上海市用水變化特征及水資源保障能力分析

陳 燕

(淞際環境規劃設計(上海)有限公司，上海 200232)

水是生命之源、生產之要、生態之基。國務院批準的《上海市城市總體規劃(2017—2035年)》明確了基礎設施服務3000萬人的要求，在此基礎上，《上海市供水規劃(2017—2035年)明確全市供水水源地遠期供水規模不小于1600萬m3/d。其中，長江水源地青草沙、陳行和東風西沙三座水庫供水規模不低于1100萬m3/d；黃浦江上游水源地按照500萬m3/d控制。另外，還存在一定規模的農業灌溉以及工業自備水量。為更好地分析上海市用水需求和保障能力，本文深入研究了近些年上海市生產、生活、生態等領域用水格局、變化特征及水資源情況，從中找出相關問題，為打造具有世界影響力的社會主義現代化國際大都市提供技術支撐。

1 用水情況現狀

上海地處長江口，長江流域、太湖流域尾閭，境內河網水系受潮汐、氣象及上游徑流影響較大，河道水流呈往復流狀態。目前，上海市除蘇州河以南的老市區外，將基本條件類似的地區劃分成14個自然片進行綜合治理(包括3個敞開片)，確立了“以蓄為主，蓄以待排”的治水基本思路，明確了各水利片的治理標準、工程布局和工程規模。目前，除3個敞開片外，其余11個水利片外圍已經建閘泵控制。至2020年底，全市河道(湖泊)面積共640.931km2，河湖水面率10.11%。

上海市本地水資源量少，區域水資源與流域來水密切相關。上海市多年平均地表徑流量為26.91億m3，多年平均過境水資源總量為9299.37億m3，過境水資源量遠大于本地水資源量，其中，太湖流域來水量114.89億m3，長江干流來水量9184.48億m3[1]。

1.1 供水體系

目前，上海基本建成黃浦江上游以及長江口青草沙、陳行和東風西沙四大水源地，“兩江并舉、集中取水、水庫供水、一網調度”的水源地格局已經形成，原水供水規模達到1312.5萬m3/d。其中：青草沙水源地供水規模為731萬m3/d，陳行水源地供水規模為206萬m3/d，東風西沙供水規模為24.5萬m3/d，黃浦江上游金澤水源地供水規模為351萬m3/d。為提高供水保障，四座水源地均預留應急供水能力，如青草沙水源地庫容可確保68天連續供水。另外，全市大部分水廠建有就地河道應急取水口，總規模為906萬m3/d。

1.2 企業自備水源

企業自備水源包括長江口、黃浦江以及內陸河網水系，取水戶主要包括火電企業、一般工業。以長江水為取水水源的火電企業共12家，年取水規模約45.23億m3；在黃浦江干流段日取水量超過2萬m3的大中型取水口有12個，年取水規模約13.09億m3。

1.3 農業、生態發展

a.農業發展情況。根據多年的《上海農村統計年鑒》，從農作物播種類型上分析，全市農業種植有糧食作物和經濟作物，其中糧食作物主要包括稻谷、小麥和大麥；經濟作物主要包括棉花、花生、油菜、菠菜、園林水果、草莓、西甜瓜、西瓜、甘蔗等。從多年的農作物播種面積數據分析，全市播種面積從2007年的40.06萬hm2降至2019年的26.43萬hm2，總體呈下降趨穩態勢，各類糧食作物、經濟作物的種植面積也基本是同樣的變化趨勢。

b.生態綠化發展情況。根據《上海綠化市容行業年鑒》，2009—2017年全市綠化覆蓋面積、綠地面積、林地面積三個指標均呈增加趨勢，上海市多年綠化指標變化趨勢見圖1。

圖1 上海市多年綠化指標變化趨勢

2 需求趨勢分析

2.1 經濟指標變化趨勢

上海市常住人口總體呈穩中有升趨勢，2013—2019年凈增12.99萬人，年均增長率1.0‰。從城鎮化率來看，由2013年的88.3%上升至2019年的90.3%，7年間增加2%。上海市多年常住人口和城鎮化率變化趨勢見圖2。根據國際上公認的城鎮化發展階段[2]，城鎮化率處于30.0%～70.0%時，為城鎮化快速發展期；城鎮化率不小于70.0%時，則進入平緩穩定期。2019年底，上海市城鎮化率為90.3%，處于城鎮化平緩穩定期。按照當年價統計，2013—2019年上海市經濟發展較快，GDP年均保持9.9%的增長速度，由2013年的21602億元增至2019年的38155億元。工業增加值年均增長率為 5.0%，由2013年的7237億元增至2019年的9671億元。上海市多年GDP和工業增加值變化趨勢見圖3。

