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摘 要：
针对极端干旱下入海径流锐减导致的咸潮上溯加剧问题，从流量均值、变幅、高流量脉冲以及低流量特征等方面构建了反映入海径流变化过程特征的指标体系，分析了广东省东江河口的含氯度对入海径流过程变化的响应规律，讨论了极端持续干旱、水库压咸补淡水量不足的情况下流域层面多水源、精细化的压咸调控机制。结果表明：短时间内的高流量脉冲过程对压制咸潮具有明显的效果，在大潮期间当东江下游博罗站小时流量超过400 m3/s时，河口含氯度显著下降并维持在较低水平。24 h内高脉冲流量次数达到4次以上或持续时间超过12 h,河口万江站的最大含氯度减小到250 mg/L以下，可达到生活饮用水水源的取水标准。此外，除了上游水库集中下泄的压咸流量外，水库-河口区间的降雨产流会增加入海流量，对抑制咸潮上溯有一定的增强作用。将上游水库的人工下泄与河口区间的自然产流相结合，充分利用多种水资源协同压咸，可为干旱情况下河口咸潮的高效调控提供技术突破方向。
关键词：
咸潮上溯;径流过程;脉冲流量;响应规律;压咸补淡;
作者简介：
郑航(1982—),男，副教授，博士，主要从事水文水资源研究。
*刘悦忆(1986—),女，讲师，博士，主要从事水文水资源研究。
基金：
国家自然科学基金项目(51909035,52179009,U2040206);
引用：
郑航，刘悦忆，赵建世，等． 极端干旱下河口咸潮上溯对径流过程的响应( Ⅰ) : 特征与规律［J］. 水利水电技术( 中英文) ， 2022，53( 10) : 121-131.
ZHENG Hang，LIU Yueyi，ZHAO Jianshi，et al． Response to runoff variations of saltwater intrusion in an estuary ( Ⅰ) : characteristics and regularities［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022，53( 10) : 121-131.
0 引 言
沿海地区的水安全是我国经济社会可持续发展面临的重要瓶颈，也是全球面对的重大战略问题。目前，全球约40%的人口居住在距海岸100 km以内的地区。粤港澳、旧金山、东京湾区等带动全球经济发展的都市群都处在这一区域。这些城市大多位于河口地区，本地水资源不足，城市供水主要依赖河道过境水。当入海径流不足时，潮汐推动高盐水体沿河口通道向上推进，导致河道水体变咸，形成咸潮。根据我国《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002),饮用水氯离子浓度超过250 mg/L即判定为水质超标。在咸潮影响下，一旦水源的含氯度超出取水标准，将会导致水厂停产和城市停水，对居民生产生活造成重大影响。受气候变化以及海平面上升等影响，咸潮上溯已经成为威胁沿海城市可持续发展的中重大环境问题。
咸潮上溯是河口潮汐运动与入海径流博弈的结果，受多物理过程的耦合作用。研究发现，枯水季上游来水减少、低流量持续时间增大是河口咸潮加剧的重要原因。采用水库调度等手段加大进入河口的径流量，通过水动力冲压和稀释，降低河口水体的含氯度，是咸潮应急响应的常用办法，在我国的长江、钱塘江和珠江等河口有多年的研究和实践,并在压咸补淡临界流量、临界潮差以及最佳时机等方面取得了成果。严鑫等通过分析长江口盐度、径流、潮差的历史数据，提出2.7 m潮差条件下长江口大通站临界流量为11 000～12 000 m3/s, 若低于此流量，大概率会发生连续10 d的盐度超标。闻平等分析了珠江口磨刀门水道的咸潮—径流响应模式，提出保障珠海、澳门供水安全的磨刀门水道最小压咸流量范围为2 200～2 700 m3/s。谢升申总结了2005年以来珠江历次压咸补淡的调度实践，指出思贤滘断面临界流量为2 500 m3/s、梧州站临界流量为2 100 m3/s; 最佳压咸时机为大潮转小潮期间。此外，尹小玲等提出珠江口日最低潮位是决定日最小盐度的主要因素，可用加权日最低潮位(90%日最低潮位 10%日最高潮位)的谷值对应时间作为磨刀门压咸补淡的起点，在随后6～7 d加大泄流可达到最佳压咸效果。袁丽蓉等分析了磨刀门水道咸淡水混合状态对压咸时机的影响，提出咸淡水混合较充分的大潮期间有利于混合水体的整体排泄，是加大流量压咸的最佳时机。
