咸潮入侵对长江上海段过境水资源利用的影响探讨.pdf
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1、上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 61doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.03.010咸潮入侵对长江上海段过境水资源利用的影响探讨卜东平(上海市浦东新区河道管理事务中心,上海 200122)摘 要:长江是上海重要的饮用水水源地,沿江两岸已建有 4 座水库。长江流域水资源丰富,但入海水量年际变化大,年内分配不均,易受长江口咸潮入侵影响,上海的长江原水供应仍存在安全威胁。基于长江大通水文站长系列流量数据(19502022 年),采用 P-III 型曲线进行水文频率计算,分析不同保证率下的大通站来水量,结合徐六泾水文
2、站潮流量数据(20052022 年),进行长江上海段的过境水量分析,掌握了丰水年、平水年和枯水年以及枯水期长江上海段的水量情况。分析结果显示:在枯水期或“汛期反枯”的情况下,长江口咸潮入侵成为制约长江上海段水资源利用的最主要因素,并据此提出相应的水资源联合调度等对策建议。关键词:水资源;长江原水;咸潮入侵;供水安全;水量分析;长江上海段中图分类号:TV213.9 文献标志码:A 文章编号:2095-1329(2023)03-0061-07长江是中国第一大河,流域水资源丰富,入海水量年际变化大,年内分配不均。上海地处长江入海口,长江上海段过境水量巨大,为上海市的居民生活用水、城市公共用水和工农业
3、用水提供了大量淡水资源。目前,上海在沿长江两岸建设有宝钢水库、陈行水库、青草沙水库、东风西沙水库共 4 座水库(除宝钢水库外,其余 3 处为饮用水水源地),长江水源在上海市原水供应中起着重要作用,长江已成为上海市的主要饮用水水源地。通常某地区的水资源量包含地表水资源量(天然河川径流量)和地下水资源量。根据2021 年上海市水资源公报,2021 年上海市深层地下水开采量为 97.41 万m3,全市连续 11 年保持人工回灌水量大于开采量。由此可见,上海市开采利用的地下水资源量微乎其微。因此,本文分析的长江上海段过境水资源量仅指长江的地表径流量,不考虑长江河道的地下水资源量,并用该地表水资源量来进
4、一步分析上海市长江过境的水资源可利用情况。目前上海供水格局为黄浦江、长江并举,黄浦江上游水源地及长江口青草沙、陈行、东风西沙水库水源地“两江四库”之势1-2。2021 年时长江水源地的原水供应约占上海市原水供应总量的 75%,其中青草沙水库的供水量约占长江口原水供应量的 72%。虽然长江上海段过境入海水量很大,水质良好,但在枯水期或“汛期反枯”的情况下,由于受到长江口咸潮入侵的影响3-4,上海的长江原水供应仍存在安全威胁。当发生长江口咸潮入侵时,上溯的咸水会造成长江口水源地取水口含氯度超标,对长江口水源地造成很大影响。开展长江上海段过境水量及制定咸潮影响下的应对措施是必要的。顾圣华5在 200
5、1 年对上海市过境水量及其变化特征进行了分析,认为长江入海水量年内分配不均,导致枯季易遭受长江口咸潮入侵,而枯水年的枯水季节更为严重,并定量给出了长江干流多年平均过境水量及不同频率下的过境水量。罗艺6等采用极值分布的方法分析了陈行水库和青草沙水库受长江口咸潮影响时的水资源短缺风险,认为陈行水库每年缺水事件的最大概率高于80%,青草沙水库仅为 3%。目前,受以三峡水库为代表的水工程运行调度的影响,长江流域来水出现了新的变化,延长流量数据系列重新进行水量分析具有重要意义,也可为上海市的长江淡水资源利用提供基础数据支撑。本文基于长江大通站长系列流量数据(19502022年),采用 P-III 型曲线
6、进行水文频率计算,分析了不收稿日期:2023-06-13修回日期:2023-07-27作者简介:卜东平,1983 年生,女,学士,助理工程师,主要从事工程水文与河湖治理等研究。电子邮箱:budongping_基金项目:上海市水务局科研项目(沪水科 2023-06)上海国土资源 Shanghai Land&Resources62 2023Vol.44.3 同频率的长江大通站来水量,结合徐六泾站潮流量数据(20052022 年)进行长江上海段的过境水量分析,据此掌握丰水年、平水年和枯水年以及枯水期长江上海段的水量情况。针对在枯水期或“汛期反枯”的情况下,长江口咸潮入侵会对上海市长江水源地的原水供应
