長江口青草沙水域外海正面鹽水入侵特點分析

朱宜平

摘要：利用青草沙上游取水口和下游排水口大量實測鹽度資料，統(tǒng)計分析了2010年冬季以來的10個咸潮年度中青草沙水域受到外海正面鹽水入侵的特點。分析結(jié)果表明，近10年來青草沙水域外海正面鹽水入侵與徑流量、潮汐和風況等密切相關(guān)。水庫上游閘口共發(fā)生16次正面鹽水入侵，時間為9月到次年3月;下游閘口共發(fā)生41次正面鹽水入侵，時間為9月到次年5月。上游和下游閘口正面鹽水入侵，主要出現(xiàn)在每年的12月、1月和2月，且一般容易發(fā)生在大通流量18000m3/s以下、持續(xù)偏北或西北風影響下的小潮或小潮后的中潮。正面鹽水入侵來臨前幾天，偏北或西北風的強度和持續(xù)時間對正面鹽水入侵起著重要的作用。

關(guān)鍵詞：長江口;青草沙水庫;鹽水入侵;徑流量;潮型;風況

中圖分類號：P731.23文獻標志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.003

AnalysisofthecharacteristicsoftheQingcaoshaReservoirdirectsaltwaterintrusionfromtheopenseaintheChangjiangEstuary

ZHUYiping

（ShanghaiChengtouRawWaterLimitedCompany，Shanghai200125，China）

Abstract：QingcaoshaReservoiristhemainwatersourceforShanghai，providingapproximately55%ofitshigh-qualityrawwaterneeds，andeffectivelyguaranteesthesafetyofwatersupplyforShanghai.ThewatersneartheQingcaoshaReservoirexperiencesaltwaterspilloverfromtheNorthBranchintotheSouthBranch;thenearbywaters，moreover，sufferfromdirectsaltwaterintrusionfromtheopensea.Inthisstudy，alargenumberofmeasuredsalinitydataintheupstreamanddownstreamsluicewasusedtostatisticallyanalyzethecharacteristicsofdirectsaltwaterintrusionneartheQingcaoshaReservoirwatersinrecentdecades.TheanalysisresultsshowthatdirectsaltwaterintrusionneattheQingcaoshaReservoirwatersinrecentdecadeswascloselyrelatedtotheriverdischarge，tide，andwind.Therewereatotalof16instancesofdirectsaltwaterintrusionattheupstreamsluicethatoccurredfromSeptembertoMarchofthefollowingyear;likewise，therewereatotalof41instancesofdirectsaltwaterintrusionatthedownstreamsluicethatoccurredfromSeptembertoMayofthefollowingyear.ThedirectsaltwaterintrusionsattheupstreamanddownstreamsluicesappearedprimarilyinDecember，January，andFebruaryofeachyear.Wefoundthatsaltwaterintrusionsoccurredmostcommonlywhentheriverdischargewaslessthan18000m3/sduringneaptideandmiddletide（afterneaptide）accompaniedbypersistentnortherlyornorthwesterlywinds.Wefoundthatthestrengthanddurationofthenortherlyornorthwesterlywindsinthedaysprecedingsaltwaterintrusionhadanimportantroleondirectsaltwaterintrusion。

Keywords：ChangjiangEstuary;QingcaoshaReservoir;saltwaterintrusion;riverdischarge;tidaltype;wind

0引言

2011年6月青草沙水源地建成通水以來，平均每日供應(yīng)優(yōu)質(zhì)原水近500萬t，改變了之前上海市主要依靠黃浦江取水的歷史，成為上海市55%左右的優(yōu)質(zhì)原水的供應(yīng)地，有效保障了上海地區(qū)的供水水質(zhì)和供水安全。同時，青草沙水源地在建設(shè)時就分為咸潮期和非咸潮期兩種不同運行模式。咸潮期水庫蓄水水位高低主要依賴對當年度咸潮入侵嚴重情況的預(yù)判，因此，加強對青草沙水源地取水口附近水域長江口鹽水入侵的監(jiān)測分析對保障水庫運行安全具有重要作用。