上述研究以流域下游断面的临界压咸流量为控制指标，结合适宜的潮汐涨落时机，通过河道水动力演算，反推上游水库所需的下泄水量，为咸潮上溯的应急响应奠定了理论基础。然而，研究给出的压咸流量主要依赖于上游水库的集中泄水，需要耗费大量的淡水资源才能达到预期的压咸效果，在流域水量丰沛的条件下较为适用，但在持续干旱、水库蓄水不足的情况下较难持续。事实上，除大量的上游来水，径流过程的变化特征也会对咸潮上溯产生削弱作用。例如，短历时洪峰或者流量脉冲也能够对河口盐度场造成扰动，具有一定的压咸效果。在极端干旱情况下，为了节约水资源和高效压咸，不能简单地将流量均值作为压咸的主要标准，需要进一步考虑流量的脉冲特征。
针对此问题，本文从流量均值、变幅、高流量脉冲以及低流量水平等方面，构建反映入海径流变化过程特征的指标体系并在东江流域应用，从小时尺度分析干旱情况下不同潮汐条件时入海径流变化过程与河口含氯度的关系。在此基础上，讨论了极端持续干旱、水库压咸补淡水量不足的情况下流域层面的多水源、精细化压咸机制，为变化环境下我国沿海流域的咸潮调控与水安全响应提供支撑。
1 研究方法与数据1.1 研究方法
咸潮是河口最复杂的自然现象之一。在外海潮汐、入海径流、河口形态、水下地形、波浪、风、沿岸流及海平面变化等多种因素的耦合作用下，潮汐涨落、径流变化、咸淡水分层及混合等物理过程相互交织，导致很难获得潮位、流量和盐度之间动态的、清晰的关系。以往研究提出的压咸流量要求大都是时段平均值，对流量变化的过程特征考虑不足。本文通过建立反映不同潮汐条件和入海径流过程特征的指标体系，解析入海径流的脉冲、波动以及往复流动等过程特征对咸潮上溯的影响。具体地，以河口控制断面的水体含氯度作为咸潮上溯指标，以24 h内最大、最小、平均潮位及潮差表征外海潮汐的变化，按照单向流和往复流建立河口不同断面入海径流的过程特征指标，如表1所列。
1.2 研究区概况
本文研究区域为广东省东江流域及其下游入海口区域的东莞市，如图1所示。2021年，东江流域遭遇了历史少有的秋、冬、春、夏四季连旱的特枯水情，降水量仅为多年平均的70%,主要水库的可调水量较多年平均减少近80%。大幅减少的上游来水无法压制河口涨潮带来的高盐水体入侵，咸潮防控形势异常严峻。2021年8—12月，东江下游东莞市5个大规模水厂因水源含氯度超标停产超1 300 h, 影响人口超过300万。更为严重的是，咸潮上界直逼东深香港供水的取水口，威胁香港、深圳等地的供水安全。如何认识极端干旱情况下河口咸潮上溯的演变规律，提出高效的调控手段、保障城市供水安全，是当前东江流域水资源管理面临的痛点。
图1 研究区域及测站位置
1.3 数据来源
采用研究区2020—2021年小时尺度数据，分析不同潮汐条件下河口含氯度对上游不同断面径流变化特征的响应。其中，单向入海流量和往复流量分别采用东江下游博罗站和东岸站的实测数据；潮位采用东江下游石龙站的水位观测数据；河口水体的含氯度采用新塘、万江、道滘站的观测数据。所有数据来源于东江流域管理局东江流域水情信息发布系统(http: //slt.gd.gov.cn/zsdw_2021/djlyglj)。
2 结果与分析2.1 东江河口潮汐-径流-盐度变化的基本规律
东江河口1 d内的水位与含氯度变化情况如图2所示。由图2可知，东江河口的潮汐为不规则半日潮。河口盐度变化随潮汐涨落波动，1 d内含氯度最高、最低值分别出现在潮汐涨憩和落憩附近。
图2 2021年11月7日东江河口的不规则半日潮 特征与日内盐度变化
