摘要：近些年珠江口咸潮上溯呈加劇趨勢，影響范圍顯著增大，2021—2022年枯水期東江三角洲發(fā)生有記錄以來最嚴重咸潮上溯?；?021—2022年東江流域水情、工情、咸情數(shù)據(jù)，分析了東江水情特征和東江三角洲咸潮上溯規(guī)律，采用FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）數(shù)值模型開展了壓咸調(diào)度預演，闡明了特枯水年下東江三角洲壓咸流量、壓咸時機等關(guān)鍵參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：2021年，東江流域遭遇特枯水年，上游博羅斷面年均流量較多年平均偏少64.5%。東江三角洲咸潮峰值發(fā)生在大潮階段，小潮時咸潮上溯減弱。因東莞市調(diào)蓄能力較弱，東江三角洲壓咸調(diào)度策略應為大潮時期全時段壓咸。特枯水年下，為了應對可能出現(xiàn)旱情持續(xù)的更不利局面，博羅日均流量按大潮期間不低于280 m3/s、其他時間不低于212 m3/s管控，可基本保障東江三角洲供水安全。研究可為東江三角洲枯水期水量調(diào)度和咸潮防控提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：咸潮上溯；壓咸調(diào)度；FVCOM模型；東江三角洲

中圖分類號：TV697.1+1；P731.12文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）07-0058-09

林中源，唐琦，王鳳恩，等.特枯水年珠江流域東江三角洲壓咸調(diào)度預演與策略［J］.人民珠江，2024，45（7）：58-66.

Simulation and Strategy for Salinity Control Scheduling in Dongjiang Delta of Pearl River Basin in Severe Drought Year

LIN Zhongyuan1，2，TANG Qi1，WANG Fengen3，XU Wei1，HUANG Pengfei1，ZOU Huazhi1，2*

（1.Pearl River Water Resources Research Institute，Pearl River Water Resources Commission，Guangzhou 510611，China;2.KeyLaboratory of Pearl River Estuary Regulation and Protection of Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China;3.Pearl RiverWater Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China）

Abstract：In recent years，the saltwater intrusion in the Pearl River Estuary has intensified，with a significantly expanded impact range.During the dry season from 2021 to 2022，the Dongjiang Delta experienced the most severe saltwater intrusion on record.Based on the river discharge，pondage，and salinity data of the Dongjiang Basin from 2021 to 2022，this paper analyzed the hydrological characteristics and the saltwater intrusion patterns in the Dongjiang Delta.The numerical Finite Volume Coastal Ocean Model（FVCOM）was used to simulate the salinity control dispatching，and the key parameters such as the river discharge and timing of salinity control dispatching in the Dongjiang Delta in the severe drought year were explored.The research finds that the Dongjiang Basin suffered a severe drought year in 2021，with an annual average river discharge at the upstream Boluo Station being 64.5%lower than the multi-year average value.In the Dongjiang Delta，saltwater intrusion peaked during spring tides and dropped during neap tides.Due to the weak capacity of regulation and storage in Dongguan City，the strategy for salinity control dispatching in theDongjiang Delta is to release fresh water throughout the duration of spring tides.In order to cope with the more adverse situation that the drought may continue，the average daily river discharge at the Boluo Station should be regulated to not less than 280 m3/sduring the spring tides and not less than 212 m3/s during other periods.This will essentially ensure the water supply security in the Dongjiang Delta.This paper provides some reference for the river discharge dispatching and salinity control during the dry season in theDongjiang Delta.

