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三峡工程对改善长江口咸潮入侵情势的分析

[日期:2004-11-15] 来源:中国水资讯网:中国三峡总公司网站  作者:谭培论 汪红英 [字体: ]
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文章编号:1006-6349(2004)05-0029-03

三峡工程对改善长江口咸潮入侵情势的分析

谭培论  汪红英(长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010)


    摘要: 长江口地区是当前我国社会经济发展最快的区域之一,但社会经济的高速发展却受到了咸潮入侵的制约。三峡工程兴建后,长江干流上有了对长江径流调控的重要手段。分析表明,三峡工程建成后,10月份水库蓄水将使咸潮入侵略有提前,但由于此时盐度本底值较低,故影响不大;而长江枯水的1~3月份,由于三峡水电站发电加大泄水,将十分有利于抑制咸潮入侵。适当改变三峡水库调度方式,让三峡工程提前蓄一些水,并在长江最枯水期多下泄一些水量,可使三峡工程抑制咸潮入侵的作用更大一些。

    关键词: 咸潮入侵; 长江口; 三峡工程作用

    中图分类号:P 23                    文献标识码:A

    长江口地区是当前我国社会经济发展最快的区域之一。

    在长江口地区社会经济发展过程中,咸潮入侵问题始终是一个重大的影响因素,严重制约了长江口水资源的开发利用,从而对长江口地区的可持续发展十分不利。三峡工程兴建后,长江干流上有了对长江径流调控的重要手段,对长江口盐水入侵的情势总体上是有利的。如能适当改变三峡水库的调度方式,有意识地在盐水入侵最严重的最枯水时期加大放流,可进一步改善盐水入侵情势,取得重大的经济、社会、环境效益。

1  长江口目前咸潮入侵情势

1.1  长江口河道概况

    长江口从徐六径至河口50号灯标,全长181.8 km,平面形态呈扇形分汊,江面宽由约5.7 km扩展为约90 km,在吴淞口处有长江支流黄浦江汇入。在徐六径以下,长江口河段先被崇明岛分成南、北两支,在吴淞口处南支又被长兴岛和横沙岛分为南北二港,南港又被九段沙分成南北两槽,形成三级分汊、四口(北支、北港、北槽和南槽)入海的格局。

    长江口河段处于长江流域与海洋的连接地带,既受长江径流的影响,又受海洋潮流的影响。在径流与潮流两股强劲动力的作用下,河口段河床冲淤多变,主槽摆动频繁。

    近年,由于进入北支的径流量减少(1992年枯季各潮型为0.45%~1.8%,1993年洪季为3.5%,1999年枯季时已不足1%),潮流作用相应增强,使其成为涨潮流占优势的河道,在径流量小和潮差大时有水、沙、盐倒灌入南支,影响南支淡水资源利用和河势稳定。

    南支河是排泄长江径流的主要通道。

1.2  咸潮入侵概况

    长江口盐水入侵是因潮汐活动所致的、长期存在的自然现象。长江口盐水入侵距离因各汊道断面形态、径流分流量和潮汐特性不同而存在较大差异。北支盐水入侵距离比南支远。北支盐水入侵界,枯季一般可达北支上段,洪季一般可达北支中段;南支盐水入侵界枯季一般可达南北港中段,洪季一般在拦门沙附近。

    长江口的盐度主要受制于径潮流的相互作用及其变化。由于各汊道的径流分配不平衡以及径、潮流的变幅都较大,故口门附近的盐度存在复杂的时空变化。

    盐度随时间的变化表现为:①盐度日变化过程与潮位过程线基本相似,在一天中出现二高二低,且具有明显的日不等现象。②长江口在半月中有一次大潮和一次小潮,日平均盐度在半月中也有一次高值和一次低值。潮差对盐度影响的大小与上游来水量多少有关,当大通站月平均流量在30 000 m3/s以上时,潮差对吴淞水厂含氯度的影响甚微。③长江径流有明显的季节变化,长江口门处的盐度也有相应的季节变化。位于口门处的引水船站月平均盐度与大通站月平均流量有良好的负相关,一般是2月份最高、7月份最低;6~10月为低盐期,12~4月为高盐期。④长江口盐度的年际变化与大通站年平均流量有良好的对应关系,丰水年盐度低,枯水年盐度高。

    盐度随空间的变化为:①长江口盐度一般是由上游向下游逐渐递增,过口门后急剧增加。②长江口4条入海水道中北支盐度远远高于南支。③盐度垂向分布主要取决于盐水和淡水的混合类型。

