长江河口地区, 经济发达, 人口密集, 需要大量优质原水. 2010年前上海的用水主要取自黄浦江, 水质较差, 为典型的水质性缺水城市.长江河口水量充沛, 水质较好.为了解决用水难题, 上海于2010年在长江口建成了大型河口江心水库—青草沙水库.青草沙水库位于北港上端、长兴岛西北侧(见图 1), 水域面积达到66.15 km$^{2}$, 是迄今为止世界上最大的潮汐河口蓄淡避咸水库.青草沙水源地原水工程于2007年6月5日正式开工, 于2010年12月建成并开始向上海供水.该水库承担了上海市约50%的原水供应, 设计规划供水规模为719万m$^{3}$/d, 受益人口超过1300万, 是继黄浦江上游、长江陈行水库之外, 上海建设的第三个水源地.青草沙水库位于长江河口水域, 存在枯季盐水入侵的不利影响.如果取水口盐度大于饮用水标准0.45(实用盐度单位, 按国际惯例单位一般不标注)就不能取水.

图 1(Fig. 1)

图 1 长江河口形势图和水文及气象测站位置 Fig.1 Situation map of the Changjiang Estuary and locations of the hydrologic and weather stations

长江河口枯季经常面临盐水入侵, 最大的特点是南支受北支盐水倒灌的影响^[1].已有的大量观测和研究表明, 潮汐和径流量是影响盐水入侵的主要原因, 其他还受风应力^[2]、口外陆架环流^[3]和河势变化^{[1, 4]}等影响.对青草沙水库盐水入侵的来源, 以往研究表明主要来自北支盐水倒灌^[5-7].陈泾、朱建荣^[8]应用改进的三维数值模式ECOM-si, 考虑枯季平均径流量和风况, 分析了青草沙水库取水口盐水入侵来源.计算结果表明, 除了小潮后中潮期间底层盐水入侵来源主要来自下游外海, 青草沙水库取水口表层和底层盐水入侵来源主要来自北支盐水倒灌.王绍祥、朱建荣^[9]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, 分析了水库取水口盐水入侵的来源.在2013年12月枯季一般径流量和风况的情况下, 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的盐水入侵. 2014年2月长江河口严重的盐水入侵事件, 导致青草沙不宜取水的时间达到23天, 青草沙水库取水口盐水来自北港外海的正面入侵.

王绍祥、朱建荣^[9]应用2013年12月和2014年2月这两个月的青草沙水库取水口实测盐度分析盐水入侵来源, 实测资料时段较短, 仅1月.从2014年至2017年时间已过了3年, 这3年枯季青草沙水库盐水入侵情况如何, 需要基于实测资料的分析给出结论.本文基于青草沙水库上闸口和下闸口2015年1-3月、2016年1-3月和2017年1-3月实测盐度资料, 结合实测大通径流量、崇明东滩风况、堡镇水文站水位和崇西水文站盐度, 得出最近3年1-3月青草沙水库盐水入侵频次.结合以往长江河口盐水入侵动力过程和机制, 分析青草沙水库取水口盐水入侵来源, 为保障水库安全取水提供科技依据.

上海城投原水有限公司在青草沙水库上闸口和下闸口外建有盐度自动监测站, 提供2015-2017年最近3年1-3月时间间隔为1 h的盐度资料.青草沙水库上闸口用于取水, 下闸口主要用于夏季排水、改善库内水质, 故盐水入侵影响水库取水的是上闸口, 分析该处实测盐度数据, 得出青草沙水库盐水入侵频次.堡镇和崇西水文站、崇明东滩气象站实测资料由华东师范大学河口海岸学国家重点实验室提供.结合下闸口、堡镇和崇西水文站盐度资料, 以及潮型、径流量、风况和以往研究成果, 分析上闸口盐水入侵来源.

2015年大通实测径流量1月约为12 000 m$^{3}$/s, 2月约为11 800 m$^{3}$/s, 量值较稳定, 3月从月初的16 500 m$^{3}$/s变化到20日的最大值22 000 m$^{3}$/s, 变幅较大(见图 2a).近60年大通1、2和3月平均径流量分别为11 800、12 060和16 300 m$^{3}$/s, 2015年1月和2月平均径流量与多年平均值比较, 1月偏大200 m$^{3}$/s, 2月偏小260 m$^{3}$/s, 比较接近, 3月偏大5 700 m$^{3}$/s.堡镇潮位呈现明显的半日和半月大小潮变化(见图 2b).长江口盛行季风, 冬季以偏北风为主(见图 2c).

