圖5），17日長江口寶鋼水庫取水口出現了近年最強的咸潮入侵過程，最大氯度值達1 334 mg/L。

2010年1-3月，長江口徑流量與常年同期基本持平。沿海海平面較常年同期偏高約8 cm，特別是2月海平面較常年同期高17 cm，達1980年以來同期第二高位，海平面-徑流量綜合影響指數為0.4，而增減水-徑流量綜合影響指數達到3.3（表1，表2），月平均增減水為12 cm，最大增水近110 cm。上海共發生3次較嚴重的咸潮入侵，累計19 d。

2011年，長江口徑流量為2007年以來最低值，年均徑流量為21 200 m3/s，除1月外，各月徑流量均明顯低于常年同期，3-9月的徑流量均為2007年以來同期最低值。長江口共發生咸潮入侵9次，其中春季6次，秋、冬季3次，累積持續時間為55 d。咸潮入侵最嚴重的一次過程出現在3月22-30日，期間徑流量為13 100 m3/s，長江口寶鋼水庫3月25日含氯度最高達1 079 mg/L，其中21-22日有持續2 d的增水過程，最大增水超過50 cm。2009-2018年5月發生過兩次咸潮過程，均發生在2011年，海平面-徑流量和增減水-徑流量的綜合影響指數分別為0.4和1.0（表1，表2）。

2012年，長江口沿海海平面處于1980年以來第二高位，海平面比常年高7.5 cm。但是，該年度長江口入海徑流量也較大，2009-2018年的第三高位。除1月和3月外，各月徑流量均明顯高于常年同期，5月和8月徑流量分別高于常年同期10 573 m3/s和10 518 m3/s，年度共發生3次咸潮入侵，為2009-2018年來第二少。11月，長江口沿海海平面較常年同期高約10 cm，徑流量較常年同期大1 391 m3/s，海平面-徑流量綜合影響指數達到0.6，寶鋼水庫發生咸潮入侵1次，最大含氯度為304 mg/L。

圖 5 2009年2月長江口沿海代表站增減水變化Fig. 5 Surge variation of typical stations in the Changjiang River Estuary in February 2009

表 2 2009-2017年各月長江口增減水-徑流量綜合影響指數Table 2 Surge-runoff impact index of each month during 2009-2017 in the Changjiang River Estuary

2013年，長江口入海徑流量明顯偏少，較常年少2 808 m3/s。其中7-12月徑流量很小，較常年同期偏少4 355～8 482 m3/s，下半年徑流量接近2009-2018年最低（僅次于2011年）。受潮汐、海平面和上游來水影響，長江口在寶鋼水庫和青草沙水庫共出現8次咸潮入侵過程，其中3月份出現3次，增減水-徑流量的綜合影響指數為0.6；9-11月出現4次，海平面-徑流量綜合影響指數均偏高，分別達到1.2、2.2和0.4；12月出現2次，增減水-徑流量綜合影響指數達到0.8。

2014年2月，長江口沿海海平面異常偏高，比常年同期高23 cm，達1980年以來同期最高。受季風影響2月呈現持續的增水過程，月平均增水達14 cm，海平面-徑流量和增減水-徑流量的綜合影響指數分別為0.8和3.7。持續的增水過程導致長江口從4日開始發生咸潮入侵，持續入侵時間超過23 d，是1993年以來最長的一次，青草沙水庫和寶鋼水庫取水口最大氯度值分別達到5 000 mg/L和1 129 mg/L，上海城市供水受到影響。

2007-2017年，長江口的徑流量和沿海海平面均呈上升趨勢，且有很好的相關性，但是海平面的上升速率要高于徑流量的上升速率（圖6）。

4.2 天文大潮的影響

除了海平面、增減水和徑流的影響外，天文大潮對于長江口短時間的咸潮入侵具有加劇作用。

長江口的潮汐屬于不正規半日潮，沿海潮差差異較大，在北邊的呂四和南部的灘滸潮差為3～4 m，大戢山的潮差偏小，約3 m，沿河口上溯潮差逐漸減小。近年來潮差有逐漸增大的趨勢（圖7），上升速率約為6.6 mm/a，遠高于同期海平面上升速率。長江口的天文大潮基本發生在農歷初一、十五前后，天文大潮基本上都發生在回歸潮期間（圖8）。統計結果顯示，2009-2018年發生的48次咸潮入侵過程有2/3恰逢天文大潮。在某些年份基礎海平面偏高，由于氣象過程天氣的持續增水較大，若同時遇上天文大潮，則加劇咸潮入侵的影響程度。

