長江流域嚴(yán)重枯水的形成特征及對長江河口的影響

陶曉東

（南通市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南通 226006）

近年來長江流域干旱事件頻繁發(fā)生，2022年長江流域發(fā)生流域性嚴(yán)重枯水，中下游干流8月出現(xiàn)超100年一遇枯水，月最低水位為有實(shí)測記錄以來歷史同期最低［1］。而嚴(yán)重枯水下河口咸潮入侵是河口最明顯的特征。咸潮入侵造成長江口氯化物含量劇增，使水質(zhì)不符合飲用水和工農(nóng)業(yè)用水的標(biāo)準(zhǔn)，給人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。分析長江流域嚴(yán)重枯水的形成成因和特征，避免或減輕咸潮入侵的危害是改善長江口淡水水質(zhì)和充分利用水資源的一個(gè)重要課題。

1 長江流域干旱的形成特征和類型

長江流域由于地形地貌復(fù)雜多變，各區(qū)域變化較大，每當(dāng)大氣環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生異常，上游地區(qū)的春夏旱持續(xù)延長，中下游地區(qū)的多雨期出現(xiàn)“枯梅”或“空梅”，則使伏旱提前，旱期延長，容易造成流域性干旱。

長江流域近年來大范圍干旱事件頻繁發(fā)生，尤其是今年7月份以來，長江流域降雨量較常年同期偏少嚴(yán)重，導(dǎo)致長江流域大范圍干旱。

1.1 2022年長江嚴(yán)重枯水的形成

（1）大氣環(huán)流異常是干旱的主要成因。2022年干旱成因主要是受周期性的拉尼娜現(xiàn)象影響，由于大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致西太平洋副高強(qiáng)勢西擴(kuò)，長歷時(shí)控制川、鄂、贛、皖等地區(qū)。

（2）梅雨和臺風(fēng)異常造成了流域降水嚴(yán)重偏少。梅雨期持續(xù)時(shí)間短，部分區(qū)域幾乎是“空梅”，之后七八月份的臺風(fēng)又未能深入內(nèi)陸，未能產(chǎn)生明顯降水。整個(gè)長江流域降水量均小于50mm，上游地區(qū)8月以來的累計(jì)降水量甚至小于1mm，導(dǎo)致8月份流域旱情快速發(fā)展。

（3）持續(xù)的高溫也是旱情快速發(fā)展的原因之一。7月以來，長江流域大部分地區(qū)高溫日超過15 d，中下游部分地區(qū)超過25 d，安徽北部、湖北西北部等地超過30 d。8月上旬長江下游地區(qū)四川、重慶和湖北高溫達(dá)到歷史同期第一。8月以來，整個(gè)長江流域溫度距平較7月上升一個(gè)等級，這也是今年8月份以來旱情快速發(fā)展的原因之一。受東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)影響，近年來長江江流域的降水特征表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性［1］。2020年6—7月發(fā)生超強(qiáng)梅雨，2021年8月出現(xiàn)超強(qiáng)二度梅，而2022年卻出現(xiàn)嚴(yán)重夏旱?？梢娫谌蜃兣谋尘跋拢瑢﹂L江流域的影響因素也是復(fù)雜的。

1.2 2022年嚴(yán)重枯水特點(diǎn)分析

（1）受旱空間范圍大。與長江流域發(fā)生過的歷史典型夏伏旱過程對比看來，2006年主要發(fā)生在長江上游，2008年、2009年、2013年、2017年、2018年、2019年主要發(fā)生在長江中下游，2022年的旱情發(fā)生空間范圍大，包括川、渝、鄂、湘、皖、贛等6省（市），覆蓋了長江干流的上游、中游和下游，較為少見，甚至影響到太湖流域。

（2）夏伏旱開始時(shí)間早、持續(xù)時(shí)間長。長江流域歷史典型的夏伏旱事件中，大部分年份旱情從7月中下旬開始發(fā)生發(fā)展，8月中旬前后達(dá)到高峰，8月下旬受臺風(fēng)降水影響逐漸緩解，旱情一般持續(xù)30~40 d。而2022年長江流域自6月中旬開始降水偏少，7月以來，旱情發(fā)展迅速，旱情發(fā)生時(shí)間大致提早了20 d左右，8月中旬以后沒有大范圍的有效降水，旱情持續(xù)顯著加重。