Keywords：saltwater intrusion;salinity control dispatching;FVCOM model;Dongjiang Delta

受氣候變化和人類活動影響，世界主要河口咸潮上溯日趨嚴峻［1］，其中也包括珠江口。珠江口咸潮影響范圍已由西江下游磨刀門水道拓展至東江三角洲，2021—2022年枯水期東江三角洲發(fā)生歷史上最嚴重咸潮災害，影響東莞、廣州兩地約800萬人供水安全。

以往研究表明，增大上游流量為抑制咸潮上溯最有效的手段［2-6］。因此，水利部各流域機構(gòu)、地方水行政主管部門通常采用壓咸補淡方式阻擋咸潮保障供水，壓咸補淡是通過從上游水庫調(diào)水，通過流域水利樞紐集中放水，形成淡水小洪峰壓制咸潮上溯的措施，廣泛應用于中國長江［7］、錢塘江［8］、珠江流域西北江三角洲［9］等受咸潮影響區(qū)域。尤其是水利部珠江水利委員會自2005年起連續(xù)19 a實施珠江枯水期水量調(diào)度，基本保障澳門、珠海、中山等地供水安全。關(guān)于珠江西北江三角洲壓咸調(diào)度策略，眾多學者展開了大量研究。劉斌等［10］根據(jù)咸潮與徑流、潮汐的響應關(guān)系，提出了西、北江壓咸補淡調(diào)度方案；李春初［11］認為大潮向中潮變化時的壓咸效率最佳；盧陳等［12］研究發(fā)現(xiàn)在咸界上漲中潮階段的抑咸效果最優(yōu)；聞平等［13］認為大潮轉(zhuǎn)小潮期是壓咸補淡的最佳時機。結(jié)合上述研究和多年實踐，基于珠澳供水系統(tǒng)特點，水利部珠江水利委員會總結(jié)出珠江流域西北江“避漲壓落”“打頭壓尾”等一系列壓咸調(diào)度策略，成效顯著。

而珠江流域東江三角洲因咸潮災害發(fā)生頻次較少，近十幾年來僅2009—2010、2021—2022年枯水期發(fā)生咸潮上溯［14］，關(guān)于壓咸調(diào)度的研究基本處于空白?！吨榻饔蚓C合規(guī)劃（2012-2030年）》提及“當枯水期咸潮上溯嚴重時，博羅下泄流量應達到212 m3/s的壓咸流量要求”。2022年1月博羅月均流量為244 m3/s，東江三角洲最下游第二水廠連續(xù)超標31 d，最大含氯度高達1 513 mg/L。何用等［15］研究發(fā)現(xiàn)1999—2016年東江主干河道平均下切幅度為0.41 m，鄒華志等［16］發(fā)現(xiàn)河床下切對咸潮上溯有顯著影響。在河床下切背景下，博羅212 m3/s的壓咸流量已較難滿足目前東江三角洲的壓咸需求。此外，楊芳等［4］研究發(fā)現(xiàn)當東江上游控制斷面博羅流量大于320 m3/s時，東江三角洲各水廠基本上不受咸潮影響。而2021年汛末，東江新豐江、楓樹壩、白盆珠三大水庫總蓄水量較同期多年平均偏少約8成，2022年1月東江流域一度面臨無水可調(diào)的嚴峻局面。對于2021—2022年這種特枯水年，上游水庫蓄水嚴重不足，為了應對可能出現(xiàn)旱情持續(xù)的更不利形勢，較難一直保障博羅320 m3/s的壓咸流量需求。因此，在極端事件頻發(fā)的背景下，特枯水年下東江三角洲壓咸調(diào)度策略亟需開展研究。

基于此，本研究在分析2021—2022年東江水情特征和東江三角洲咸潮上溯規(guī)律的基礎(chǔ)上，設定了關(guān)鍵時間節(jié)點的壓咸調(diào)度方案，并采用FVCOM三維數(shù)值模型進行壓咸調(diào)度預演，旨在揭示特枯水年下東江三角洲壓咸流量、壓咸時機等關(guān)鍵參數(shù)。本文可為東江三角洲枯水期水量調(diào)度和咸潮防控提供一定借鑒。