2009年10月，大通站月平均徑流量較常年同期少8 555 m3/s，為2009-2018年中月平均徑流量最少月份，海平面-徑流量綜合影響指數高達1.5，全月以減水為主，22日適逢天文大潮期，長江口寶鋼水庫取水口遭受秋冬季第一次咸潮入侵。

2009-2018年持續時間最長的一次咸潮入侵過程出現在2011年4月19-28日，咸潮入侵持續時間為9 d，期間均受天文大潮影響，加重咸潮影響。

2015年2月23日，適逢天文大潮期，咸潮入侵長江口，持續入侵時間為7 d，最大氯度值為708 mg/L，影響長江口寶鋼水庫和青草沙水庫取水，期間出現連續增水過程，最大增水超過50 cm。

2016年，長江口沿海海平面為2009-2018年最高，較常年偏高154 mm。但是，該年度長江口的徑流量也較大，年徑流量為2009-2018年最多，較近常年高528 m3/s。年度共發生3次咸潮入侵，為2009-2018年來第二少，分別出現在3月和10月，期間均逢天文大潮期，其中10月海平面-徑流量綜合影響指數達到2.2。

圖 6 2007-2017年長江口徑流量和海平面變化Fig. 6 Variation of runoff and sea level in the Changjiang River Estuary during 2007-2017

圖 7 長江口大戢山站潮差長期變化Fig. 7 Long-term change of tide range in the Dajishan Station of the Changjiang River Estuary

圖 8 2018年9月長江口大戢山站潮位月變化Fig. 8 Tide level variation in the Dajishan Station of the Changjiang River Estuary in September 2018

5 對策及建議

在全球變暖的背景下，近年來中國沿海海平面呈波動上升趨勢，長江口沿海海平面上升速率高于中國沿海平均水平，高海平面、天文大潮、風暴潮和干旱等加劇長江口咸潮入侵程度。隨著長江口區域經濟社會的發展，用水量將進一步增加。為減輕咸潮入侵對當地居民生產生活的影響，建議相關部門積極采取措施，有效應對。

（1）合理調配長江中下游淡水資源。根據海平面、增減水和徑流量等的季節變化特征和咸潮發生特點，適時增大枯水期和高海平面期的淡水流量，保障咸潮高發期的淡水取水。

（2）強化全流域綜合治理，保護長江上游生態環境，涵養水源，增加河流上游植被覆蓋，減少水土流失，從而增加枯水期上游來水量；做好水庫潛能開發和水源地建設，嚴控河道和河口采砂，防止河床下切，從而增加咸潮上溯阻力，減小咸潮上溯距離。

（3）加強長江口咸潮入侵監測，密切關注長江口北支和南支咸潮入侵狀況，做好季節性高海平面期和枯水期咸潮預報預警，為科學用水提供參考依據，減輕咸潮影響。

6 結論

本文使用海洋站觀測潮位數據、海平面影響調查信息和水文站徑流量數據，詳細分析和闡述了2009-2018年長江口的咸潮入侵的變化特征和影響因素，并提出了對策與建議。分析結果表明：

（1）長江口咸潮多發生在9-10月至翌年的4-5月。2009-2018年，長江口咸潮入侵次數和持續時間總體均呈下降趨勢，2009年長江口咸潮入侵次數最多，達13次。咸潮持續時間年際變化較大，2011年累計持續時間最長，為55 d。

（2）長江口咸潮入侵受海平面、增減水和徑流量的綜合影響顯著，呈明顯的蹺蹺板結構。咸潮持續時間在1-5月隨著增減水-徑流量綜合影響指數的變化呈現正相關變化；5-7月，長江口徑流量相對較大，其中6-7月在2009-2018年未發生咸潮入侵過程；8月長江口沿海以減水為主，海平面-徑流量和增減水-徑流量綜合影響指數較小，2009-2018年未發生咸潮入侵；9-12月易發生咸潮入侵，且咸潮持續時間隨著季節海平面-徑流量綜合影響指數的變化呈現正相關變化，其中9月、10月和11月海平面-徑流量綜合影響指數均大于1。

（3）天文大潮和風暴潮疊加時，將引發或加劇短時咸潮入侵過程及其影響，若同時處于季節性高海平面期和枯水期，極易發生嚴重的咸潮入侵過程。應積極采取措施，如合理調配長江中下游淡水資源、強化全流域綜合治理、加強長江口咸潮入侵監測和預報預警等，減輕咸潮影響。