对于半月周期，潮位与含氯度的变化情况如图3所示。可以看出，在小潮期间(日最大潮位与日最小潮位之差小),河口含氯度呈增加趋势、咸潮上溯加剧；相反地，大潮期间咸潮上溯强度减弱。这与珠江其他河口，比如西江磨刀门水道，在咸淡水高度分层条件下由重力环流输移盐度造成的小潮盐度高、大潮盐度低的规律相类似，说明东江河口的咸淡水也具有高分层、弱混合的特征，小潮期间的河口底层重力环流是导致咸潮上溯加剧的主要动力。
图3 潮汐的半月周期特征与盐度变化
入海流量脉冲过程与河口含氯度变化情况如图4所示。2021年10月9—11日的一场洪峰流量过程造成了东江河口含氯度的大幅下降，表明暴雨洪水导致的入海径流在较短时间内的突然上升，会对抑制咸潮上溯产生显著效果。
图4 东江流域入海流量脉冲与河口盐度变化
2.2 东江下游径流过程对河口咸潮上溯的影响
东江下游博罗站的流量过程对河口含氯度的影响情况如图5所示。其中，博罗站日平均小时流量与河口万江站、道滘站含氯度变化的关系分别如图5(a)、图5(b)所示；博罗站日内流量变幅与万江站、道滘站河口含氯度变化的关系分别如图5(c)、图5(d)所示。由图5(a)、图5(b)可以看出，随着进入河口的淡水流量增加，含氯度明显下降；并且当小时流量超过400 m3/s时，含氯度下降更为显著并维持在较低水平，咸潮上溯得到抑制。由图5(c)、图5(d)可以看出，流量变化幅度的增大会增强河口咸淡水的混合，有利于混合水体的整体排泄、降低含氯度。
图5 入海流量与咸潮上溯的关系
博罗站24 h内高脉冲流量过程的次数与万江站及道滘站含氯度变化的关系分别如图6(a)、图6(b)所示。随着高脉冲流量过程次数的增加，两个站点含氯度的最大值明显下降，表明高脉冲流量对河口盐度变化具有显著的作用。博罗站24 h内高脉冲流量过程的总持续时间与万江站及道滘站河口含氯度变化的关系分别如图6(c)、图6(d)所示。随着高脉冲流量持续时间的增加，含氯度最大值呈现下降趋势。根据图6(a)和图6(c),当博罗站24 h内高脉冲流量次数达到4次以上或持续时间超过12 h, 万江站最大含氯度减小到250 mg/L以下，才达到取水标准。
图6 博罗站流量高脉冲特征与咸潮上溯的关系
低流量持续时间与含氯度变化的关系如图7所示。由图7(a)可以看出，随着低流量持续时间的增加，万江站的含氯度呈现上升趋势，并且如果24 h内的低流量持续时间超过12 h, 万江站含氯度的最大值和中位数均显著上升。这说明当东江下游入海径流量持续偏低超过12 h, 河口含氯度将大概率在未来24 h内增加，咸潮上溯加剧。由图7(b)可以看出，在低流量持续时间超过6 h后，道滘站含氯度的最大值开始出现较大增加。这是由于相比万江站，道滘站更靠近河口外海，受潮汐作用的影响更明显。一旦入海径流减少、对咸潮上溯的阻抗作用减弱，其含氯度会在更短时间内上升。
图7 博罗站低流量持续特征与咸潮上溯的关系
2.3 潮汐涨落对河口咸潮上溯的影响
以东江下游石龙站的水位变化表征潮汐涨落，不同潮汐水位情况下博罗站的日平均小时流量与河口含氯度的关系如图8所示。其中，24 h内最大潮位对万江站和道滘站含氯度的影响分别如图8(a)、图8(b)所示。由图8(a)、图8(b)可以看出，河口含氯度的高值区主要分布在最大潮位较小的区间；相反地，含氯度低值区基本位于最大潮位较大的区域。24 h内最小潮位对万江站和道滘站河口含氯度的影响分别如图8(c)、图8(d)所示。与最大潮位的影响类似，当日内最小潮位较高的时候，河口的含氯度较低。日内潮差与万江站和道滘站含氯度变化的关系如8(e)、图8(f)所示。可以看出，随着潮差增大和入海径流的增大，含氯度明显降低。这说明在大潮期间或者大潮向小潮转化时，东江河口的咸潮上溯强度较弱。此时增大入海径流，压咸效果较为明显。
图8 不同潮汐条件下入海流量与河口含氯度变化的关系
咸潮上溯是河口潮汐运动与入海径流博弈的结果，受多物理过程的耦合作用。HANSEN等根据河口水体底层与表层的盐度差与垂线平均盐度之比不同，将河口分为高度分层型、缓混合型和强混合型。河口盐度分层易形成盐水楔流动，海水盐量主要通过重力环流向内河输运。对于高度分层型河口，大潮时潮汐强度增大会减小咸淡水分层、减弱重力环流，因此入侵距离变小，比如珠江口磨刀门水道和美国Chesapeake湾的咸潮。HADDOUT等发现低流量时河口盐度分层更明显，咸潮入侵长度与入海流量呈负相关关系。本研究发现东江河口的咸潮上溯也遵循这一规律。
