上游水库群运行对长江口淡水资源的影响及未来趋势分析

丁 磊，缴 健，杨啸宇，曾 明，王逸飞

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010)

河口是江河入海口，历来是全球经济最为发达的地区之一。其经济发展、生产生活均对淡水资源有巨大的需求，而盐水入侵是河口淡水资源利用的最主要威胁之一。盐水入侵是指外海高浓度盐水随着涨潮流上溯到河口地区造成水体盐度升高的自然现象。国内外研究均已表明上游径流与外海潮汐是影响河口盐水入侵的最主要因素，径流越小或潮汐强度越大，盐水入侵越剧烈[1]。

长江是中国最长的河流，其河口也为中国之最，长江三角洲经济发展水平在国内处于领先地位，上海市就位于长江口沿岸。目前上海市超过60%的生产生活用水均取自长江口三大水源地——陈行水库、青草沙水库和东风西沙水库，其中青草沙水库的供水规模达到了全市的50%左右[2]。长江口若发生严重盐水入侵将会对河口城市供水安全产生巨大不利影响。水中氯化物含量超过250 mg/L[3](盐度0.45‰)的标准就不能用于自来水原水。以2014年为例，2月3日至25日长江口遭遇严重的盐水入侵事件，水源地水库取水口连续23 d出现氯化物超标不能取水，上海200万人口的用水受到影响，曾一度引起部分城乡居民生活用水危机[4]。

安徽大通站是距离河口最近且不受潮汐影响的水文站，历来对长江口的研究均是将大通水文站流量作为长江口径流量[5]。以三峡工程为典型代表的上游水库群建设对入海流量的影响可在大通流量上有直观体现。长江口的盐水入侵一般发生在枯季，顾玉亮等[6]认为大通流量低于20 000 m3/s时，北支发生显著性盐水倒灌；朱建荣等[7]认为大潮期大通流量低于13 000 m3/s时长江口盐水入侵严重。严鑫等[8]基于经验模型提出长江口南支上段压咸临界流量为11 500 m3/s。随着以三峡工程为代表的长江上游水库群的建成和运行，入海流量年内分布发生改变，表现为明显坦化趋势[9]，此也必将对长江口的盐水入侵产生一定程度影响。但目前关于上游水库群运行对长江口盐水入侵具体影响程度以及未来的变化趋势仍研究较少。因此，基于大通水文站历史资料分析，利用数学模型量化探究三峡建成前后长江口盐水入侵程度变化，同时对未来状况进行预测。研究可为未来长江口盐水入侵的相关研究提供参考，以及为长江口水源地运行提供重要依据。

1 研究区域概况

1.1 长江口概况

长江口在平面上呈“三级分汊，四口入海”的河势格局。徐六泾以下崇明岛北面为北支，南面为南支，长兴岛和横沙岛将南支分为北港和南港，九段沙将南港分为北槽和南槽(图1)。

图1 长江口位置

冬季盛行偏北风、夏季盛行偏南风，季节性变化十分明显。一年中，平均风速以春季3月至4月为最大，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]对长江口崇明东滩风况统计分析，枯季各月平均风速风向如表1所示。

表1 崇明东滩枯季各月平均风速风向

1.2 长江口水文情势

1.2.1 径流

长江口地区水资源总量为42.33亿m3，其中地表水资源量38.00亿m3。长江入海水量年内分配不均匀，基本表现为洪季流量大，枯季流量小。大通水文站多年平均流量为28 300 m3/s，1954年8月1日出现最大流量92 600 m3/s，1979年1月31日出现最小流量为4 620 m3/s。徐六泾水文站是长江干流距入海口门最近的综合性水文站，2005年起开展潮流量自动观测并取得了整编成果。徐六泾历年统计资料表明：徐六泾站年径流量约占大通站的97.2%且两站变化趋势一致[11]，因而大通站的来水量基本能代表长江口入海水量。上游江水从三峡水利工程下泄至长江口为15 d左右时间，从大通到长江口需要5～7 d的时间。

