楊 芳，陳文龍，盧 陳，鄒華志，王 強(qiáng)，萬東輝

(1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611；2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510611)

粵港澳大灣區(qū)水資源時(shí)空分布不均，供水水源單一，本地水庫調(diào)蓄能力不足，供水以感潮河道型水源為主，河道供水占總供水量的70.4%，供水安全受咸潮威脅[1]。20世紀(jì)80年代以來，隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，珠江河口咸潮影響范圍越來越廣，涉及廣州、珠海、中山、佛山、東莞、江門等市以及澳門特別行政區(qū)，影響人口約1500萬人[2]。

2005年以來，珠江流域已連續(xù)17年成功組織實(shí)施珠江枯水期水量調(diào)度，通過上游的調(diào)水壓咸以及本地水庫的蓄淡避咸，有力保障了粵港澳大灣區(qū)供水安全。由于氣候變化，近年來珠江流域干旱事件頻發(fā)，當(dāng)極端枯水年或連續(xù)枯水年遭遇強(qiáng)咸潮上溯時(shí)，流域骨干水庫及區(qū)域本地水庫蓄水量有限，極易面臨調(diào)水量有限甚至無水可調(diào)局面，僅靠當(dāng)前調(diào)水壓咸措施已難以保障粵港澳大灣區(qū)供水安全[3]。此外，隨著粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃的實(shí)施，區(qū)域經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)及城市群發(fā)展模式對(duì)區(qū)域供水量和供水水質(zhì)提出了更高要求。在咸潮逐年加劇、未來江河來水偏枯、用水需求增多的情勢(shì)下，大灣區(qū)供水安全將面臨更大威脅[4]。鑒于此，本文擬在分析珠江河口咸情面臨的新形勢(shì)及主要問題的基礎(chǔ)上，深入研究珠江河口咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出珠江河口咸潮綜合防控體系，以期構(gòu)建粵港澳大灣區(qū)咸潮防控理論框架，為有效提升珠江河口咸潮防控能力、保障粵港澳大灣區(qū)水安全提供支撐。

1 珠江河口咸潮防控面臨的形勢(shì)

1.1 咸潮上溯加劇

珠江河口面臨上游來水偏枯、河道長(zhǎng)期處于下切態(tài)勢(shì)、重要口門攔門沙嚴(yán)重萎縮、海平面持續(xù)上升等不利局面，珠江河口咸潮上溯呈增強(qiáng)趨勢(shì)[5]，具體表現(xiàn)為：①上游來水偏枯。珠江流域來水呈周期性變化，研究表明，2019—2028年將為水量較少的年份，珠江河口將面臨較長(zhǎng)時(shí)間的枯水年[6]。②河道長(zhǎng)期處于下切態(tài)勢(shì)。21世紀(jì)以來西江、北江、東江主干河道平均下切幅度分別達(dá)2.5 m、1.2 m和0.4 m，未來流域上游來沙量持續(xù)減少態(tài)勢(shì)不變，預(yù)測(cè)珠江三角洲河道仍將長(zhǎng)期處于下切態(tài)勢(shì)[7]。③重要口門攔門沙嚴(yán)重萎縮。受上游來水來沙變化及采砂影響，磨刀門攔門沙-2 m以淺區(qū)域嚴(yán)重刷深，口門由東、西兩汊與中心攔門沙并存格局，演變?yōu)閿r門沙基本消失的單槽格局[8]。④海平面持續(xù)上升。據(jù)《2019年中國海平面公報(bào)》，2000—2019年海平面上升6.6 cm，珠江河口平均海平面還將持續(xù)上升。

受上述不利因素綜合影響，珠江河口咸潮發(fā)生頻次增多、上溯距離增加、發(fā)生時(shí)間提前、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。1949—1999年珠江河口發(fā)生嚴(yán)重咸潮的頻率約為7 a一次，21世紀(jì)以來其平均發(fā)生頻率已不足3 a一次；咸潮上溯距離從20世紀(jì)距口門50 km，推進(jìn)到2020年的近70 km；2020枯水期和2009年相比，上游來水相當(dāng)，但咸潮平均上溯距離增加了4.5 km。2021年珠澳供水系統(tǒng)取水口廣昌泵站和聯(lián)石灣水閘咸潮首次出現(xiàn)時(shí)間分別提前至6 月21 日和8月3 日(一般為9月或10月上旬)，為有記錄以來最早；2021年9月，東江三角洲開始出現(xiàn)咸潮，較有記錄以來咸潮最早出現(xiàn)時(shí)間提前約90 d，之后取水口含氯度連續(xù)突破歷史極值，直至2022年3月才有所緩解，持續(xù)時(shí)間接近180 d[9]。