1研究區(qū)域及數(shù)據(jù)概況

東江三角洲位于珠江河口東部、伶仃洋上游，包含廣州、東莞、深圳等粵港澳大灣區(qū)重要城市，與西、北江三角洲共同構(gòu)成珠江三角洲。東江三角洲上游控制斷面博羅多年平均流量約為738 m3/s，下游泗盛圍站多年平均漲落潮差約為1.57 m，其潮動力較珠江河口其他口門而言相對較強。本文收集了2009—2022年枯水期珠江流域東江上游博羅控制站點日均流量、下游泗盛圍逐時潮位以及三角洲各水廠逐時含氯度數(shù)據(jù)。其中流量、潮位數(shù)據(jù)來自水利部珠江水利委員會，各水廠含氯度數(shù)據(jù)來自東莞市水務局。模型率定與驗證數(shù)據(jù)采用2019年12月珠江三角洲及河口同步水文測驗結(jié)果與2022年1月東江三角洲水廠實測數(shù)據(jù)，其中部分測站的位置見圖1。

2研究方法

本研究基于FVCOM構(gòu)建了珠江河口大范圍高分辨率三維斜壓數(shù)值模型。FVCOM經(jīng)過多年的完善發(fā)展，具有守恒性好、網(wǎng)格靈活性高、計算速度快等優(yōu)點，廣泛應用于河口海岸動力研究［15-16］。

2.1模擬范圍

為正確模擬東江三角洲的咸潮上溯情況，同時考慮到邊界條件給定的準確性和方便性，模型計算范圍應足夠大，見圖2，包括整個珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)以及近岸鹽淡水交匯區(qū)域，模型上游邊界取在潭江石咀站、西江梧州站、北江石角站、白坭河老鴉崗站、東江麒麟咀和博羅站，外海邊界最遠取至約200 m等深線附近。模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約34萬個，網(wǎng)格由疏到密均勻過渡，對港池、航道等重點水域網(wǎng)格進行了優(yōu)化和加密，垂向采用σ坐標劃分為等距的10層。

2.2計算條件與參數(shù)確定

模型上游邊界給定實測流量過程，外海潮位由全球潮波模型計算得到，包括M2、S2、N2、K2、K1、P1、O1和Q1等8個分潮。上游鹽度邊界設為0，外海鹽度邊界設定恒定鹽度34 g/kg。模型初始計算條件采用“冷啟動”，初始水位設為水位平均值，初始流速設為0。表層鹽度初始值由衛(wèi)星遙感資料反演給定，三維鹽度初始場由表層鹽度垂向插值得到。模型外部模態(tài)計算時間步長為0.5 s，內(nèi)部模態(tài)與外部模態(tài)的時間步長比值為8，底部粗糙層厚度取0.002 m，水平混合方案采用馬格林斯基（Smagorinsky）方案，垂向混合方案采用湍流封閉格式（MY level 2.5），水平普朗特數(shù)（Horizontal Prandtl Number）為1，垂向普朗特數(shù)（Vertical Prandtl Number）為1。

2.3模型率定驗證

本文采用2019年12月珠江三角洲大范圍同步水文觀測資料作為數(shù)值模型率定數(shù)據(jù)，采用2022年1月東江三角洲各水廠實測表層含氯度數(shù)據(jù)對模型進行驗證，各站點分布見圖1。模型率定和驗證部分結(jié)果見圖3、4。在驗證中采用了均方根誤差（E）與納什效率系數(shù)（A）2個數(shù)值指標對模型的結(jié)果進行評估。E代表的是模型與數(shù)據(jù)間的平均偏差，A代表模型結(jié)果的準確度，計算方法見式（1）、（2）：

式中：Xm、Xob分別為模型模擬結(jié)果與觀測結(jié)果；為觀測值的平均值。從圖中可以看出，各站點的納什效率系數(shù)均大于0.6，且鹽度、流速、水位的均方根誤差均在1 g/kg、0.2 m/s、0.2 m左右，與實測數(shù)據(jù)吻合較好?？傮w而言，本文所構(gòu)建模型能夠較好地模擬東江三角洲的咸潮上溯動力過程。