图 2(Fig. 2)

图 2 2015年1-3月实测大通径流量、堡镇水文站水位和崇明东滩气象站风矢随时间变化 Fig.2 Temporal variations of the measured river discharge at Datong station, water level at Baozhen hydrologic station and wind vector at weather station at Chongming eastern shoal during January 1 to March 31, 2015

在水库上闸口, 2015年1-3月共发生3次盐水入侵(盐度大于0.45, 下同, 见图 3a).第一次在1月18日12:00至15:00, 历时仅3 h, 最高盐度1.04.第二次发生在2月3日12:00至18:00, 历时仅6 h, 最高盐度0.82.第三次发生在2月23日11:00至3月2日2:00, 历时6 d 15 h, 最高盐度1.22, 时间2月26日21:00-22:00, 为该年最严重的1次盐水入侵.

图 3(Fig. 3)

注:虚线为饮用水盐度标准0.45, 下同 图 3 2015年1-3月青草沙水库上闸口(a)及下闸口(b)、堡镇水文站(c)、崇西水文站(d)实测盐度随时间变化 Fig.3 Temporal variations of the measured salinity at upper water gate (a) and lower water gate (b) of the Qingcaosha reservoir, Baozhen hydrologic station (c) and Chongxi hydrologic station during January 1 to March 31, 2015

水库上闸口第一次盐水入侵发生期间, 潮型在小潮(见图 2b), 当天和前3天为偏北风, 风速约8 m/s(见图 2c).下闸口位于上闸口约12 km处, 盐度入侵发生在1月17日8:00至22日6:00(见图 3b), 历时4 d 22 h, 最大值2.22, 发生时间1月19日00:00.可见, 相比于上闸口, 下闸口盐水入侵提前3 h, 历时远要长, 最高盐度远大.

上闸口第二次盐水入侵发生期间, 潮型在小潮后中潮(见图 2b), 当天和前7天为偏北风, 风速约4~10 m/s(见图 2c).在下闸口, 盐度入侵发生在1月30日11:00至2月8日2:00(见图 3b), 历时10 d 1 h, 最大值2.82, 发生时间2月2日15:00.相比于上闸口, 下闸口盐水入侵提前2 d 23 h, 历时远要长, 最高盐度远大.

上闸口第三次盐水入侵发生期间, 潮型在大潮后中潮至小潮(见图 2b), 当天和前2天为偏北风, 风速约5 m/s.盐水入侵期间, 为偏东北风, 风速4~10 m/s(见图 2c); 径流量从12 000 m$^{3}$/s增加到17 500 m$^{3}$/s (见图 2a), 但大通距离长江口620 km, 影响长江河口盐水入侵的不是当天的径流量.侯成程, 朱建荣^[10]研究结果表明, 青草沙水库取水口盐水入侵对大通径流量变化的响应时间在4.0~6.2 d之间, 小潮期的响应时间长于其他潮型期的响应时间.青草沙水库取水口盐水入侵开始于2月23日, 前4天为大潮期, 对应的该日和前期径流量仅为11 000 m$^{3}$/s上下.较低的径流量是造成该次盐水入侵较为严重的一个原因.在下闸口, 盐度入侵发生在2月25日11:00至3月4日16:00(见图 3b), 历时7 d 5 h, 最大值1.11, 发生时间3月1日2:00.相比于上闸口, 下闸口盐水入侵落后2 d 0 h, 历时长12 h, 最高盐度小0.11.从上闸口和下闸口盐水入侵出现的时间和峰值看, 上闸口盐水入侵应来自上游, 即北支盐水倒灌.

堡镇水文站位于北港上端北侧、崇明岛南岸, 在北港南侧的青草沙水库上闸口下游约6 km处, 下闸口上游约6 km处(位置见图 1).受科氏力右偏的作用, 外海涨潮流带来的高盐水在长江口北支、北港、北槽和南槽的北侧盐度大于南侧.堡镇水文站位于青草沙上闸口下游, 第一和第二次盐水入侵发生时间比青草沙水库上闸口早, 盐度峰值要大.但第三次盐水入侵发生时间滞后, 峰值较接近(见图 3c), 表明该次盐水入侵来自上游, 即北支盐水倒灌.