1.2 供水需求增加

粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密，用水總量需求大，2017年用水總量199.65億m3，其中珠三角9市用水量186.10億m3，香港用水量12.58億m3(來自東江的供水量占51.7%)，澳門用水量0.97億m3(其中96%的供水量依靠珠海供水系統(tǒng)供給)。在粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的戰(zhàn)略時(shí)期，隨著產(chǎn)業(yè)及人口的不斷聚集，大灣區(qū)用水總量需求將進(jìn)一步加大，據(jù)預(yù)測(cè)，2030年珠海、澳門、中山等地平均需水量較2020年增幅分別為10.7%、31.8%和11.7%[10]。粵港澳大灣區(qū)中心城市均位于珠江河口，供水以河道型水源為主，布設(shè)于西江、北江、東江干流的取水口(取水總量15萬m3/a及以上)分別為100個(gè)、29個(gè)和55個(gè)，河道供水占總供水量的70.4%。因此粵港澳大灣區(qū)供水保障與珠江流域中上游來水及河口咸潮上溯關(guān)系密切。在未來上游來水偏枯、咸潮逐年加劇的情勢(shì)下，廣州、珠海、東莞、中山及澳門等大灣區(qū)重要城市供水安全將會(huì)面臨較大威脅。

1.3 咸潮防控技術(shù)體系不足

針對(duì)河口咸潮防控，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)理論研究和工程應(yīng)用實(shí)踐，主要分為水庫調(diào)度補(bǔ)水壓咸和河口工程阻咸兩類措施。在實(shí)際的河口咸潮防控應(yīng)用中，多僅靠單一種類措施進(jìn)行咸潮防控，應(yīng)對(duì)手段較為單一。國外主要側(cè)重于采用臨時(shí)潛壩、人工沙坎、水幕等工程措施阻擋咸潮上溯，對(duì)壓咸補(bǔ)淡方面的研究較少。Luyun等[11]通過SEAWAT模型預(yù)測(cè)截流墻安裝后的鹽水楔入侵現(xiàn)象，試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明較短的截流墻能更快去除殘留鹽水。Abdoulhalik等[12]通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析了3種不同結(jié)構(gòu)的截流墻對(duì)鹽水楔的破壞作用；同時(shí)Abdoulhalik等[13]還通過對(duì)傳統(tǒng)的地下物理屏障進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種控制咸潮上溯的新型屏障系統(tǒng)，將不透水防滲墻和半滲透性地下水壩相結(jié)合，該系統(tǒng)相較不透水防滲墻和半滲透性地下水壩，分別使咸潮上溯距離減小62%和42%。與之相反，國內(nèi)則主要依賴上游壓咸補(bǔ)淡措施抑制咸潮上溯，而缺乏工程阻咸措施的研究。長(zhǎng)江流域水量豐沛、河湖眾多、水利設(shè)施密布，長(zhǎng)江口壓咸補(bǔ)淡主要是協(xié)同長(zhǎng)江流域上中下游水情，充分發(fā)揮各種水利設(shè)施對(duì)長(zhǎng)江口咸潮的改善作用，包括三峽水庫徑流調(diào)節(jié)、沿江省份節(jié)制取水、南水北調(diào)工程取水錯(cuò)開長(zhǎng)江口枯季咸潮入侵高峰期等，當(dāng)遭遇枯水年，需延長(zhǎng)蓄水時(shí)間提前蓄水[14-15]。錢塘江河口則主要依賴咸潮預(yù)報(bào)預(yù)警信息制定壓咸補(bǔ)淡、避咸蓄淡方案，當(dāng)遭遇特別嚴(yán)重咸潮，則根據(jù)缺水情況限制不同行業(yè)取用水量，以保證城市供水秩序穩(wěn)定[16-17]。珠江河口在長(zhǎng)期的實(shí)踐中創(chuàng)造和總結(jié)出“打頭壓尾”“動(dòng)態(tài)控制”“避漲壓落”等一系列獨(dú)創(chuàng)壓咸補(bǔ)淡調(diào)度策略，確定不同場(chǎng)景下最小壓咸流量、最佳壓咸時(shí)機(jī)和調(diào)度方案，具有針對(duì)性和可操作性，取得了良好的效果，基本保障了正常年份的供水安全，但極端干旱條件下，仍存在有效蓄水率低、壓咸流量保障不足的問題[18-19]。