3結(jié)果與討論

3.1 2021—2022年東江水情特征

東江流域新豐江、楓樹壩和白盆珠水庫合稱東江流域三大水庫（以下簡稱三大水庫），三大水庫的庫容依次為138.96億、19.32億、12.20億m3，占流域水庫總庫容的89.6%，對東江流域供水保障起著至關(guān)重要的作用。自2020年10月以來，東江流域遭遇歷史罕見的秋冬春夏連旱，為1963年以來最嚴重的干旱少雨，流域內(nèi)三大水庫出現(xiàn)建庫以來最小總?cè)霂炝髁?。截?021年9月中旬，三大水庫可利用蓄水量11.76億m3，可利用死庫容約12.8億m3，較同期多年平均偏少約8成。2021年10月，水利部珠江水利委員會發(fā)文，指導各地多措并舉、增加水庫蓄水。但隨著干旱情況持續(xù)加重，東江流域最大水庫新豐江水庫仍于2022年1月28日至2月22日死水位（93 m）以下運行。

與此同時，東江來流大幅減少，1959—2020年東江博羅站多年年平均流量為738 m3/s，而2021年博羅年均流量僅為262 m3/s，較多年平均偏少64.5%。其中東江咸情較為嚴重的2021年9月至2022年2月，博羅站來水較多年月平均流量分別減少77.0%、63.9%、58.3%、42.2%、35.4%、6.1%，見圖5。

3.2東江三角洲壓咸調(diào)度策略

受流域干旱影響，2021—2022年枯水期東江三角洲發(fā)生歷史上最嚴重咸潮事件。2021—2022年枯季咸潮對東莞供水影響主要表現(xiàn)在：一是出現(xiàn)時間早，在2021年9月底東莞市便受到了咸潮影響，為有記錄以來首次汛期出現(xiàn)水廠超標情況；二是影響時間長，截至2022年3月28日東莞市取消抗旱四級應急響應，各主力水廠影響時長累計達1 690.02h；三是含氯度指標高，2022年1月咸潮影響尤為嚴重，1月份內(nèi)每日均有超標記錄，1月22日4時30分第二水廠含氯度指標最高值達1 515 mg/L，創(chuàng)東莞市咸情記錄新高；四是影響水廠規(guī)模大，2022年1月22日，東莞市總設計規(guī)模為280萬m3/d的水廠取水口位于咸潮線以下，占全市水廠總規(guī)模（659萬m3/d）近二分之一；五是影響范圍廣，在水廠暫停取水期間，部分區(qū)域不得不降低供水水壓，導致個別地勢較高的區(qū)域出現(xiàn)水壓不足的現(xiàn)象，影響供水區(qū)域主要在東城、南城、莞城、萬江、厚街、虎門、長安、大嶺山、沙田、濱海灣新區(qū)等地，受影響群眾約400萬人。2021—2022年枯水期第二水廠逐時含氯度和泗盛圍逐時潮位見圖6。

東江三角洲咸潮峰值一般發(fā)生在大潮階段，小潮時咸潮上溯減弱，與珠江流域西江下游磨刀門水道咸潮規(guī)律不同，磨刀門水道咸潮峰值一般發(fā)生于小潮后的中潮期［2-3］。此外，位于西江三角洲的珠澳供水系統(tǒng)，具備約39 d的調(diào)蓄能力，且各取水口、水庫、水廠間連通性較好，具備“多源互補”的飲用水調(diào)配能力［17］。因此，西江三角洲壓咸調(diào)度可實施“避漲壓落”“打頭壓尾”等策略，只需保證半月潮周期中部分時間可取淡即可。而東江三角洲受咸潮影響最嚴重的東莞市，調(diào)蓄能力較弱，各水廠清水池僅能維持2 h的正常供水，且江庫連通性有待提升，有供水任務的28宗水庫中僅4座能利用江庫聯(lián)網(wǎng)工程補水。綜上所述，東江三角洲壓咸調(diào)度策略為大潮時期全時段壓咸，才能基本保障東江三角洲供水安全。