（3）長江中下游水位、流量較同期大幅偏低。2022年6月25日以來，長江中下游水位持續(xù)消退，長江干流及洞庭湖、鄱陽湖水位較常年同期偏低4.7~5.7m，均為歷史同期最低。長江南京站，8月9日最低潮位3.92m，列歷史同期第二低水位，水陽江、石臼湖、固城湖等水位偏低1.4~3.5m，水陽江、石臼湖創(chuàng)歷史同期最低水位。根據(jù)衛(wèi)星資料監(jiān)測，2022年9月27日鄱陽湖主體及附近水域面積為638 km2，較歷史同期平均偏小約70%，4次創(chuàng)歷史新低。長江大通站流量是上中游來水量的直接體現(xiàn)，長江大通站最小流量7 340m3/s（9月30日），列1951年以來汛期最?。?011年，14 300m3/s），8月、9月徑流量較常年同期偏少53%、69%，列歷史同期最低。至10月5日處于正常的洪季末期的大通流量降至7 400m3/s，是三峽蓄水前的10月份月均流量的1/5（表1、圖1）。同時(shí)9月宜昌站流量占大通站的67%，湖口站僅占大通流量的7%不到，表明鄱陽湖補(bǔ)給水源遠(yuǎn)較往年偏少。

表1 長江中下游四站2022年5—9月月均流量單位：m3/s

圖1 長江大通站日均流量曲線

2 長江流域歷史上的枯水和災(zāi)害

長江流域最早的干旱災(zāi)害見于公元前190年（漢惠帝五年）：“夏，大旱，江河水少，溪谷絕”［2］。根據(jù)15世紀(jì)到20世紀(jì)的歷史資料統(tǒng)計(jì)，近500年來，長江流域發(fā)生重旱以上事件平均7~8年一次，其中中下游地區(qū)發(fā)生極旱頻率大于上游，大約23~27年一次，而上游大約65年一次。1637—1643年為長期持續(xù)大旱年份，長江流域除四川省外其余各省均遭遇旱災(zāi)，其中1640年稱為“天下大旱年”。1928—1929年也是特大干旱年份，長江中上游旱情最嚴(yán)重。1977—1979年持續(xù)大旱對長江流域產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，1978年是1949年以后干旱最嚴(yán)重的一年，干旱少雨和高蒸發(fā)量使得長江徑流大幅度減少，長江中下游1—10月徑流量為四五十年來的最低值。

從發(fā)生持續(xù)特征來看，最常見是夏秋連旱，其次是春夏連旱。長江流域出現(xiàn)夏秋連旱概率最大，嚴(yán)重干旱周期大約20年一次,最嚴(yán)重的能在較大范圍發(fā)生持續(xù)數(shù)年的干旱。

2000年以來，長江流域發(fā)生過多次夏、伏旱，比較典型的年份有2006年、2013年和2019年等，長江流域干旱災(zāi)害整體上呈現(xiàn)頻發(fā)、重發(fā)的態(tài)勢，2022年長江流域發(fā)生的嚴(yán)重的干旱災(zāi)害呈現(xiàn)進(jìn)一步持續(xù)的態(tài)勢。

3 長江嚴(yán)重枯水對河口的影響

3.1 長江河口基本情況

3.1.1 長江河口的水動力特征

一般意義上的長江口，上起徐六涇，下迄口外50號燈標(biāo)，全長約181.8 km。長江口在徐六涇以下被崇明島分為南、北二支，目前長江徑流主要由南支下泄，北支處在萎縮階段，北支河段分泄長江徑流不足5%，以漲潮動力為主［3-4］。

河口是一個(gè)復(fù)雜的自然綜合體，淡水徑流入海，咸潮上溯入侵是河口特有的自然現(xiàn)象。長江是世界第三大河，長江口的徑流量大，在豐水期沖淡水向海擴(kuò)展很遠(yuǎn)，但長江河口的潮流也很強(qiáng)，受潮汐影響的范圍可以至距河口口門640 km的安徽大通，約占長江全長的1/10。當(dāng)長江流域出現(xiàn)干旱，徑流減少，會出現(xiàn)咸潮入侵增強(qiáng)，一般可上溯到南北支分汊口以上的水域，這對上海、江蘇的工農(nóng)業(yè)用水、生活用水至關(guān)重要，也對長江河口的環(huán)流、最大混濁帶和攔門沙等的形成與變化有深刻的影響。

