南水北調(diào)對長江口鹽水入侵的影響

南水北調(diào)對長江口鹽水入侵的影響

生理鹽水入侵是河口水環(huán)境中的一個(gè)普遍現(xiàn)象。這是河口淡水和淡水之間的混合程度。這是河流和海水相互作用的結(jié)果。通常使用氯化物含量（mg-l）或含鹽量（單位%）表示。當(dāng)氯度達(dá)到100mg/L(即含鹽度0.02%左右)時(shí),表明水體已受到鹽水入侵。根據(jù)國內(nèi)外給水標(biāo)準(zhǔn),飲用水的氯度規(guī)定一般不能超過250mg/L;工業(yè)用水的氯度也有規(guī)定,如上海寶山鋼鐵廠的主要用水指標(biāo)中,月平均氯度為50mg/L,最高不超過200mg/L,又如電廠鍋爐用水要求氯度在300mg/L以下;農(nóng)業(yè)灌溉用水也要求氯度越低越好,如水稻育秧時(shí)不超過600mg/L,一般灌溉小于1100mg/L,而一般植物安全用水的極限氯度值是3150mg/L。廣義的鹽水入侵還包括海水對地下水的入侵。影響河口鹽水入侵的主要因素有:①上游河流的徑流量;②外海的潮動力狀況;③海平面上升趨勢;④河口治理工程、開發(fā)利用等人類活動;⑤河口自然演變。同時(shí),鹽水入侵也破壞著水環(huán)境原有的格局和秩序,主要影響包括:①淡水資源利用;②土地鹽堿化;③河口物理、化學(xué)、生物、生態(tài)過程等。1長江口河口長江是我國第一大河,也是世界著名的河流,全長6300余km,據(jù)大通站流量統(tǒng)計(jì),多年平均入海水量達(dá)8909億m3。長江口是我國第一大河口,根據(jù)河口的區(qū)段劃分,潮區(qū)界(即潮波傳播終點(diǎn))在安徽大通,距河口約566km;潮流界(即有潮流漲落的終點(diǎn))基本上在江陰附近;鹽水入侵的楔頂在口門附近;河口鋒前沿在東經(jīng)123°附近;而沖淡水?dāng)U散的外界可達(dá)濟(jì)州島附近。長江口水域由3種水團(tuán)組成,它們之間有兩個(gè)界面:一個(gè)是鹽水楔,它是河流水團(tuán)和混合水團(tuán)之間的界面;另一個(gè)是混合水團(tuán)和陸架海水水團(tuán)之間的界面,在河口鋒前沿。河流水團(tuán)的含鹽度在0.05%以下,混合水團(tuán)的含鹽度為0.05%~3%,而陸架海水水團(tuán)的含鹽度則在3%以上?；旌纤畧F(tuán)又可分為河口低鹽水(0.05%~0.5%)、中鹽水(0.5%~1.8%)和高鹽水(1.8%~3%)。長江口在徐六涇以下,以三級分汊、四口分流入海;崇明島將長江分為北支和南支;南支因長興島分為北港和南港;南港因九段沙分為北槽和南槽。長江口的咸淡水混合具有明顯的季節(jié)性,又與外海的大、中、小潮組合而呈現(xiàn)不同的類型,一般洪季小潮是弱混合型,枯季大潮是強(qiáng)混合型,其它情況下屬緩混合型,長江口咸淡水混合基本上屬于緩混合型(或部分混合型)。長江口擁有國家級濕地保護(hù)區(qū)——崇明島海灘,同時(shí)長江北支河口淺灘與東太湖、洪澤湖并為江蘇省3個(gè)濕地保護(hù)區(qū)。長江口濕地生態(tài)圈中,有27種生物資源,其中有132種魚類、43種遷徙鳥類、33種水禽鳥類和豐富的無脊椎動物,是舉世聞名的中華絨蟹的原種產(chǎn)地。2要加強(qiáng)長江口鹽水入侵的原因分析長江水資源總量雖然豐沛,但年際及年內(nèi)變化極大。以大通站流量統(tǒng)計(jì),月均流量變化在84200m3/s(洪季)與6800m3/s(枯季)之間,而最低流量僅4620m3/s(1979年枯季)。從歷史資料看,長江口鹽水入侵一般發(fā)生在枯季,即12月初至翌年3,4月間,遇天文大潮時(shí)更為嚴(yán)重。以吳淞站為例,氯度大于100mg/L的多年平均時(shí)間,洪季占全年的1.5%,而枯季則在40%以上。另外,由于長江口三級分汊、四口入海的格局,以及徑流分配和河槽形態(tài)的不同,導(dǎo)致各分汊河道的鹽水入侵程度存在較大的差異,基本情況是:①北支最為嚴(yán)重,枯季大潮出現(xiàn)一定的倒灌現(xiàn)象;②南支北港次之,但氯度普遍高于南支南港;③南港氯度最小,但其北槽要略高于南槽。