圖2 上海市多年常住人口和城鎮化率變化趨勢

圖3 上海市多年GDP和工業增加值變化趨勢

2.2 用水量變化趨勢

2013年以來上海市用水總量整體呈穩中有降趨勢，尤其是工業用水量呈下降趨勢，生活用水量略有下降，上海市多年用水量變化趨勢見圖4。從用水結構變化趨勢看，農業用水量占用水總量的比重基本不變，生活用水量占用水總量的比重不斷提高，工業用水量占比呈下降趨勢，上海市多年用水結構變化趨勢見圖5。

圖4 上海市多年用水量變化趨勢

圖5 上海市多年用水結構變化趨勢

2.3 用水指標變化趨勢

多年來，隨著節水技術的改進以及市民節水意識的增強，上海市用水水平和用水效率均有較大提高。上海市人均綜合用水量變化趨勢總體為穩中有降。按照2019年當年價計算，萬元GDP用水量和萬元工業增加值用水量隨著經濟的發展、用水效率及水資源管理水平的提高，下降較快。農田灌溉畝均用水量變化不僅與該年份作物生長期的有效降水有關，而且與作物種植結構和灌溉習慣等密切相關。總體來看，上海市農田灌溉畝均用水量呈區間波動變化趨勢。上海市多年用水指標變化趨勢見圖6。

圖6 上海市多年用水指標變化趨勢

3 上海市取水水量風險分析

3.1 用水保障能力分析

經國務院批復的長江流域、太湖流域相關規劃，明確了流域水資源開發利用與保護的總體格局和要求。其中，長江流域水資源開發利用保護的總體布局是“自給自足、上下兼顧、南北調配”；太湖流域規劃擴大流域引長江能力，利用太湖調蓄能力，提高太湖向下游及周邊地區供水能力，形成以太湖、望虞河、太浦河及新孟河為重點，流域、區域和城市三個層次相協調的配置格局；上海立足自身平原感潮河網特點，制定了各水利片的水資源調度方案，包括引排水方向、閘泵調度控制要求以及調度代表站和水位控制范圍等。為進一步完善水資源保障能力，近些年，流域部門以及上海市水務部門陸續印發相關文件，明確了包括黃浦江、淀山湖元蕩在內的上海相關重要河湖和水利片的生態水位管控要求。

根據以上梳理分析可知，在常規氣候條件下，上海市的取水保障能力是較高的。但如果時空上發生大尺度的特殊氣候情況，比如大范圍的干旱或者潮流強于徑流，需進一步深入研究。

3.2 流域發生旱情

3.2.1 流域旱情歷史分析

上海市位于流域下游，流域發生旱情或者來水減少，對上海市的影響會極為明顯。長江流域由于地形地貌復雜多變，各區域氣候變化較大，每當大氣環流系統發生異常時，上游地區的春夏旱持續延長，中下游地區的多雨期出現“枯梅”或“空梅”，使伏旱提前，旱期延長，易釀成流域性干旱。

《中國近五百年旱澇分布圖集》[3]分析了1470—1979年500多年來長江流域重旱和極旱情況及影響程度，認為長江流域發生比較嚴重干旱的頻率平均為5.55%，中下游地區受旱機會高于上游地區，其中長江三角洲、干流中下游和洞庭湖地區干旱頻率高達9.00%以上，為全流域最高干旱頻率區；其次是上游的嘉陵江地區，中心最高干旱頻率為7.00%以上。分析認為，長江流域輕旱以上平均約2～3年一次，重旱以上約78年一次。20世紀發生的干旱事件在頻率和程度上均比18世紀、19世紀嚴重，與16世紀、17世紀的干旱多發期相近。持續性干旱災害破壞性也最強。陳吉余等[4]將長江流域旱災特征總結為：?干旱的季節性：上游地區春夏旱頻繁，中下游夏秋旱居多；?旱災的區域性：上游地區干旱頻率高于中下游地區，且過程不同步，各自成一體；流域內有若干易旱中心；?干旱的周期性及持續性。

3.2.2 上海歷史旱情統計分析

根據《上海水旱災害》[5]，1001—1991年上海區域共發生旱災109次，其中中等級以上旱災次數占72%，中等旱災、大旱災和特大旱災分別占旱災總次數的21%、46%和5%，說明旱災中，中等級以上旱災出現次數多。上海歷史旱災年內變化也存在一定的規律性，若出現無雨或少雨，土壤很快蒸發失水，造成旱災，因此旱情主要出現在夏秋兩季。1949年后，上海市發生了受災程度不同的旱災，其中最嚴重的是1978年，為全市大旱，其余均為局部小范圍旱災。