崇西水文站位于南北支分汊口下游、崇明岛西南侧, 该站的盐水入侵完全来自北支盐水倒灌. Wu和Zhu^[11]研究结果表明, 当径流量一定时, 随着潮差的增大越过北支上段浅滩进入南支的北支水体数量增大, 断面净通量非线性增加; 潮差一定时, 随着径流量的增大南支余水位抬高, 进入北支的南支水体增多, 断面净通量减少.北支倒灌进入南支的单日净水通量与径流量和潮差呈指数关系.从该站实测盐度变化过程看, 盐度峰值存在显著的半月周期, 大潮期间盐度升高, 峰值出现(见图 3d), 明显由潮汐作用所致.进入南支后的北支盐水, 在径流和潮流的作用下, 在作上下游往复振荡过程中向下游移动^{[2, 5]}, 影响到陈行水库的时间约为2 d^[12].从陈行水库取水口到青草沙水库取水口距离大约为崇西水文站到陈行水库取水口距离的一半, 由此估算北支倒灌盐水从崇西水文站到青草沙水库取水口大约为3 d.青草沙水库第一、第二次盐水入侵前3天, 崇西水文站没有出现北支盐水倒灌(盐度大于0.45), 故青草沙水库上闸口第一、第二次盐水入侵不可能来源于上游.结合上闸口盐度峰值出现时间提前, 说明了这两次盐水入侵来自下游, 即北港外海正面盐水入侵.青草沙水库上闸口第三次盐水入侵最高盐度发生在2月26日21:00, 而崇西水文站盐度峰值2.9, 出现在2月23日22:00, 滞后3 d 1 h, 这与上面的估计结果是一致的.这再次说明了第三次盐水入侵来自于北支盐水倒灌, 盐水从崇西水文站到青草沙水库上闸口时间大约为3 d.

2016年大通实测径流量1月在21 000 m$^{3}$/s上下变化, 2月在19 000 m$^{3}$/s上下变化, 3月从月初的17 000 m$^{3}$/s变化到31日的28 000 m$^{3}$/s, 变幅较大(见图 4a).该年1-3月各月径流量比多年月平均径流量分别大了9 200、6 940和2 000m$^{3}$/s, 径流量明显偏大, 尤其是1月和2月.

图 4(Fig. 4)

图 4 2016年1-3月实测大通径流量、堡镇水文站水位和崇明东滩气象站风矢随时间变化 Fig.4 Temporal variations of the measured river discharge at Datong station, water level at Baozhen hydrologic station and wind vector at weather station at Chongming eastern shoal during January 1 to March 31, 2016

在水库上闸口, 2016年1-3月共发生1次盐水入侵, 发生时段为3月6日13:00至14:00, 仅2 h, 盐度分别为0.69和0.58(见图 5a).该年青草沙水库取水口盐水入侵频次少, 仅有1次十分微弱, 主要原因是整个枯季长江径流量显著偏大.

图 5(Fig. 5)

图 5 2016年1-3月青草沙水库上闸口(a)及下闸口(b)、堡镇水文站(c)、崇西水文站(d)实测盐度随时间变化 Fig.5 Temporal variations of the measured salinity at upper water gate (a) and lower water gate (b) of the Qingcaosha reservoir, Baozhen hydrologic station (c) and Chongxi hydrologic station during January 1 to March 31, 2016

在水库上闸口盐水入侵发生期间, 潮型为小潮(见图 4b), 当天和前3天为南风, 风速约8 m/s(见图 4c).下闸口也发生盐水入侵, 最大盐度为1.9, 强度明显比上闸口强(见图 5b).堡镇在3月7日发生盐水入侵, 是在小潮后中潮(见图 5c).崇西水文站在3天前并无出现盐水入侵现象(见图 5d).因此, 2016年3月6日仅2 h的青草沙水库上闸口盐水入侵, 源自北港下游外海正面盐水入侵.

2017年大通实测径流量1月在16 500 m$^{3}$/s上下变化, 2月在13 500 m$^{3}$/s上下变化, 3月从月初的13 000 m$^{3}$/s变化到31日的32 000 m$^{3}$/s, 变幅较大(见图 6a).与多年月平均值比较, 该年1-3月径流量变化分别为4 700、1 240和7 700 m$^{3}$/s, 径流量偏大, 尤其是1月和3月.