青草沙水源地建成投運之前，相關(guān)研究表明，寶鋼、陳行、青草沙等水源地取水口鹽水入侵主要受北支鹽水倒灌的影響[1]。2014年2月，長江口發(fā)生持續(xù)23d的嚴重咸潮入侵，取水口實測氯化物濃度最高達到5479mg/L，是青草沙水源地建成投運以來觀測到的最強咸潮。經(jīng)朱建榮等[2]研究分析，此次強咸潮的產(chǎn)生主要是受連續(xù)偏北大風影響，青草沙取水口鹽水來自北港外海的正面入侵。此次咸潮之后，青草沙水源地附近水域外海鹽水入侵得到了高度重視。王紹祥、朱建榮[3]應(yīng)用2013年12月和2014年2月青草沙水庫取水口實測鹽度和數(shù)值模式計算的流速流向，分析發(fā)現(xiàn)在2013年12月枯季一般徑流量和風況下，大潮、大潮后中潮和小潮前期水庫取水口鹽水來源于上游的北支鹽水倒灌，小潮中后期、小潮后中潮鹽水入侵來源于北港下游外海正面鹽水入侵。李國平、朱建榮[4]基于實測鹽度、大通徑流量、風況、水位等資料，分析了2015—2017年這3年1—3月青草沙水庫取水口的鹽水入侵頻次和來源，發(fā)現(xiàn)北港下游正面鹽水入侵頻次明顯增加，在小潮期間遇到強北風作用會導(dǎo)致較嚴重的正面鹽水入侵。

為全面分析青草沙水源地附近水域外海正面鹽水入侵的特點，本文利用青草沙上游取水口和下游排水口的大量實測資料，統(tǒng)計分析2010年冬季以來的10個咸潮年度中青草沙水域受到外海正面鹽水入侵的情況，探討青草沙取水口水域外海正面鹽水入侵與上游來水量、天氣、潮汐動力等的關(guān)系，為水源地科學(xué)蓄水、保障水質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1資料和方法

1.1正面鹽水入侵判定標準

上海城投原水有限公司在長江口布設(shè)了鹽度實時監(jiān)測系統(tǒng)[5]，主要監(jiān)測點位包括青龍港、崇頭、太倉石化碼頭、東風西沙、陳行水庫取水口、南門、青草沙A、青草沙B、青草沙C、青草沙上游閘口、青草沙下游閘口、堡鎮(zhèn)、橫沙北、北港外等。這些監(jiān)測點總體位置如圖1所示，通過GPRS方式將長江口實時氯化物監(jiān)測數(shù)據(jù)傳回公司生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，便于實時了解長江口氯化物情況。

根據(jù)上海市水務(wù)部門的定義，當取水口連續(xù)2h氯化物濃度超過250mg/L時（生活飲用水氯化物濃度標準），即可認為發(fā)生了一次咸潮入侵過程。本文根據(jù)此定義并結(jié)合長江口鹽度實時監(jiān)測系統(tǒng)各主要監(jiān)測站點鹽度變化趨勢，定義：當青草沙上游（或下游）閘口連續(xù)2h氯化物濃度超過250mg/L，且青草沙上游（或下游）閘口以下相關(guān)站點氯化物濃度明顯大于上游（或下游）閘口以上相關(guān)站點氯化物濃度時，即認為青草沙上游（或下游）閘口開始遭受正面鹽水入侵影響;遭受正面鹽水入侵影響后，當青草沙上游（或下游）閘口連續(xù)2h氯化物濃度小于250mg/L，且12h內(nèi)無連續(xù)2h超過250mg/L時，正面鹽水入侵影響結(jié)束。

1.2相關(guān)水文氣象數(shù)據(jù)

本文分析所用大通徑流量數(shù)據(jù)來源于長江水文網(wǎng)站公開的數(shù)據(jù)（http：//www.cjh。com.cn/），所用風速風向數(shù)據(jù)來源于中國天氣網(wǎng)站公開的數(shù)據(jù)（http：//www.weather。com.cn/weather/101021100.shtml）。

2結(jié)果和分析

2.1正面鹽水入侵發(fā)生總體狀況

2010年冬季至2020年春季10個咸潮年度期間，青草沙水庫上游閘口、下游閘口遭受正面鹽水入侵影響總體情況如表1所示。從表1可以看出，上游閘口受外海鹽水入侵影響共發(fā)生16次、85d，下游閘口共發(fā)生41次、248d;下游閘口在上游閘口以東15km，距離長江入海口更近因而遭受的正面鹽水上溯影響更大。分析上游閘口所受的16次影響可以發(fā)現(xiàn)，除發(fā)生在2011年9月21—24日、2019年9月22—28日這兩次以外，其余14次發(fā)生時對應(yīng)大通流量均在18000m3/s以下，且9次發(fā)生時對應(yīng)大通流量均在15000m3/s以下，表明上游來水量少時易遭受海水上溯影響，這與北支倒灌是一樣的。單次正面鹽水入侵時間最長的是2014年2月，上游閘口從2月10日一直持續(xù)到2月26日，下游閘口從2月8日持續(xù)到2月28日，此次鹽水入侵發(fā)生原因已在相關(guān)文獻中做了詳細分析[2]，是由持續(xù)的強北風產(chǎn)生的向陸艾克曼輸運形成北港流入南港流出的水平環(huán)流，進而導(dǎo)致北港發(fā)生了極為嚴重的鹽水入侵事件。