壓咸補(bǔ)淡和阻咸措施均能在一定程度上抑制咸潮上溯，但二者均存在顯著不足。壓咸補(bǔ)淡措施受上游來水條件、水庫有效水量制約較大，在遭遇特枯年或連續(xù)枯水年時(shí)，流域上游水庫蓄水將嚴(yán)重不足，僅調(diào)度上游水庫補(bǔ)水無法應(yīng)對(duì)咸潮上溯，河道取水保障率顯著降低。例如，2021年東江流域遭遇了1963年以來最為嚴(yán)重的秋冬春夏連旱，相應(yīng)咸潮上溯也是最為嚴(yán)重的一年，東江流域來水減少七成，骨干水庫最枯時(shí)有效蓄水率僅為5%，新豐江水庫已突破死水位以下0.2 m，基本面臨無水可調(diào)的局面，9—12月以東江三角洲河道來水為水源的東莞市各水廠取水口含氯度超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)累計(jì)高達(dá)1 232 h，含氯度最高超過1 200 mg/L，水廠暫停取水累計(jì)總時(shí)長(zhǎng)達(dá)700 h[4]。而臨時(shí)潛壩、人工沙坎、水幕工程等阻咸措施的研究目前尚不成熟，其適用性、可行性、具體參數(shù)設(shè)置等尚無明確結(jié)論，其與河口治理、防洪安全、灘槽演變等的協(xié)調(diào)性也有待進(jìn)一步研究。

河口咸潮防控是一項(xiàng)涉及流域-區(qū)域協(xié)同治理和上中下游聯(lián)合調(diào)度的系統(tǒng)工程，應(yīng)將水庫調(diào)度補(bǔ)水壓咸和河口工程阻咸有機(jī)結(jié)合，一方面采用水庫調(diào)度補(bǔ)水壓咸和三角洲取輸蓄供工程調(diào)度相結(jié)合的方式確保供水安全，另一方面從源端阻攔咸潮上溯。因此，若在現(xiàn)有措施基礎(chǔ)上增加河口阻咸措施，可進(jìn)一步完善粵港澳大灣區(qū)咸潮防控體系。在此過程中需解決若干關(guān)鍵技術(shù)問題，如調(diào)水壓咸時(shí)機(jī)、蓄水時(shí)機(jī)以及阻咸工程關(guān)鍵參數(shù)等，而全面掌握和認(rèn)識(shí)咸潮運(yùn)動(dòng)規(guī)律及機(jī)理，是突破以上關(guān)鍵技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

2 珠江河口咸潮運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其輸運(yùn)機(jī)理

珠江河口咸潮影響因素多、規(guī)律復(fù)雜多變，受潮汐、徑流變化影響，咸潮上溯具有明顯的日周期、半月周期和季節(jié)變化規(guī)律，且珠江河口為多汊出海，各口門徑流、潮汐動(dòng)力作用關(guān)系與河床地形不一致，存在不同的鹽淡水混合、層化機(jī)制;即便在同一口門，在不同潮汐條件下鹽淡水垂向環(huán)流過程也存在顯著差異[20]。西江磨刀門水道沿程取水口眾多，是珠海和澳門供水的重要水源，受咸潮影響顯著。針對(duì)磨刀門水道咸潮運(yùn)動(dòng)規(guī)律，2009年12月，珠江水利科學(xué)研究院開展了一次大規(guī)模的咸潮原型觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)段為12月10日15時(shí)到25日15時(shí)，共布設(shè)了8條測(cè)量垂線(圖1，P1～P8)，觀測(cè)內(nèi)容包括鹽度、流速、流向、風(fēng)速和風(fēng)向，其中流速、流向和鹽度垂向?yàn)槊扛? m測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，垂向分層數(shù)為8～12層，獲得了為期半月的逐時(shí)資料。本次測(cè)量數(shù)據(jù)具有較好的代表性，既能反映磨刀門水道咸潮上溯的日周期和半月潮周期變化規(guī)律，又能體現(xiàn)鹽淡水混合、層化動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征。

圖1 測(cè)量垂線位置布置Fig.1 Map of the vertical observation line

2.1 咸潮運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.1.1時(shí)間變化規(guī)律

珠江河口潮汐屬于不規(guī)則半日潮，一日內(nèi)以兩漲兩落周期性變化為主，如圖2所示。受潮汐影響鹽度也呈現(xiàn)出兩漲兩落的日內(nèi)變化特征，且鹽度峰、谷值一般滯后于漲停、落憩1～2 h。

圖2 P5測(cè)量垂線表底層鹽度日變化Fig.2 Daily variation of surface and bottom salinity at P5

磨刀門水道咸潮具有特殊的大中小潮周期變化規(guī)律，本文分別從實(shí)測(cè)鹽度和咸界的逐時(shí)變化對(duì)其進(jìn)行分析。圖3給出了P1～P8測(cè)量垂線鹽度逐時(shí)變化與大橫琴潮位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，磨刀門水道半月潮周期內(nèi)的鹽度變化具有一定的規(guī)律性：小潮期，底層鹽度以鹽水楔的形式持續(xù)入侵河道上游，表層鹽度基本維持不變，此階段表底層鹽度差值最大；中潮期，表層鹽度持續(xù)上升，底層鹽度逐日略微下降，表底層鹽度差持續(xù)減??；大潮期，潮汐動(dòng)力強(qiáng)勁，鹽水“大進(jìn)大出”，表底層鹽度每日持續(xù)下降，表底層鹽度差逐漸加大。

