上游水庫群運行對長江口淡水資源的影響及未來趨勢分析

丁 磊，繳 健，楊嘯宇，曾 明，王逸飛

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

河口是江河入海口，歷來是全球經濟最為發達的地區之一。其經濟發展、生產生活均對淡水資源有巨大的需求，而鹽水入侵是河口淡水資源利用的最主要威脅之一。鹽水入侵是指外海高濃度鹽水隨著漲潮流上溯到河口地區造成水體鹽度升高的自然現象。國內外研究均已表明上游徑流與外海潮汐是影響河口鹽水入侵的最主要因素，徑流越小或潮汐強度越大，鹽水入侵越劇烈[1]。

長江是中國最長的河流，其河口也為中國之最，長江三角洲經濟發展水平在國內處于領先地位，上海市就位于長江口沿岸。目前上海市超過60%的生產生活用水均取自長江口三大水源地——陳行水庫、青草沙水庫和東風西沙水庫，其中青草沙水庫的供水規模達到了全市的50%左右[2]。長江口若發生嚴重鹽水入侵將會對河口城市供水安全產生巨大不利影響。水中氯化物含量超過250 mg/L[3](鹽度0.45‰)的標準就不能用于自來水原水。以2014年為例，2月3日至25日長江口遭遇嚴重的鹽水入侵事件，水源地水庫取水口連續23 d出現氯化物超標不能取水，上海200萬人口的用水受到影響，曾一度引起部分城鄉居民生活用水危機[4]。

安徽大通站是距離河口最近且不受潮汐影響的水文站，歷來對長江口的研究均是將大通水文站流量作為長江口徑流量[5]。以三峽工程為典型代表的上游水庫群建設對入海流量的影響可在大通流量上有直觀體現。長江口的鹽水入侵一般發生在枯季，顧玉亮等[6]認為大通流量低于20 000 m3/s時，北支發生顯著性鹽水倒灌；朱建榮等[7]認為大潮期大通流量低于13 000 m3/s時長江口鹽水入侵嚴重。嚴鑫等[8]基于經驗模型提出長江口南支上段壓咸臨界流量為11 500 m3/s。隨著以三峽工程為代表的長江上游水庫群的建成和運行，入海流量年內分布發生改變，表現為明顯坦化趨勢[9]，此也必將對長江口的鹽水入侵產生一定程度影響。但目前關于上游水庫群運行對長江口鹽水入侵具體影響程度以及未來的變化趨勢仍研究較少。因此，基于大通水文站歷史資料分析，利用數學模型量化探究三峽建成前后長江口鹽水入侵程度變化，同時對未來狀況進行預測。研究可為未來長江口鹽水入侵的相關研究提供參考，以及為長江口水源地運行提供重要依據。

1 研究區域概況

1.1 長江口概況

長江口在平面上呈“三級分汊，四口入海”的河勢格局。徐六涇以下崇明島北面為北支，南面為南支，長興島和橫沙島將南支分為北港和南港，九段沙將南港分為北槽和南槽(圖1)。

圖1 長江口位置

冬季盛行偏北風、夏季盛行偏南風，季節性變化十分明顯。一年中，平均風速以春季3月至4月為最大，冬季1月至2月和盛夏次之，秋季9月至10月最小。戴苒等[10]對長江口崇明東灘風況統計分析，枯季各月平均風速風向如表1所示。

表1 崇明東灘枯季各月平均風速風向

1.2 長江口水文情勢

1.2.1 徑流

長江口地區水資源總量為42.33億m3，其中地表水資源量38.00億m3。長江入海水量年內分配不均勻，基本表現為洪季流量大，枯季流量小。大通水文站多年平均流量為28 300 m3/s，1954年8月1日出現最大流量92 600 m3/s，1979年1月31日出現最小流量為4 620 m3/s。徐六涇水文站是長江干流距入海口門最近的綜合性水文站，2005年起開展潮流量自動觀測并取得了整編成果。徐六涇歷年統計資料表明：徐六涇站年徑流量約占大通站的97.2%且兩站變化趨勢一致[11]，因而大通站的來水量基本能代表長江口入海水量。上游江水從三峽水利工程下泄至長江口為15 d左右時間，從大通到長江口需要5～7 d的時間。

