柯 帥 丁 兵 渠 庚

（1.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010；2.水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010）

0 引 言

長江中下游地區(qū)是長江中游城市群發(fā)展戰(zhàn)略、長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略的實施區(qū)域，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位[1]。長江中下游干流河道上起宜昌，下迄長江河口原50 號燈標，全長約1 893 km，分布百余處集中式飲用水水源地[2]，是長江經(jīng)濟帶最重要的水源地。而在新水沙條件下，長江中下游干流河道正面臨著“清水下泄”帶來的長時間、長距離的枯水河槽沖刷及枯水水位下降等問題[3]，枯期供水安全問題凸顯。雖在上游系列控制性水庫的調蓄作用下，壩下游枯期水位下降趨勢等一系列問題有所緩和[4]，但河床下切疊加極端天氣影響下的枯水位下降問題愈發(fā)得到廣泛關注。本文分析了以三峽工程為核心的上游水庫群建成投運以來，長江中下游干流河道枯水情勢變化特點及其對沿江取水工程運行的影響，通過總結已有經(jīng)驗，針對提出相關建議和對策，為枯水情勢下長江中下游取水工程應急補水提供參考。

1 長江中下游枯水情勢變化

長江干流水沙條件在以三峽為核心的干支流控制性水庫陸續(xù)建成投運后發(fā)生了較大變化。自三峽工程2003年蓄水以來，除監(jiān)利站多年平均徑流量較蓄水前偏豐6%外，長江中下游其他站點水量均偏枯1%～4%[5]。如三峽工程蓄水前，宜昌站、沙市站、漢口站和大通站1950—2002年多年平均徑流量分別為4 369億m3、3 942億m3、7 111億m3和9 052億m3[5]，2003—2021年多年平均徑流量為4 218億m3、3 907億m3、6 929 億m3和8 782 億m3[6]，相比于蓄水前分別降低3.46%、0.89%、2.56%和2.98%（圖1）。同時，2003—2021年宜昌站、沙市站、漢口站和大通站年均輸沙量分別為0.34 億t、0.50 億t、0.95 億t 和1.32 億t，相比蓄水前減少93%、88%、76%和69%（圖2）[7]，特別是在2013年上游干流控制性水庫群興建以來，宜昌站年均輸沙量進一步減少。

圖1 三峽工程蓄水前后平均徑流量

圖2 三峽工程蓄水前后平均輸沙量

在上游梯級水庫蓄洪補枯調度下，中下游干流洪枯徑流量變化引起水位變幅。2022 年水利部將長江流域111 座水工程納入聯(lián)合調度，其中含控制性水庫51 座，總調節(jié)庫容1 160 億m3、總防洪庫容705 億m3[8]。上游水庫群汛期騰庫蓄洪、枯期興利消落的作業(yè)方式對長江中下游干流河道枯水期產(chǎn)生的主要影響是流量過程明顯坦化，中等流量持續(xù)時間加長[7]，枯期徑流量較建壩前有所增加[9]。如圖3 所示，中下游干流河道汛前水位相較三峽工程蓄水前有所增加，汛期水位具有明顯降幅，12 月至次年3 月枯期水位均高于三峽工程蓄水前，且中游漢口站變化幅度比下游大通站更為明顯。另根據(jù)實測資料顯示，枝城站、沙市站、螺山站、漢口站等中游水文站在三峽工程蓄水后枯水位最大下降值分別為0.8 m、2.4 m、1.6 m、1.4 m，荊江河段枯水位下降相對較大，城陵磯至漢口段次之，下游河段相對較小[10]。

圖3 三峽工程蓄水前后漢口站、大通站多年月平均水位曲線圖

上游水庫群枯期補水雖能一定程度增加中下游來水量，但在攔沙作用下，長江中下游干流河道在“清水下泄”中將處于長時間、長距離沖刷與調整，造成長江干流河道枯期河水歸槽、水位下降。加之近年來極端干旱氣候頻發(fā)，長江流域各測站幾度出現(xiàn)極端枯水位。如2006 年嚴重干旱，武漢關水位降至1985 年有實測資料以來最低水位15.98 m[11]，2022 年長江流域全流域均遭受嚴重旱災，上中下游同枯?？偠灾?，長江中下游枯水條件變化主要有以下趨勢。