2.4 感潮往复流与河口盐度变化的关系
东江下游东岸站的往复流特征与河口含氯度变化关系如图9所示。受到外海潮汐涨落和上游来流的影响，东岸站的水流呈现往复流动的状态。涨潮时，浅海潮流进入河口并推动东岸站的水流向陆地运动；落潮时海潮流减弱，东岸站的水流折返向海洋方向运动。24 h内平均正向(海向)流量与万江站、道滘站含氯度的关系分别如图9(a)、图9(b)所示。可以看出，含氯度随着正向(海向)流量的增大而减少，东岸站正向(海向)径流对河口含氯的影响与图5(a)、图5(b)中博罗站入海径流的影响一致。
图9 东岸站往复流量过程与河口含氯度变化的关系
与此相反，24 h内平均负向(陆向)流量与河口盐度呈负相关关系，如图9(c)和图9(d)所示。负向(陆向)流量越大，表示从河口上溯的海潮水量和盐分越多，增加了河口的含氯度。此外，对比图9(a)、图9(c)和图9(b)、图9(d)可以发现，道滘站含氯度与往复流的相关性明显强于万江站。这进一步印证道滘站更靠近外海，受潮汐影响更显著。
东岸站日内流量往复幅度与万江站、道滘站含氯度的关系如图9(e)、图9(f)所示，即最大正向(海向)流量与最小负向(陆向)流量之差，与河口含氯度的关系。可以看出，随着流量往复程度的增大，道滘站的含氯度明显下降。这说明在咸淡水高度分层的东江河口，当往复流量及其变化幅度增大时，河口咸淡水运动更为剧烈并导致混合作用增强，减弱了咸淡水分层情况下底层盐度的重力环流输运，降低了咸潮上溯的强度。因此，在适当的水文条件下，增加河口感潮河段流量的往复变幅，也有一定的压咸效果。例如，当24 h内东岸站径流的往复幅度超过3 000 m3/s时，道滘站的含氯度可降低到500 mg/L以下。此外，往复流对更靠近海岸的道滘站影响更为明显。这说明在咸淡水高度分层的东江河口，当往复流量及其变化幅度增大时，河口咸淡水运动更为剧烈并导致其混合作用增强，减弱了咸淡水分层情况下底层盐度的重力环流输运，降低了咸潮上溯的强度。因此，当流域遭遇干旱、入海力量不足时，通过水资源调度手段，在有限淡水资源情况下增加河口感潮河段流量的往复度，可以提高压咸效果。
3 讨 论3.1 极端干旱下河口咸潮上溯的高效、精细化调控
广东省东江流域2021年流域降雨持续偏少，遭遇近60 a以来最严重旱情。受干旱影响，河口咸潮大举入侵，水源地含氯度持续超标、部分水厂停产，直接威胁粤港澳大湾区的用水安全。尽管东江以及珠江流域具有多年的调水抑咸经验，形成了一套相对完整的咸潮模拟、预测和调控的理论与技术体系,但面对2021年“四季连旱、旱上加咸”的极端不利条件和未来几年可能持续存在的旱情，水库蓄水严重不足，无法为河口提供足够的压咸水量，原有的压咸补淡方法在适用性上存在不足，难以全面保障大湾区城市的取水安全。2021年东江流域主要水库库容变化情况如图10所示。
图10 东江流域主要水库2021年库容变化
针对上述问题，本研究进一步挖掘入海径流的变化过程特征，比如流量的变化幅度、高脉冲的次数与持续时间以及往复流运动幅度等对咸潮上溯的影响，以期在压咸水量不足的情况下，通过在短时间尺度上增大流量变幅或者制造脉冲流量以增强压咸效果。图7的统计分析结果证明了东江河口高脉冲流量的次数及持续时间对抑制咸潮上溯的作用。高华斌等[32]对长江口咸潮入侵的研究也佐证了这一发现。当长江入海流量大于12 500 m3/s时，河口盐度变化与径流、潮汐的统计关系相比小流量时具有明显不同，说明在高流量下咸潮上溯的机理发生了改变。深入理解流量的变化特征与咸潮上溯之间的关系，有助于在干旱期水库蓄水不足情况下综合协调上游水库的供水和发电目标，结合降雨的动态变化在适当时机制造洪水脉冲，更灵活高效地抑制咸潮上溯。
3.2 水库-河口区间降雨可为压咸补淡提供新水源
