钱塘江河口盐水入侵变化趋势及原因浅析

2021-08-09李若华夏冬梅姚凯华

浙江水利科技 2021年4期

李若华，夏冬梅，姚凯华

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江杭州 310020；2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州 310020）

1 问题的提出

钱塘江河口是世界上典型的强潮河口，潮强流急、盐水入侵强烈，咸水可上溯至离杭州湾口207 km的闻家堰以上（见图1）[1]。盐水入侵可改变河口区水体的理化特性，影响淡水生物群的栖息条件[2-3]，改变泥沙的絮凝机制，影响河口区的河床演变[4]，还深刻影响河口淡水资源的开发利用，杭州市区85%的生活用水取自钱塘江闸口河段，每年秋季大潮汛期经常受到盐水入侵的威胁[5]。因此，研究盐水入侵的变化趋势具有重要意义。

图1 钱塘江河口平面形势图

近几十年来，因海平面上升等外界条件改变，尤其是受人类活动的影响，大部分河口的径流、潮汐及盐水入侵程度发生了变化。新中国成立后对钱塘江河口影响最大的人类活动主要是新安江建库和治江缩窄工程。韩曾萃[6]、史英标[7]等研究表明，新安江建库后增大了枯水径流，降低了盐水入侵程度，而河口段的治江缩窄增加沿程高水位及潮差，增大盐水入侵强度。尖山河段治理后，盐官以上河段的低水位抬高、潮差减小，盐水入侵呈减小趋势[8]。另外，曹颖[9]指出，钱塘江河口为喇叭形，且河床易冲易淤，此类河口具有天然的淤积下移趋势，河口下移必将导致盐水入侵的变化。

20世纪80年代后，钱塘江河口上游建库及大规模治江缩窄工程基本完成。本文收集1992年以来的盐度及相关水文资料，采用可消除季节性和流量影响的季节性肯达尔检验法[10]，浅析近30 a来钱塘江河口盐水入侵的变化趋势及原因，为河口相关研究及水资源利用提供参考。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区域

钱塘江是浙江省第一大河，流域面积约5.5万km2，其中浙江省境内面积4.8万km2，占全省陆域面积的47%。富春江电站以下河段受潮汐影响，称为钱塘江河口，长291 km。闻家堰至澉浦为钱塘江河口的河口段，长116 km，水动力受径流和潮汐共同影响，丰水期主要受径流控制，枯水期主要受潮汐控制，是盐水入侵的主要河段。澉浦以下为杭州湾，水动力主要受外海潮汐控制[10]。钱塘江河口的径流由富春江电站控制，多年平均流量为950 m3/s，每年的4—7月为丰水期。径流量占全年的70%，其他月份为枯水期。新安江水库建成（1960年）运行后，洪蓄枯泄，枯水期径流略有增加。钱塘江河口潮强流急，澉浦实测最大潮差达9.00 m以上，潮汐受M2分潮控制，每日两涨两落。由于年内径流的变化，钱塘江河口的盐度也呈现典型的季节变化，丰水期径流大盐度低，枯水期径流小盐度高；另外受大小潮汛的影响，盐度还呈现典型的半月变化[11]。

2.2 研究资料

钱塘江河口长期观测盐度的水文站有闸口、七堡、仓前、盐官、澉浦等5个站（位置见图1），每日采用滴定法观测日最大、最小氯度（盐度=1.805×氯度‰+0.03‰），并记录每个潮周期的最高、最低潮位，已积累近50 a的资料。澉浦站位于长山闸旁，受长山闸淡水排入影响，数据失真较为严重，尤其是2009年以后，澉浦站因采样处淤积暂停氯度观测。故本文仅选用闸口、七堡、仓前、盐官4个观测站的资料，时间序列上选用上游建库及大规模治江缩窄工程基本完成后近30 a的数据。

2.3 季节性肯达尔检验法

肯达尔检验法最初由Mann和Kendall提出，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，被许多学者应用于分析降水、径流、气温和水质等要素的时间变化趋势[12-13]。季节性肯达尔检验在肯达尔检验法的基础上进行改进，是对历年相同月份间要素样本的比较，不受非正态分布及数据季节性变化的影响，适用于要素随季节性规律变化的多年趋势分析[14]。受丰水期、枯水期影响，钱塘江河口的盐度具有典型的季节变化特征[11]，因此本文采用季节性肯达尔检验法分析盐度多年变化趋势。