20世紀(jì)70年代以前,當(dāng)大通流量為10000m3/s時(shí),長江口的鹽水入侵狀況并無顯著變化。此后,隨著社會的不斷變革、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和生活的逐步提高、長江兩岸及流域耗水迅速增長及跨流域調(diào)水等,已顯著改變了長江口鹽水入侵的歷史狀況,如1979年3月,大通月均流量10400m3/s,已出現(xiàn)鹽水入侵,吳淞水廠氯度達(dá)1360mg/L。據(jù)上海市原水股份有限公司近年來的監(jiān)測結(jié)果顯示,1998年12月~1999年4月枯季出現(xiàn)的鹽水入侵,是近20年來最嚴(yán)重的。更值得注意的是,由于北支嚴(yán)重鹽水入侵并倒灌南支,2001年洪季的8,9月和10月中旬長江口也發(fā)生氯度超標(biāo)的情況。據(jù)2001年9月18~19日26h實(shí)測資料,北支連興港氯度在14200~16800mg/L之間,青龍港為1600~9400mg/L,南支崇頭500mg/L左右,寶鋼陳行水庫也有400mg/L,而下游的長興島均在100mg/L以內(nèi)。從寶鋼陳行水庫1987年、1996年和1999年枯季氯度不斷上升的趨勢可知,長江口鹽水入侵加劇已是不爭的事實(shí)。鹽水入侵給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來了嚴(yán)重危害。1978年12月~1979年3月特枯水期間,鹽水嚴(yán)重入侵長江口,吳淞站最大氯度達(dá)4140mg/L,崇明島受鹽水包圍,加重了黃浦江水的黑臭,也使崇明縣少種了1000多hm2的早稻,僅上海市的直接經(jīng)濟(jì)損失在1400萬元以上,間接經(jīng)濟(jì)損失超過2億元。引起長江口鹽水入侵加劇的原因主要有以下幾個(gè)方面:a.流域大量蓄引提供水工程,截留了上游的徑流量,而枯季又常是供水的高峰期,造成實(shí)際入海流量不斷減少。據(jù)統(tǒng)計(jì),1978年皖、蘇兩省抽江水總量僅300多億m3;而1993年流域現(xiàn)狀供水能力(按設(shè)計(jì)供水能力83%計(jì))近2000億m3,相當(dāng)于常年入海水量8909億m3的2/9,即使除去大通以上的供水量,其徑流的截留量估計(jì)要高于10%。1993年后,相繼又有一些引水工程竣工,如泰州引江河高港樞紐工程(400m3/s)和引江濟(jì)太望虞河工程(可使太湖流域從長江引水達(dá)680m3/s)等,使實(shí)際入海流量進(jìn)一步減少。b.北支入流條件惡化,落潮分流比下降(4%~6%→1.3%),近期已呈上淤下沖的演變態(tài)勢,涌潮加劇,直接導(dǎo)致鹽水入侵加劇并倒灌南支。c.流域湖泊及河槽的調(diào)蓄能力衰退,調(diào)蓄作用銳減。以洞庭湖、鄱陽湖為例,1995年與1954年相比,兩湖面積分別減小1290km2和1467km2,兩湖容積分別減少101億m3和74億m3。d.長江口深水航道治理一期工程的實(shí)施,在一定程度上也對鹽水入侵有影響,但目前的研究表明一期工程的影響并不嚴(yán)重。e.全球氣候變暖,引起海平面上升,這一因素的影響是長期的。3流域工業(yè)和長江口泥沙問題上海是一個(gè)水質(zhì)型的缺水城市,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的用水問題日益突出,為此需要開辟新的水源地。中央電視臺2002年3月18日新聞30分報(bào)道,長江口基本屬Ⅱ類水質(zhì),將作為上海市民生活用水的水源地(青草沙、寶鋼陳行水庫)。盡管長江口鹽水入侵正在加劇,但面對未來社會發(fā)展的需求,這一問題將變得更嚴(yán)峻、更復(fù)雜。長江口鹽水入侵將繼續(xù)面臨如下一些問題:a.南水北調(diào)工程將使入海徑流量更為減少,這一問題在枯季更加突出。從南水北調(diào)工程的總體布局看,東線抽江流量逾1000m3/s,年供水量為186億m3;中線抽江流量逾800m3/s,年供水量為220億m3;西線年供水量為195億m3;東、中、西三線工程全部實(shí)施后,多年平均調(diào)引長江水500億~600億m3。