2.2正面鹽水入侵月份分布

對2010年以來的10個咸潮年度中青草沙水庫庫外上、下游閘口受到正面鹽水入侵時所處月份進行分析，情況如表2所示。其中受影響次數(shù)是統(tǒng)計正面鹽水入侵發(fā)生當天所處的月份，但由于鹽水入侵一般會持續(xù)數(shù)天，因此出現(xiàn)了上游閘口11月受影響次數(shù)為0，但受影響天數(shù)為4d的情況。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，過去10年中青草沙水庫上游閘口受到外海正面鹽水入侵發(fā)生在9月到次年3月，而下游閘口受影響時間要從9月延續(xù)到次年5月。對上、下游閘口而言，12月、1月、2月和3月都很容易受到外海正面鹽水入侵影響，原因主要在于這幾個月上游來水偏少。

過去10年中，9月出現(xiàn)正面鹽水入侵影響上、下游閘口的情況共兩次，分別發(fā)生在2011年9月下旬（下游閘口為2011年9月19—26日，上游閘口為2011年9月21—24日）、2019年9月下旬（下游閘口為2019年9月22—30日，上游閘口為2019年9月22—28日）。這兩次正面鹽水入侵發(fā)生時大通流量均持續(xù)在21000m3/s左右，且前期5～7d大通流量也均持續(xù)在19000m3/s左右。2011年9月下旬的異常情況可能跟該月18—22日出現(xiàn)連續(xù)5d偏北大風有關(guān)，2019年9月下旬出現(xiàn)正面鹽水入侵可能跟臺風過境有關(guān)，具體原因還需進一步分析。過去10年中，10月出現(xiàn)正面鹽水入侵影響上、下游閘口的情況分別為1次和4次，影響上游閘口的1次出現(xiàn)在2013年10月26日—11月4日，影響下游閘口的4次分別出現(xiàn)在2013年10月26日—11月5日、2016年10月11—15日、2018年10月7—24華東師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2021年8日、2018年10月21—22日。除2013年10月這次正面鹽水入侵外，其余3次發(fā)生在10月份的咸潮入侵都沒有影響上游閘口，且持續(xù)時間都較短（均在5d以內(nèi)）。這可能跟這3次正面鹽水入侵發(fā)生時對應(yīng)的大通流量都在19000m3/s以上有關(guān)系，較高的大通流量抑制了鹽水繼續(xù)上溯影響上游取水口。而2013年10月26日發(fā)生上、下游閘口正面鹽水入侵影響時大通流量僅為14000m3/s，嚴重偏低。值得注意的是，9—10月咸潮入侵的次數(shù)比以往增多，原因在于2003年三峽大壩合攏和以后上游眾多水庫的建成，9—10月為蓄水期，導(dǎo)致徑流量下降，進而加劇了咸潮入侵[6]。9月咸潮受影響天數(shù)明顯比10月多的原因主要在于9月是一年中潮汐最強的月份，會加劇咸潮入侵[7]。

過去10年中，4月份、5月份均沒有出現(xiàn)影響上游閘口的正面鹽水入侵，而下游閘口各有1次，分別發(fā)生在2018年4月12—14日、2011年5月27—31日，這兩次正面鹽水入侵發(fā)生時大通流量分別為18000m3/s、19000m3/s，與多年月平均流量相比偏低。

2.3正面鹽水入侵年際變化

徑流量大小對壓制外海咸水上溯有重要作用。過去10年中，每年11月到次年3月大通流量情況（均值和中值）、上下游閘口受正面鹽水入侵影響天數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表3所示。從表中可以看出，在每年11月到次年3月間，大通流量中值超過20000m3/s時，無論上游閘口還是下游閘口受正面鹽水入侵天數(shù)都會明顯減少;但大通流量中值低于20000m3/s時，正面鹽水入侵受影響天數(shù)并不與同時段大通流量均值或中值呈現(xiàn)嚴格的反向?qū)?yīng)關(guān)系，還有其他因素影響著正面鹽水入侵嚴重程度。