3.2.3 典型旱情分析

1978年是長江流域性極重干旱年，也是太湖流域特大干旱年，是20世紀最旱的一年，也是1949年后第一大旱年。重旱區主要分布在長江中下游和淮河流域。長江中下游地區，4月各地降水比常年偏少3～8成，作物關鍵生長期的7—8月降水偏少4～6成。干旱少雨和高蒸發量使得河川天然徑流大幅度減少。大通站來水量比常年同期少4成左右，受災率最高為江蘇、上海。受流域大旱影響，徐六涇以下河段遭受鹽水侵襲長達6個月之久，當時的上海吳淞水廠因取水口鹽度值超標而持續142天不能取水，咸潮還沿黃浦江上溯，使得沿江7個取水口鹽度值長時間超過飲用水標準。由于1949年后加強水利工程建設，全市抗旱能力增強，農業生產未受明顯影響。

近幾十年來，長三角地區經濟社會快速發展，有必要結合現狀下墊面以及取用水工況，量化分析若再次發生1978年型旱情的低潮水位情況。本文利用太湖流域河網數值模型計算分析如下。

a.河湖水系概化。河道斷面概化中，縣級以上河道基本采用了實測斷面，部分縣級以下河道采用概化斷面。本模型共概化河道總長15100km，河道斷面10120個，平均斷面密度1.49km/個。太湖流域河網概化見圖7。

圖7 太湖流域河網概化

b.計算條件設定。潮位邊界。采用1978年的實際潮位。由于水位站數目少于太湖流域外排口門數目，無潮位資料的口門根據水位站與口門位置關系，采用拉格朗日三點插值得到。

山丘區流量邊界。采用太湖流域第三次水資源調查評價中降雨產流模型計算結果為本次計算提供典型年山丘區流量邊界。

下墊面構成。采用太湖流域第三次水資源調查評價成果對模型系統下墊面、本地地表水資源量、現狀水資源開發利用進行更新完善后用于計算。

大取水戶、排水戶。以第三次水資源調查評價水資源開發利用調查成果為基礎，分別統計規模以上取水戶年取水量，本地水源及沿長江、錢塘江水源取、耗水量。

水利工程調度。各水利工程調度原則基本已采用太湖流域防辦工程調度方案工作手冊概化。

c.量化計算結果。根據計算，在1978年型旱情下，黃浦江松浦大橋斷面凈泄量有32天低于90m3/s；黃浦江在1—5月、8—9月的低水位均明顯偏低(最低水位2.31m)，導致絕大部分水利片存在長時間無法引水的情況(水利片常水位基本在2.50～2.80m)。1978年型下黃浦江(松浦大橋)低水位變化見圖8。

圖8 1978年型下黃浦江(松浦大橋)低水位變化

3.3 咸潮上溯

長江口是一個多級分汊的三角洲河口，平面呈喇叭形。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。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，給工農業生產帶來不利影響。

長江口咸潮入侵以2013年11月至2014年5月期間最為嚴重，特別是在2014年2月遭受了北支與南支外海正面咸潮入侵的雙面夾擊，三次咸潮幾乎連在一起，中間僅在2月9—10日出現一個5～6h的氯化物濃度值低于250mg/L的間隔期，2013年11月至2014年5月東風西沙氯化物-大通流量變化見圖9。目前，針對長江口咸潮入侵的研究很多，認為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[6-8]。但很多學者認為長江口咸潮上溯與大通流量呈現明顯的反相關關系，大通流量越小，長江口受咸潮入侵影響越大。長江防汛抗旱總指揮部、上海市水務局聯合印發的《長江口咸潮應對工作預案》，將長江大通站的流量作為長江口咸潮入侵的指示指標之一。

圖9 2013年11月至2014年5月東風西沙氯化物-大通流量變化

4 結論與建議

a.上海市位于長江流域下游，過境水資源量較豐沛，且通過興建封閉式水源地、構建水利片等工程措施，以及完善調度管理、應急取水等非工程措施，進一步提升了全市取用水安全能力。常規氣候條件情況下，全市不會發生較大風險的供水問題。

b.從水資源量的角度，上海市取用水最大的風險是流域干旱和咸潮上溯。長系列的數據表明，上海市不易發生中等級以上的旱情；但從長歷時角度，長江流域發生過較嚴重的干旱，其中長江口是流域中發生干旱概率最高的區域之一。因此，立足防患于未然，需制定流域層級的干旱防控對策措施。

c.枯水期長江口咸潮上溯是當前影響上海市取水安全的最重要因素，但咸潮上溯的機理研究尚未形成統一意見，建議進一步深入開展研究。