3.3壓咸調(diào)度預演方案設定

2022年1月22日，第二水廠含氯度又一次打破歷史記錄。此時距2023年春節(jié)僅剩10 d，春節(jié)、元宵節(jié)前后正值天文大潮，東江三角洲咸潮達到半月潮周期內(nèi)峰值，同時受電網(wǎng)負荷減小、農(nóng)民工返鄉(xiāng)、突發(fā)疫情等因素影響，供水安全形勢極為不利。東江上游三大水庫可利用蓄水量僅為2.663億m3，若加上死庫容以下可利用蓄水量為10.758億m3。立足底線思維，以應對可能出現(xiàn)旱情持續(xù)的不利局面，并實現(xiàn)極端枯水條件下水資源高效利用，設置不同壓咸調(diào)度預演方案，見表1。其中212 m3/s為《珠江流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》提及的東江三角洲博羅斷面的壓咸流量，320 m3/s為《廣東省東江流域水資源分配方案（2008年）》提及的東江三角洲博羅斷面的最小下泄流量，其他工況的流量設置是在212、320 m3/s增加或減小40 m3/s的基礎(chǔ)上進行的。方案1具體為春節(jié)、元宵節(jié)大潮期間博羅流量為320 m3/s，2月其他時間維持252 m3/s，在此方案下東江三大庫含死庫容可利用蓄水量可維持至2022年3月21日；方案2具體為春節(jié)、元宵節(jié)大潮期間博羅流量為280 m3/s，2月其他時間維持212 m3/s，在此方案下東江三大庫含死庫容可利用蓄水量可維持至2022年3月31日；方案3具體為春節(jié)、元宵節(jié)大潮期間博羅流量為240 m3/s，2月其他時間維持172 m3/s，在此方案下東江三大庫含死庫容可利用蓄水量可維持至2022年4月13日。

3.4壓咸調(diào)度方案預演比選

基于前文建立的珠江河口三維斜壓數(shù)值模型，模擬了表1所示不同壓咸調(diào)度方案下，春節(jié)期間（2022年1月29至2月3日）與元宵節(jié)期間（2022年2月14至2月19日）東江三角洲的咸潮上溯情況，并繪制了最大咸界，見圖7。

春節(jié)期間，方案2東江三角洲南支流、北干流最大咸界分別為河口口門以上約34、18 km，相較方案1東江南支流、北干流最大咸界分別上移約8、7 km；相較方案3東江南支流、北干流最大咸界分別下移約3、4 km。元宵節(jié)期間與春季期間結(jié)果較為一致，方案2東江南支流咸界線略超過東莞市設計規(guī)模最大的第三水廠。各方案下第二、第三水廠預演結(jié)果見表2，方案1各水廠取水基本不會受到影響，方案2各水廠取水會受到較小影響，春節(jié)、元宵節(jié)期間第三水廠連續(xù)超標時長分別為4、2 h，第二水廠連續(xù)超標時長分別為9、7 h，方案3各水廠取水受到較大影響，春節(jié)、元宵節(jié)期間第三水廠連續(xù)超標時長分別為10、6 h，第二水廠連續(xù)超標時長分別為16、12 h。第三水廠設計規(guī)模為110 m3/d，為東莞各水廠中供水任務最重的水廠，而第二水廠設計規(guī)模僅為18 m3/d，因此在水資源極度匱乏情況下，保障第三水廠供水安全更為重要。綜上所述，從東江三大庫剩余蓄水量可維持天數(shù)、保障主力水廠供水安全2個角度，方案2為最終優(yōu)選方案，即春節(jié)、元宵節(jié)大潮期間博羅流量為280 m3/s，2月其他時間維持212 m3/s。需要特別注意的是，相較枯水期其他時期，春節(jié)、元宵節(jié)階段通常潮差相對較大（圖6b），潮汐動力相對較強，東江三角洲咸潮上溯隨之增強。而在枯水期潮差較小的時期，咸潮上溯相對較弱，壓咸流量應有所減小。此外，除徑流、潮汐外，風、平均海平面等外部驅(qū)動力對珠江河口咸潮上溯也有重要影響［3］，利用本文提出的東江三角洲壓咸流量時，應根據(jù)外部驅(qū)動力變化適時調(diào)整，保證特枯水年下淡水資源集約節(jié)約利用。