除了上游水库集中下泄的压咸流量外，水库-河口区间的降雨产流也会增加入海流量，对抑制咸潮上溯有一定的增强作用。东江流域中游控制站河源站、下游控制站博罗站的径流量以及河源-博罗区间的降雨量如图11所示。可以看出，由于2021年的持续极端干旱，流域上游产流和水库的泄水很少，中游河源站一直处于低流量水平。图11(b)中下游博罗站两次明显的径流脉冲过程主要由河源-博罗区间的暴雨洪水引起。而这两次径流脉冲对河口咸潮产生了明显的压退效果，如图11(c)所示。将区间降雨产流作为压咸水源进行统一调控，是干旱情况下压咸补淡的新手段。然而，河口区间的产流少有工程调蓄，具有很强的不确定性。如何将其与上游水库下泄过程动态结合、相互补充，利用人为可控和自然不可控的水资源，在干旱情况下对咸潮入侵进行更高效地防控，是近年来压咸水量调度中亟待解决的一个技术难点。
图11 区间暴雨洪水对河口咸潮上溯的抑制作用
面对2021年以来珠江流域降雨持续偏少，珠江及东江三角洲“冬春连旱、旱上加咸”的状况，水利部提出构建梯次供水保障“三道防线”,加强流域水资源统一调度，精细化联合调控本地水库群，强化近地水库群接续调控和流域远端水库群水资源储备调度，保障港澳和珠江三角洲地区供水安全，将咸潮可能造成的损失和影响降到最低。东江以深圳等本地水库为“第一道防线”,以东江中下游东江(剑潭)水利枢纽为“第二道防线”,以东江中上游新丰江、枫树坝、白盆珠等水库群为“第三道防线”。“三道防线”从流域尺度协同精细调度当地、近地、远端的水库群，确保供水安全。本研究在水库调度的基础上，进一步提出增加河口当地的暴雨洪水资源，通过河渠互济、河网调控以及城市雨洪管理等手段，将河口的降雨产流纳入到压咸补淡的水源中，构筑“第四道防线”。
3.3 流域尺度多影响因素下咸潮上溯的精准预测
本文基于东江河口小时尺度的实测数据，讨论了入海径流的变化过程特征及水库-河口区间降雨对咸潮上溯的影响，分析了极端干旱下河口咸潮上溯对流域水文过程的响应规律，为河口咸潮上溯的预测提供了基础。可进一步采用统计分析或数据挖掘等方法，将所提出的潮汐与径流过程指标(见表1)作为预测因子，构建咸潮演变的预测模型。近年来，随着大数据与人工智能研究的爆发式增长，以人工神经网络为代表的深度学习技术已经广泛应用于水文水资源领域，为降雨径流预报和水体运动预测等提供了新的范式。采用深度学习的人工智能技术，发挥多层神经网络模型高效挖掘复杂数据、容错性高、处理能力强、计算速度快的优势，从流域层面定量识别咸潮上溯与潮汐、径流、降雨等多种因素之间的多维、动态响应关系，提出流域环境变量与河口含氯度之间高效映射的深度学习算法，实现对咸潮上溯的精准、高效预测，是当前咸潮研究的创新方向之一。
4 结 论(1) 入海径流的变化过程特征对河口咸潮上溯的强度具有显著的影响，尤其是短时间内的高流量脉冲过程对压制咸潮具有明显的效果。东江流域的实测数据分析表明，在大潮期间当下游博罗站小时流量超过400 m3/s时，河口含氯度下降更为显著并维持在较低水平，咸潮上溯得到抑制；与此同时，24 h内高脉冲流量次数达到4次以上或持续时间超过12 h, 河口万江站的最大含氯度减小到250 mg/L以下，可达到取水标准。
(2) 分析表明，增大入海流量的日内变化幅度，包括感潮河段的流量往复程度，会增强河口咸淡水的混合程度、降低分层并减弱重力环流以及盐水楔入侵的强度，有助于咸淡水混合水体的整体排泄从而抑制咸潮上溯。
(3) 除了上游水库集中下泄的压咸流量外，水库-河口区间的降雨产流会增加入海流量，对抑制咸潮上溯有一定的增强作用。由于2021年的持续、极端干旱，东江流域上游产流和水库的泄水很少，中下游河源-博罗区间的暴雨洪水过程对抑制咸潮上溯起到了积极作用。
上述结论以及本文建立的反映潮汐-入海径流-河口盐度变化过程特征的指标体系，可为极端干旱下咸潮上溯的精准预测及流域尺度的多水源、动态压咸提供理论借鉴和方法支撑。
水利水电技术（中英文）
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