长江口咸潮入侵变化特征及成因分析

李文善，王慧*，左常圣，董军兴，徐浩，潘嵩，金波文，高通

( 1. 国家海洋信息中心，天津 300171)

1 引言

长江口是长江在东海入海口的一段水域，平面呈喇叭形，是一个多级分汊的三角洲河口[1]。长江口年径流量大，径流有明显的洪、枯季变化，5-10月径流量较大，11月至翌年4月较小。长江口河段在上海境内全长148 km，属于中等强度潮汐河口，由于潮汐作用，大潮期盐度大于小潮期。冬季枯水季节，咸潮上溯，对工农业生产带来不利影响[2-4]。

长江口咸潮入侵程度与海平面、潮汐、风暴潮和上游来水等因素密切相关[5-13]。1980-2018年，中国沿海海平面上升速率为3.3 mm/a，高于同期全球平均水平[14]。进入20世纪，在气候变化大背景下，我国主要河口如长江口的咸潮入侵也出现了新变化，海平面上升累积效应使沿海地区潮水沿河上溯加强[15]，高海平面期间同时叠加天文大潮、风暴潮增水等，进一步加剧咸潮入侵程度[16-17]。原国家海洋局自2009年起，组织开展中国沿海海平面变化影响调查评估工作，并将咸潮入侵监测与评估作为业务化工作之一，给予高度关注。

长江口咸潮入侵的研究始于20世纪80年代，近期开展的长江口咸潮入侵研究多基于数值模型[18-21]和分析模型[22]。朱建荣和鲍道阳[23-25]从河势变化、水动力和盐水入侵角度，系统分析了近60年来长江河口河势变化及其对水动力和盐水入侵的影响。沈焕庭等[26]详细研究了长江口咸潮入侵的类型、盐分来源和盐度分布变化特性，并从动力机理上对长江口部分咸潮入侵现象给出了解释。肖成猷等[27-28]利用实测资料，分析了径流、潮汐、地形等几个重要因子对长江口咸潮入侵的影响。茅志昌等[29-30]利用实测资料，从长江口咸潮入侵锋、北支倒灌盐水通量等多方面对咸潮入侵特征进行了探讨，并从动力机制上给出了一定的解释。Chen等[10]基于Mike3建立了高精度的三维数值模型，定量评价了不同海平面上升情景下长江口咸潮入侵距离和河口盐度分布，以及对上游水厂取水的可能影响。

近年来，长江口沿海海平面持续处于历史高位，个别月份甚至达到历史同期最高值；同时，极端气候事件引起的风暴增水和干旱以及人为影响等，加剧了长江口的咸潮入侵影响程度。海平面上升长期累积作用、季节性海平面与径流量的共同作用，以及天文大潮和天气气候事件（如风暴潮）等对长江口咸潮入侵的影响亟待进一步研究。

本文综合利用国家海洋观测站网水文气象数据、海平面变化影响调查信息，以及长江口水文站径流量数据等，系统分析了2009-2018年长江口咸潮入侵的变化特征以及与海平面、径流量、天文大潮和风暴增水的关系。

2 数据和方法

2.1 数据

咸潮入侵过程基本信息（入侵次数、持续时间、径流量和氯度值等）来源于2009-2018年中国沿海海平面变化影响调查业务化工作成果。其中，径流量数据来自于长江口大通站，时间为2007-2017年。

潮位数据来源于自然资源部以及地方海洋站，时间为1980-2018年，代表站包括吕四、大戢山、芦潮港、佘山、崇明南和吴淞。所有的数据均经过了严格的质量控制和均一化订正处理[31]。由于相邻台站受到相同的天气、气候事件影响时，产生的增减水过程也相近，因此对于资料缺测的站位使用了相邻站相关法对缺测月份的增减水数据进行插补。

2.2 方法

2.2.1 增减水的计算

增减水是指实时潮位数据去掉天文潮剩余的部分，即

另外，采用ECOM模型[32]模拟了风暴潮影响期间长江口的风增水。

2.2.2 咸潮影响指数计算

河口咸潮上溯受海平面、增减水和河口径流量的共同作用影响。海平面、增减水和径流量的计量数量级差异较大，为定量评价三者对咸潮入侵过程的共同影响，分别将各月海平面、增减水及径流量进行无量纲标准化处理（式（2）至式（4）），推求海平面-径流量综合影响指数及增减水-径流量综合影响指数，并采用Pearson乘积矩法分析各自与咸潮发生次数的相关性。