圖3 測(cè)量垂線鹽度半月變化過程Fig.3 Salinity variation process of vertical observation line in fortnight period

進(jìn)一步分析咸界半月周期變化規(guī)律，以2009年實(shí)測(cè)鹽度資料，輔以對(duì)應(yīng)時(shí)刻的磨刀門沿岸取水廠含氯資料，進(jìn)行插值計(jì)算得到半月潮周期的逐時(shí)咸界(表層鹽度0.5 PSU)距河口(以石欄洲為零點(diǎn))的距離，結(jié)果如圖4所示。咸界變化趨勢(shì)總體而言可分為上升和下降兩個(gè)階段，上升的開始階段對(duì)應(yīng)潮型為小潮期，隨著潮差的逐漸增大，咸界從距河口21.5 km穩(wěn)步上移至46.0 km，至大潮前兩三天的中潮咸界達(dá)到峰值64.0 km，隨后咸界逐日緩慢下移[21]。整體而言，咸界上移的時(shí)間較短，只需6個(gè)日潮周期，但是上漲速率快，而咸界下移歷時(shí)長(zhǎng)，需要9個(gè)日潮周期，且速率緩慢。

圖4 咸界半月周期變化(2009年12月10—25日)Fig.4 Periodic variation of saline water intrusion border in half a month(December 10 th-25 th, 2009)

2.1.2空間變化規(guī)律

圖5為磨刀門大、小潮的鹽度垂向分布，一般下游鹽度大于上游，底層鹽度大于表層，其中小潮期從口門處向河道內(nèi)鹽度緩慢減小，垂向分層明顯；大潮期垂向摻混較為均勻，縱向分層明顯，鹽水上移距離較小潮時(shí)大幅下移。

(a) 小潮(2009年12月11日1時(shí))

(b) 大潮(2009年12月16日4時(shí))圖5 磨刀門水道大、小潮鹽度垂向分布Fig.5 Vertical distribution of salinity in Modaomen channel at neap tide and spring tide

采用分層系數(shù)評(píng)價(jià)混合強(qiáng)弱，分層系數(shù)表達(dá)式為

(1)

圖6 潮周期平均鹽度空間分布特征Fig.6 Spatial distribution characteristics of mean tidal salinity

圖7 日潮平均分層系數(shù)變化Fig.7 Daily variation of stratification coefficients

2.2 咸潮輸運(yùn)機(jī)理分析

2.2.1輸運(yùn)過程分解

對(duì)咸潮單寬通量輸運(yùn)過程進(jìn)行分解，分析徑流和潮流作用下鹽度輸運(yùn)變化規(guī)律。根據(jù)物質(zhì)通量計(jì)算方法[22]，瞬時(shí)變化的流速u和鹽度s分解為

u=uA+uE+uT

(2)

s=sA+sE+sT

(3)

式中下標(biāo)A、E、T分別表示潮平均的垂向平均余流項(xiàng)、重力環(huán)流項(xiàng)和潮汐波動(dòng)項(xiàng)。因此，潮汐平均的鹽通量FS可以分解為

(4)

式中：FA為平流鹽通量；FE為重力環(huán)流形成的鹽通量；FT為潮汐波動(dòng)引起的鹽通量；T為潮周期;A為斷面面積;t為時(shí)間。

2.2.2鹽度輸運(yùn)機(jī)理分析

基于以上鹽度輸運(yùn)過程分解，對(duì)2009年12月10日15時(shí)至25日15時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日平均，分別得到第1～14天的日平均值，其中第1天為小潮段，第4天為小潮后的中潮段，第7天為大潮段，第10天為大潮后的中潮段，第14天則重回到小潮。圖8為P1、P5和P6測(cè)量垂線的鹽度重力環(huán)流項(xiàng)sE逐日變化(sE正值表示向海方向輸運(yùn)鹽分，負(fù)值表示向內(nèi)河方向輸運(yùn)鹽分)，上層為正值，下層為負(fù)值，總體上第1天和第14天的sE絕對(duì)值最大，第7天的居中，第4天和第10天的最小，對(duì)應(yīng)潮型則表現(xiàn)為小潮最大、大潮次之、中潮最小，說明小潮的環(huán)流最強(qiáng)，中潮的環(huán)流最弱。