3.1.2 長江口的咸潮入侵

長江口咸潮入侵時(shí)口外高氯度海水分別從北支、北港、北槽、南槽四條汊道向口內(nèi)上溯（圖2）。

圖2 長江口咸潮入侵路徑示意

長江口北支曾一度作為長江口的主槽，1958年后通海沙與江心沙陸續(xù)圍墾進(jìn)口入流不暢，造成北支鹽水倒灌南支，北支從此變成一條以漲潮流占優(yōu)勢的漲潮槽，并開始萎縮。1970年江心沙北汊封堵，徐六涇江面從13 km束窄至5.8 km，北支上口與長江干流幾乎呈90°夾角，北支分流比銳減，因此20世紀(jì)70年代北支倒灌南支的現(xiàn)象進(jìn)一步加重。

北支上段也是北支淤積最嚴(yán)重的區(qū)域，到20世紀(jì)80年代中后期，由于長江徑流較豐，北支進(jìn)口的堆積體受到?jīng)_刷，改善了徑流進(jìn)入北支的方向，北支倒灌南支程度曾一度得到緩解。但近年來由于淤積加速，青龍港潮差呈升高趨勢，導(dǎo)致涌潮加劇，又為漲潮流倒灌南支提供了動力。

3.2 近年來長江口咸潮入侵的特點(diǎn)

3.2.1 長江口咸潮入侵主要特征

在地球科氏力的作用下，長江河口出現(xiàn)漲落潮流路分離，漲潮流偏北，落潮流偏南，故一般在長江口北岸的氯化物含量總比南岸高，如新橋水道為漲潮槽，其氯化物含量一般總比南支主槽高，北港堡鎮(zhèn)的氯化物含量遠(yuǎn)大于長興島西頭的青草沙水域，南港長興島南小泓的氯化物含量大于吳淞，甚至大于高橋。長江口氯化物含量的沿程縱向分布表現(xiàn)為下游高于上游，且北支的氯化物含量遠(yuǎn)高于南支?？菁敬蟪?，南、北港的咸潮可上溯到瀏河口附近，而經(jīng)北支倒灌入南支的咸潮隨落潮流下移時(shí)可影響整個(gè)南支河段。長江口咸潮入侵的主要特征表現(xiàn)如下：

（1）咸潮入侵影響因素很多，但咸潮入侵的程度取決于徑流量和潮差。徑流量越小，潮差越大，則入侵的影響越大。

（2）枯季大潮期咸潮入侵呈強(qiáng)混合型。隨徑流的大小及潮汐的漲落含氯度的變化比較明顯。高含氯度主要發(fā)生在大、中潮期，小潮期含氯度則明顯減小。

（3）枯季大潮期南北支交匯口處，北支的高潮位常高于南支、低潮位低于南支。因此北支潮位較高的咸潮往往在高潮位時(shí)進(jìn)入相對低水位的南支，對長江口水質(zhì)造成較大的影響。北支含沙量也遠(yuǎn)高于南支，北支含沙量較高的水流倒灌南支，同時(shí)導(dǎo)致白茆沙北水道發(fā)生淤積，也不利于南支河勢的穩(wěn)定［5］。

3.2.2 近年來長江口咸潮入侵主要趨勢分析

21世紀(jì)以來，長江口咸潮入侵有如下趨勢：

（1）入侵時(shí)間提前。在20世紀(jì)末，咸潮入侵主要發(fā)生在12月至次年3月，21世紀(jì)之后，咸潮入侵時(shí)間提前，有時(shí)提前兩個(gè)多月。2006年嚴(yán)重枯水，陳行水庫在9月11日就遭遇到有史以來最早的咸潮入侵［5］。

（2）入侵次數(shù)增多，特別是近年來咸潮入侵次數(shù)有明顯增多的趨勢。2006年從9月到次年5月期間，長江口共發(fā)生了14次咸潮入侵過程，大大超過年平均6次的咸潮入侵次數(shù)，累計(jì)影響1 928 h；2009年咸潮入侵也達(dá)13次［6］；2011年和2013年，也都發(fā)生了9次入侵過程［7］。