采用t统计量检验方法分别检验海平面-径流量综合影响指数、增减水-径流量综合影响指数和咸潮入侵次数（）的相关显著水平，即

3 咸潮入侵变化特征

长江口咸潮入侵呈现较强的季节变化特征。海平面变化影响调查咸潮入侵采集信息统计分析结果显示，长江口咸潮入侵季节变化特征明显，一般从每年的9-10月咸潮开始入侵，翌年4-5月退出三角洲，6-8月无咸潮入侵现象发生。3月咸潮入侵次数最多，达12次，其次为1月、2月和11月；9月发生过1次，出现在2013年；5月发生过2次咸潮过程，均发生在 2011 年（图 1）。

图 1 2009-2018年长江口咸潮入侵季节变化Fig. 1 Seasonal variation of saltwater intrusion in the Changjiang River Estuary during 2009-2018

2009-2018年，长江口咸潮入侵次数和咸潮持续时间均呈下降趋势。2009年长江口咸潮入侵次数最多，达13次，时间均发生在10月至翌年的4月；其次为2011年和2013年，均发生了9次咸潮入侵过程，其余年份均少于5次。咸潮持续时间年际变化较大，2011年，咸潮入侵持续时间最长，累计为55 d，2009年、2013年和2014年均超过35 d。2015-2018年，咸潮入侵次数和入侵持续时间均明显减少，2018年没有监测到咸潮入侵过程（图2）。

图 2 2009-2018年长江口咸潮入侵次数和持续时间变化Fig. 2 Times and duration of saltwater intrusion in the Changjiang River Estuary during 2009-2018

4 咸潮入侵变化成因

4.1 海平面和增减水以及径流量的影响

长江口的咸潮入侵过程受海平面、增减水和径流量的综合影响显著，呈明显的跷跷板结构，此消彼长。本节详细分析了2009-2018年长江口的季节海平面、增减水以及径流量对咸潮入侵过程的综合影响特点以及相关性。

1-4月和12月为长江口的季节低海平面期，8-9月为长江口的季节高海平面期，受径流影响，长江口内吴淞站海平面年变幅可达58 cm，长江口外的大戢山站与杭州湾北岸的滩浒站年变幅约为40 cm。由于受东亚季风影响，长江口的增减水季节变化明显，1-6月和9月总体以增水为主，7-8月和10-12月总体以减水为主，年变幅为4～5 cm。与海平面和增减水的季节高低时间特征不同，5-9月为长江口一年中径流量较大期，其中7月径流量最大，1-4月和10-12月径流量小，其中2月最小（图3）。1-4月，长江口处于季节低海平面期，径流量也较小，海平面-径流量综合影响指数均小于0.1，处于平衡状态。但是，增减水-径流量综合影响指数明显偏高，其中1月、2月、3月的影响指数分别为1.5、1.9和1.6，也就是说，1-4月长江口的咸潮入侵过程主要受增减水的影响。5-7月，长江口径流量明显增加，海平面-径流量综合影响指数均小于0，径流作用强于海水上溯，其中6-7月长江口没有咸潮入侵发生。8月，长江口径流量开始下降，虽然季节海平面较高，但是长江口呈现明显的减水过程，海平面-径流量和增减水-径流量的综合影响指数分别为0.1和-1.6，所以也不会发生咸潮入侵。9月，长江口处于季节高海平面期，并且以增水为主，海平面-径流量和增减水-径流量的综合影响指数分别为1.2和1.0，会发生咸潮入侵。10月、11月、12月，长江口开始处于枯水季，径流量偏小，虽然这期间的季节海平面不高，且季风的作用长江口呈现减水过程，但是，从三者的影响指数来看，海平面-径流量的综合影响指数分别为1.5、0.8和0.1，均大于0，特别是10月和11月，径流作用弱于海水上溯，易发生咸潮入侵（图4，表1）。

咸潮入侵持续时间在1-5月随着增减水-径流量综合影响指数的变化呈现正相关变化，相关系数达到0.9，并通过置信水平99.9%的显著性检验（图4），1-5月转向季风引发的水体输运和向岸堆积[33]，以及冬季北风产生向陆的Ekman水体输运，加剧了该时段咸潮入侵程度[34]。咸潮入侵过程的持续时间在9-12月随着季节海平面-径流量综合影响指数的变化呈现正相关变化，相关系数达到0.7，并通过置信水平95%的显著性检验（图4）。

图 3 2009-2018年长江口平均海平面（a）、增减水（b）以及径流量（c）季节变化Fig. 3 Seasonal variation of sea level (a), surge (b) and runoff(c) in the Changjiang River Estuary during 2009-2018

图 4 长江口咸潮入侵持续时间、海平面-径流量以及增减水-径流量综合影响指数变化Fig. 4 Seasonal variation of saltwater intrusion duration, sealevel-runoff impact index and surge-runoff impact index in the Changjiang River Estuary

