长江口青草沙水域外海正面盐水入侵特点分析

朱宜平

摘要：利用青草沙上游取水口和下游排水口大量实测盐度资料，统计分析了2010年冬季以来的10个咸潮年度中青草沙水域受到外海正面盐水入侵的特点。分析结果表明，近10年来青草沙水域外海正面盐水入侵与径流量、潮汐和风况等密切相关。水库上游闸口共发生16次正面盐水入侵，时间为9月到次年3月;下游闸口共发生41次正面盐水入侵，时间为9月到次年5月。上游和下游闸口正面盐水入侵，主要出现在每年的12月、1月和2月，且一般容易发生在大通流量18000m3/s以下、持续偏北或西北风影响下的小潮或小潮后的中潮。正面盐水入侵来临前几天，偏北或西北风的强度和持续时间对正面盐水入侵起着重要的作用。

关键词：长江口;青草沙水库;盐水入侵;径流量;潮型;风况

中图分类号：P731.23文献标志码：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，平均每日供应优质原水近500万t，改变了之前上海市主要依靠黄浦江取水的历史，成为上海市55%左右的优质原水的供应地，有效保障了上海地区的供水水质和供水安全。同时，青草沙水源地在建设时就分为咸潮期和非咸潮期两种不同运行模式。咸潮期水库蓄水水位高低主要依赖对当年度咸潮入侵严重情况的预判，因此，加强对青草沙水源地取水口附近水域长江口盐水入侵的监测分析对保障水库运行安全具有重要作用。

青草沙水源地建成投运之前，相关研究表明，宝钢、陈行、青草沙等水源地取水口盐水入侵主要受北支盐水倒灌的影响[1]。2014年2月，长江口发生持续23d的严重咸潮入侵，取水口实测氯化物浓度最高达到5479mg/L，是青草沙水源地建成投运以来观测到的最强咸潮。经朱建荣等[2]研究分析，此次强咸潮的产生主要是受连续偏北大风影响，青草沙取水口盐水来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盐水入侵得到了高度重视。王绍祥、朱建荣[3]应用2013年12月和2014年2月青草沙水库取水口实测盐度和数值模式计算的流速流向，分析发现在2013年12月枯季一般径流量和风况下，大潮、大潮后中潮和小潮前期水库取水口盐水来源于上游的北支盐水倒灌，小潮中后期、小潮后中潮盐水入侵来源于北港下游外海正面盐水入侵。李国平、朱建荣[4]基于实测盐度、大通径流量、风况、水位等资料，分析了2015—2017年这3年1—3月青草沙水库取水口的盐水入侵频次和来源，发现北港下游正面盐水入侵频次明显增加，在小潮期间遇到强北风作用会导致较严重的正面盐水入侵。

为全面分析青草沙水源地附近水域外海正面盐水入侵的特点，本文利用青草沙上游取水口和下游排水口的大量实测资料，统计分析2010年冬季以来的10个咸潮年度中青草沙水域受到外海正面盐水入侵的情况，探讨青草沙取水口水域外海正面盐水入侵与上游来水量、天气、潮汐动力等的关系，为水源地科学蓄水、保障水质提供科学依据。

1资料和方法

1.1正面盐水入侵判定标准

上海城投原水有限公司在长江口布设了盐度实时监测系统[5]，主要监测点位包括青龙港、崇头、太仓石化码头、东风西沙、陈行水库取水口、南门、青草沙A、青草沙B、青草沙C、青草沙上游闸口、青草沙下游闸口、堡镇、横沙北、北港外等。这些监测点总体位置如图1所示，通过GPRS方式将长江口实时氯化物监测数据传回公司生产调度系统，便于实时了解长江口氯化物情况。

根据上海市水务部门的定义，当取水口连续2h氯化物浓度超过250mg/L时（生活饮用水氯化物浓度标准），即可认为发生了一次咸潮入侵过程。本文根据此定义并结合长江口盐度实时监测系统各主要监测站点盐度变化趋势，定义：当青草沙上游（或下游）闸口连续2h氯化物浓度超过250mg/L，且青草沙上游（或下游）闸口以下相关站点氯化物浓度明显大于上游（或下游）闸口以上相关站点氯化物浓度时，即认为青草沙上游（或下游）闸口开始遭受正面盐水入侵影响;遭受正面盐水入侵影响后，当青草沙上游（或下游）闸口连续2h氯化物浓度小于250mg/L，且12h内无连续2h超过250mg/L时，正面盐水入侵影响结束。