長江防汛抗旱總指揮部和上海市水務(wù)局編制的《長江口咸潮應(yīng)對工作預(yù)案研究》中給出了控制長江口水源地咸潮入侵的枯水期大通各月臨界流量，正面鹽水入侵期間大通平均流量與大通各月臨界流量比較情況如表4所示。由表4可以發(fā)現(xiàn)，對上游閘口而言，10月至次年4月共有14次正面鹽水入侵，其中8次大通流量值低于臨界流量;而對下游閘口而言，10月至次年4月共有38次正面鹽水入侵，其中僅有9次大通流量值低于臨界流量。這表明，有關(guān)壓制咸潮入侵的大通臨界流量研究成果更多是針對北支倒灌產(chǎn)生的咸潮，而對正面鹽水入侵不一定適用，且要壓制正面鹽水入侵影響需要更大的臨界流量。

2.4正面鹽水入侵受風力風向影響

2.4.1風向影響

據(jù)觀測，正面鹽水入侵一般發(fā)生在連續(xù)偏北大風之后。若計正面鹽水入侵起始日為第N天，根據(jù)中國天氣網(wǎng)發(fā)布的崇明地區(qū)風速風向情況，對下游閘口出現(xiàn)正面鹽水入侵之前的風速風向進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在第N–2天至第N天之間出現(xiàn)過西北風或偏北風的共有38次，另有3次在第N–2天至第N天出現(xiàn)了5級以上風力的東北風或偏東風，且分別發(fā)生在2018年3月、4月和10月;而對上游閘口，在第N–2天至第N天之間出現(xiàn)過西北風或偏北風的共有16次，即每次影響上游取水口的正面鹽水入侵前都出現(xiàn)了西北風或偏北風，這與文獻[5，8]的結(jié)論是基本一致的。

2.4.2風力影響

上、下游閘口正面鹽水入侵前出現(xiàn)的最大偏北風風力與正面入侵影響天數(shù)統(tǒng)計情況如表5所示。從表5可以發(fā)現(xiàn)，隨著最大偏北風風力加大，單次正面影響天數(shù)總體上也呈現(xiàn)上升趨勢，表明風力對正面鹽水入侵影響較大。

2.4.3風持續(xù)時間影響

上、下游閘口正面鹽水入侵發(fā)生前后偏北風或西北風持續(xù)時間與當次正面鹽水入侵持續(xù)時間間的關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，對上游閘口而言，總體上隨著偏北風或西北風持續(xù)時間增加，當次正面鹽水入侵持續(xù)時間也呈上升趨勢，但對下游閘口而言這種趨勢并不明顯。

2.5正面鹽水入侵受潮型影響

根據(jù)長江口潮型情況，一般農(nóng)歷初三、初四出現(xiàn)一個大小潮周期中的最大潮，農(nóng)歷初九、初十、十一會出現(xiàn)一個大小潮周期中的最小潮，在小潮至大潮之間為小潮后的中潮，在大潮至小潮之間為大潮后的中潮。按照以上4種情況，上、下游閘口正面鹽水入侵首日所處的潮型情況統(tǒng)計如表6所示。從表6可以發(fā)現(xiàn)，無論上游閘口還是下游閘口，正面鹽水入侵首日都不是在大潮期間，而且大潮后的中潮所占比例也很小，小潮、小潮后的中潮合計所占比例超過85%。這與王紹祥等[3]利用數(shù)學(xué)模型得到的小潮中后期、小潮后中潮鹽水入侵主要來源于北港下游外海的鹽水入侵研究結(jié)論相一致。

3討論

本文對青草沙水庫庫外上、下游閘口正面鹽水入侵發(fā)生時所對應(yīng)的上游來水量（大通流量）、風力風向、潮型等進行了單因素分析。因下游閘口遭遇到的正面鹽水入侵次數(shù)要遠比上游閘口多，先對下游閘口以上幾種因素的組合影響進行分析，如表7所示。從表7可以看出，對下游閘口而言，大通流量在24000m3/s以下均可能發(fā)生正面鹽水入侵，且在9月、10月、11月發(fā)生時均為持續(xù)西北或偏北大風;在1月、2月，3級及以上西北或偏北風在小潮或小潮后的中潮就有可能引起正面鹽水入侵。

對下游閘口正面鹽水入侵首日大通流量超過18000m3/s的情況進行統(tǒng)計可知，共計發(fā)生了10次，其中9月2次、10月3次、11月2次、12月1次、2月1次、5月1次;且發(fā)生前5～7d大通流量也都接近18000m3/s或在18000m3/s以上。這10次正面鹽水入侵發(fā)生前都有持續(xù)的偏北或西北風，但有2次這種風向僅維持了1d，有3次最大風力僅在3～4級。

