不同潮型和风况下青草沙水库取水口盐水入侵来源

王绍祥, 朱建荣

(1. 上海城投原水有限公司 青草沙水库管理分公司，上海 201913;2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

不同潮型和风况下青草沙水库取水口盐水入侵来源

王绍祥1, 朱建荣2

(1. 上海城投原水有限公司 青草沙水库管理分公司，上海 201913;2. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

本文应用2013年12月和2014年2月青草沙水库取水口实测盐度和数值模式计算的流速流向，分析水库取水口盐水入侵的来源.2013年12月枯季在一般径流量和风况的情况下，大潮、大潮后中潮和小潮前期水库取水口盐水来源于上游的北支倒灌，小潮中后期、小潮后中潮盐水入侵来源于北港下游外海的盐水入侵.观测资料发现2014年2月长江河口盐水入侵是近几十年来发生过的最严重盐水入侵事件，导致青草沙不宜取水的时间达到23 d，对上海的安全供水造成了严重威胁.2014年2月枯季在一般径流量和持续偏北大风15 d情况下，所有4个潮型中青草沙水库取水口盐水均来自北港外海的正面入侵.

青草沙水库； 盐水入侵； 潮型； 风况

0 引 言

青草沙水库位于南北港分汊口附近、长兴岛西北侧(见图1)，水域面积达到66.15 km2，相当于10个杭州西湖的面积，是迄今为止世界上最大的潮汐河口蓄淡避咸水库.青草沙水源地原水工程于2007年6月5日正式开工，于2010年12月建成并开始向上海供水.该水库承担了上海市约50%的原水供应，设计规划供水规模为719万m3/d，受益人口超过1 300万人，是继黄浦江上游、长江陈行水库之外，上海建设的第三个水源地.

注：白色区域为青草沙水库图1 长江河口形势图Fig.1 Situation map of the Changjiang Estuary

2010年青草沙水库供水前，上海的用水主要取自黄浦江，原水供水规模约为622万m3/d，约占全市集约化原水供应量的80%，长江原水供水规模为176万m3/d，约占全市集约化原水供应量的20%.黄浦江水质较差，水量不足，而长江河口得益于长江巨量径流，淡水资源丰沛，水质较好.随着上海经济、人口和社会的发展，淡水资源不足.青草沙水库的兴建，大大缓解了上海供水紧张的局面，为上海城市发展和工农业生产提供有利的保障.然而，青草沙水库位于长江河口水域，存在枯季盐水入侵的不利影响.

长江河口枯季经常面临盐水入侵，最大的特点是南支除受外海盐水入侵外，还受上游北支盐水倒灌的影响[1].已有的大量观测和研究表明，潮汐和径流量是影响盐水入侵的主要原因，其他还受风应力[2]、口外陆架环流[3]和河势变化[1，4]等影响.以往对长江河口盐水入侵来源的研究，沈焕庭等[1]指出长江口南支、南北港受北支盐水倒灌影响后，改变了盐度周日变化规律，具体反映为盐度周日变幅小，周日的盐度峰值和谷值出现在落憩和涨憩附近.茅志昌等[5]通过分析现场观测资料，指出青草沙水源地的盐水源自外海盐水入侵和北支盐水倒灌，其中以北支倒灌盐水团过境作用为主.顾玉亮等[6]根据观测资料分析，指出影响南支水源地的盐水来源有两个，为北支盐水倒灌和南北港外海盐水入侵.乐勤[7]等根据多年监测数据指出, 影响青草沙水库水域盐度变化的咸潮入侵来源有3个, 为北支咸潮倒灌、南港咸潮入侵和北港咸潮入侵，其中最主要的入侵为北支咸潮倒灌.以往对长江河口盐水入侵来源的研究，主要针对陈行水库.陈行水库于1992年建成启用，运行时间较早，对其研究较多.青草沙水库于2010年建成启用，运行时间较晚，对其盐水入侵来源研究相对较少.开展青草沙水库取水口盐水入侵来源的研究，可为保障水库安全取水提供科技依据.

本文应用2013年12月和2014年2月青草沙水库取水口盐度实测资料，结合数值模拟的流速和流向，分析不同潮型和风况下青草沙水库取水口盐水入侵的来源.