1.2.2 潮汐潮流

長江口為中等強度潮汐河口，潮汐為非正規半日淺海潮，每日兩漲兩落，且日潮不等現象明顯。在一個太陰日(即24 h 50 min)內，有兩次高潮和兩次低潮，兩個高潮和兩個低潮各不相等。研究區域地處中緯度，潮汐日不等現象較明顯。長江口的潮汐特征主要表現為高潮不等，從春分到秋分，一般夜潮大于日潮，從秋分到翌年春分，日潮大于夜潮。

潮汐受外海潮波控制，東海前進波系統在研究區域M2分潮為主，起支配作用；其次還受到黃海旋轉潮波影響，以K1、O1分潮較顯著。潮波進入長江口區后，受邊界條件和上游徑流影響，潮波發生變形，即非典型的前進波，也非典型的駐波。

1.2.3 徑流、潮汐變化趨勢

1)徑流變化

從年平均徑流量看，各年代大通年徑流量在8 427.1～9 595.1億m3，各年代間來水波動，無明顯增減趨勢。從月平均徑流量來看，一年中洪枯季的特征也未發生改變，但2000年以后變幅有減小(圖2)。如圖3所示，枯季徑流占比基本在22%～36%之間。按年代際計算，枯季徑流量在2 383.6～2 959.0億m3，其中2010—2018年平均枯季徑流量最大，為2 959.0億m3，總徑流量僅為8 973.0億m3；50年代至70年代枯季徑流占比為28%，隨年代推移比例增加，2000—2009年比例增加至31%，至2010—2018年，比例達到33%(表2)。

圖2 大通站1950—2018年年平均流量變化趨勢

圖3 大通站1950—2018年各年枯季徑流占比

2)外海潮動力變化

對2003—2016年綠華山站潮位進行統計(圖4)，多年平均潮差為2.63 m，平均高潮位為3.39 m，平均低潮位為1.88 m。相對于徑流較大的變化而言，潮流年際變化相對較小。袁小婷[12]對近40年長江口潮汐動力變化特征的研究也表明，口內潮汐特征值的變化主要是源于入海流量變化及河口人類活動，因此外海潮汐動力的變化與徑流相比是相對較小的。

圖4 綠華山潮位站2003—2016年潮位過程線

1.3 淡水資源受鹽水入侵影響現狀

國內關于長江口鹽水入侵的研究始于20世紀80年代初[13]，但大量研究是出現在上海市計劃以長江口作為主要水源地之后，尤其是青草沙水庫開始規劃并建設后。目前，上海基本形成了兩江并舉、長江為主的水源格局。長江口主要有3大水源地，即青草沙水庫水源地，陳行水庫水源地，東風西沙水庫水源地(圖1)。上海市居民飲用水質量顯著改善，水源地格局也發生了重大的調整。目前，青草沙水庫約占全市原水供應的58%，長江陳行水庫約占12%，黃浦江上游約占25%。

陳行水庫建于1992年，因此擁有的實測資料時間最長。對陳行水庫水源地近20年鹽水入侵觀測資料進行分析(圖5)。由圖5可以看出，1994—2015年期間，鹽水入侵次數最多出現在2001年為13次，其次為2009年12次。從鹽水入侵的次數，并不能很明顯地看出變化趨勢。

圖5 陳行水庫歷年鹽水入侵總次數和天數分布

2014年后3大水庫均已使用，收集了2014—2017年對長江口陳行水庫、青草沙水庫和東風西沙水庫產生影響的鹽水入侵事件(見表3)，并進行統計分析。結果表明，2014年陳行水庫和青草沙水庫遭受鹽水入侵影響較為嚴重，分別達到5次和4次，影響天數分別為36 d和39 d。東風西沙水庫在2016年和2017年均遭遇2次鹽水入侵影響，影響天數均為7 d。按影響天數占一年總天數比例計算鹽水入侵影響概率，近幾年的鹽水入侵影響概率最高可達10.7%(2014年青草沙水庫)，陳行、青草沙和東風西沙3個水庫近幾年平均鹽水入侵影響概率分別為2.9%、3.3%和1.0%。