图 6(Fig. 6)

图 6 2017年1-3月实测大通径流量、堡镇水文站水位和崇明东滩气象站风矢随时间变化 Fig.6 Temporal variations of the measured river discharge at Datong station, water level at Baozhen hydrologic station and wind vector at weather station at Chongming eastern shoal during January 1 to March 31, 2017

在水库上闸口, 2017年1-3月共发生1次盐水入侵, 发生时段为2月23日00:00至28日19:00, 期间盐度超标时间87 h, 最高盐度2.74(见图 7a).该年青草沙水库取水口盐水入侵频次少, 主要原因也是整个枯季长江径流量偏大.值得注意的一个现象是在2月22日发生了一次东北偏北强风时间(见图 6c), 风速达到15 m/s, 且正好发生在小潮期间, 导致水文出现明显的异常抬升(见图 6b).

图 7(Fig. 7)

图 7 2017年1-3月青草沙水库上闸口(a)及下闸口(b)、堡镇水文站(c)、崇西水文站(d)实测盐度随时间变化 Fig.7 Temporal variations of the measured salinity at upper water gate (a) and lower water gate (b) of the Qingcaosha reservoir, Baozhen hydrologic station (c) and Chongxi hydrologic station during January 1 to March 31, 2017

在水库上闸口盐水入侵发生期间, 径流量为13 000m$^{3}$/s, 为该年枯季最低量值(见图 6a); 潮型为小潮和小潮后中潮(见图 6b); 风况为偏北, 最大风速约8 m/s(见图 6c).下闸口也发生盐水入侵, 开始于2月21日20:00, 最大盐度为4.68, 强度明显比上闸口强, 发生时间要早28 h(见图 7b).堡镇在3月21日发生盐水入侵(见图 7c).崇西水文站在3天前并无出现盐水入侵现象.因此, 青草沙水库上闸口2017年2月发生的盐水入侵, 源自北港下游外海正面盐水入侵(见图 7d).强东北偏北风作用, 产生向陆的Ekman输运, 在小潮更加明显^[6], 是这次正面盐水入侵的动力成因.

本文基于青草沙水库上闸口和下闸口2015-2017年各年1-3月实测盐度资料, 结合实测大通径流量、崇明东滩风况、堡镇水文站水位和崇西水文站盐度, 分析最近3年1-3月青草沙水库盐水入侵频次和来源.在青草沙水库取水口, 2015年1-3月共发生3次盐水入侵, 历时和最高盐度分别为3 h和1.04、6 h和0.82、6 d 15 h和1.22, 对应的潮型分别为小潮、小潮后中潮和大潮后中潮至小潮, 前两次盐水来源于北港下游盐水正面入侵, 第3次来源于上游北支盐水倒灌. 2016年1-3月共发生1次盐水入侵, 历时和最高盐度为2 h和0.69, 对应的潮型为小潮, 源自北港下游外海正面盐水入侵. 2017年1-3月共发生1次盐水入侵, 历时和最高盐度为8 d 19 h和2.74, 期间盐度超标时间为3 d 15 h, 对应的潮型为小潮和小潮后中潮, 源自北港下游外海正面盐水入侵.与多年月平均值径流量比较, 2015年1-3月径流量变化分别为200、-260和5 700 m$^{3}$/s, 1-2月十分接近, 3月偏大; 2016年1-3月径流量变化分别为9 200、6 940和2 000 m$^{3}$/s, 径流量明显偏大, 尤其是1月和2月; 2017年1-3月径流量变化分别为4 700、1 240和7 700 m$^{3}$/s, 径流量偏大, 尤其是1月和3月. 2016和2017年枯季各仅发生1次盐水入侵, 与径流量显著偏大有关.

在2015-2017年各年1-3月中, 青草沙水库取水口共发生5次盐水入侵, 仅1次来自北支盐水倒灌, 盐水从崇西水文站到青草沙水库取水口时间约为3 d; 4次源自北港下游盐水正面入侵, 潮型为小潮或小潮后中潮, 在一般北风作用下盐水入侵强度弱, 在强北风作用下盐水入侵强度较强.小潮期间, 潮混合弱, 盐度垂向分层明显, 出现盐水楔现象, 底层的盐水在向陆的斜压压强梯度力作用下向上游移动, 影响青草沙水库取水口.这就是为何青草沙水库取水口正面盐水入侵发生在小潮或小潮后的动力成因.从最近3年青草沙水库取水口盐水入侵情况看, 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, 这是水库调度和运行需要注意的.