1 结果与分析

青草沙水库取水口位于水库西北侧北堤上端(见图1)，上海城投原水有限公司在取水口外建有盐度自动监测站.研究取水口盐水入侵来源，需要盐度和流速流向的过程线，但测站仅有盐度资料，没有流速流向资料.为此，本文应用改进的三维数值模式ECOM-si[8-10]，模拟观测时段长江河口流场和盐度场.该模式长期应用于长江河口地区水动力过程和盐水入侵等方面的研究，已经严格率定和验证，并取得诸多成果[2, 4, 11-13].

1.1 2013年12月不同潮型下盐水入侵来源

2013年12月大通实测径流量在10 500～13 500 m3/s之间变化(见图2)，月平均值约为12 000 m3/s，比多年月平均值14 060 m3/s小2 060 m3/s.长江径流量的下降会加重河口盐水入侵，这从下面2013年12月4个潮型时段的青草沙水库取水口盐度量值可见.风况资料取自长江口崇明东滩自动气象站，12月9日前风况南北风相间，风速较小，绝大部分时间在5 m/s以下.12月10—29日以偏北风为主，但风速超过8 m/s以上的时段不长.采用2013年12月实测径流量和风况，运行数值模式，可得出12月水位、流速和流向等.为详细分析不同潮型下青草沙水库取水口盐度变化过程，需要首先确定不同潮型对应的时段.

在12月2—5日的大潮时段，青草沙水库取水口落潮流速小于涨潮流速，最大涨潮流速达到0.65 m/s，落潮历时明显大于涨潮历时(见图3).因前期11月底径流量相对较大，达到13 000 m3/s以上，故在该大潮时段青草沙水库取水口盐度很低，小于饮用水盐度标准0.45.12月1—3日盐度小于0.1，不受盐水入侵的影响.4日出现小的盐度峰值，从流速上判断峰值出现于落憩时刻，表明盐水入侵来源于上游，即北支盐水倒灌.

在12月6—9日大潮后中潮时段,前2天落潮流速小于涨潮流速，最大涨潮流速达到0.60 m/s，后2天最大涨潮流速和落潮流速相当，落潮历时同样明显大于涨潮历时(见图4).青草沙水库取水口盐度相比于大潮期间显著升高，越到中潮后期盐度越高，盐度峰值均出现于落憩时刻，表明盐水入侵来源于上游，即北支盐水倒灌.水库取水口大潮后中潮时段盐度明显大于大潮时段，原因在于大潮时段大量的北支高盐水倒灌进入南支后，受径流量作用向下游移动，至青草沙水库取水口大约需要5 d左右的时间，故水库取水口大的盐度不出现在大潮时段，而出现在大潮后中潮时段.

注：水位图中的A、B、C和D分别表示大潮、大潮后中潮、小潮和小潮后中潮时段图2 2013年12月大通实测径流量、崇明东滩实测风速、风矢和青草沙水库取水口水位随时间变化Fig.2 Temporal variations of measured river discharge at Datong station, wind speed and vector at Chongming eastern shoal, water level at water intake of Qingcaosha reservoir in December 2013

在12月10—13日小潮时段,相比于大潮时段最大涨潮和落潮流速显著降低，小于0.5 m/s(见图5).9—10日和11日前半日青草沙水库取水口盐度在1.7上下波动，远超饮用水标准.原因在于9—10日出现大的北风，它会加剧北港的外海盐水入侵[12]，同时北支倒灌的盐水仍滞留在水库附近，因此导致水库取水口盐度值偏大且波动较小.12日下半天后盐度逐渐趋于下降，峰值出现在涨憩时刻，表明盐水入侵来源于下游北港外海.总体上，小潮时段的前期，水库取水口盐水入侵来源于北支倒灌，后期来源于北港外海盐水入侵.

注：虚线为饮用水盐度标准0.45，下同图3 2013年12月2—5日大潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.3 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the spring tide from 2nd to 5th December, 2013

图4 2013年12月6—9日大潮后中潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.4 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after spring tide from 6th to 9th December, 2013

图5 2013年12月10—13日小潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.5 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the neap tide from 10th to 13th December, 2013

在12月14—17日小潮后中潮时段,再次出现最大涨潮流速大于最大落潮流速(见图6).盐度继续下降，取水口绝大部分时段能取到淡水，峰值出现在涨憩时刻，表明盐水入侵来源于北港外海.