1.2.2 潮汐潮流

长江口为中等强度潮汐河口，潮汐为非正规半日浅海潮，每日两涨两落，且日潮不等现象明显。在一个太阴日(即24 h 50 min)内，有两次高潮和两次低潮，两个高潮和两个低潮各不相等。研究区域地处中纬度，潮汐日不等现象较明显。长江口的潮汐特征主要表现为高潮不等，从春分到秋分，一般夜潮大于日潮，从秋分到翌年春分，日潮大于夜潮。

潮汐受外海潮波控制，东海前进波系统在研究区域M2分潮为主，起支配作用；其次还受到黄海旋转潮波影响，以K1、O1分潮较显著。潮波进入长江口区后，受边界条件和上游径流影响，潮波发生变形，即非典型的前进波，也非典型的驻波。

1.2.3 径流、潮汐变化趋势

1)径流变化

从年平均径流量看，各年代大通年径流量在8 427.1～9 595.1亿m3，各年代间来水波动，无明显增减趋势。从月平均径流量来看，一年中洪枯季的特征也未发生改变，但2000年以后变幅有减小(图2)。如图3所示，枯季径流占比基本在22%～36%之间。按年代际计算，枯季径流量在2 383.6～2 959.0亿m3，其中2010—2018年平均枯季径流量最大，为2 959.0亿m3，总径流量仅为8 973.0亿m3；50年代至70年代枯季径流占比为28%，随年代推移比例增加，2000—2009年比例增加至31%，至2010—2018年，比例达到33%(表2)。

图2 大通站1950—2018年年平均流量变化趋势

图3 大通站1950—2018年各年枯季径流占比

2)外海潮动力变化

对2003—2016年绿华山站潮位进行统计(图4)，多年平均潮差为2.63 m，平均高潮位为3.39 m，平均低潮位为1.88 m。相对于径流较大的变化而言，潮流年际变化相对较小。袁小婷[12]对近40年长江口潮汐动力变化特征的研究也表明，口内潮汐特征值的变化主要是源于入海流量变化及河口人类活动，因此外海潮汐动力的变化与径流相比是相对较小的。

图4 绿华山潮位站2003—2016年潮位过程线

1.3 淡水资源受盐水入侵影响现状

国内关于长江口盐水入侵的研究始于20世纪80年代初[13]，但大量研究是出现在上海市计划以长江口作为主要水源地之后，尤其是青草沙水库开始规划并建设后。目前，上海基本形成了两江并举、长江为主的水源格局。长江口主要有3大水源地，即青草沙水库水源地，陈行水库水源地，东风西沙水库水源地(图1)。上海市居民饮用水质量显著改善，水源地格局也发生了重大的调整。目前，青草沙水库约占全市原水供应的58%，长江陈行水库约占12%，黄浦江上游约占25%。

陈行水库建于1992年，因此拥有的实测资料时间最长。对陈行水库水源地近20年盐水入侵观测资料进行分析(图5)。由图5可以看出，1994—2015年期间，盐水入侵次数最多出现在2001年为13次，其次为2009年12次。从盐水入侵的次数，并不能很明显地看出变化趋势。

图5 陈行水库历年盐水入侵总次数和天数分布

2014年后3大水库均已使用，收集了2014—2017年对长江口陈行水库、青草沙水库和东风西沙水库产生影响的盐水入侵事件(见表3)，并进行统计分析。结果表明，2014年陈行水库和青草沙水库遭受盐水入侵影响较为严重，分别达到5次和4次，影响天数分别为36 d和39 d。东风西沙水库在2016年和2017年均遭遇2次盐水入侵影响，影响天数均为7 d。按影响天数占一年总天数比例计算盐水入侵影响概率，近几年的盐水入侵影响概率最高可达10.7%(2014年青草沙水库)，陈行、青草沙和东风西沙3个水库近几年平均盐水入侵影响概率分别为2.9%、3.3%和1.0%。