(a) P1

(b) P5

(c) P6圖8 鹽度重力環(huán)流逐日變化Fig.8 Daily variation of salinity gravity circulation

圖9為測(cè)量垂線P5的鹽通量FS、FA和FE逐日變化情況，由于上游的穩(wěn)定徑流量的影響，F(xiàn)A始終表現(xiàn)為向海輸運(yùn)(正值)，重力環(huán)流項(xiàng)FE則與uE、sE相關(guān)，由于uE、sE的絕對(duì)值上層均大于下層，從而使得FE始終為向內(nèi)河輸運(yùn)(負(fù)值)，F(xiàn)T量級(jí)較FA和FE小，因此，F(xiàn)S的正負(fù)和大小主要由FA和FE相對(duì)大小關(guān)系所決定。FS的正負(fù)則決定了鹽分是在河道內(nèi)累積還是向外海下泄，當(dāng)FS為正則為鹽分下泄，反之則為鹽分累積。第1天、第2天的小潮期，由于潮差較小，混合強(qiáng)度較弱，垂向鹽度分層明顯，重力環(huán)流輸運(yùn)明顯大于徑流平流輸運(yùn)，此時(shí)FS為凈向內(nèi)河的輸運(yùn)方向；第3～10天隨著潮差的增大，混合作用加強(qiáng)，F(xiàn)E逐漸減弱，且隨著徑流量的增大FA也逐漸增大，從而使FS變化為凈向海的輸運(yùn)方向(正值)；第11～14天FA小幅降低，F(xiàn)E則由于潮差的逐漸減少而緩慢增大，使得FS的鹽分輸運(yùn)方向出現(xiàn)向海和向內(nèi)河的波動(dòng)變化。

圖9 P5測(cè)量垂線的鹽通量逐日變化Fig.9 Daily variation of salt flux on vertical observation line at P5

2.3 咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理

磨刀門水道咸潮上溯半月周期內(nèi)可分為上升和下降兩個(gè)階段，咸潮上溯最遠(yuǎn)發(fā)生在小潮后的中潮期，咸潮上溯過程伴隨著鹽淡水混合和層化交替轉(zhuǎn)換，采用咸潮輸運(yùn)機(jī)理對(duì)這一典型規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明：小潮期由于重力環(huán)流驅(qū)動(dòng)鹽淡水層化，鹽淡水高度分層，鹽水楔從底層長(zhǎng)驅(qū)直入；小潮后中潮期垂向混合驅(qū)動(dòng)鹽淡水混合，鹽淡水混合加強(qiáng)，底層鹽水摻混于表層，咸界進(jìn)多退少，達(dá)到最大上溯距離；大潮期重力環(huán)流和徑流平流輸運(yùn)相互博弈，表底層鹽淡水混合相對(duì)均勻，向內(nèi)河或向海輸運(yùn)，咸界進(jìn)少退多，整體下移；大潮后中潮期重力環(huán)流再次主導(dǎo)層化，鹽淡水向緩混合甚至弱混合轉(zhuǎn)變，再次形成鹽水楔現(xiàn)象，進(jìn)而形成周而復(fù)始的半月周期變化過程[23-24]，如圖10所示。

圖10 咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理示意圖Fig.10 Schematic diagram of salt tide movement mechanism

分析圖10可知，靠上游的表層鹽度變化與底層鹽度的蓄積和潮汐的混合變化有關(guān)：底層鹽度首先在小潮期蓄積，然后隨著潮差逐漸增大，整體流速增大，垂向混合逐漸增強(qiáng)，底層蓄積的鹽分逐漸摻混至表層，并隨潮汐運(yùn)動(dòng)而漲落，最終引起咸界的上下移動(dòng)。因此，有兩個(gè)途徑控制咸界的上漲：一是可通過增加徑流量將鹽分在最短時(shí)間內(nèi)推移出河口，減少河道的鹽分總量；二是控制底層鹽度的上漲，切斷表層鹽度的源頭。咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理可為進(jìn)一步探討調(diào)水壓咸和河口阻咸措施提供理論支撐。

3 珠江河口咸潮“上補(bǔ)-中蓄-下阻”綜合防控體系

3.1 “上補(bǔ)”

“上補(bǔ)”，即上游水庫調(diào)度補(bǔ)水壓咸。珠江河口咸潮上溯具有典型的半月潮周期變化規(guī)律，期間鹽淡水混合、層化狀態(tài)交替轉(zhuǎn)換，小潮期鹽水楔上溯現(xiàn)象明顯，咸潮對(duì)上游流量變化的響應(yīng)與鹽淡水的混合狀態(tài)密切相關(guān)。因此，充分考慮咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理，科學(xué)確定最佳壓咸時(shí)機(jī)，合理分配半月潮周期內(nèi)的壓咸水量，是實(shí)現(xiàn)水庫調(diào)度補(bǔ)水壓咸效果最佳的關(guān)鍵所在。

