長江中下游水資源的變化趨勢

長江中下游水資源的變化趨勢

1950年至2000年，長江以南威海平均產(chǎn)量為8898.06億米，年平均流量約為28700.s，但年年時間和年前發(fā)生了重大變化。年平均流量在842003s和68003s之間。旱季（11月4月）的總流量僅占年平均流量的29.11%。這是未來長江流域內(nèi)部水資源面臨的關(guān)鍵問題。近20多年來的記錄表明,鹽水入侵是長江口鄰近地區(qū)季節(jié)性與水質(zhì)型缺水的主要原因。未來長江三角洲的水資源將面臨兩個方面的挑戰(zhàn):其一是來自全球氣候變化與上中游地區(qū)的影響,如長江源區(qū)氣候增暖對冰川、湖泊、濕地的影響;岷江、嘉陵江等子流域森林破壞導(dǎo)致枯季流量出現(xiàn)明顯的下降趨勢等。另外,雖然大通枯季月平均流量目前還沒有較大變化,但長江中下游耗水量的急劇增長已能導(dǎo)致大通枯季最低流量發(fā)生陣發(fā)性和大幅度的下降(圖1)。其二是長江潮區(qū)界以下的水文過程和河口段動力地貌的變化。作為河口區(qū)枯季最重要的水文過程,大通-河口段(徐六涇)之間沿江兩岸大量抽水、引水導(dǎo)致的入海流量變化,是本文研究的重點(diǎn)。我國學(xué)術(shù)界常用大通水文站的流量來代表入海流量,安徽大通是長江口外潮汐影響的上邊界(潮區(qū)界)。在大通以上,長江水位與流量之間有良好的相關(guān)性,而大通以下,由于水文特征非常復(fù)雜,傳統(tǒng)水文站尚不能有效監(jiān)測斷面的流量。大通水文站距離河口段(江蘇徐六涇)仍有近600km,由于此河段沒有大的支流匯入,兩岸耗水量又迅速增長,再加上跨流域調(diào)水,造成河口段的淡水來量大幅度下降,枯季的大通流量已經(jīng)不能代表真正的入海流量。表現(xiàn)在河口鹽水入侵上,相近強(qiáng)度的鹽水入侵所對應(yīng)的大通流量明顯增大。研究大通以下枯季的徑流量變化,可用來估算旱季長江實(shí)際進(jìn)入河口區(qū)的水量,有利于科學(xué)解釋與預(yù)測河口的重要現(xiàn)象與過程;也可為未來南水北調(diào)與三峽水庫的運(yùn)用提供科學(xué)依據(jù)。1研究區(qū)域與研究范圍長江大通以下區(qū)域?qū)儆陂L江下游的一部分,橫跨安徽、江蘇兩省,流經(jīng)安徽省的銅陵、蕪湖、馬鞍山、巢湖,江蘇省的南京、鎮(zhèn)江、常州、無錫、蘇州、揚(yáng)州、泰州、南通和上海等13個地市。本文的研究范圍從大通水文站到徐六涇(長江近口段與河口段的交界處)。本區(qū)域內(nèi)氣候濕潤、雨水充沛、河網(wǎng)密布、湖蕩眾多,但沒有大的支流匯入長江,主要的支流有裕溪河、青弋江、水陽江、漳河、秦淮河、滁河和淮河入江水道。本區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),冬夏季風(fēng)明顯交替,四季分明。多年平均降水量在1000mm左右,但年內(nèi)降水多集中在5～10月,年際間降水量變幅也很大。2抽引工程及其抽引能力本文所用的數(shù)據(jù)和資料主要可分為4類。(1)長江大通水文站1950～2000年的流量數(shù)據(jù);(2)大通以下沿江兩岸的抽引水工程、設(shè)計(jì)流量、實(shí)際抽引水量記錄等。