7、安全造成威胁,为保障上海市原水供应安全,根据历年应对长江口咸潮入侵的经验,提出初步可行的应对措施建议。1 资料及方法大通水文站是长江干流最后一个径流控制站(见图1),距长江口约 624 km,集水面积 170.5 万 km2。大通水文站以下集水面积仅占大通以上集水面积的 5%。本次水量分析计算采用大通水文站 1950 2022 年共 73 年连续系列流量资料。徐六泾水文站位于长江下游干流河口段,是控制长江口河段径流、潮流水情的国家基本水文站(见图 1)。该站自 2005 年起开展逐时潮流量资料整编,本次水量分析计算采用 20052022 年共 18 年连续系列潮流量资料。长江上海段过境水量可用
8、徐六泾水文站断面的水量作为代表。徐六泾水文站距上游大通水文站约 500km,因徐六泾水文站实测资料是从 2005 年开始的,相对大通站来讲系列不够长,而大通水文站不受潮流影响,资料系列长,代表性好。因此,本文采用大通水文站的实测径流量作为长江上海段过境水量计算的主要依据。研究方法:采用 20052022 年大通站和徐六泾站同期的流量资料,分别计算出大通站和大通至徐六泾站区间逐年和逐月的径流量,得到区间径流量占大通站的比值,用此比值放大大通站不同频率下的径流量成果得到徐六泾站不同频率下的径流量成果。2 大通站水量及其频率分析2.1 大通站水沙变化分析根据大通水文站资料统计:大通站多年平均流量为2
9、8400 m3/s,多年平均径流量为 8974 亿 m3,年径流量最大值为13590亿m3(1954年),最小值为6666亿m3(2011年),最大值是最小值的 2.04 倍,径流量年际变化相对较小。从 20 世纪 50 年代以来,大通站年径流量在多年平均径流量上下波动,变化相对比较平稳(见图 2)。大通站年内最大流量一般出现在 7、8 月份,最小流量一般在 1、2 月份。径流年内分配不均匀(见图 3),510 月为汛期,11 月 次年 4 月为枯水期。大通站多年平均最大流量出现在 7 月份,约为 50000 m3;多年平均最小流量出现在 1 月份,约为 11800 m3。多年平均月最大流量是
10、最小流量的 4.24 倍,径流年内波动明显高于年际变化。汛期 510 月的径流量占全年的 70.15%。大通站年平均输沙量 3.42 亿 t。近年来,随着长江上游水土保持工程及水库工程的建设,以及沿程挖沙造成长江流域来沙越来越少7。输沙量以葛洲坝工程和三峡工程的蓄水为节点,呈现明显的三阶段变化特点,输沙量呈现逐渐减小的趋势。19511985年平均年输沙量为4.70亿t,19862002 年平均年输沙量为 3.40 亿 t,20032022 年平均年输沙量为 1.29 亿 t。汛期(510 月)输沙量占全年的比例达到 86.8%,年内分配集中特征较径流量更显著。流域来沙量的急剧减少,对长江口滩涂
11、演变及资源利用的影响有待进一步研究。2.2 枯水期和 2022 年“汛期反枯”现象的分析长江流域枯水期(11 月 次年 4 月)平均流量约为 17100 m3,而 12 月 次年 2 月,各月平均流量均低于 15000 m3/s。受长江流域降水偏少及大范围持续的高温影响,2022 年 6 月下旬开始,大通站来水量逐步减少,7 月中旬开始快速下降,并于 8 月中旬降至 20000 m3/s 以图 1 水文站及长江水源地分布图Fig.1 Distribution of hydrologic station and water sources along the Yangtze River图 2 大
12、通站径流量年际变化(1950-2022 年)Fig.2 Runoff interannual variation of Datong Station(1950-2022)上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 63下,长江流域来水丰枯急转,呈现出“汛期反枯”现象。2022 年入汛至 9 月上旬,长江流域发生严重枯水,8 月时,长江中下游干流来水的重现期大于 100 年一遇8。2022年大通站流量年内变化见图 3。大通站 2022 年 9 月平均流量不足 12000 m3/s,仅相当于多年平均 1 月时的量值,较多年平均减少近 7 成,长江流域提前