表3 2014—2017年长江口盐水入侵事件统计

由上述分析可知，仅从实测数据很难分析出长江口盐水入侵影响的变化趋势，需进行更深入研究。

2 上游水库群运行对长江口入海径流的影响

2.1 长江上游水库群运行状况

随着三峡工程的建成和运行，长江入海流量发生了明显改变。三峡运行后包括3个阶段：

围堰运行期：2003年6月至2006年汛期，库水位按135 m(汛限水位)至139 m(最高蓄水位)控制。

初期蓄水运行期：2006年汛后至2008年汛期，较初步设计提前1 a，全年最高水位不超156 m，2007、2008年汛限水位分别按144、145 m控制。

175 m试验性蓄水运行期：2008年汛后至今，库水位按145 m(汛限水位)至175 m(最高蓄水位)控制。

除三峡外，随着溪洛渡等特大型枢纽工程相继建成，在长江上游形成世界上规模最大的水库群(图6)，长江上游水文条件发生重大变化，并对流域防洪、兴利、生态等产生巨大作用和影响。

图6 长江上游控制性水库群示意

2.2 三峡蓄水对大通流量影响

根据国家防汛抗旱总指挥部印发的《长江口咸潮应对工作预案》(2015年1月)，长江口咸潮的预警分为4级，大通流量是重要指标。由低到高分别为Ⅳ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级等4级，对应的流量临界值分别为15 000 m3/s、13 000 m3/s、12 000 m3/s、10 000 m3/s。对1950年至2018年长江大通站日平均流量进行统计，可能发生盐水入侵月份在三峡蓄水前后流量变化如表4所示。

表4 大通站各月平均流量及其变化

从三峡蓄水前后流量的变化看，每年11月由于三峡的蓄水，使得长江入海流量有明显地减小，因此盐水入侵较三峡工程建成以前有提前的可能。但由于这两个月份本底流量较高，单从流量大小判断，即便有盐水入侵发生，程度也相对较弱。盐水入侵较为严重的1月、2月流量有较为明显地增加，盐水入侵程度会相对减弱，但由于增加后仍在15 000 m3/s以内，因此盐水入侵仍有较高的发生可能性。3月流量在三峡蓄水后有更为明显地增加，增加后流量接近20 000 m3/s。4月流量与三峡蓄水前基本没发生较大改变，仅有300 m3/s的减小。

低于临界流量的天数，影响着盐水入侵的持续时间及发生次数。对三峡蓄水前后流量低于各临界值的时间进行统计，如表5所示。三峡工程蓄水前，流量低于15 000 m3/s，达到咸潮预警临界值的天数超过了全部统计时间的1/4。有接近10%的天数流量低于10 000 m3/s，即达到最低级别咸潮预警的临界值。而三峡工程蓄水后，流量低于15 000 m3/s，达到咸潮预警临界值的天数降低至全部统计时间的1/5。低于10 000 m3/s 即达到最低级别咸潮预警临界值的天数不到1%，且这44 d全部发生在175 m试验性蓄水运行期前(2008年10月前)。在目前三峡蓄水状况下，还未出现日平均流量小于10 000 m3/s。流量最小出现在2014年2月1日至2月20日，大通站的日平均流量为10 800 m3/s。通过以上分析发现，三峡蓄水后长江口低流量发生的频率(流量小于15 000 m3/s)明显减少，而极低流量(流量小于10 000 m3/s)几乎不可能发生。从该指标判断三峡蓄水整体上使得长江口盐水入侵状况得到缓解。

表5 大通站不同时段日平均流量小于10 000～15 000 m3/s天数占比

2.3 大通未来10 a流量预测

采用互补集成经验模态分解(CEEMD)方法与小波神经网络(WNN)法相结合的方法，并用2003年后大通站月均流量训练，在效果验证基础上，预测今后10 a大通月均流量[14]。传统的互补集成经验模态分解结合小波神经网络可分为3部分，首先用CEEMD方法将原始信号分解为各IMF分量和一个残差R；其次使用WNN方法分别对各IMF分量和残差R进行预测；最后累积整合各IMF分量与残差R的预测结果，得到最终预测结果。计算出预测流量均值为30 323 m3/s、实际流量均值为30 508 m3/s，确定系数约为0.64，但是仍然接近于1，认为该方法可行。根据本方法预测的未来10 a流量如表6所示。与三峡运行后的流量进行比较，流量最小的1月在未来10 a不会发生明显改变。除3月流量有200 m3/s的减小外，其他各月仍为增加趋势。