壓咸時(shí)機(jī)和壓咸流量是保證壓咸效果、減少淡水資源浪費(fèi)的關(guān)鍵控制參數(shù)，眾多學(xué)者采用原型觀測(cè)、機(jī)理分析、數(shù)值模擬等多種方法開展了大量的研究。壓咸時(shí)機(jī)的確定與咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理密切相關(guān)。盧陳等[25]采用原型觀測(cè)資料分析、水槽機(jī)理試驗(yàn)和咸潮物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法對(duì)磨刀門水道壓咸時(shí)機(jī)進(jìn)行了分析，指出鹽淡水垂向混合最好、表層鹽度最大的時(shí)段，即小潮后的中潮期是最佳壓咸時(shí)機(jī)。小潮期口門內(nèi)鹽淡水的垂向分層較為明顯，指向上游的斜壓梯度力較大，咸勢(shì)整體處于上漲階段，存在明顯的表層低鹽水向海、底層高鹽水向內(nèi)河的縱向環(huán)流結(jié)構(gòu)，壓咸淡水到達(dá)后，表層鹽度降低較為明顯，底層水體的鹽度幾乎維持不變，說明壓咸淡水易從表層快速流失，而底層高鹽水則難以消退，因此，在小潮期增大上游流量的壓咸效果不佳。自中潮期開始，鹽淡水垂向混合較強(qiáng)，重力環(huán)流減弱，上游淡水對(duì)下游高鹽水形成擠壓作用，咸勢(shì)整體處于消退階段，流量增加后表、底層鹽度均有所降低，說明壓咸淡水流失速率減緩，與高鹽水混合后隨潮流漲落進(jìn)退，最終攜帶更多鹽分流入外海，整體而言，中潮期及其后的大潮期增大上游流量的壓咸效果會(huì)更好。然而，不同學(xué)者對(duì)壓咸時(shí)機(jī)選擇上仍存一定的爭(zhēng)議，尹小玲等[26]通過分析枯季磨刀門水道監(jiān)測(cè)資料，指出在咸潮退落末期增加流量可以得到較好的壓咸效果，而聞平等[27]則認(rèn)為大潮轉(zhuǎn)小潮期是壓咸補(bǔ)淡的最佳時(shí)機(jī)。因此，針對(duì)珠江河口調(diào)水壓咸時(shí)機(jī)和壓咸流量的研究，需進(jìn)一步分析不同動(dòng)力特征口門咸潮運(yùn)動(dòng)規(guī)律及鹽淡水混合、層化機(jī)制，識(shí)別不同徑流與潮流博弈條件下咸潮上溯的關(guān)鍵影響因子，綜合確定調(diào)水壓咸時(shí)機(jī)，精準(zhǔn)增加下泄流量，減緩咸潮上溯強(qiáng)度，提升取水口取淡概率，為水廠取水創(chuàng)造有利條件。

3.2 “中蓄”

“中蓄”，即中游三角洲地區(qū)取蓄淡水避咸。在充分認(rèn)識(shí)咸潮上溯規(guī)律和機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高效、適用的咸潮預(yù)報(bào)技術(shù)，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)取水口的取淡概率和取水窗口期，對(duì)區(qū)域取水、蓄水等供水工程體系開展精細(xì)化調(diào)度，充分利用本地調(diào)蓄能力，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰搶淡或擇優(yōu)取淡，盡可能增加淡水儲(chǔ)蓄量，避免咸潮對(duì)供水造成的不利影響[28]。精細(xì)化咸潮預(yù)報(bào)和供水調(diào)度是開展“中蓄”的關(guān)鍵，但需根據(jù)區(qū)域特征因地制宜地采用不同咸潮預(yù)報(bào)方法和供水調(diào)度模式，構(gòu)建針對(duì)性“中蓄”措施，實(shí)現(xiàn)水利工程精細(xì)化調(diào)度及水資源高效利用。