表 1 2009-2017年各月长江口海平面-径流量综合影响指数Table 1 Sea-level-runoff impact index of each month during 2009-2017 in the Changjiang River Estuary

2009年2月，长江处于枯水期，大通站月平均径流量较常年同期少2 227 m3/s；上海沿海月平均海平面较常年同期偏高12.5 cm，海平面-径流量综合影响指数达到0.3；长江口沿海各站月平均增减水约7 cm，增减水-径流量综合影响指数达到2.7，13-16日长江口外连续4 d出现两次较强的增水过程，最大增水75～90 cm（图5），17日长江口宝钢水库取水口出现了近年最强的咸潮入侵过程，最大氯度值达1 334 mg/L。

2010年1-3月，长江口径流量与常年同期基本持平。沿海海平面较常年同期偏高约8 cm，特别是2月海平面较常年同期高17 cm，达1980年以来同期第二高位，海平面-径流量综合影响指数为0.4，而增减水-径流量综合影响指数达到3.3（表1，表2），月平均增减水为12 cm，最大增水近110 cm。上海共发生3次较严重的咸潮入侵，累计19 d。

2011年，长江口径流量为2007年以来最低值，年均径流量为21 200 m3/s，除1月外，各月径流量均明显低于常年同期，3-9月的径流量均为2007年以来同期最低值。长江口共发生咸潮入侵9次，其中春季6次，秋、冬季3次，累积持续时间为55 d。咸潮入侵最严重的一次过程出现在3月22-30日，期间径流量为13 100 m3/s，长江口宝钢水库3月25日含氯度最高达1 079 mg/L，其中21-22日有持续2 d的增水过程，最大增水超过50 cm。2009-2018年5月发生过两次咸潮过程，均发生在2011年，海平面-径流量和增减水-径流量的综合影响指数分别为0.4和1.0（表1，表2）。

2012年，长江口沿海海平面处于1980年以来第二高位，海平面比常年高7.5 cm。但是，该年度长江口入海径流量也较大，2009-2018年的第三高位。除1月和3月外，各月径流量均明显高于常年同期，5月和8月径流量分别高于常年同期10 573 m3/s和10 518 m3/s，年度共发生3次咸潮入侵，为2009-2018年来第二少。11月，长江口沿海海平面较常年同期高约10 cm，径流量较常年同期大1 391 m3/s，海平面-径流量综合影响指数达到0.6，宝钢水库发生咸潮入侵1次，最大含氯度为304 mg/L。

图 5 2009年2月长江口沿海代表站增减水变化Fig. 5 Surge variation of typical stations in the Changjiang River Estuary in February 2009

表 2 2009-2017年各月长江口增减水-径流量综合影响指数Table 2 Surge-runoff impact index of each month during 2009-2017 in the Changjiang River Estuary

2013年，长江口入海径流量明显偏少，较常年少2 808 m3/s。其中7-12月径流量很小，较常年同期偏少4 355～8 482 m3/s，下半年径流量接近2009-2018年最低（仅次于2011年）。受潮汐、海平面和上游来水影响，长江口在宝钢水库和青草沙水库共出现8次咸潮入侵过程，其中3月份出现3次，增减水-径流量的综合影响指数为0.6；9-11月出现4次，海平面-径流量综合影响指数均偏高，分别达到1.2、2.2和0.4；12月出现2次，增减水-径流量综合影响指数达到0.8。

2014年2月，长江口沿海海平面异常偏高，比常年同期高23 cm，达1980年以来同期最高。受季风影响2月呈现持续的增水过程，月平均增水达14 cm，海平面-径流量和增减水-径流量的综合影响指数分别为0.8和3.7。持续的增水过程导致长江口从4日开始发生咸潮入侵，持续入侵时间超过23 d，是1993年以来最长的一次，青草沙水库和宝钢水库取水口最大氯度值分别达到5 000 mg/L和1 129 mg/L，上海城市供水受到影响。

2007-2017年，长江口的径流量和沿海海平面均呈上升趋势，且有很好的相关性，但是海平面的上升速率要高于径流量的上升速率（图6）。

4.2 天文大潮的影响

除了海平面、增减水和径流的影响外，天文大潮对于长江口短时间的咸潮入侵具有加剧作用。

长江口的潮汐属于不正规半日潮，沿海潮差差异较大，在北边的吕四和南部的滩浒潮差为3～4 m，大戢山的潮差偏小，约3 m，沿河口上溯潮差逐渐减小。近年来潮差有逐渐增大的趋势（图7），上升速率约为6.6 mm/a，远高于同期海平面上升速率。长江口的天文大潮基本发生在农历初一、十五前后，天文大潮基本上都发生在回归潮期间（图8）。统计结果显示，2009-2018年发生的48次咸潮入侵过程有2/3恰逢天文大潮。在某些年份基础海平面偏高，由于气象过程天气的持续增水较大，若同时遇上天文大潮，则加剧咸潮入侵的影响程度。