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

3 上游水库群运行对长江口盐水入侵影响

3.1 对长江口盐度分布影响

对三峡工程运行后长江口盐度实测资料进行分析。以北支为例，图7为2012年12月北支水文测验测点分布。

图7 2012年12月北支水文测验测点示意

大潮、小潮期间，盐度过程如图8所示。

图8 北支水域大潮、小潮盐度过程线

在一天内，北支潮位两涨两落。涨潮时盐度升高，落潮时盐度降低，最大盐度出现在涨憩附近，最小盐度出现在落憩附近。在一个大小潮变化的半月周期中，总体上表现为大潮盐度大于小潮。北支进口处测点大潮日最大盐度是小潮的100倍左右。连兴港断面大小潮盐度较为接近。纵向上，北支盐度向外海方向沿程增加(图9)。即越向口内，盐水入侵影响越小。横向上，盐度左岸高于右岸。三条港、戤滧港、连兴港同一断面上均有2条以上的垂线。长江口位于北半球，因此涨落潮时潮流在科氏力的影响下均有右偏的趋势。涨潮时，较高浓度盐水来自断面下游，涨潮流右偏使得盐度在断面从左岸向右岸依次减小；落潮时，断面上游较低浓度盐水下泄右偏使得盐度仍然是左岸比右岸高。因此，各断面大部分时刻盐度横向变化与科氏力的影响密不可分。除了北支外，其他直接入海汊道，北港、北槽、南槽在大部分情况下也表现出相同的特征。

图9 北支盐度纵向分布

上述关于长江口盐度分布的分析均是针对三峡蓄水后的水文测验资料进行，得到结论为：受外海盐水直接影响的汊道，如北支、北槽、南槽，涨潮时盐度上升落潮盐度下降，大潮时盐度高于中潮、小潮。纵向上盐度由外海向口内递减，北港、南港在不受北支盐水倒灌影响时也表现为上述特征，横向上北支盐水入侵最剧烈。该结论与三峡蓄水前大致一致[15-16]。同时也通过对2013、2014年盐度资料进行分析，得到北支盐水倒灌影响下南支以下河段盐度分布特点[17]，该特点也与三峡工程运行前相同。

因此三峡工程的运行并未使得长江口盐度时空分布特征发生根本性的改变，但长江口各月盐度场会因来水变化发生一定改变，需结合数学模型进行定量分析。

3.2 对长江口盐水入侵程度影响

3.2.1 分析方法

研究采用Delft3D软件建立长江口潮流盐度数学模型，模型包括长江口、杭州湾及邻近海域(图10)。具体模型建立与验证过程见文献[16，18]。为分析三峡蓄水引起来水变化前后枯季各月一般情况(因4月流量变化较小，故仅计算11月至3月)，模型上游采用各月多年平均流量控制。以2003年三峡的蓄水作为水沙变化的分界点。因此在模型计算中，来水变化前、后方案的流量如表4所示。风场简化为恒定风场，采用文献[9]中崇明东滩气象站各月平均风速风向(表1)。因文中仅分析径流变化的影响，故各月方案均采用模型验证时潮位边界，分析时段不考虑各月实际天数，均为30 d。

图10 数学模型网格

3.2.2 指标选取

以淡水资源面积占比、水源地取水口平均盐度分别从面和点的层面来量化反应长江口盐水入侵程度。其中淡水资源占比等于淡水资源面积与分析区域总面积的比值。徐志等[19]对长江口盐水入侵进行研究时提出了类似的超标面积比的概念，与这里指标的关系为淡水资源占比与超标面积比例的和为1。