粵港澳大灣區(qū)城市群多以湖庫、河涌、清水池等作為主要的供水蓄水空間。其中，以湖庫為主要蓄水空間的區(qū)域，地勢(shì)起伏較大、河網(wǎng)密度較小、河涌容量有限，湖庫泵站眾多，外江與湖庫連通，應(yīng)充分利用湖庫調(diào)蓄作用，汛末通過泵站將外江淡水抽蓄到湖庫中，枯水期再適時(shí)向湖庫補(bǔ)水，形成江水補(bǔ)庫、庫水避咸的調(diào)度機(jī)制，需根據(jù)咸潮預(yù)報(bào)和水廠供水負(fù)荷變化情況進(jìn)行綜合優(yōu)化，確定最佳泵站取水、水庫補(bǔ)水和水庫出水的調(diào)度方式；以內(nèi)河河涌為主要蓄水空間的區(qū)域，地勢(shì)平坦開闊、河網(wǎng)密度高、河涌容積大、水庫湖泊少、水閘泵站眾多，內(nèi)河涌與外江水力聯(lián)系密切，需準(zhǔn)確把握搶淡時(shí)機(jī)，優(yōu)化水閘搶淡、河涌蓄淡、水庫調(diào)度和泵站供淡等調(diào)度工程，將外江淡水蓄積到內(nèi)河涌，置換河涌水體，改善河涌水質(zhì)，滿足枯水期應(yīng)急供水需求；以清水池為主要蓄水空間區(qū)域，則應(yīng)在咸潮精準(zhǔn)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，需通過錯(cuò)峰取水、上下游水廠互補(bǔ)、清水池調(diào)蓄、二次供水混合等措施，最大程度降低末端管網(wǎng)水的鹽度，降低咸潮對(duì)供水安全的影響。

咸潮預(yù)報(bào)按時(shí)間尺度可分為短期預(yù)報(bào)和中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，二者適用范圍不同。對(duì)于以湖庫或河涌為主要蓄水空間的區(qū)域，本地調(diào)蓄能力較強(qiáng)，主要依靠中長(zhǎng)期咸潮預(yù)報(bào)，在保證一定取淡概率下，經(jīng)過取水口、水廠、水庫之間多源互補(bǔ)，即可滿足供水要求，如西江三角洲的珠澳供水系統(tǒng)，具備約39 d的調(diào)蓄能力，且各取水口、水庫、水廠間連通性較好，具備“多源互補(bǔ)”的飲用水調(diào)配能力，咸潮預(yù)報(bào)需求為半月或月尺度的中長(zhǎng)期取淡概率預(yù)報(bào)[29]；對(duì)于以清水池為主要蓄水空間的區(qū)域，本地調(diào)蓄能力較弱，短時(shí)間尺度下水廠鹽度的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)尤為重要，如東江三角洲的東莞市，僅依靠各水廠清水池不足2 h的調(diào)蓄能力，咸潮預(yù)報(bào)的關(guān)鍵需求為日尺度的短期逐時(shí)鹽度過程。

3.3 “下阻”

“下阻”，即下游工程措施阻咸。不同類型工程措施的阻咸原理與適用性存在顯著差異，“下阻”措施需基于所在區(qū)域的咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理，因地制宜，有針對(duì)性地確定工程類型，這是實(shí)現(xiàn)高效阻咸的關(guān)鍵所在。通過適用的工程措施，從咸潮上溯的源端阻擋外海高鹽水入侵，從而降低咸潮上溯的強(qiáng)度，為上游取水口創(chuàng)造更高的取淡概率，可與“上補(bǔ)”“中蓄”措施配合協(xié)調(diào)實(shí)施，保障極端枯水年或連續(xù)枯水年情況下的供水安全。

對(duì)于鹽淡水分層型河口，如磨刀門水道，外海高鹽水多以鹽水楔的形式從底部入侵，如能通過潛壩、拍門等底部半阻斷的工程措施破壞其鹽水楔的形成或減緩鹽水楔的上溯速度，可有效降低咸潮的上溯強(qiáng)度，但阻咸工程縱向布置位置、結(jié)構(gòu)高度、形式等關(guān)鍵工程參數(shù)，需要在充分掌握其鹽淡水混合、層化變化規(guī)律基礎(chǔ)上開展充分的論證。對(duì)于充分混合型河口，其潮汐動(dòng)力較強(qiáng)，如東江南支流，外海高鹽水主要隨漲潮流向上游輸移和擴(kuò)散，下阻工程措施一般采用水閘、圍堰等垂向全阻斷的結(jié)構(gòu)形式阻斷咸潮上溯通道，可徹底解決咸潮上溯問題，但需考慮工程建設(shè)對(duì)通航、生態(tài)等的綜合影響。

磨刀門存在明顯的鹽淡水垂向分層現(xiàn)象，小潮期底層高鹽水以鹽水楔的形式持續(xù)上溯，期間高鹽水漲多退少，這是磨刀門咸潮的典型運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，磨刀門可采用底部半阻斷的工程措施，通過破壞其鹽水楔的垂向分層，減緩高鹽水的上溯速度，從而達(dá)到有效阻咸的效果。綜合考慮咸潮上溯規(guī)律、工程投入和泄洪、通航等需求，宜采用水下拍門和攔門沙修復(fù)的工程措施[30]。其中，水下拍門具有投資少、安裝快和不影響泄洪、通航的優(yōu)點(diǎn)，可作為應(yīng)急工程措施，用以應(yīng)對(duì)嚴(yán)重的咸潮上溯事件；攔門沙修復(fù)具有生態(tài)友好、抑咸時(shí)效長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可作為遠(yuǎn)期阻咸工程措施，用以應(yīng)對(duì)海平面上升等引發(fā)的咸潮上溯加劇形勢(shì)。