上游閘口遭受正面鹽水入侵因素匯總情況如表8所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，除9月份的2次和2011年12月的1次以外，其余13次正面鹽水入侵首日對應(yīng)大通流量或前5～7d大通流量均在18000m3/s以下，且13次發(fā)生在小潮或小潮后的中潮;而對咸潮入侵首日大通流量在18000m3/s及以上的3次情形，入侵前5～7d大通流量均在20000m3/s及以上，且5級及以上偏北或西北風至少持續(xù)3d。而2次正面鹽水入侵發(fā)生時潮型為大潮后的中潮，前期都出現(xiàn)了持續(xù)4d以上、風力5級以上的偏北或西北風。

對2010年9月以來的天氣、大通流量進行回顧，以大通流量在18000m3/s以下和持續(xù)西北或偏北風3級1d以上為篩選條件，發(fā)現(xiàn)共有32次因所處潮型為大潮或大潮后的中潮而沒有發(fā)生正面鹽水上溯入侵下游閘口的情況。如2020年1月27—31日持續(xù)5d西北風均在4級以上，大通流量在16000～20000m3/s，但因所處潮型為大潮及大潮后中潮，長江口相關(guān)站點（圖1中的橫沙北、北港外）沒有出現(xiàn)持續(xù)的海水上溯過程，也就沒有影響下游閘口。此外，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)共有10次大通流量在18000m3/s以下、持續(xù)西北或偏北風3級1d以上、所處潮型為小潮或小潮后的中潮，但沒有出現(xiàn)正面鹽水入侵下游閘口的情況。例如，2020年1月17—18日持續(xù)西北風3～4級，期間大通流量僅為14000～15000m3/s，前5～7d大通流量甚至不足13000m3/s，但沒有出現(xiàn)正面鹽水上溯情況。這表明，青草沙水域外海鹽水正面入侵一般容易發(fā)生在上游來水量較小、持續(xù)偏北或西北風影響下的小潮或小潮后中潮，但除這幾個因素外，可能還有其他影響因素，如橫沙東灘圈圍工程等長江口重大工程措施對正面鹽水入侵也會產(chǎn)生影響，其產(chǎn)生動力機制尚需進一步研究。

4結(jié)論

（1）對2010年冬季以來的10個咸潮年度進行回顧分析，發(fā)現(xiàn)上、下游閘口分別出現(xiàn)16次、41次正面鹽水入侵，受影響天數(shù)分別為85d、248d，下游閘口比上游閘口更靠近長江入海口15km因而更易受外海上溯鹽水團影響。

（2）對正面鹽水入侵分布月份進行分析發(fā)現(xiàn)，一般容易出現(xiàn)在上游來水量較少、偏北風或西北風較多的12月、1月、2月。

（3）對下游閘口出現(xiàn)的41次正面鹽水入侵進行分析發(fā)現(xiàn)，所有入侵發(fā)生時大通流量均在24000m3/s以下，31次入侵時入侵首日大通流量及前5～7d大通流量均在18000m3/s以下。前期有38次出現(xiàn)偏北或西北風，最大風力3級及以上，且41次中有37次出現(xiàn)在小潮或小潮后的中潮，僅4次出現(xiàn)在大潮后的中潮。

（4）對上游閘口出現(xiàn)的16次正面鹽水入侵進行分析發(fā)現(xiàn)，13次正面鹽水入侵首日對應(yīng)大通流量或前5～7d大通流量均在18000m3/s以下，且13次發(fā)生在小潮或小潮后的中潮;其余3次入侵前會出現(xiàn)5級及以上偏北或西北風至少持續(xù)3d。

（5）對2010年9月以來的天氣、大通流量進行回顧，以大通流量在18000m3/s以下和持續(xù)西北或偏北風3級1d以上為篩選條件，發(fā)現(xiàn)共有32次因所處潮型為大潮或大潮后的中潮而沒有發(fā)生正面鹽水上溯入侵下游閘口的情況，共有10次大通流量在18000m3/s以下、持續(xù)西北或偏北風3級1d以上、所處潮型為小潮或小潮后的中潮，但沒有出現(xiàn)正面鹽水入侵下游閘口的情況。原因可能與北港口外圈圍工程實施導(dǎo)致漲潮量降低等因素有關(guān)，后續(xù)需結(jié)合模型進一步研究。

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（責任編輯：李萬會）