在水源地水库的设计和运行中，最长不宜取水时间是重要参考。朱建荣等[20]认为1 d连续能取水时间大于等于4 h，则这天能取水；若小于4 h，则这天为不宜取水天，青草沙水库最长连续68 d不宜取水即按此计算方法得到。国家防汛抗旱总指挥部《关于长江口咸潮应对工作预案的批复》中第10条附则里，给出了对陈行水库和青草沙水库受盐水入侵影响更严格的定义。对于陈行水库，一般以其第一取水泵站的氯化物浓度连续2 h大于或等于250 mg/L作为咸潮入侵开始的依据；以第一取水泵站氯化物浓度连续2 h小于250 mg/L，且继续监测12 h(即一个潮周期)内无连续2 h大于或等于250 mg/L作为咸潮结束的依据。对于青草沙水库，一般以其上游闸外氯化物浓度连续2 h大于或等于250 mg/L作为咸潮入侵开始的依据；以上游闸外氯化物浓度连续2 h小于250 mg/L，且继续监测12 h内无连续2 h氯化物大于或等于250 mg/L作为咸潮结束的依据。因上述计算方法较为复杂，而这里仅为比较不同月份盐水入侵的强度，故仅以盐度平均值作为判别指标。

3.2.3 对淡水资源面积的影响

长江口可利用的淡水资源主要集中在南支、南港、北港，因此以南支、南港、北港的淡水资源面积占比作为评价指标。认为盐度低于0.45‰的水域均为淡水。分别对大潮涨憩、大潮落憩、小潮涨憩、小潮落憩时刻的淡水资源分布进行分析。因长江口范围大，不同区域存在的涨落潮相位差可达数个小时，文中所给出的涨憩、落憩均是指北支进口处崇头的潮动力状态。

以盐水入侵最严重的1月为例，对淡水资源分布状况进行分析。模型方案计算下1月大潮涨憩、大潮落憩、小潮涨憩、小潮落憩时刻的盐淡水分布如图11所示，图中阴影部分为淡水。由图11可知，对相同的特征时刻均表现为三峡工程蓄水后淡水资源面积大于蓄水前。蓄水前所分析的4个时刻淡水面积小且基本出现在南支中段以上，南北港均无淡水出现。蓄水后南支下段和南北港在大潮时也有淡水出现。同时，三峡工程蓄水后南支至南北港在大潮时出现了“淡水—盐水—淡水”的分布。该现象与北支盐水倒灌有关，淡水间的盐水为北支倒灌进入南支的盐水。

图11 三峡工程影响前后1月长江口盐淡水分布

因长江口可利用的淡水资源主要在南支以下，因此对数学模型各方案计算结果中南支、北港、南港的淡水资源面积进行统计。统计的区域如图12所示。南支统计区域的面积为503 km2，北港为169 km2，南港为190 km2。

图12 淡水面积统计区域示意

选取各河段在各月大潮涨憩、大潮落憩、小潮涨憩、小潮落憩时刻淡水面积的平均值表示盐水入侵影响下淡水资源分布状况，结果如图13所示。

图13 三峡蓄水前后枯季各月淡水资源占比

对南支河道，11月因入海径流较大，全部河道内均为淡水。上游水库群蓄水带来的影响并没有使南支河道有盐水出现，即本月来水的变化对南支淡水资源没有影响。12月、1月至3月因上游水库群调控淡水资源面积有所增加，1月与2月尤为明显，淡水面积从不足南支总面积的20%增加到50%以上。3月淡水资源由蓄水前95%左右增加到蓄水后的100%。

对北港河道，11月因入海径流减小，淡水资源面积有所减小，但仍接近全河段的95%。12月淡水资源增加明显，从蓄水前不足10%增加到蓄水后的30%以上，1月与2月从原来的没有淡水增加到有10%～20%的淡水，3月更是增加了超过北港分析区域30%的淡水，淡水资源面积超过了90%。