表3 2014—2017年長江口鹽水入侵事件統計

由上述分析可知，僅從實測數據很難分析出長江口鹽水入侵影響的變化趨勢，需進行更深入研究。

2 上游水庫群運行對長江口入海徑流的影響

2.1 長江上游水庫群運行狀況

隨著三峽工程的建成和運行，長江入海流量發生了明顯改變。三峽運行后包括3個階段：

圍堰運行期：2003年6月至2006年汛期，庫水位按135 m(汛限水位)至139 m(最高蓄水位)控制。

初期蓄水運行期：2006年汛后至2008年汛期，較初步設計提前1 a，全年最高水位不超156 m，2007、2008年汛限水位分別按144、145 m控制。

175 m試驗性蓄水運行期：2008年汛后至今，庫水位按145 m(汛限水位)至175 m(最高蓄水位)控制。

除三峽外，隨著溪洛渡等特大型樞紐工程相繼建成，在長江上游形成世界上規模最大的水庫群(圖6)，長江上游水文條件發生重大變化，并對流域防洪、興利、生態等產生巨大作用和影響。

圖6 長江上游控制性水庫群示意

2.2 三峽蓄水對大通流量影響

根據國家防汛抗旱總指揮部印發的《長江口咸潮應對工作預案》(2015年1月)，長江口咸潮的預警分為4級，大通流量是重要指標。由低到高分別為Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級等4級，對應的流量臨界值分別為15 000 m3/s、13 000 m3/s、12 000 m3/s、10 000 m3/s。對1950年至2018年長江大通站日平均流量進行統計，可能發生鹽水入侵月份在三峽蓄水前后流量變化如表4所示。

表4 大通站各月平均流量及其變化

從三峽蓄水前后流量的變化看，每年11月由于三峽的蓄水，使得長江入海流量有明顯地減小，因此鹽水入侵較三峽工程建成以前有提前的可能。但由于這兩個月份本底流量較高，單從流量大小判斷，即便有鹽水入侵發生，程度也相對較弱。鹽水入侵較為嚴重的1月、2月流量有較為明顯地增加，鹽水入侵程度會相對減弱，但由于增加后仍在15 000 m3/s以內，因此鹽水入侵仍有較高的發生可能性。3月流量在三峽蓄水后有更為明顯地增加，增加后流量接近20 000 m3/s。4月流量與三峽蓄水前基本沒發生較大改變，僅有300 m3/s的減小。

低于臨界流量的天數，影響著鹽水入侵的持續時間及發生次數。對三峽蓄水前后流量低于各臨界值的時間進行統計，如表5所示。三峽工程蓄水前，流量低于15 000 m3/s，達到咸潮預警臨界值的天數超過了全部統計時間的1/4。有接近10%的天數流量低于10 000 m3/s，即達到最低級別咸潮預警的臨界值。而三峽工程蓄水后，流量低于15 000 m3/s，達到咸潮預警臨界值的天數降低至全部統計時間的1/5。低于10 000 m3/s 即達到最低級別咸潮預警臨界值的天數不到1%，且這44 d全部發生在175 m試驗性蓄水運行期前(2008年10月前)。在目前三峽蓄水狀況下，還未出現日平均流量小于10 000 m3/s。流量最小出現在2014年2月1日至2月20日，大通站的日平均流量為10 800 m3/s。通過以上分析發現，三峽蓄水后長江口低流量發生的頻率(流量小于15 000 m3/s)明顯減少，而極低流量(流量小于10 000 m3/s)幾乎不可能發生。從該指標判斷三峽蓄水整體上使得長江口鹽水入侵狀況得到緩解。

表5 大通站不同時段日平均流量小于10 000～15 000 m3/s天數占比

2.3 大通未來10 a流量預測

采用互補集成經驗模態分解(CEEMD)方法與小波神經網絡(WNN)法相結合的方法，并用2003年后大通站月均流量訓練，在效果驗證基礎上，預測今后10 a大通月均流量[14]。傳統的互補集成經驗模態分解結合小波神經網絡可分為3部分，首先用CEEMD方法將原始信號分解為各IMF分量和一個殘差R；其次使用WNN方法分別對各IMF分量和殘差R進行預測；最后累積整合各IMF分量與殘差R的預測結果，得到最終預測結果。計算出預測流量均值為30 323 m3/s、實際流量均值為30 508 m3/s，確定系數約為0.64，但是仍然接近于1，認為該方法可行。根據本方法預測的未來10 a流量如表6所示。與三峽運行后的流量進行比較，流量最小的1月在未來10 a不會發生明顯改變。除3月流量有200 m3/s的減小外，其他各月仍為增加趨勢。