    长江口盐水入侵一般发生在枯季11月至次年4月。北支近百年来径流量逐年减小,潮流作用相应增强,咸潮入侵加剧,盐度居4条入海通道之首,在径流量小和潮差大时,出现盐水倒灌南支现象。因此,南支河段有两个盐水入侵源,即外海盐水经南北港直接入侵和北支向南支倒灌。北支倒灌是南支上段水域盐水入侵的主要来源。

2  三峡工程对长江口盐水入侵情势的影响

2.1  三峡工程调度运行简况

    三峡工程设计调度方式为:汛期6月中旬-9月底,水库一般维持防洪限制水位145 m运行,遇大洪水,则按照防洪调度方案蓄泄;10月份水库由145 m均匀充蓄至175 m,11月一般维持在正常蓄水位175 m运行,以后如来水不满足电站发保证出力(499万kW)需要,则水库逐步消落。5月底,水库应维持水位不低于155 m;6月10日,水库水位应降至145 m。

2.2  三峡工程对长江下游径流情势的影响

    三峡工程的主要任务是防洪、发电和航运。按照这些任务的要求,运用其水库对长江来水进行调节,从而改变了大坝以下的径流情势。

    根据三峡电站水能计算代表期1946-1976年水文资料按照上述调度方式,计算得宜昌站各月平均流量变化情况如表1。

    可见,三峡工程对长江天然径流情势的改变,主要在三个时段:一是在10月份(少数年份延至11月份),由于要从145 m蓄水至175 m,蓄水量221.5亿m3,相当于减少了月平均流量8400 m3/s;二是在1-3月份,这时长江处于最枯水期,宜昌流量一般为3 000~5 000 m3/s,而三峡电站发保证出力一般需要流量5 800 m3/s左右,故需从水库中放水1 000~2 000 m3/s左右(具体数视当年来水流量确定),也就是说,1-3月宜昌以下的流量要较天然情况增加1 000~2 000 m3/s左右;三是在5、6月份,这时三峡工程放水较多,使长江中下游流量增加。但这一时期长江径流较丰,故不是分析三峡工程对长江口盐水入侵情势影响的控制期。

为了具体分析不同水文年三峡工程水库调节对径流情势的实际影响,选择1954年代表丰水年,1970年代表平水年,1957年代表枯水年进行研究。分析三峡工程对长江口地区盐水入侵情势的影响需要了解长江最下游的控制水文站——大通站径流受影响的情况,而三峡工程下泄的水流,经过长江干流河槽及洞庭湖、鄱阳湖的调节,沿程还有若干支流加入,情况十分复杂,详细研究工作量很大;因此,目前暂不计宜昌至大通区间的干流、支流及湖泊的调蓄、补偿作用,按水库调节增减量直接作为大通站的影响值,这种简化对分析径流情势变化有一定的近似性,但对分析三峡工程对长江口盐水入侵情势的影响,不会发生性质上的改变,见下述。典型年流量变化计算成果见表2。

    由表2可见,丰、平、枯三种典型年,10月份大通站平均流量与天然情况相比,分别减少16.2%、18.3%、29.0%,对河口径流有一定的影响,以枯水年影响比例为大;平、丰水年大通站流量减少后仍有31 000~43 000 m3/s,影响不大,如考虑宜昌以下河槽调蓄,洞庭湖及鄱阳湖泄水的变化,则影响更小。另外,从1950-2001年长系列中,10月份平均流量低于20 000 m3/s的仅有1959、1978两年,即便在遭遇1959年、1978年型来水时,由于三峡蓄水,10月份大通站月平均流量极值为11 349 m3/s,与天然情况相比,约减少32.4%。但1959年、1978年型的来水过程出现的机率是非常小的,1959年型来水为50年一遇,1978年型来水约为30年一遇。

    枯水期2月份与天然情况相比,丰、平、枯三种典型年,大通站下泄流量分别增加9.3%、7.8%、20.7%。可见枯水期下泄量增加,以枯水年最为显著。如考虑宜昌以下河槽调蓄的作用,增加值要小一些,但由于增水时间很长,差别也不会大。

2.3    三峡工程对盐水入侵情况影响的分析

    根据以上对径流情势影响的研究,从以下各方面分析三峡工程对盐水入侵情势的影响。

2.3.1    对长江出口与东海接合部位盐度的影响

    该部位盐度以长江口引水船站情况为代表。根据该站盐度和大通站月平均流量资料建立相关式,以三峡工程建库前后流量的变化进行盐度计算,结果表明:在丰、平、枯不同典型年的10月份,引水船站的盐度较之建坝前增加0.149%~0.271%。由于10月份的盐度本底值较低,因此,即便是典型枯水年,水库泄量减少,对引水船站盐度的影响也不大,建坝前为1.165%,建坝后为1.436%。在丰、平、枯不同典型年的2月份,由于下泄量增加,引水船站的盐度较之建坝前减少0.052%~0.122%。枯水年其盐度值建坝前为2.113%,建坝后下降为1.992%,对高盐度具有一定的冲淡作用。如对多年平均情况而言,10月份平均流量较建库前减少8 400 m3/s,引水船站的盐度值相应增加0.227%。

