朱宜平

摘要：利用青草沙上游取水口和下游排水口大量實(shí)測鹽度資料，統(tǒng)計(jì)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(diǎn)。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(fēng)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(fēng)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(fēng)的強(qiáng)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(fēng)況

中圖分類號：P731.23文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)行模式。咸潮期水庫蓄水水位高低主要依賴對當(dāng)年度咸潮入侵嚴(yán)重情況的預(yù)判，因此，加強(qiáng)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(yùn)行安全具有重要作用。

青草沙水源地建成投運(yùn)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(yán)重咸潮入侵，取水口實(shí)測氯化物濃度最高達(dá)到5479mg/L，是青草沙水源地建成投運(yùn)以來觀測到的最強(qiáng)咸潮。經(jīng)朱建榮等[2]研究分析，此次強(qiáng)咸潮的產(chǎn)生主要是受連續(xù)偏北大風(fēng)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(shí)測鹽度和數(shù)值模式計(jì)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(fēng)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(shí)測鹽度、大通徑流量、風(fēng)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(qiáng)北風(fēng)作用會導(dǎo)致較嚴(yán)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(diǎn)，本文利用青草沙上游取水口和下游排水口的大量實(shí)測資料，統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)

上海城投原水有限公司在長江口布設(shè)了鹽度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)[5]，主要監(jiān)測點(diǎn)位包括青龍港、崇頭、太倉石化碼頭、東風(fēng)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(diǎn)總體位置如圖1所示，通過GPRS方式將長江口實(shí)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(shí)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)），即可認(rèn)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(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)各主要監(jiān)測站點(diǎn)鹽度變化趨勢，定義：當(dāng)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(diǎn)氯化物濃度明顯大于上游（或下游）閘口以上相關(guān)站點(diǎn)氯化物濃度時，即認(rèn)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(dāng)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(fēng)速風(fēng)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?？诟蚨馐艿恼纣}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(xiàn)中做了詳細(xì)分析[2]，是由持續(xù)的強(qiáng)北風(fēng)產(chǎn)生的向陸艾克曼輸運(yùn)形成北港流入南港流出的水平環(huán)流，進(jìn)而導(dǎo)致北港發(fā)生了極為嚴(yán)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(jìn)行分析，情況如表2所示。其中受影響次數(shù)是統(tǒng)計(jì)正面鹽水入侵發(fā)生當(dāng)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(fēng)有關(guān)，2019年9月下旬出現(xiàn)正面鹽水入侵可能跟臺風(fēng)過境有關(guān)，具體原因還需進(jìn)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(bào)（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(yán)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(jìn)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(qiáng)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(yán)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(yán)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(fēng)力風(fēng)向影響

2.4.1風(fēng)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(fēng)之后。若計(jì)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(fēng)速風(fēng)向情況，對下游閘口出現(xiàn)正面鹽水入侵之前的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(fēng)或偏北風(fēng)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(fēng)力的東北風(fēng)或偏東風(fēng)，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(fēng)或偏北風(fēng)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(fēng)或偏北風(fēng)，這與文獻(xiàn)[5，8]的結(jié)論是基本一致的。

2.4.2風(fēng)力影響

上、下游閘口正面鹽水入侵前出現(xiàn)的最大偏北風(fēng)風(fēng)力與正面入侵影響天數(shù)統(tǒng)計(jì)情況如表5所示。從表5可以發(fā)現(xiàn)，隨著最大偏北風(fēng)風(fēng)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(fēng)力對正面鹽水入侵影響較大。

2.4.3風(fēng)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(fēng)或西北風(fēng)持續(xù)時間與當(dāng)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(fēng)或西北風(fēng)持續(xù)時間增加，當(dāng)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(jì)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(jì)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(fēng)力風(fēng)向、潮型等進(jìn)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(yuǎn)比上游閘口多，先對下游閘口以上幾種因素的組合影響進(jìn)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(fēng);在1月、2月，3級及以上西北或偏北風(fēng)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，共計(jì)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(fēng)，但有2次這種風(fēng)向僅維持了1d，有3次最大風(fēng)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(fēng)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(fēng)力5級以上的偏北或西北風(fēng)。

對2010年9月以來的天氣、大通流量進(jìn)行回顧，以大通流量在18000m3/s以下和持續(xù)西北或偏北風(fēng)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(fēng)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(diǎn)（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(jì)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

4結(jié)論

（1）對2010年冬季以來的10個咸潮年度進(jìn)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?？?5km因而更易受外海上溯鹽水團(tuán)影響。

（2）對正面鹽水入侵分布月份進(jìn)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(fēng)或西北風(fēng)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(jìn)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(fēng)，最大風(fēng)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(jìn)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(fēng)至少持續(xù)3d。

（5）對2010年9月以來的天氣、大通流量進(jìn)行回顧，以大通流量在18000m3/s以下和持續(xù)西北或偏北風(fēng)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(fēng)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(shí)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(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：李萬會）