2009年10月，大通站月平均径流量较常年同期少8 555 m3/s，为2009-2018年中月平均径流量最少月份，海平面-径流量综合影响指数高达1.5，全月以减水为主，22日适逢天文大潮期，长江口宝钢水库取水口遭受秋冬季第一次咸潮入侵。

2009-2018年持续时间最长的一次咸潮入侵过程出现在2011年4月19-28日，咸潮入侵持续时间为9 d，期间均受天文大潮影响，加重咸潮影响。

2015年2月23日，适逢天文大潮期，咸潮入侵长江口，持续入侵时间为7 d，最大氯度值为708 mg/L，影响长江口宝钢水库和青草沙水库取水，期间出现连续增水过程，最大增水超过50 cm。

2016年，长江口沿海海平面为2009-2018年最高，较常年偏高154 mm。但是，该年度长江口的径流量也较大，年径流量为2009-2018年最多，较近常年高528 m3/s。年度共发生3次咸潮入侵，为2009-2018年来第二少，分别出现在3月和10月，期间均逢天文大潮期，其中10月海平面-径流量综合影响指数达到2.2。

图 6 2007-2017年长江口径流量和海平面变化Fig. 6 Variation of runoff and sea level in the Changjiang River Estuary during 2007-2017

图 7 长江口大戢山站潮差长期变化Fig. 7 Long-term change of tide range in the Dajishan Station of the Changjiang River Estuary

图 8 2018年9月长江口大戢山站潮位月变化Fig. 8 Tide level variation in the Dajishan Station of the Changjiang River Estuary in September 2018

5 对策及建议

在全球变暖的背景下，近年来中国沿海海平面呈波动上升趋势，长江口沿海海平面上升速率高于中国沿海平均水平，高海平面、天文大潮、风暴潮和干旱等加剧长江口咸潮入侵程度。随着长江口区域经济社会的发展，用水量将进一步增加。为减轻咸潮入侵对当地居民生产生活的影响，建议相关部门积极采取措施，有效应对。

（1）合理调配长江中下游淡水资源。根据海平面、增减水和径流量等的季节变化特征和咸潮发生特点，适时增大枯水期和高海平面期的淡水流量，保障咸潮高发期的淡水取水。

（2）强化全流域综合治理，保护长江上游生态环境，涵养水源，增加河流上游植被覆盖，减少水土流失，从而增加枯水期上游来水量；做好水库潜能开发和水源地建设，严控河道和河口采砂，防止河床下切，从而增加咸潮上溯阻力，减小咸潮上溯距离。

（3）加强长江口咸潮入侵监测，密切关注长江口北支和南支咸潮入侵状况，做好季节性高海平面期和枯水期咸潮预报预警，为科学用水提供参考依据，减轻咸潮影响。

6 结论

本文使用海洋站观测潮位数据、海平面影响调查信息和水文站径流量数据，详细分析和阐述了2009-2018年长江口的咸潮入侵的变化特征和影响因素，并提出了对策与建议。分析结果表明：

（1）长江口咸潮多发生在9-10月至翌年的4-5月。2009-2018年，长江口咸潮入侵次数和持续时间总体均呈下降趋势，2009年长江口咸潮入侵次数最多，达13次。咸潮持续时间年际变化较大，2011年累计持续时间最长，为55 d。

（2）长江口咸潮入侵受海平面、增减水和径流量的综合影响显著，呈明显的跷跷板结构。咸潮持续时间在1-5月随着增减水-径流量综合影响指数的变化呈现正相关变化；5-7月，长江口径流量相对较大，其中6-7月在2009-2018年未发生咸潮入侵过程；8月长江口沿海以减水为主，海平面-径流量和增减水-径流量综合影响指数较小，2009-2018年未发生咸潮入侵；9-12月易发生咸潮入侵，且咸潮持续时间随着季节海平面-径流量综合影响指数的变化呈现正相关变化，其中9月、10月和11月海平面-径流量综合影响指数均大于1。

（3）天文大潮和风暴潮叠加时，将引发或加剧短时咸潮入侵过程及其影响，若同时处于季节性高海平面期和枯水期，极易发生严重的咸潮入侵过程。应积极采取措施，如合理调配长江中下游淡水资源、强化全流域综合治理、加强长江口咸潮入侵监测和预报预警等，减轻咸潮影响。