1.2相关水文气象数据

本文分析所用大通径流量数据来源于长江水文网站公开的数据（http：//www.cjh。com.cn/），所用风速风向数据来源于中国天气网站公开的数据（http：//www.weather。com.cn/weather/101021100.shtml）。

2结果和分析

2.1正面盐水入侵发生总体状况

2010年冬季至2020年春季10个咸潮年度期间，青草沙水库上游闸口、下游闸口遭受正面盐水入侵影响总体情况如表1所示。从表1可以看出，上游闸口受外海盐水入侵影响共发生16次、85d，下游闸口共发生41次、248d;下游闸口在上游闸口以东15km，距离长江入海口更近因而遭受的正面盐水上溯影响更大。分析上游闸口所受的16次影响可以发现，除发生在2011年9月21—24日、2019年9月22—28日这两次以外，其余14次发生时对应大通流量均在18000m3/s以下，且9次发生时对应大通流量均在15000m3/s以下，表明上游来水量少时易遭受海水上溯影响，这与北支倒灌是一样的。单次正面盐水入侵时间最长的是2014年2月，上游闸口从2月10日一直持续到2月26日，下游闸口从2月8日持续到2月28日，此次盐水入侵发生原因已在相关文献中做了详细分析[2]，是由持续的强北风产生的向陆艾克曼输运形成北港流入南港流出的水平环流，进而导致北港发生了极为严重的盐水入侵事件。

2.2正面盐水入侵月份分布

对2010年以来的10个咸潮年度中青草沙水库库外上、下游闸口受到正面盐水入侵时所处月份进行分析，情况如表2所示。其中受影响次数是统计正面盐水入侵发生当天所处的月份，但由于盐水入侵一般会持续数天，因此出现了上游闸口11月受影响次数为0，但受影响天数为4d的情况。

从表2可以发现，过去10年中青草沙水库上游闸口受到外海正面盐水入侵发生在9月到次年3月，而下游闸口受影响时间要从9月延续到次年5月。对上、下游闸口而言，12月、1月、2月和3月都很容易受到外海正面盐水入侵影响，原因主要在于这几个月上游来水偏少。

过去10年中，9月出现正面盐水入侵影响上、下游闸口的情况共两次，分别发生在2011年9月下旬（下游闸口为2011年9月19—26日，上游闸口为2011年9月21—24日）、2019年9月下旬（下游闸口为2019年9月22—30日，上游闸口为2019年9月22—28日）。这两次正面盐水入侵发生时大通流量均持续在21000m3/s左右，且前期5～7d大通流量也均持续在19000m3/s左右。2011年9月下旬的异常情况可能跟该月18—22日出現连续5d偏北大风有关，2019年9月下旬出现正面盐水入侵可能跟台风过境有关，具体原因还需进一步分析。过去10年中，10月出现正面盐水入侵影响上、下游闸口的情况分别为1次和4次，影响上游闸口的1次出现在2013年10月26日—11月4日，影响下游闸口的4次分别出现在2013年10月26日—11月5日、2016年10月11—15日、2018年10月7—24华东师范大学学报（自然科学版）2021年8日、2018年10月21—22日。除2013年10月这次正面盐水入侵外，其余3次发生在10月份的咸潮入侵都没有影响上游闸口，且持续时间都较短（均在5d以内）。这可能跟这3次正面盐水入侵发生时对应的大通流量都在19000m3/s以上有关系，较高的大通流量抑制了盐水继续上溯影响上游取水口。而2013年10月26日发生上、下游闸口正面盐水入侵影响时大通流量仅为14000m3/s，严重偏低。值得注意的是，9—10月咸潮入侵的次数比以往增多，原因在于2003年三峡大坝合拢和以后上游众多水库的建成，9—10月为蓄水期，导致径流量下降，进而加剧了咸潮入侵[6]。9月咸潮受影响天数明显比10月多的原因主要在于9月是一年中潮汐最强的月份，会加剧咸潮入侵[7]。

过去10年中，4月份、5月份均没有出现影响上游闸口的正面盐水入侵，而下游闸口各有1次，分别发生在2018年4月12—14日、2011年5月27—31日，这两次正面盐水入侵发生时大通流量分别为18000m3/s、19000m3/s，与多年月平均流量相比偏低。

2.3正面盐水入侵年际变化

径流量大小对压制外海咸水上溯有重要作用。过去10年中，每年11月到次年3月大通流量情况（均值和中值）、上下游闸口受正面盐水入侵影响天数对应关系如表3所示。从表中可以看出，在每年11月到次年3月间，大通流量中值超过20000m3/s时，无论上游闸口还是下游闸口受正面盐水入侵天数都会明显减少;但大通流量中值低于20000m3/s时，正面盐水入侵受影响天数并不与同时段大通流量均值或中值呈现严格的反向对应关系，还有其他因素影响着正面盐水入侵严重程度。