图6 2013年12月14—17日小潮后中潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.6 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after neap tide from 14th to 17th December, 2013

1.2 2014年2月长时间持续强北风作用下盐水入侵来源

2014年2月大通实测径流量在10 000～13 800 m3/s之间变化(见图7)，月平均值约为11 800 m3/s，比多年月平均值12 060 m3/s略小260 m3/s，十分接近平均状态.对风况变化，2月2—4日为东北风，风速在4 m/s上下；5—6日为东南风，风速约为6 m/s；7—15日为持续的偏北风，期间大部分时间风速超过6 m/s；16日为较弱的东南风，但随后17—20日又出现4 d强北风，风速超过6 m/s.从7—20日，除了16日1 d，出现了长达13 d的偏北大风，它严重地加剧了长江河口盐水入侵(见下分析).采用2014年2月实测径流量和风况，运行数值模式，可得出2月水位、流速和流向等.为详细分析不同潮型下青草沙水库取水口盐度变化过程，需要首先确定不同潮型对应的时段.因偏北大风持续时间长，按时间次序分为大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮、大潮后中潮、小潮这6个时段来分析不同潮型和风况下青草沙水库取水口盐水入侵来源.

注：水位图中的A、B、C、D、E和F分别表示大潮后中潮、小潮、小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮时段图7 2014年2月大通实测径流量、崇明东滩实测风速、风矢和青草沙水库取水口水位随时间变化Fig.7 Temporal variations of measured river discharge at Datong station, wind speed and vector at Chongming eastern shoal, water level at water intake of Qingcaosha reservoir in February 2014

在2月3—6日大潮后中潮时段,前2.5 d出现盐度低于0.45的时段，水库能取到淡水，取水口大部分时段能取到淡水，后1.5 d盐度逐渐升高，取不到淡水(见图8).盐度峰值出现在落憩时刻，谷值出现在涨憩时刻，表明盐水入侵来源于上游的北支倒灌.这与上述12月大潮后中潮时段的情况一致.

图8 2014年2月3—6日大潮后中潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.8 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after spring tide from 3rd to 6th February, 2014

在2月7—10日小潮时段,均为6 m/s以上的偏北大风，水库取水口盐度均大于1.0，无淡水可取(见图9).在7日前半天盐度谷值出现在涨潮期间，表明盐水入侵来源来自上游北支倒灌.9日盐度峰值出现在涨潮期间，谷值出现在落潮期间，表明盐水入侵来自北港外海.总体上，这这段小潮期间盐度约为2，与该潮型下盐度一般情况下明显偏高，另外绝大部分时段波动很小，这与前期北支倒灌的盐水位于北港上段和期间大风造成的北港下游盐水入侵有关.

在2月11—14日小潮后中潮时段,期间仍为偏北大风，水库取水口盐度异常升高，最大值超过7.0(因仪器量程的设置，盐度大于7的值未能测到，下同)，盐度的高值均出现在涨潮期间，低值均出现在落潮期间，这表明盐水入侵来源来自北港下游外海(见图10).持续的强北风造成了北港极为严重的盐水入侵，这在以前的研究中分析过其动力机制[12].

在2月15—18日大潮时段,期间仍为偏北大风为主，水库取水口盐度仍异常高，最大值超过7.0，盐度的高值均出现在涨潮期间，低值均出现在落潮期间，这表明盐水入侵来源来自北港下游外海(见图11).一般风况情况下，大潮期间水库取水口盐水入侵来自于上游北支倒灌，但在持续的强北风情况下造成了极为严重的北港外海盐水入侵.

图9 2014年2月7—10日小潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.9 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the neap tide from 7th to 10th February, 2014

图10 2014年2月11—14日小潮后中潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.10 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after neap tide from 11th to 14th February, 2014

在2月19—22日大潮后中潮时段,前2天为较强偏北风，后2天为偏东南风，随着风况变化水库取水口盐度下降，但仍大于2.0(见图12).在前2天，盐度的峰值均出现在涨憩时刻，谷值均出现在落憩之后，这仍表明盐水入侵来源来自北港下游外海.在后2天，盐度基本维持在2.0，波动很小，可能北支倒灌的盐水已经达到.