2.3.2  对吴淞水域氯度的影响

    上海市工农业用水和生活用水主要取自黄浦江,以位于黄浦江内距吴淞口1.7 km的吴淞水厂的资料为代表对盐水入侵进行影响分析。

    按照10月、11月及2月吴淞水厂历史上月均氯度出现最高值121 ppm、539 ppm、1 732 ppm时(20世纪80年代资料,出现在1978年冬至1979年春)的相应流量为标准,即10月、11月采用16 000 m3/s,2月采用8 000 m3/s,根据三峡水库建库后小于此流量出现天数的变化,10月及11月平均各增加1.5 d左右,2月份则减少约4 d,可见,建库后因水库调节,大通站流量减少期实际影响河口氯度的天数是不多的,而增水期则有较明显的冲淡效果。分析表明,三峡建坝后,丰、平、枯不同典型年的枯水期,由于下泄量的增加,使吴淞水厂出现氯度大于250 ppm的小时数,较之建坝前均有所减少,可不同程度地减少吴淞水域受咸潮入侵的时间。

2.3.3  对宝钢水库氯度的影响

    宝钢水库位于南支河段南岸水域,也是上海市的重要水源地。根据20世纪80年代以来的咸潮入侵资料,采用相关分析与多元回归分析计算三峡建库后宝钢水域受咸潮入侵的影响。计算结果表明:三峡建库后,在丰、平水年宝钢水域咸潮入侵不严重。对于典型枯水年,水库充水期的10月,大通站下泄流量为18 399 m3/s,盐水入侵程度较轻,在潮差较大时,氯化物峰值最大为775 ppm,本底值较低,较初始值增加504 ppm,因此影响不大。在丰、平、枯水年的1~3月,则峰值有不同程度的削减,减少量为47~651 ppm,幅度为8.3%~51.3%,且以2月份削减量最大,达651 ppm,改善作用是明显的。在丰、平、枯水年的1~3月,可使含氯度大于250 ppm的持续天数减少1~6 d。

2.3.4  对北支水域的影响

    北支盐度居4条入海汊道之首,其平均含盐度为1.2%~1.3%,约为南支的十几倍。目前,长江来水进入北支的径流量很少,加上河槽淤积,北支江段已形成为一个以涨潮流占绝对优势的涨潮河段,水体含盐度高。

    从北支的河势演变分析可知,北支将不断淤积萎缩。因此,三峡工程建成前后,河口径流量的增减不致影响到北支的咸潮入侵发生明显的变化,且随着北支的萎缩,其对南支的倒灌影响也会随之减弱。

2.3.5  对南支浏河口水域的影响

    从实测资料可知,12月至次年3月也是浏河口水域的高盐期,且浏河口实测最大氯化物浓度为1 210 mg/l,出现在1979年2月。三峡工程运行后,枯季1-3月下泄流量增大,对缓解浏河口水域的高盐期的盐水入侵是有利的。10月份,三峡工程蓄水,下泄流量减少,可能会对浏河口水域的盐水入侵产生一定程度的影响。但由于10月份不是高盐期,且浏河口水域的盐水入侵没有宝钢水域严重,因而不会对浏河口水域的水资源利用产生影响。

    综合上述分析,三峡工程对改善长江口咸潮入侵的作用是明显的。具体表现为:枯季下泄流量增加后,河口水体中氯化物峰值将有所削弱,连续取不到合格氯度水的天数有所减少,使咸潮入侵日期提前结束,对改善水环境效应是明显的。对河口咸潮入侵的不利影响仅出现在特枯水年的10月份蓄水期。具体表现为:当枯水年的10月(少数年份蓄水延至11月)下泄流量减少后,河口段咸潮入侵时间将提前,但平均每月仅增加1~2 d,故影响不大。另外,10月份盐度的本底值较低,南支宝钢水库和吴淞水厂又都采取“避咸蓄淡”方式来满足工业和人民生活用水需要,三峡水库蓄水后的10月份流量的变化对南支河段重要水源地的水质影响不大。因此,总体而言,三峡工程对遏制长江口盐水入侵是有利的。