表6 大通站未來10 a各月平均流量及其變化 Tab.6 The monthly average discharge of Datong Station in future 10 a (m3·s-1)

3 上游水庫群運行對長江口鹽水入侵影響

3.1 對長江口鹽度分布影響

對三峽工程運行后長江口鹽度實測資料進行分析。以北支為例，圖7為2012年12月北支水文測驗測點分布。

圖7 2012年12月北支水文測驗測點示意

大潮、小潮期間，鹽度過程如圖8所示。

圖8 北支水域大潮、小潮鹽度過程線

在一天內，北支潮位兩漲兩落。漲潮時鹽度升高，落潮時鹽度降低，最大鹽度出現在漲憩附近，最小鹽度出現在落憩附近。在一個大小潮變化的半月周期中，總體上表現為大潮鹽度大于小潮。北支進口處測點大潮日最大鹽度是小潮的100倍左右。連興港斷面大小潮鹽度較為接近。縱向上，北支鹽度向外海方向沿程增加(圖9)。即越向口內，鹽水入侵影響越小。橫向上，鹽度左岸高于右岸。三條港、戤滧港、連興港同一斷面上均有2條以上的垂線。長江口位于北半球，因此漲落潮時潮流在科氏力的影響下均有右偏的趨勢。漲潮時，較高濃度鹽水來自斷面下游，漲潮流右偏使得鹽度在斷面從左岸向右岸依次減小；落潮時，斷面上游較低濃度鹽水下泄右偏使得鹽度仍然是左岸比右岸高。因此，各斷面大部分時刻鹽度橫向變化與科氏力的影響密不可分。除了北支外，其他直接入海汊道，北港、北槽、南槽在大部分情況下也表現出相同的特征。

圖9 北支鹽度縱向分布

上述關于長江口鹽度分布的分析均是針對三峽蓄水后的水文測驗資料進行，得到結論為：受外海鹽水直接影響的汊道，如北支、北槽、南槽，漲潮時鹽度上升落潮鹽度下降，大潮時鹽度高于中潮、小潮。縱向上鹽度由外海向口內遞減，北港、南港在不受北支鹽水倒灌影響時也表現為上述特征，橫向上北支鹽水入侵最劇烈。該結論與三峽蓄水前大致一致[15-16]。同時也通過對2013、2014年鹽度資料進行分析，得到北支鹽水倒灌影響下南支以下河段鹽度分布特點[17]，該特點也與三峽工程運行前相同。

因此三峽工程的運行并未使得長江口鹽度時空分布特征發生根本性的改變，但長江口各月鹽度場會因來水變化發生一定改變，需結合數學模型進行定量分析。

3.2 對長江口鹽水入侵程度影響

3.2.1 分析方法

研究采用Delft3D軟件建立長江口潮流鹽度數學模型，模型包括長江口、杭州灣及鄰近海域(圖10)。具體模型建立與驗證過程見文獻[16，18]。為分析三峽蓄水引起來水變化前后枯季各月一般情況(因4月流量變化較小，故僅計算11月至3月)，模型上游采用各月多年平均流量控制。以2003年三峽的蓄水作為水沙變化的分界點。因此在模型計算中，來水變化前、后方案的流量如表4所示。風場簡化為恒定風場，采用文獻[9]中崇明東灘氣象站各月平均風速風向(表1)。因文中僅分析徑流變化的影響，故各月方案均采用模型驗證時潮位邊界，分析時段不考慮各月實際天數，均為30 d。

圖10 數學模型網格

3.2.2 指標選取

以淡水資源面積占比、水源地取水口平均鹽度分別從面和點的層面來量化反應長江口鹽水入侵程度。其中淡水資源占比等于淡水資源面積與分析區域總面積的比值。徐志等[19]對長江口鹽水入侵進行研究時提出了類似的超標面積比的概念，與這里指標的關系為淡水資源占比與超標面積比例的和為1。