另外,隨著城市現(xiàn)代化和鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化的趨勢,長江沿岸耗水量將進(jìn)一步增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),1993年與1980年相比,長江流域工業(yè)用水量增幅為95.3%,市鎮(zhèn)生活用水量激增223.5%。盡管通過退田還湖等一系列措施,流域湖泊調(diào)蓄能力衰退局面有望得到遏制,局部可能得到恢復(fù),即便三峽工程建成后,通過調(diào)控,可增加1000~2000m3/s的枯季流量,但仍然無法彌補(bǔ)因南水北調(diào)工程引起減少的入海流量。關(guān)于三峽工程引起來沙減少的問題,不僅直接影響長江口自身的演變進(jìn)程,而且由于長江口泥沙的擴(kuò)散最遠(yuǎn)可達(dá)閩江口附近,因此還可能間接影響東部沿海的岸灘演變進(jìn)程。b.北支河勢仍在繼續(xù)惡化。北支河槽容積逐減,呈上淤下沖、上窄下寬的趨勢。北支河槽0m等深線以下容積從1958年的20.6080億m3到1986年的12.1152億m3,近30年內(nèi)縮減近40%,并且這種趨勢仍在繼續(xù)。北支入口與長江主泓漸成直角,造成分流困難,引起上段淤積加速。潮波變形,出現(xiàn)涌潮。漲潮流歷時(shí)縮短,落潮流歷時(shí)延長,落潮流歷時(shí)同漲潮流歷時(shí)之差自河口向上游加大;漲潮流流速多大于落潮流流速;高潮位增高,低潮位降低,潮差增大。北支落潮分流比減少的趨勢仍在延續(xù)。c.海平面上升將加速。全球氣候變暖引起的海平面上升20世紀(jì)內(nèi)僅為14cm(同期氣溫上升為0.5℃),而據(jù)預(yù)測研究,21世紀(jì)內(nèi)氣溫將上升2℃~5℃,這樣海平面就將上升65~100cm,而且河口區(qū)的上升速度更快。d.河口整治與灘涂開發(fā)。長江口深水航道治理工程分3個(gè)階段實(shí)施。一期工程2000年3月完工,水深已達(dá)8.5m,同年4月試通航,7月通過國家驗(yàn)收。目前二期工程即將開工,計(jì)劃到2005年三期工程完工,而遠(yuǎn)景規(guī)劃已在研究中。這一治理工程強(qiáng)烈改變了長江口原有的演變格局,二、三期工程后,隨著航道加深(從8.5m到10m再至12.5m),航道底床平順,引起鹽水入侵是必然的,但入侵程度如何還應(yīng)作進(jìn)一步的研究。近50年來,崇明圍墾土地約3萬hm2。為了保證上海經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,緩解城鄉(xiāng)建設(shè)對土地資源的需求壓力,1999年7月國務(wù)院批復(fù)了《上海市土地利用總體規(guī)劃(1997~2010年)》:“要在不影響資源環(huán)境和生態(tài)平衡的前提下,有計(jì)劃地挖掘水域資源潛力,搞好灘涂開發(fā)。至2010年,結(jié)合長江口整治、港口建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等,在崇明東灘和北岸、長興、橫沙兩島、南匯邊灘、杭州灣北岸、銅沙、九段沙等促淤110萬畝,圍墾60萬畝?！憋@然,這一規(guī)劃力度大于前50年的總和。另外,南、北支整治,包括固定徐六涇節(jié)點(diǎn)、白茆沙整治、北支擋鹽閘及北支口門束窄方案等,也將在今后陸續(xù)實(shí)施。這些人類活動將嚴(yán)重影響長江口的自然演變進(jìn)程,勢必改變鹽水入侵的現(xiàn)狀及格局。4長江口鹽水入侵研究迄今為止,研究鹽水入侵的方法主要有資料分析法、經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法和數(shù)值模擬技術(shù)。資料分析法通過對實(shí)測氯度資料的分析,找出鹽水入侵的某些變化規(guī)律。