（3）咸潮入侵程度加重，單次咸潮入侵時(shí)間延長。2006年嚴(yán)重枯水前后，14次咸潮入侵中有7次超過了陳行水源地5 d的避咸蓄淡能力，其中受咸潮入侵影響長達(dá)8 d以上的有兩次，這兩次陳行水庫取水口氯化物濃度分別高達(dá)1 476mg/L和1 662mg/L。2014年2月，長江口水源地遭遇歷史上持續(xù)時(shí)間最長的咸潮入侵，青草沙水庫氯化物濃度最高超過3 000mg/L，咸潮入侵持續(xù)時(shí)間超過23 d，影響了近200萬人的用水。

3.3 徑流對鹽水入侵的主要影響

長江口氯化物含量年際與年內(nèi)變化與上游徑流量關(guān)系十分密切。一是年際變化，上游徑流量大，口外咸潮難以上溯，上游徑流量小，徑流動力弱，口外咸水隨潮上溯至口內(nèi)，產(chǎn)生咸潮入侵。二是年內(nèi)季節(jié)變化，枯季（11月至次年4月）徑流量小，咸潮易入侵；洪季（5—10月），徑流量大，受咸潮入侵相對影響小。一般最大氯化物含量出現(xiàn)在1月份的頻率最高，最小氯化物含量出現(xiàn)在7月份的頻率最高，氯化物含量與徑流的年內(nèi)分配明顯對應(yīng)。三是上游徑流對口門氯化物含量變化的影響有一定的時(shí)間滯后，尤其當(dāng)徑流量較小時(shí)滯后更明顯，原因是水體混合置換時(shí)間受徑流量的影響較大。

1979年1月長江大通站出現(xiàn)了歷史上的最小流量4 620m3/s，導(dǎo)致南北港咸潮上溯強(qiáng)度大增。同時(shí)，北支咸潮又連續(xù)大量倒灌南支，咸潮一度上溯至常熟的望虞河口，而徐六涇以下遭受咸潮包圍時(shí)間長達(dá)5個(gè)月。

已有的研究表明，徐六涇流量過程一般較大通流量滯后5 d左右，而徐六涇的流量當(dāng)日就影響咸潮入侵，長江大通站流量小于10 000m3/s時(shí)，長江口各代表站氯化物含量普遍升高，如1978—1979年、1984年、1987年、1993年；流量大于15 000m3/s時(shí)，吳淞口、高橋受咸潮入侵影響較小，吳淞口以下各站氯化物含量也變小，如1990年、1991年、1995年。統(tǒng)計(jì)滸通河閘口和5 d前大通流量的關(guān)系（圖3）還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大通流量介于10 000~20 000m3/s之間，滸通河閘口氯化物含量值變化大，超過250mg/L的現(xiàn)象頻頻發(fā)生；而當(dāng)大通流量大于20 000m3/s，滸通河閘口氯化物含量少有超過250mg/L，說明北支咸潮倒灌受大通流量的影響區(qū)間在10 000~20 000m3/s之間。

圖3 滸通河閘口氯化物含量與5 d前大通流量關(guān)系散點(diǎn)圖

值得指出的是，長江的高含沙和大流量一直是水體自凈的重要方式，長江河口水體受枯水影響咸潮入侵，氯化物含量會加重，但這不是唯一應(yīng)該關(guān)心的指標(biāo)，河口水環(huán)境的其他指標(biāo)也十分重要。徑流量的減少將會導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽含量相對增高，加上咸潮倒灌影響因素疊加，會使污染物長時(shí)間滯留長江口，進(jìn)一步導(dǎo)致長江口環(huán)境容量大大降低，必須引起高度重視。

3.4 2022年洪季嚴(yán)重枯水對長江口鹽水入侵的影響分析

對比2022年5—9月長江大通月均流量和相關(guān)年同期流量（表2）可以看出，2022年5—6月大通站月均流量較豐，甚至超過往年，至7月開始減少，但仍高于1978年和2006年，至8月開始銳減至月均流量的1/2至1/3，甚至遠(yuǎn)少于汛期嚴(yán)重枯水年的1978年和2006年。