（1）干流河床持續(xù)下切，同流量水位降低。大型水庫修建后，在水庫調蓄作用下河道水文情勢發(fā)生不可逆轉改變，壩下游河槽沖刷是國內外大型水庫投運后的普遍現(xiàn)象[4]。三峽工程及上游干支流控制性水庫建成投運以來，三峽壩下來沙量大幅減少，長江中下游干流全線河道處于持續(xù)沖刷中，累計沖刷量為50.3億m3，平均年均沖刷2.55億m3[5]，造成河槽斷面面積增加，相同流量條件水位將會下降（圖4），下降幅度沿程遞減。根據(jù)2003年、2009年、2015年及2020年多年流量—水位關系擬合曲線，沙市站、螺山站和漢口站在不同流量下水位均有明顯下降，且呈現(xiàn)逐年下降趨勢，如沙市站在流量為8 000 m3/s 時，上述4 年擬合計算水位分別為33.61 m、32.97 m、32.02 m、30.97 m。大通站由于距壩較遠，歷年流量水位數(shù)據(jù)分布較為相近，未出現(xiàn)明顯下降趨勢。另外，根據(jù)實測資料，沖刷以枯水河槽為主[3-4]，枯水位以下河道斷面范圍增加將造成枯水水位下降，如圖4 中漢口站流量—水位關系曲線枯水流量下水位下降幅度更為突出。沖刷造成荊江河段近壩段河道斷面形態(tài)向窄深化發(fā)展[5]，根據(jù)多年實測資料顯示，長江干流簰洲灣段復興洲上游處斷面（圖5），河道深泓線在2003 年后不斷下探，河道斷面由梯形逐漸沖刷演變?yōu)榈谷切危▓D6）。

圖4 長江中下游代表水文站流量—水位關系圖

（2）兩湖枯期歷時延長，枯水水位降低。由于長江水文情勢的改變，洞庭湖、鄱陽湖湖區(qū)的水文情勢勢必會隨之發(fā)生變化，如鄱陽湖連續(xù)出現(xiàn)枯水時間提前、枯水期延長、枯水期水位超低等現(xiàn)象，枯水已成常態(tài)化現(xiàn)象[12]。每年9—11 月為上游水庫群的蓄水期，干流河道下泄流量減少，湖區(qū)向干流河道出流補水造成水位提前消落，枯水提前。另外，由于長江中下游輸沙量相比三峽建庫前大幅減少，干流河道沖刷，洞庭湖三口河道口門分流比由三峽工程蓄水前的14.0%降低至11.9%，枯期分流比下降幅度更為明顯，由1956—1966年的34.9%下降至3.4%[13]，枯期來水量大幅減少；兩湖泥沙沉積量及淤積量降低而湖口輸沙量卻明顯上升，入江水道沖刷，干流頂托作用減緩[14]，將對兩湖枯水條件產(chǎn)生不利影響。

（3）極端干旱天氣頻發(fā)，枯水情勢嚴峻。2000 年以來，長江流域干旱災害發(fā)生頻次較高、對非枯期影響更大。2006 年、2011 年、2013 年、2019 年和2022 年長江流域都發(fā)生了嚴重干旱[15]，干旱氣候下流域降水減少，河川徑流降低，水位隨之降低。如2019 年沙市以下河段出現(xiàn)了三峽工程蓄水以來最為嚴重的極低水位[16]，2022年7—10月，長江流域發(fā)生1961年實測記錄以來最嚴重的特大干旱事件，造成“汛期反枯”，干流各代表站最低水位均突破歷史最低值[17]，沿江涵閘取、引水困難。2022 年干旱造成洞庭湖、鄱陽湖兩湖面積銳減，分別提前4個月和3個月進入枯水期，兩湖汛期無法補水且水位嚴重衰退。七里山站、漢口站、湖口站和大通站在2022 年8 月15 日測得水位23.55 m、17.30 m、10.37 m 和6.84 m，均為有實測資料以來最低值。統(tǒng)計上述枯水年份漢口站水位（圖7），枯水年份中下游12月至次年3月枯期水位相較2003年以來水位均值而言處于偏高水平，而在非枯期內相差較大，明顯低于2003 年以來水位均值，如2022 年10 月4 日低7.26 m，2011 年6 月1 日低4.54 m，非枯期受旱情影響程度更大。

圖7 枯水年份漢口站水位歷時圖

2 枯期取水工程運行存在的問題

長江中下游城市群的水源來源絕大部分為地表水，且因為沿江取水便利和城市附近其他水源水質不達標等原因，主要使用客水（即從上游流進或引進）。據(jù)統(tǒng)計[18]，長江中下游干流流經(jīng)湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海等?。ㄖ陛犑校┓寝r(nóng)業(yè)取水口分布分別為108處、8處、9處、98處、85 處、14 處，其中沿江城市如武漢市、南京市、上海市等大型城市自長江取水占總取水來源相當大的比例[19]，取水工程的穩(wěn)定運行直接影響各大城市的供水安全。枯期水文情勢變化對于長江中下游取水工程運行影響主要體現(xiàn)以下4個方面。