3  进一步增大三峡工程抗御咸潮入侵作用的思考

    三峡工程是长江干流上的水利枢纽工程,水库具有较大的调节库容,能否利用这一十分有利条件,在满足原定防洪、发电、航运等基本要求的前提下,适当改变调度运行方式,以减少在10月份三峡工程蓄水期对咸潮入侵的不利影响,增大三峡工程在长江的最枯水期抗御咸潮入侵的作用,值得深入研究。

3.1  关于三峡工程蓄水期的考虑

    三峡工程在汛后要蓄水221.5亿m3,这是必须的。从前述分析可知,10月份蓄水时,由于此时长江流量尚比较大,长江口段盐度本底值较低,故流量减少后对咸潮入侵虽有些不利影响,但一般年份均很小,特枯水年要大一些;如能适当提前蓄水,使在10月所蓄水量减少,则上述影响可有所缓解。事实上,设计中规定10月份才能蓄水,主要是考虑泥沙冲淤的要求,并非防洪的需要。金沙江干流上的溪洛渡、向家坝水电站已经立项,并已开始建设,约10年后即开始发挥巨大的拦沙作用,因此,可以考虑9月份在不影响重庆河段走沙的条件下,三峡水库适当充蓄一定水量(例如库水位在9月份充蓄到155 m),则可减少10月份的蓄水量,对长江口的影响便可明显减轻。至于9月份蓄水,由于尚处于汛末,更不会对长江口有影响。

3.2  增大最枯水时期三峡工程抗御咸潮入侵的作用

    如前述,按设计的调度方式运用,三峡工程在长江最枯水时期可使长江口河段流量增大1 000~2 000 m3/s,对改善长江口河段咸潮入侵的作用是明显的。在此基础上,还可以研究适当改变调度运用方式,进一步增大这方面的作用。初步设想为:由于长江口最枯水一般出现在2月份,可以考虑三峡水电站在元月底以前,均按天然来水量发电,2月初开始(如考虑水流传播时间可能要提前10 d左右)加大发电,将本应在元月底以前放出的水与本应在2月份放出的水一道集中在2月份放出发电,从而可进一步增大三峡工程在长江最枯水期抵御咸潮入侵的作用。

    由表1可知,在平均情况下,按保证出力发电12月份要放水120 m3/s•月,元月份要放水842 m3/s•月,合计为962 m3/s•月,相当于25亿m3,也就是说,将这25亿m3水在2月份放出来发电,可在原来2月份已增加长江口河段流量1319 m3/s(平均值)的情况下,再增加962 m3/s。这样调度,虽削弱了12月、元月三峡工程对盐水入侵的有利影响,但由于此时一般不是盐水入侵最严重时期,故影响较小,而对于最枯水期的二月份,由于增大了近1 000 m3/s下泄流量,对抵御咸潮影响显然是十分有利的。

    按这种办法调度,对三峡电站发电的影响为:12月份平均出力约减少10万kW,元月份平均出力约减少75万kW,而2月份平均出力约增加95万kW,正负相抵。三峡电站发电量要增加0.73亿kW•h,这是由于元月份以前不放水,相对增大了发电水头,从而在总体上增加了一些发电量。

    从电网运行情况分析,三峡水电站主要供电华中、华东及广东系统。在2010年,华中电网容量将达约5 000万kW,华东电网容量将达约8 000万kW;2020年,华中电网容量将达约8 000万kW,华东电网容量将达约11 000万kW。尽管三峡水电站元月份的出力比保证出力少75万kW,但对如此大的电力系统来说,完全可以调剂。近年来,由于空调负荷大量增加,电网的年最大负荷都出现在8月份,元月份的负荷一般只有年最大负荷的90%左右,因而电网调节的裕度是相当大的。至于三峡水电站的发电出力小于保证出力,并不是本身能力不够,而是出于对抗御咸潮入侵的需要。保证出力在设计阶段十分重要,是确定装机容量的主要依据之一。但到了运行阶段,可以根据需要对实际发电出力进行合理安排。

    在实际运行中,还要根据长江枯水期水情预报,把三峡水库蓄存的水量用到最关键的时期。(即不一定是在2月份加大放水)。特别是如果长江出现了特枯水,长江口咸潮入侵形势特别严竣时,必要时国家还可实时调度三峡水库在最需要的时段加大放水发电,以缓解这一关系到长江口地区可持续发展的重大难题。
当然,要实施这一方案,还需要电力、水利、环保等等方面的通力合作,拟定可操作性强的实时调度方案。以上的考虑,可供进一步研究参考。□(编辑:陆一芳)

收稿日期:2004-08-17

作者简介:谭培论,长江勘测规划设计研究院教授级高级工程师。

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