对南港河道，分析区域在各月都有盐水。11月因入海流量减小，淡水资源面积减少，从蓄水前超过90%减少到蓄水后不到80%。其他月份淡水资源面积均有增加。12月淡水资源面积从蓄水前不到5%增加到蓄水后接近30%，1月与2月从原来的没有淡水增加到有10%左右的淡水，增加最多的是3月，增加了接近50%的淡水，从蓄水前不到50%增加到蓄水后超过95%。

3.2.4 对水源地取水口盐度影响

根据数学模型计算出水源地水库取水口盐度过程，对各月盐度平均值进行统计，如图14所示。

图14 枯季各月水源地取水口盐度平均值

对东风西沙水库，11月来水变化后各水源地取水口盐度有所升高，但由于本底盐度低，因此月平均盐度也仅仅增加不到0.05‰。12月至3月，取水口盐度因来水变化均有明显减少，其中减少最多的为1月，盐度减少了0.49‰。

对陈行水库，11月来水变化后各水源地取水口盐度有所升高，但由于本底盐度低，因此月平均盐度也仅仅增加不到0.05‰。12月至3月，取水口盐度因来水变化均有明显减少其中减少最多的为1月，盐度减少了0.40‰。

对青草沙水库，11月来水变化后各水源地取水口盐度有所升高，但由于本底盐度低，因此月平均盐度也仅仅增加不到0.05‰。12月至3月，取水口盐度因来水变化均有明显减少，其中减少最多的为1月，盐度减少了0.49‰。

4 长江口盐水入侵未来变化趋势预测

长江口盐水入侵在未来会有怎样的变化趋势也是一个比较受关注的话题。在各河口盐水入侵未来变化趋势的分析中，众多学者考虑了海平面上升对盐水入侵的影响[21-22]，而对上游径流变化进行预测后分析河口盐水入侵的研究相对较少，这里即对此进行研究。

采用与上节相同的数学模型计算方法，以预测未来10 a枯季各月平均流量为上游边界(表6)，对未来盐水入侵较为严重的12月、1月、2月进行分析，得到未来10 a水源地各月取水口盐度过程。对未来10 a水源地水库各月平均盐度进行计算(图15)，并与现状情况(三峡蓄水后)进行比较，可以发现虽然各月盐度与现状比均未增大，但除了12月外也没有明显减小(其他各月减小均在0.03‰以内)。12月因流量增加较为明显，因此盐度也有较为明显的下降，东风西沙水库、陈行水库、青草沙水库取水口平均盐度下降分别为0.24‰、0.16‰、0.18‰。

图15 未来10 a水源地水库取水口枯季各月平均盐度

5 结 语

以三峡工程为代表的长江上游水库群的建成和运行使得11月至3月入海流量发生变化，除11月流量有所减少外，其他各月均为增大趋势。入海流量小于15 000 m3/s的天数从25%下降到20%，而小于10 000 m3/s 的天数从10%下降到1%以下。采用互补集成经验模态分解(CEEMD)方法与小波神经网络(WNN)法相结合的方法对未来10 a大通枯季流量进行预测，较现在大体仍为增加趋势，尤其是12月平均流量增量可达2 400 m3/s。

三峡工程的运行并未使得长江口盐度时空分布特征发生根本性的改变，但盐度场会有一定改变。根据数学模型计算结果，在三峡蓄水的影响下，除11月外其他枯季月份南支、南港、北港淡水资源面积均有增大，南支1、2月增量超过南支面积的40%，南北港则在3月增量最为明显。

根据数学模型计算结果，三峡工程影响下，水源地取水口盐度在11月有不到0.05‰的升高，其他月份均为下降，1月变化最为明显，东风西沙水库和青草沙水库取水口盐度下降0.49‰，陈行水库取水口下降0.40‰。在未来10 a中，12月盐水入侵与现状相比将会有进一步明显减弱，东风西沙水库、陈行水库、青草沙水库取水口平均盐度分别进一步下降0.24‰、0.16‰、0.18‰。