长江防汛抗旱总指挥部和上海市水务局编制的《长江口咸潮应对工作预案研究》中给出了控制长江口水源地咸潮入侵的枯水期大通各月临界流量，正面盐水入侵期间大通平均流量与大通各月临界流量比较情况如表4所示。由表4可以发现，对上游闸口而言，10月至次年4月共有14次正面盐水入侵，其中8次大通流量值低于临界流量;而对下游闸口而言，10月至次年4月共有38次正面盐水入侵，其中仅有9次大通流量值低于临界流量。这表明，有关压制咸潮入侵的大通临界流量研究成果更多是针对北支倒灌产生的咸潮，而对正面盐水入侵不一定适用，且要压制正面盐水入侵影响需要更大的临界流量。

2.4正面盐水入侵受风力风向影响

2.4.1风向影响

据观测，正面盐水入侵一般发生在连续偏北大风之后。若计正面盐水入侵起始日为第N天，根据中国天气网发布的崇明地区风速风向情况，对下游闸口出现正面盐水入侵之前的风速风向进行了统计分析，结果发现在第N–2天至第N天之间出现过西北风或偏北风的共有38次，另有3次在第N–2天至第N天出现了5级以上风力的东北风或偏东风，且分别发生在2018年3月、4月和10月;而对上游闸口，在第N–2天至第N天之间出现过西北风或偏北风的共有16次，即每次影响上游取水口的正面盐水入侵前都出现了西北风或偏北风，这与文献[5，8]的结论是基本一致的。

2.4.2风力影响

上、下游闸口正面盐水入侵前出现的最大偏北风风力与正面入侵影响天数统计情况如表5所示。从表5可以发现，随着最大偏北风风力加大，单次正面影响天数总体上也呈现上升趋势，表明风力对正面盐水入侵影响较大。

2.4.3风持续时间影响

上、下游闸口正面盐水入侵发生前后偏北风或西北风持续时间与当次正面盐水入侵持续时间间的关系如图2所示。从图中可以看出，对上游闸口而言，总体上随着偏北风或西北风持续时间增加，当次正面盐水入侵持续时间也呈上升趋势，但对下游闸口而言这种趋势并不明显。

2.5正面盐水入侵受潮型影响

根据长江口潮型情况，一般农历初三、初四出现一个大小潮周期中的最大潮，农历初九、初十、十一会出现一个大小潮周期中的最小潮，在小潮至大潮之间为小潮后的中潮，在大潮至小潮之间为大潮后的中潮。按照以上4种情况，上、下游闸口正面盐水入侵首日所处的潮型情况统计如表6所示。从表6可以发现，无论上游闸口还是下游闸口，正面盐水入侵首日都不是在大潮期间，而且大潮后的中潮所占比例也很小，小潮、小潮后的中潮合计所占比例超过85%。这与王绍祥等[3]利用数学模型得到的小潮中后期、小潮后中潮盐水入侵主要来源于北港下游外海的盐水入侵研究结论相一致。

3讨论

本文对青草沙水库库外上、下游闸口正面盐水入侵发生时所对应的上游来水量（大通流量）、风力风向、潮型等进行了单因素分析。因下游闸口遭遇到的正面盐水入侵次数要远比上游闸口多，先对下游闸口以上几种因素的组合影响进行分析，如表7所示。从表7可以看出，对下游闸口而言，大通流量在24000m3/s以下均可能发生正面盐水入侵，且在9月、10月、11月发生时均为持续西北或偏北大风;在1月、2月，3级及以上西北或偏北风在小潮或小潮后的中潮就有可能引起正面盐水入侵。

对下游闸口正面盐水入侵首日大通流量超过18000m3/s的情况进行统计可知，共计发生了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;且发生前5～7d大通流量也都接近18000m3/s或在18000m3/s以上。这10次正面盐水入侵发生前都有持续的偏北或西北风，但有2次这种风向仅维持了1d，有3次最大风力仅在3～4级。

上游闸口遭受正面盐水入侵因素汇总情况如表8所示。从表中可以发现，除9月份的2次和2011年12月的1次以外，其余13次正面盐水入侵首日对应大通流量或前5～7d大通流量均在18000m3/s以下，且13次发生在小潮或小潮后的中潮;而对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级及以上偏北或西北风至少持续3d。而2次正面盐水入侵发生时潮型为大潮后的中潮，前期都出现了持续4d以上、风力5级以上的偏北或西北风。