在水源地水庫的設計和運行中，最長不宜取水時間是重要參考。朱建榮等[20]認為1 d連續能取水時間大于等于4 h，則這天能取水；若小于4 h，則這天為不宜取水天，青草沙水庫最長連續68 d不宜取水即按此計算方法得到。國家防汛抗旱總指揮部《關于長江口咸潮應對工作預案的批復》中第10條附則里，給出了對陳行水庫和青草沙水庫受鹽水入侵影響更嚴格的定義。對于陳行水庫，一般以其第一取水泵站的氯化物濃度連續2 h大于或等于250 mg/L作為咸潮入侵開始的依據；以第一取水泵站氯化物濃度連續2 h小于250 mg/L，且繼續監測12 h(即一個潮周期)內無連續2 h大于或等于250 mg/L作為咸潮結束的依據。對于青草沙水庫，一般以其上游閘外氯化物濃度連續2 h大于或等于250 mg/L作為咸潮入侵開始的依據；以上游閘外氯化物濃度連續2 h小于250 mg/L，且繼續監測12 h內無連續2 h氯化物大于或等于250 mg/L作為咸潮結束的依據。因上述計算方法較為復雜，而這里僅為比較不同月份鹽水入侵的強度，故僅以鹽度平均值作為判別指標。

3.2.3 對淡水資源面積的影響

長江口可利用的淡水資源主要集中在南支、南港、北港，因此以南支、南港、北港的淡水資源面積占比作為評價指標。認為鹽度低于0.45‰的水域均為淡水。分別對大潮漲憩、大潮落憩、小潮漲憩、小潮落憩時刻的淡水資源分布進行分析。因長江口范圍大，不同區域存在的漲落潮相位差可達數個小時，文中所給出的漲憩、落憩均是指北支進口處崇頭的潮動力狀態。

以鹽水入侵最嚴重的1月為例，對淡水資源分布狀況進行分析。模型方案計算下1月大潮漲憩、大潮落憩、小潮漲憩、小潮落憩時刻的鹽淡水分布如圖11所示，圖中陰影部分為淡水。由圖11可知，對相同的特征時刻均表現為三峽工程蓄水后淡水資源面積大于蓄水前。蓄水前所分析的4個時刻淡水面積小且基本出現在南支中段以上，南北港均無淡水出現。蓄水后南支下段和南北港在大潮時也有淡水出現。同時，三峽工程蓄水后南支至南北港在大潮時出現了“淡水—鹽水—淡水”的分布。該現象與北支鹽水倒灌有關，淡水間的鹽水為北支倒灌進入南支的鹽水。

圖11 三峽工程影響前后1月長江口鹽淡水分布

因長江口可利用的淡水資源主要在南支以下，因此對數學模型各方案計算結果中南支、北港、南港的淡水資源面積進行統計。統計的區域如圖12所示。南支統計區域的面積為503 km2，北港為169 km2，南港為190 km2。

圖12 淡水面積統計區域示意

選取各河段在各月大潮漲憩、大潮落憩、小潮漲憩、小潮落憩時刻淡水面積的平均值表示鹽水入侵影響下淡水資源分布狀況，結果如圖13所示。

圖13 三峽蓄水前后枯季各月淡水資源占比

對南支河道，11月因入海徑流較大，全部河道內均為淡水。上游水庫群蓄水帶來的影響并沒有使南支河道有鹽水出現，即本月來水的變化對南支淡水資源沒有影響。12月、1月至3月因上游水庫群調控淡水資源面積有所增加，1月與2月尤為明顯，淡水面積從不足南支總面積的20%增加到50%以上。3月淡水資源由蓄水前95%左右增加到蓄水后的100%。

對北港河道，11月因入海徑流減小，淡水資源面積有所減小，但仍接近全河段的95%。12月淡水資源增加明顯，從蓄水前不足10%增加到蓄水后的30%以上，1月與2月從原來的沒有淡水增加到有10%～20%的淡水，3月更是增加了超過北港分析區域30%的淡水，淡水資源面積超過了90%。