（1）河勢不斷調整，取水條件變差。三峽工程水庫蓄水運用后，中下游河道流量過程改變，枯水河槽持續(xù)沖刷造成河勢調整和發(fā)展[3]，局部沖淤及主支汊調整都會對取水工程運行造成不利影響。取水工程的取水頭部一般設置在靠近主流、河床穩(wěn)定的位置，但在中枯水流量下部分取水工程區(qū)域河槽向下、向岸不斷刷深刷寬，易造成岸坡失穩(wěn)、基礎出露等安全性問題，如位于武漢段天興洲右汊2014年建成運行的新武湖水廠取水和輸水工程，2022年已沖刷成一局部突出體（圖8）。位于河道支汊的取水工程還可能因為枯期河流歸槽，所在支汊斷流造成取水困難，如2022 年9 月武穴市龍坪鎮(zhèn)水廠因水位下降左汊斷流造成取水困難，需橫跨江灘超800 m架設管道，通過兩級傳遞提水方式從右汊取水（圖9）。

（2）枯期水位下降，取水難度增加。取水水位下降，取水保證率降低是河床沖刷、河勢調整及極端干旱氣候疊加影響下長江中下游干流河道枯期水位下降帶來的最直接的影響之一。根據(jù)相關規(guī)范條文[20-21]，長江中下游沿江主要城市工業(yè)、生活供水保證率應在95%、99%以上，沿程各代表水文站供水保證水位值分別為沙市32.0 m，城陵磯20.5 m，漢口13.5 m，九江8.5 m，南京2.5 m[22]。其中沙市站水位在低于30.6 m 時開始出現(xiàn)取水口取水受影響現(xiàn)象，在低于29.6 m時部分取水口取水困難，在29.4 m、28.9 m時取水受影響及取水困難取水口個數(shù)出現(xiàn)大幅度增加，此時取水困難取水口對應的供水人口占總供水人數(shù)的比例也由水位29.6 m時的20%左右激增至80%左右。枯期水位保證不足，需采用應急泵站等臨時工程保證供水，花費巨大。2022年合肥城區(qū)受巢湖水位降低影響，供水出現(xiàn)困難，通過開通多級應急泵站提水，西引長江水進行大房郢水庫補水才能保證城區(qū)供水，累計提水1.6億m3，投入資金上億元[23]。

（3）水文節(jié)律改變，兩湖供水受限。江湖關系改變，兩湖水文節(jié)律也發(fā)生調整，洞庭湖、鄱陽湖均面臨枯水常態(tài)化的問題，湖區(qū)取水條件惡化[12-13]。受入湖水量補給減少、上游水庫群汛末蓄水及干流河道持續(xù)沖刷等因素的綜合影響，兩湖枯期持續(xù)低水位，季節(jié)性缺水問題凸顯，湖區(qū)供水安全面臨威脅。同時，枯水水位下降后湖盆裸露干燥，后期水位逐漸回升，湖區(qū)沉積物干濕交替對湖區(qū)水質具有顯著影響[24]。鄱陽湖1986—2016 年水質呈下降趨勢，2007 年后湖區(qū)I～Ⅱ類水占比幾近于0[12]，湖區(qū)水質惡化嚴重，對湖區(qū)取水工程而言是又一大不利因素。

（4）河道補水不足，河口鹽水入侵。對于長江下游河口地區(qū)，鹽水入侵是供水安全的重要威脅，如上海市飲用水三大水源地——陳行水庫、青草沙水庫和東風西沙水庫常受到鹽水入侵影響而產(chǎn)生供水問題。上游徑流壓咸作用是抵御鹽水入侵最重要的因素之一[25]，枯期上游來水量減少及沿江抽引江水導致入海水量下降，河口鹽水入侵影響顯著增強，長江口的鹽水入侵一般發(fā)生在枯季[26]。2003 年三峽工程蓄水以來，由于水庫枯期補水調節(jié)，河道徑流量增加，河口鹽水入侵情況相比歷史前期而言處于較弱水平。但同時由于進入21 世紀以來，全球極端氣候頻發(fā)，枯季仍可能由于潮汐、風應力等出現(xiàn)嚴重鹽水入侵。另外，長江口在汛期遭受嚴重鹽水入侵的現(xiàn)象近年來亦不少見。如2006年，長江口比常年提前3個月出現(xiàn)鹽水入侵且頻次較高；2011年，3—6月長江口持續(xù)發(fā)生鹽水入侵而影響水源地取水的事件[27]；2014 年2 月發(fā)生長時間的強北風引發(fā)鹽水入侵，造成青草沙水庫持續(xù)30 d不宜取水[27]。