季节性肯达尔检验法介绍见文献9，其原理是将历年同月（或同一时期）的观测数据进行比较，如果后面的观测值大于前面的监测值，则记为“+ 1”，小于则记为“-1”，相等则记为“0”。如果求和大于0，则判为上升趋势；如果求和小于0，则判为下降趋势；如果求和等于0，则判为无明显变化趋势。在趋势检验时取显著性水平α为0.10和0.01，当α≤0.01时，说明检验具有高度显著性水平；当0.01＜α≤0.10时，说明检验是显著的。

3 结果与讨论

3.1 氯度年际变化特征

统计各观测站含氯度的年均值，分析1992—2018年氯度的年际变化特征（见图2）。由图2可见，盐官站氯度较高，1992—2013年均在1.00‰以上，且波动幅度较大，2014年后氯度大幅降低，2014—2018年均低于1.00‰。仓前站年均氯度均低于1.00‰。七堡站年均氯度均低于0.50‰，在1994—1996年、2003—2004年氯度较高，其他年份较低。闸口站年均值均低于0.25‰的饮用水标准，波动幅度很小。

图2 各观测站年均氯度年际变化图

闸口、七堡站位于河口段的上游，受径流影响显著，8—10月是抗咸供水最关键的时段，该时段闸口、七堡站的氯度体现上游水库削峰填谷的作用及取水口河段受咸潮影响的情况，为此统计闸口、七堡站每年8—10月的平均氯度，绘制年际变化图（见图3）。2003年底，为保障杭州市的抗咸供水，浙江省成立抗咸工作联席组织，定期研究、制定抗咸调度方案，以保障杭州市的供水安全。从图3可看出，闸口、七堡站1992—2003年氯度较高，且波动幅度较大，尤其是1994—1996年、2003年的氯度明显高于其他年份；2003年后闸口站氯度均小于0.05‰，七堡站的年际变化幅度也大幅减小，且氯度明显低于2003年以前。由此可见，2003年后闸口、七堡站秋季的氯度降低且年际波动幅度减小，可能与严格执行抗咸调度有关。

图3 闸口、七堡站8—10月月均氯度年际变化图

3.2 盐水入侵年际变化趋势

根据各观测站含氯度的年际变化图很难直观看出年际变化趋势，因此统计1992—2018年的月均氯度及月最大氯度，采用季节性肯达尔检验法判断各观测站氯度的升、降，以反映钱塘江河口盐水入侵强度的变化，分析结果见表1。其中，月均氯度代表1个月平均的盐度情况，月最大氯度代表大潮汛期间受咸潮的最大影响情况，2个指标结合可在一定程度上体现盐度在月内的分布。

闸口、七堡位于河口段的上游，盐度较低，1 a中大部分时间为淡水，其观测数据无法反映盐度的变化。由表1可见，1992年以来月均氯度无明显变化，但月最大氯度均呈显著下降趋势，表明大潮汛期的盐水入侵强度有所降低，即取水口在大潮汛期受咸潮的影响有所减弱，这可能与抗咸调度逐渐优化有关[15]。仓前、盐官站的月均氯度及月最大氯度均呈高度显著下降趋势，表明仓前、盐官站的盐水入侵强度逐渐减弱。由此可见，1992年以来钱塘江河口的盐水入侵强度有所降低。

表1 钱塘江河口段各监测站氯度变化趋势分析成果表

续表1

3.3 盐水入侵变化趋势与径流、潮汐的关系

径流、潮汐和江道地形是影响钱塘江河口盐水入侵的主要因素，其中江道地形主要通过改变潮汐大小间接影响盐水入侵，因而江道条件可包含在潮汐因素中[16]。基于1992年以来富春江电站月均下泄径流量，采用季节性肯达尔检验法分析表明，径流量无明显的变化趋势，表明钱塘江流域的降水与钱塘江的流量无明显的趋势变化，说明钱塘江河口的盐水入侵强度下降趋势与径流关系不大。

以潮差代表潮汐强度，采用月均潮差和月最大潮差2个指标分析1992—2018年潮汐的变化趋势，分析结果见表2。由表2可见，各站月均潮差、月最大潮差均呈现显著下降趋势，表明钱塘江河口的潮汐强度逐渐减弱。曹颖[9]指出，钱塘江河口因喇叭口形态及易冲易淤的河床底质导致河口具有天然的淤积下移趋势，近几十年来河口沙坎顶点逐渐下移，且河口整治加快了这种下移趋势，从而导致潮汐强度减弱。