對南港河道，分析區域在各月都有鹽水。11月因入海流量減小，淡水資源面積減少，從蓄水前超過90%減少到蓄水后不到80%。其他月份淡水資源面積均有增加。12月淡水資源面積從蓄水前不到5%增加到蓄水后接近30%，1月與2月從原來的沒有淡水增加到有10%左右的淡水，增加最多的是3月，增加了接近50%的淡水，從蓄水前不到50%增加到蓄水后超過95%。

3.2.4 對水源地取水口鹽度影響

根據數學模型計算出水源地水庫取水口鹽度過程，對各月鹽度平均值進行統計，如圖14所示。

圖14 枯季各月水源地取水口鹽度平均值

對東風西沙水庫，11月來水變化后各水源地取水口鹽度有所升高，但由于本底鹽度低，因此月平均鹽度也僅僅增加不到0.05‰。12月至3月，取水口鹽度因來水變化均有明顯減少，其中減少最多的為1月，鹽度減少了0.49‰。

對陳行水庫，11月來水變化后各水源地取水口鹽度有所升高，但由于本底鹽度低，因此月平均鹽度也僅僅增加不到0.05‰。12月至3月，取水口鹽度因來水變化均有明顯減少其中減少最多的為1月，鹽度減少了0.40‰。

對青草沙水庫，11月來水變化后各水源地取水口鹽度有所升高，但由于本底鹽度低，因此月平均鹽度也僅僅增加不到0.05‰。12月至3月，取水口鹽度因來水變化均有明顯減少，其中減少最多的為1月，鹽度減少了0.49‰。

4 長江口鹽水入侵未來變化趨勢預測

長江口鹽水入侵在未來會有怎樣的變化趨勢也是一個比較受關注的話題。在各河口鹽水入侵未來變化趨勢的分析中，眾多學者考慮了海平面上升對鹽水入侵的影響[21-22]，而對上游徑流變化進行預測后分析河口鹽水入侵的研究相對較少，這里即對此進行研究。

采用與上節相同的數學模型計算方法，以預測未來10 a枯季各月平均流量為上游邊界(表6)，對未來鹽水入侵較為嚴重的12月、1月、2月進行分析，得到未來10 a水源地各月取水口鹽度過程。對未來10 a水源地水庫各月平均鹽度進行計算(圖15)，并與現狀情況(三峽蓄水后)進行比較，可以發現雖然各月鹽度與現狀比均未增大，但除了12月外也沒有明顯減小(其他各月減小均在0.03‰以內)。12月因流量增加較為明顯，因此鹽度也有較為明顯的下降，東風西沙水庫、陳行水庫、青草沙水庫取水口平均鹽度下降分別為0.24‰、0.16‰、0.18‰。

圖15 未來10 a水源地水庫取水口枯季各月平均鹽度

5 結 語

以三峽工程為代表的長江上游水庫群的建成和運行使得11月至3月入海流量發生變化，除11月流量有所減少外，其他各月均為增大趨勢。入海流量小于15 000 m3/s的天數從25%下降到20%，而小于10 000 m3/s 的天數從10%下降到1%以下。采用互補集成經驗模態分解(CEEMD)方法與小波神經網絡(WNN)法相結合的方法對未來10 a大通枯季流量進行預測，較現在大體仍為增加趨勢，尤其是12月平均流量增量可達2 400 m3/s。

三峽工程的運行并未使得長江口鹽度時空分布特征發生根本性的改變，但鹽度場會有一定改變。根據數學模型計算結果，在三峽蓄水的影響下，除11月外其他枯季月份南支、南港、北港淡水資源面積均有增大，南支1、2月增量超過南支面積的40%，南北港則在3月增量最為明顯。

根據數學模型計算結果，三峽工程影響下，水源地取水口鹽度在11月有不到0.05‰的升高，其他月份均為下降，1月變化最為明顯，東風西沙水庫和青草沙水庫取水口鹽度下降0.49‰，陳行水庫取水口下降0.40‰。在未來10 a中，12月鹽水入侵與現狀相比將會有進一步明顯減弱，東風西沙水庫、陳行水庫、青草沙水庫取水口平均鹽度分別進一步下降0.24‰、0.16‰、0.18‰。