13、3 个月进入枯水期。2022 年的月平均最小流量出现在 11 月份,为 9700 m3/s。2022 年 9 月 11 月大通站来水的重现期均超 100 年一遇。持续超过 3 个月的低径流量,导致9月份长江口即出现咸潮入侵,且强度大,持续时间长,历史罕见,严重威胁到了上海市长江水源地的原水供应安全。2.3 水文频率分析通过对 19502022 年大通站系列流量资料进行频率分析计算,将大通站 73 年资料按递减的次序进行排列,第 m 项的经验累积频率采用下式计算:100%1mmPn=+(1)式中:Pm为第 m 项的经验累积频率(%);n 为资料年数。采用 P-型曲线进行适线9,确定适线参数均值、
14、Cv、Cs。大通站年平均流量频率曲线见图 4。根据 2017年水利部水利水电规划设计总院全国水资源调查评价技术细则规定及工程水文计算所采用的典型年划分方法,经适线分析:丰水年(P 10%)、偏丰年(P 25%)、平水年(P 50%)、偏枯年(P 75%)及枯水年(P 90%)各频率下大通站的年平均流量分别为33600 m3/s、30800 m3/s、28000 m3/s、25500 m3/s 和 23600 m3/s;丰水年(P 10%)、偏丰年(P 25%)、平水年(P 50%)、偏枯年(P 75%)及枯水年(P 90%)各频率下大通站的年径流量分别为 10640 亿 m3、9746 亿 m
15、3、8857 亿 m3、8075 亿 m3和 7458 亿 m3(表 1)。3 长江上海段过境水量分析3.1 大通站与徐六泾站的区间来水量根据 20052022 年大通水文站与徐六泾水文站同期流量资料,计算了两站之间的区间水量及区间来水量年际变化率(见图 5)以及区间水量年内逐月变化率(见图6)。2005 年以来大通站与徐六泾站的区间水量占大通站来水量的-2.36%7.70%,多年平均约占 3.20%,区间水量多年平均值约为 281 亿 m3。大通站与徐六泾站之间的区间来水主要是通江河流图 3 大通站月平均流量年内变化Fig.3 Monthly average discharge of Dat
16、ong Station during the year图 4 大通站年平均流量频率曲线Fig.4 Mean annual discharge frequency curve of Datong Station表 1 在不同频率下的大通站水量成果表Table 1 Water resource of Datong Station at different frequencies频率 P(%)年平均流量(m3/s)年径流量(亿 m3)10336001064025308009746502800088577525500807590236007458图5 大通-徐六泾站区间水量年际变化过程(2005-20
17、22年)Fig.5 Interannual variation of interval inflow from Datong to Xuliujing(2005-2022)上海国土资源 Shanghai Land&Resources64 2023Vol.44.3 的入江水量,各年的区间来水量不一样,其中,2015 年和 2017 年区间水量比较大,分别为 676 亿 m3和 722 亿m3,分别占当年大通站来水的 7.40%和 7.70%;2019 和2022 年区间水量为负值,表明区间内来水较枯,且取用水量较大。大通站以下,两岸各地在长江干流沿江修建了大量的水闸,阻断了各支流的天然通江状态,
18、由图 6 中区间水量的年内逐月变化来看,5 月和 6 月甚至出现了负流量,即沿江通江河流出现引水大于排水现象。3.2 长江上海段过境水量计算相对于长江干流的流域来水量而言,大通站与徐六泾站之间的区间来水量占比很小,平均占大通站来水量的3.2%,即上海长江入境水量的 96.8%来自大通站以上的流域来水。由 19502022 年大通站长系列流量资料及其区间水量计算出长江上海段过境水量多年平均约为 9270亿 m3。根据大通站不同频率的径流量成果进行放大 3.2%,作为每年长江上海段入境水量,所得水量具体为:丰水年(P 10%)、偏丰年(P 25%)、平水年(P 50%)、偏枯年(P 75%)及枯水
19、年(P 90%)各频率下年平均流量分别为 34700 m3/s、31800 m3/s、28900 m3/s、26300 m3/s 和 24400 m3/s;丰水年(P 10%)、偏丰年(P 25%)、平水年(P 50%)、偏枯年(P 75%)及枯水年(P 90%)各频率下年径流量分别为 11000 亿 m3、10060 亿 m3、9140 亿 m3、8330 亿 m3和7700 亿 m3(表 2)。3.3 枯水期和 2022 年“汛期反枯”水量分析(1)枯水期水量分析根据大通水文站资料,大通站多年平均逐月流量最小值出现在 1 月份,为 11800 m3/s;次低值出现在 2 月份,为 1260