3.3.1水下拍門阻咸原理與效果

水下拍門適用于鹽淡水分層型河口，主要通過破壞鹽水楔的形式減緩咸潮上溯。利用磨刀門咸潮以鹽水楔的形式從底部入侵的特性，通過在底部設(shè)置拍門，漲潮期在漲潮流推力作用下拍門關(guān)閉，在直接減緩鹽水楔上溯速度的同時(shí)，增強(qiáng)拍門所在位置鹽淡水的垂向混合，進(jìn)而起到減弱咸潮上溯的作用；落潮時(shí)，拍門在落潮流的推動(dòng)下自動(dòng)打開，使底部高鹽水可隨潮流順利下落，縱向上可阻塞底層鹽水入侵通道，垂向上增強(qiáng)垂向混合破壞層化，從而達(dá)到減緩咸潮上溯的目的。羅丹等[31]通過咸潮物理模型試驗(yàn)分析了水下拍門抑咸效果，結(jié)果表明，水下拍門不影響泄洪、通航，咸潮上溯量比不設(shè)拍門時(shí)大為減小，在一個(gè)半月潮過程中，最遠(yuǎn)的上溯距離較無拍門時(shí)減少約10 km，且水體鹽度大為減小。

3.3.2攔門沙阻咸原理與效果

以磨刀門為例，對(duì)攔門沙的阻咸原理進(jìn)行分析。沒有攔門沙的地形條件下，外海高鹽水得以長(zhǎng)驅(qū)直入，磨刀門水道出口段鹽水楔厚度和入侵長(zhǎng)度均明顯增大，進(jìn)而加劇了底層向內(nèi)河、表層向海的縱向環(huán)流結(jié)構(gòu)，即底層高鹽水快速入侵，同時(shí)表層低鹽水亦加速入海流失，咸潮上溯較為嚴(yán)重。攔門沙修復(fù)后，攔門沙淺灘對(duì)口外高鹽水的入侵具有直接的阻擋作用，當(dāng)外海高鹽水以底層鹽水楔的形式到達(dá)攔門沙水域時(shí)，由于地形坡度變陡，鹽水楔前鋒初期難以順利越過攔門沙體，同時(shí)底層高鹽水順攔門沙淺灘地形向水體表層運(yùn)動(dòng)，至攔門沙頂時(shí)由于水深變淺，垂向混合增強(qiáng)，高度分層的鹽水楔遭到破壞，有利于減緩咸潮上溯；另一方面，由于攔門沙淺灘的阻擋，東西兩側(cè)深槽成為高鹽水上溯的主要通道，由于兩側(cè)深槽存在一定的夾角，當(dāng)?shù)讓痈啕}水體匯合時(shí)存在一定的相互頂托作用，從而減緩鹽水楔的上溯速度。研究表明，攔門沙每抬高1.5 m，距離河口15 km內(nèi)平均含氯度約減小600 mg/L，上溯距離約減少1 km；距離河口23 km內(nèi)平均含氯度約減小252 mg/L，上溯距離約減少500 m[8,32]。

4 結(jié) 語

珠江河口是粵港澳大灣區(qū)的核心區(qū)域，珠江河口咸潮防控對(duì)粵港澳大灣區(qū)水安全保障極為重要。目前，在上游來水偏枯、網(wǎng)河區(qū)干流河道大規(guī)模下切、攔門沙萎縮、海平面持續(xù)上升、不利風(fēng)況出現(xiàn)概率增加的形勢(shì)下，珠江河口咸潮發(fā)展態(tài)勢(shì)不容樂觀。本文通過分析珠江河口不同動(dòng)力特征口門咸潮運(yùn)動(dòng)機(jī)理和上溯規(guī)律，系統(tǒng)梳理了珠江河口咸情面臨的新形勢(shì)及主要問題，在珠江河口的若干抑咸策略基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了統(tǒng)籌流域、三角洲和河口的珠江河口咸潮“上補(bǔ)-中蓄-下阻”綜合防控體系，初步構(gòu)建了粵港澳大灣區(qū)咸潮防控理論框架，可有效保障珠江河口特枯年份或連續(xù)枯水年份應(yīng)急供水安全，為提升珠江河口咸潮防控能力、保障粵港澳大灣區(qū)水安全提供支撐，也可為我國其他河口乃至世界河口咸潮防控提供參考。