图11 2014年2月15—18日大潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.11 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the spring tide from 15th to 18th February, 2014

图12 2014年2月19—22日大潮后中潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.12 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the medium tide after spring tide from 19th to 22th February, 2014

在2月23—26日小潮时段,前3天以偏东风为主，后1天为北风，随着不利于盐水入侵风况的出现和潮型的变化，水库取水口盐度持续下降，25日出现了盐度小于0.45时段，能时段性取到淡水，解决了当时水库的燃眉之急(见图13).盐度的峰值出现在涨潮期间，表明盐水入侵来源来自北港下游外海.

图13 2014年2月23—26日小潮时段青草沙水库取水口流速、流向和盐度随时间变化Fig.13 Temporal variations of current speed, direction and salinity during the neap tide from 23th to 26th February, 2014

2 结论和讨论

本文应用2013年12月和2014年2月青草沙水库取水口实测盐度和数值模式计算的流速流向，分析水库取水口盐水入侵的来源.在枯季一般径流量和风况情况下，大潮、大潮后中潮和小潮前期水库取水口盐水入侵来源于上游的北支倒灌，小潮中后期、小潮后中潮时段盐水入侵来源于北港下游外海的盐水入侵.我们注意到在2013年12月15—30日出现持续的北风，持续北风时间长达16 d，12月18和27日风速超过8 m/s，但时间短，并且风速大于6 m/s的风时间不长.因为风应力与风速之间存在二次率的关系，大风持续时间不长，青草沙水库取水口在12月该段时间并未出现较严重的盐水入侵.

在冬季一般会频繁发生南下的冷空气，出现偏北大风，但时间一般仅2—3 d，较短时段的偏北大风不会改变上述青草沙水库取水口不同潮型下的盐水入侵来源.2014年2月长江口持续出现偏北大风15 d，持续偏北大风产生向岸水体输运和水位抬升，导致北港极其严重的正面盐水入侵，水库取水口盐度超过7，偏北大风期间所有的4个潮型盐水入侵均来自北港下游的外海.2014年2月长江河口盐水入侵是近几十年来从未发生过的严重盐水入侵事件，导致青草沙不宜取水的时间达到23 d，对上海的安全供水造成了严重威胁.本文基于实测资料对该事件过程作了描述和初步分析，对其动力机制和过程还待深入研究.

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(责任编辑 李万会)

Saltwater intrusion sources at the water intake of Qingcaosha reservoir in different tidal pattern and wind case

WANG Shao-xiang1, ZHU Jian-rong2

(1.QingcaoshaReservoirManagementBranch,RawWaterCo.Ltd.ofShanghaiCityInvestment,Shanghai201913,China;2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

The measured salinity and numerical simulated current speed and direction in December 2013 and February 2014 were used to analyze the source of saltwater intrusion at the water intake of Qingcaosha reservoir. Under the general river discharge and wind case in dry season December 2013, the saltwater sources at the water intake during spring tide, medium tide after spring tide, early neap tide came from the upstream saltwater-spill-over from the North Branch into the South Branch, whereas during late neap tide and medium tide after neap tide came from the downstream open sea, i.e., through the saltwater intrusion in the North Channel. It was found that the saltwater intrusion in the Changjiang Estuary in February 2014 was very severe and had never been happened in recent decades, which resulted in the not suitable take water days of the reservoir reach to 23 days, and serious threat of safety water supply in Shanghai. Under the general river discharge and long continue strong northerlies lasting 15 days in February 2014, the saltwater sources at the water intake of Qingcaosha reservoir during the all four tidal patterns came from the downstream open sea saltwater intrusion through the North Channel.

Qingcaosha reservoir; saltwater intrusion; tidal pattern; wind case

1000-5641(2015)04-0065-12

2014-07

上海市科学技术委员会重点项目(14231200402)；上海城投总公司项目(CTKY-重大-2011-01-02) 第一作者：王绍祥，男，高级工程师，从事水源管理和应急处理研究.E-mail: wsx080@hotmail.com. 通信作者：朱建荣，男，教授，博士生导师，从事河口海洋学研究.E-mail: jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn.

P731.23

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.008