20、0 m3/s。采用 P-型适线法,水文频率计算得到大通站 1 月各频率下的平均流量及径流量(见表 3)。从区间来水量年内分配看(见图 6),1 月份徐六泾站流量比大通站高出约 3.5%,得到徐六泾站多年平均 1 月流量约为 12300 m3/s,对大通站不同频率的流量成果进行同比例放大,可得到长江上海段 1 月份过境水量的不同频率的月平均流量值(见表 3);2 月份徐六泾站流量比大通站高出约 4.87%,得到徐六泾站多年平均 2 月流量约为13200 m3/s,对大通站不同频率的流量成果进行同比例放大,可得到长江上海段 2 月份过境水量(见表 3)。以 1月份为例,丰水年(P 10%)、偏丰年
21、(P 25%)、平水年(P 50%)、偏枯年(P 75%)及枯水年(P 90%)各频率下长江上海段 1 月份过境水量的年平均流 量 分 别 为 17000 m3/s、14000 m3/s、11400 m3/s、9650 m3/s 和 8600 m3/s。(2)2022 年“汛期反枯”水量分析2022 年 8 月 11 月份,徐六泾站来水量比大通站低 4.20%7.14%(见表 4),对应的区间水量减小值在 5001100 m3/s 之间。表明在发生流域性干旱的情况图 6 大通-徐六泾站区间平均水量逐月变化过程Fig.6 Monthly variation of interval inflow
22、from Datong to Xuliujing 表 2 不同频率下过境水量成果表Table 2 Transiting water resource at different frequencies频率 P(%)年平均流量(m3/s)年径流量(亿 m3)103470011000253180010060502890091407526300833090244007700表 3 不同频率下过境水量表(1 月 2 月)Table 3 Transiting water resource at different frequencies in January and February水文站名大通站徐六泾站
23、频率 P(%)1 月平均流量(m3/s)2 月平均流量(m3/s)1 月平均流量(m3/s)2 月平均流量(m3/s)1016400177001700018600251350014700140001540050110001200011400126007593209860965010300908310840086008810表 4 徐六泾站来水量统计表Table 4 Water resource at Xuliujing Station 月份平均流量(m3/s)径流量(亿 m3)区间水量占大通站的比值(%)8 月20000535.7-5.219 月11400295.5-4.210 月104002
24、78.6-7.1411 月9020233.8-7.0112 月12400332.18.77上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 65下,大通站与徐六泾站之间区间引水量较高,导致入海水量进一步降低。2022 年 9 月,长江入海平均流量仅为 11400 m3/s,在历史同期实属罕见。监测资料显示,2022 年 9 月初,青草沙水库开始受到长江口咸潮影响,纠其原因,较低的长江径流量为主要影响因素,没有足够的长江淡水冲淡咸水,加剧了长江口咸潮入侵的影响程度。4 结果与分析通过对大通站多年平均流量和径流量及枯水期(1 月2 月)多年平均流量进行频率分析,
25、得到了不同频率下的平均流量,并对比分析 20052022 年间徐六泾站与大通站流量过程,得到区间径流量占大通站的比值,用此比值放大大通站不同频率下的(径)流量成果得到徐六泾站不同频率下的(径)流量成果,并以此水量作为长江上海段过境水资源量。此水量为总的入海地表径流量,为维护长江口生态环境平衡,需要保持足够的生态流量;另外,枯水期长江口易发生咸潮入侵,当发生咸潮入侵时,需要保证足够大的径流量才可以达到压制咸潮的目的。因此,长江上海段过境水量中真正可利用水量须要扣除生态用水及压制咸潮的用水。4.1 长江上海段过境可利用水资源量估算长江上海段过境水量多年平均约为 9270 亿 m3,总量巨大,长期监
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