表2 長江大通站相關(guān)年5—10月月均流量對比 單位：m3/s

從大通站2022年10月8日9時(shí)至10月9日9時(shí)的流量過程來看，受10月2日以來三峽水庫加大泄流影響，最小流量已從7 400m3/s左右升至流量11 100m3/s，日均流量約10 300m3/s（2006年10月上旬，處于正常洪季末期的大通流量為12 400~12 500m3/s）。從圖4可以看出，5 d之后10月13日，長江口仍出現(xiàn)了較明顯的北支倒灌咸潮現(xiàn)象，此時(shí)正值農(nóng)歷九月十八天文大潮，青龍港最高潮位2.63m，最低潮位低于-0.96m（實(shí)測最低潮位低于水文測站最低界限），潮差超過3.59m（青龍港多年平均潮差為2.68m），使得長江口再次出現(xiàn)了嚴(yán)重的咸潮入侵，當(dāng)日崇明洲頭日均氯化物含量2 308mg/L，而南支楊林站日均含量1 038mg/L，六滧站日均含量為2 298mg/L，可見北支咸潮倒灌明顯。同時(shí)上游徐六涇站實(shí)測氯化物含量為108mg/L，全潮24 h均小于250mg/L，這也說明咸潮上溯并未超過徐六涇節(jié)點(diǎn)。

圖4 長江口北支青龍港站10月12—14日潮位過程線（廢黃河基面）

2022年長江全流域出現(xiàn)極端高溫、中下游出現(xiàn)汛期嚴(yán)重枯水，旱情歷史罕見，由此導(dǎo)致下游河口提前高強(qiáng)度發(fā)生咸潮入侵，這對長江口的供水和淡水資源安全帶來嚴(yán)重影響。由于高溫天氣持續(xù)時(shí)間長，更加重了干旱的影響。長江口咸潮入侵的影響因素與潮汐呈正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與徑流呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此這次咸潮入侵具有受流域枯水影響大，外海咸水正面侵襲與北支咸潮倒灌相疊加的特點(diǎn)。

4 結(jié) 語

（1）長江流域降水時(shí)空分布不均，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，流域性干旱尤其是流域性持續(xù)干旱對水資源分配帶來的影響應(yīng)引起足夠重視。

（2）長江口的水資源能否有所保障，很大程度上受制于長江徑流來水的變化，咸潮入侵是長江口水域上游來量不足時(shí)經(jīng)常發(fā)生的自然現(xiàn)象。分析表明，北支咸潮倒灌受大通流量的影響區(qū)間在10 000~20 000m3/s之間。如遇長江嚴(yán)重枯水，長江徑流來量小，鹽水上溯，會對長江口水資源保障帶來不利影響。近年來，由于受氣候變化等因素的影響，長江咸潮入侵出現(xiàn)了入侵時(shí)間提前和持續(xù)時(shí)間延長的新特點(diǎn)，這對長江口的可持續(xù)發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。

（3）北支口門入流不暢是北支淤積萎縮和咸潮入侵的另一個(gè)主要原因,要減少北支倒灌南支的影響，應(yīng)盡實(shí)施長江口綜合整治工程，尤其是要把徐六涇節(jié)點(diǎn)河段整治、白茆沙河段整治和北支進(jìn)口、北支上段河道等作為一個(gè)整體，盡快實(shí)施北支進(jìn)口疏浚的綜合整治方案，以改善北支進(jìn)口的進(jìn)流條件，并盡可能擴(kuò)大和穩(wěn)定北支分流比和落潮分流量，減輕對南支倒灌的影響。

（4）長江口地區(qū)的供水保證率和水質(zhì)與發(fā)達(dá)國家相比，還存在一定的差距，建議依托長三角一體化資源平臺，開展長江口河網(wǎng)水動力邏輯關(guān)系調(diào)查研究，積極開展跨區(qū)域水資源配置研究工作，制定區(qū)域聯(lián)合調(diào)度方案。同時(shí)建議對加強(qiáng)對長江口區(qū)的來水規(guī)律和影響因子的監(jiān)測和研究，加強(qiáng)咸潮入侵模型的機(jī)制性計(jì)算和預(yù)報(bào)，提高河口地區(qū)的水資源保障能力。