对2010年9月以来的天气、大通流量进行回顾，以大通流量在18000m3/s以下和持续西北或偏北风3级1d以上为筛选条件，发现共有32次因所处潮型为大潮或大潮后的中潮而没有发生正面盐水上溯入侵下游闸口的情况。如2020年1月27—31日持续5d西北风均在4级以上，大通流量在16000～20000m3/s，但因所处潮型为大潮及大潮后中潮，长江口相关站点（图1中的横沙北、北港外）没有出现持续的海水上溯过程，也就没有影响下游闸口。此外，统计发现共有10次大通流量在18000m3/s以下、持续西北或偏北风3级1d以上、所处潮型为小潮或小潮后的中潮，但没有出现正面盐水入侵下游闸口的情况。例如，2020年1月17—18日持續西北风3～4级，期间大通流量仅为14000～15000m3/s，前5～7d大通流量甚至不足13000m3/s，但没有出现正面盐水上溯情况。这表明，青草沙水域外海盐水正面入侵一般容易发生在上游来水量较小、持续偏北或西北风影响下的小潮或小潮后中潮，但除这几个因素外，可能还有其他影响因素，如横沙东滩圈围工程等长江口重大工程措施对正面盐水入侵也会产生影响，其产生动力机制尚需进一步研究。

4结论

（1）对2010年冬季以来的10个咸潮年度进行回顾分析，发现上、下游闸口分别出现16次、41次正面盐水入侵，受影响天数分别为85d、248d，下游闸口比上游闸口更靠近长江入海口15km因而更易受外海上溯盐水团影响。

（2）对正面盐水入侵分布月份进行分析发现，一般容易出现在上游来水量较少、偏北风或西北风较多的12月、1月、2月。

（3）对下游闸口出现的41次正面盐水入侵进行分析发现，所有入侵发生时大通流量均在24000m3/s以下，31次入侵时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次出现偏北或西北风，最大风力3级及以上，且41次中有37次出现在小潮或小潮后的中潮，仅4次出现在大潮后的中潮。

（4）对上游闸口出现的16次正面盐水入侵进行分析发现，13次正面盐水入侵首日对应大通流量或前5～7d大通流量均在18000m3/s以下，且13次发生在小潮或小潮后的中潮;其余3次入侵前會出现5级及以上偏北或西北风至少持续3d。

（5）对2010年9月以来的天气、大通流量进行回顾，以大通流量在18000m3/s以下和持续西北或偏北风3级1d以上为筛选条件，发现共有32次因所处潮型为大潮或大潮后的中潮而没有发生正面盐水上溯入侵下游闸口的情况，共有10次大通流量在18000m3/s以下、持续西北或偏北风3级1d以上、所处潮型为小潮或小潮后的中潮，但没有出现正面盐水入侵下游闸口的情况。原因可能与北港口外圈围工程实施导致涨潮量降低等因素有关，后续需结合模型进一步研究。

[参考文献]

[1]沈焕庭，茅志昌，朱建荣。长江河口盐水入侵[M]。北京：海洋出版社，2003.

[2]华东师范大学河口海岸学国家重点实验室。2014年2月长江口盐水入侵动力成因[R]。上海：华东师范大学，2015.

[3]王绍祥，朱建荣。不同潮型和风况下青草沙水库取水口盐水入侵来源[J]。华东师范大学学报（自然科学版），2015（4）：65-76.

[4]李国平，朱建荣。2015—2017年长江河口青草沙水库盐水入侵分析[J]。华东师范大学学报（自然科学版），2018（2）：160-169.

[5]顾玉亮，申一尘，乐勤，等。长江河口盐水入侵监测与预警技术[J]。给水排水，2008，34（6）：106-110.

[6]QIUC， ZHUJR. InfluenceofseasonalrunoffregulationbytheThreeGorgesReservoironsaltwaterintrusionintheChangjiangRiverEstuary[J]。ContinentalShelfResearch， 2013，71：16-26.

[7]QIUC， ZHUJR， GUYL. ImpactofseasonaltidevariationonsaltwaterintrusionintheChangjiangRiverEstuary[J]。ChineseJournalofOceanologyandLimnology， 2012，30（2）：342-351.

[8]LIL，ZHUJR，WUH.ImpactsofwindstressonsaltwaterintrusionintheYangtzeEstuary[J]。ScienceChinaEarthSciences，2012，55（7）：1178-1192.

（责任编辑：李万会）