3 建議與對策

長江中下游干流河道正在經(jīng)歷長尺度的沖刷和調整，河床下切造成枯期水位下降，極端干旱氣候影響頻發(fā)進一步激化取水工程供水矛盾，對沿江城市供水安全造成嚴重不利影響。本文從實際出發(fā)，就緩解枯水情勢下取水工程運行影響提出如下建議。

（1）排查枯期供水問題，進行取水工程提升改造。對于在2022 年極低枯水位下出現(xiàn)嚴重取水困難的沿江及兩湖湖區(qū)水廠、涵閘泵站等取水工程，應進行詳細排查登記形成臺賬，明確取水需求及存在的問題。長江中下游沿岸遍布取水工程，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，一部分取水設施自身已出現(xiàn)設施老化，供水能力不足的問題。加之枯水條件下取水條件進一步惡化，這些老舊設施的運行更加難以為繼。應及時對取水困難的工程及設施改造升級指導，結合長江中下游未來枯水情勢發(fā)展研究，采取相應工程措施改善取水條件。

（2）推進數(shù)字孿生建設，開展枯水演進、咸潮預測及取水分配等研究，提高流域枯水預報及取水調度一體化水平。新水沙條件下，中下游河道沖刷造成枯水位下降趨勢較為明確，但調整歷時長、年變化較小，而干旱天氣事件的發(fā)生具有不確定性和極端性，兩者疊加作用下對長江中下游城市供水安全影響面廣而又具有突發(fā)性。應從流域視角出發(fā)，綜合水文、氣象、水利等多行業(yè)多渠道數(shù)據(jù)，開展極端干旱天氣影響下長江中下游枯水情勢演進研究，明確沿江各省（直轄市）枯水演進歷程和趨勢，結合數(shù)字孿生流域建設，強化沿江城市取水科學統(tǒng)籌調度，避免競爭性取水。

（3）科學完善水庫聯(lián)合調度方案。隨著長江流域控制性水庫群的形成，水庫群蓄豐補枯已成為保障枯水期供水安全最可靠的措施[28]。水庫聯(lián)合調度已多次在枯期應急補水，在緩解中下游供水緊張問題時發(fā)揮重要作用。在

2022年極端干旱情況下，長江流域水庫群精準開展聯(lián)合補水調度，實現(xiàn)了“大旱之年無大災”[29]。應持續(xù)開展水庫群聯(lián)合調度研究，融合上中下游多工程特點，統(tǒng)籌江湖關系、河口壓咸等多目標需求，進一步科學完善調度方案，優(yōu)化水庫群運行水位控制，在確保防洪安全的前提下科學利用中小洪水資源，充分發(fā)揮水庫群蓄洪補枯作用。

（4）開展應急水源地建設，增加供水安全應急儲備?？萜谌∷こ堂媾R的問題是對城市供水系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，目前沿江城市供水結構大多較為單一，存在城市應急水源建設和經(jīng)濟發(fā)展不匹配、配套設施不足等問題[19，30]，且應急水源地建設主要針對水污染事件，面對當下枯水條件的應急水源儲備不足，應在綜合考慮城鄉(xiāng)供水需求下，針對枯水條件變化特點，科學研判應急水源地選址及規(guī)模，加強應急備用水源地建設，實現(xiàn)多源互聯(lián)互備，提高城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)安全水平及應急儲備。

4 結 論

長江中下游干流沿岸取水工程是兩岸居民生活、生產(chǎn)的重要水源保障，枯水條件的變化對城市取水保障和供水安全具有重大影響。長江中下游枯水情勢年內變化受上游控制性水庫調節(jié)作用具有一定的補枯效果，但在未來枯水河床持續(xù)性沖刷趨勢疊加極端干旱天氣偶發(fā)性影響下，極低枯水位不斷突破歷史極值、枯水水文節(jié)律出現(xiàn)反常變化的現(xiàn)象時有發(fā)生，造成部分取水工程無水可取、無水可用。應針對沿江取水工程在枯水情勢下運行問題展開隱患排查，及時升級改造。同時盡早開展干旱天氣影響下長江中下游干流枯水演進研究，完善水庫群、取水工程等多工程調度方案，開展數(shù)字孿生流域建設，拓展城市供水安全應急水源地。