3.5關(guān)鍵時間節(jié)點壓咸效果

綜合考慮水文氣象條件和上述壓咸調(diào)度預演結(jié)果，為保障春節(jié)、元宵節(jié)供水安全，珠江防汛抗旱總指揮部辦公室下達2道調(diào)度指令：一是“建議東江博羅站2月按月均流量不小于212 m3/s控制，1月29日—2月3日按日均流量不小于280 m3/s控制”；二是“東江劍潭水利樞紐2月14日至2月19日出庫流量按日均280 m3/s左右控制”。東江劍潭水利樞紐位于博羅站上游，是決定博羅流量的關(guān)鍵控制斷面。各關(guān)鍵時間節(jié)點壓咸效果見表3，與預演結(jié)果基本一致，春節(jié)期間第三水廠日最大含氯度為454 mg/L，最大連續(xù)超標時長3 h，略大于第三水廠清水池調(diào)蓄能力2 h，對供水影響相對較?。辉?jié)期間第三水廠日最大含氯度為338 mg/L，最大連續(xù)超標時長僅為2 h。

4結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

分析了2021—2022年東江水情特征和東江三角洲咸潮上溯規(guī)律，采用FVCOM數(shù)值模型開展了壓咸調(diào)度預演，闡明了特枯水年下東江三角洲壓咸流量、壓咸時機等關(guān)鍵參數(shù)。

a）2021年，東江流域遭遇特枯水年，上游博羅斷面年均流量較多年平均偏少64.5%。其中東江咸情較為嚴重的2021年9月至2022年2月，東江博羅站來水較多年月平均流量分別減少77.0%、63.9%、58.3%、42.2%、35.4%、6.1%。

b）東江三角洲咸潮峰值發(fā)生在大潮階段，小潮時咸潮上溯減弱。因東莞市調(diào)蓄能力較弱，東江三角洲壓咸調(diào)度策略為大潮時期全時段壓咸，才能基本保障供水安全。

c）特枯水年下，為了應對可能出現(xiàn)旱情持續(xù)的更不利局面，從科學合理利用水資源的角度，博羅日均流量按大潮期間不低于280 m3/s、其他時間不低于212 m3/s管控，可使主力水廠受咸潮影響較小，基本保障東江三角洲供水安全。

4.2建議

為提升東江三角洲未來再次面對2021—2022年特枯水年時供水安全保障能力，本文提出如下建議。

a）強化流域統(tǒng)一調(diào)度。流域性是江河湖泊最根本、最鮮明的特性，決定了治水管水的思維和行為必須以流域為基礎(chǔ)單元。因此需強化流域統(tǒng)一調(diào)度，統(tǒng)籌供水、發(fā)電、航運等多目標需求，尤其在咸潮上溯較為嚴重時間段，東江三大水庫應實施“日調(diào)度”，動態(tài)調(diào)整下泄流量，實現(xiàn)水資源的節(jié)約集約利用。

b）優(yōu)化東江壓咸流量設定?！吨榻饔蚓C合規(guī)劃（2012—2030年）》中博羅斷面壓咸流量為212 m3/s，《廣東省東江流域水資源分配方案（2008年）》中博羅斷面壓咸流量為320 m3/s。在河床下切背景下，212 m3/s流量較難滿足壓咸需求，而在特枯水年，東江三大庫也較難一直保障博羅320 m3/s流量。因此，需開展枯水年、平水年、豐水年東江壓咸流量論證，保障流域供水安全。

c）加快推進江庫、水廠聯(lián)網(wǎng)工程，增強本地調(diào)蓄能力。東莞市有供水任務的水庫28宗，其中利用江庫聯(lián)網(wǎng)工程補水的水庫僅有4座，大多位于不易受咸潮影響的東部地區(qū)。受咸潮影響的西部地區(qū)調(diào)蓄能力較差，各水廠清水池調(diào)蓄能力僅為2 h。因此亟需加快推進江庫、水廠聯(lián)網(wǎng)工程，增強東莞西部地區(qū)調(diào)蓄能力，提升供水安全保障能力。

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