經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法是通過大量的歷史資料尋求徑流量與河口氯度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,預(yù)測徑流量改變對鹽水入侵的影響。數(shù)值模擬研究是從鹽度守恒方程出發(fā),結(jié)合水流動力過程的復(fù)演,探討不同邊界條件對鹽水入侵的影響,包括二維(橫向、垂向)和三維。河海大學(xué)、華東師范大學(xué)等都曾用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法研究三峽工程、南水北調(diào)工程對鹽水入侵的影響。河海大學(xué)的研究表明,中水年和豐水年10月份平均流量尚達(dá)33000~41400m3/s,此時(shí)三峽水庫蓄水對長江口鹽水入侵影響不大,只有在特枯水年才產(chǎn)生較顯著的影響。華東師范大學(xué)研究得出了東線調(diào)水1000m3/s時(shí),長江口鹽水入侵將加重,漁業(yè)資源及生態(tài)環(huán)境也將隨之改變;并提出“當(dāng)大通流量小于16000m3/s時(shí),調(diào)水要慎重,最好不調(diào)”的建議。對北支鹽水倒灌的現(xiàn)象,南京水利科學(xué)研究院在分析影響南支氯度變化的因素時(shí)就作過單獨(dú)研究,并對其變化趨勢作了預(yù)測;華東師范大學(xué)曾把鹽水倒灌作為分汊河口鹽水入侵的一個(gè)類型進(jìn)行分析研究,明確指出倒灌以鹽水團(tuán)的形式進(jìn)入南支;華東師范大學(xué)還應(yīng)用數(shù)值模型,對北支鹽水倒灌進(jìn)行了模擬研究。長江口深水航道整治工程對鹽水入侵的影響,南京水利科學(xué)研究院、河海大學(xué)早在10年前的“八五”科技攻關(guān)研究中,應(yīng)用二維橫向、垂向鹽度對流擴(kuò)散方程,對此做了初步研究,得出整治工程對鹽水入侵的影響并不嚴(yán)重的結(jié)論。爾后在1996~2000年間,河海大學(xué)應(yīng)用三維鹽度守恒方程,繼續(xù)研究了一、二、三期工程及遠(yuǎn)景規(guī)劃的實(shí)施對鹽水入侵的影響,為工程規(guī)劃、實(shí)施提供了科學(xué)依據(jù)①②。綜上所述,有關(guān)長江口鹽水入侵的研究,還停留在就事論事、偏重單一因素分析的層面上,研究結(jié)論具有一定的局限性,而對各因素的綜合分析研究幾乎沒有。隨著社會的進(jìn)步,人類活動更為宏大、頻繁,目前長江流域及長江口的各種環(huán)境、動力因素發(fā)生了深刻的改變,非一般的資料分析和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系所能包容;同時(shí),為局部研究需要而建立的數(shù)值模型范圍相對還小,無法包含變化著的各影響因子。因此,有必要建立大范圍、能包容各主要因素的鹽度數(shù)值模型,對長江口鹽水入侵作全方位的系統(tǒng)研究。5長江口鹽水入侵研究的意義鹽水入侵,危及淡水資源的充分利用,造成土地鹽堿化,影響河口動力環(huán)境(如河口環(huán)流、最大渾濁帶、滯流點(diǎn)、泥沙絮凝等),并因營養(yǎng)鹽含量下降而影響河口生態(tài)過程。對于土地鹽堿化,也許尼羅河三角洲的教訓(xùn)是深刻的,足以醒世。1970年阿斯旺大壩建成,每年灌溉40.47萬hm2,發(fā)電100億kW·h,使國家收入增長1倍并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化;但因一年一度的洪水洗鹽作用消失,鹽水入侵不僅在三角洲地區(qū),而且使中上游的土壤鹽度增加,為挽救這些土地需十幾億美元的投入。長江三角洲地區(qū),面積僅占全國土地面積的1%,但GDP在全國的比重高達(dá)15.1%,財(cái)政收入占全國的18.7%,其中屬中央財(cái)政的收入占全國的22.6%,是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)文化迅速發(fā)展且極具潛力的地區(qū)。長江口鹽水