長江大通以下沿江兩岸的抽引水工程可分為引水閘和抽水站兩種,引水閘是靠自流引水,受潮汐漲落的影響;抽水站根據(jù)其運(yùn)行機(jī)制的不同又可分為兩種:一種是“單式”抽水站,即只有抽水站,沒有引水閘,這種抽水站在需水時即開機(jī)抽水;另一種是“復(fù)式”抽水站,即在河口處既有引水閘,又有抽水站,這種抽水站通常是在潮位較低,引水閘引不到水時才開機(jī)抽水,補(bǔ)充水源。大通以下沿江兩岸的抽引水工程及其抽引水能力(平均抽引水流量)的統(tǒng)計(jì)截止到2000年。(3)長江大通以下的水文氣象資料,如降水量、蒸發(fā)量、支流入江流量;(4)1:1750000的基礎(chǔ)地圖。3洪水的補(bǔ)給及流量影響長江大通以下徑流量變化的因素有兩個方面,一是自然過程,如水面蒸發(fā)與降水、支流匯入、河流與地下水的交換等。二是人類活動,近幾十年來,由于大通以下耗水量的迅速增長,使得人為的引排水成為影響枯季徑流量變化的主要因素。長江大通以下的水量平衡方程式為:式中:Rd為長江上游來水量(大通水文站),Rz為支流入江水量,Rp為沿江排水量,P為水面降水量,R1為地下水補(bǔ)給河流水量,Rr為長江入海徑流量,Ry為沿江抽引水量,E為水面蒸發(fā)量,R2為河流水補(bǔ)給地下水量。在上述影響因素中,由于水面蒸發(fā)、水面降水、補(bǔ)給地下水和地下水補(bǔ)給又與其它許多因素有關(guān),非常復(fù)雜且沒有證據(jù)顯示有趨勢性的變化,本文暫不予考慮,即只考慮支流的匯入和人為的引、排水。其關(guān)系式可簡化為:長江大通以下長近600km的河段沒有大的支流匯入,且大部分河流的入江口處都建有節(jié)制閘,人為控制,本文選用了相對較大的6條支流:裕溪河、青弋江、水陽江、秦淮河、滁河和淮河入江水道。統(tǒng)計(jì)研究表明:這些支流枯季的多年平均入江流量只有405.12m3/s,在豐水年平均700多m3/s,而在特枯年的1978年枯水期平均入江流量只剩下65.14m3/s,最枯月的1月份只有14.66m3/s,只相當(dāng)于一個小型抽水站或引水閘的取水能力?？梢?大通以下支流在枯水期的入江流量非常有限,而且隨著人類活動的加劇,有進(jìn)一步下降的可能。大通以下長江水位隨潮汐漲落的大幅度升降為沿江兩岸的自流引水提供了便利條件。20世紀(jì)50年代以來,為了解決兩岸地區(qū)和蘇北地區(qū)的水源問題,沿江修建了許多的抽引水工程(引水閘和抽水站),其中包括江都水利樞紐、泰州引江等江水北調(diào)工程。這些抽引水工程都是人為控制,在缺水的時候開閘引水、開機(jī)抽水,在防洪、排澇的時候開閘、開機(jī)排水。但在枯季特別是枯水年長江水位很低時,大部分引水閘關(guān)閘,以防止閘上水體流入長江。根據(jù)部分抽引水工程資料的統(tǒng)計(jì)研究表明:在特枯年的最枯月1月份或2月份,引水閘的排水量只占引水量的0.01,平水年也只有0.17,可見,在枯季特別是枯水年引水閘的排水量很少,抽水站的排水量更少。由此可見,長江大通以下枯季的入江流量很少,特別是在枯水年,長江流量的變化主要取決于沿江兩岸大量的抽引水。未來沿江兩岸地區(qū)的需水量會有很大的增長,包括未來抽水能力800～1000m3/s的南水北調(diào)東線工程,將對長江的入海流量產(chǎn)生十分顯著的影響。420年來，長江河口干旱期流量變化的評價與分析4.1長江口鹽水入侵源地和工近幾十年來,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,大通以下的枯季徑流量受到人類活動的強(qiáng)烈影響,進(jìn)而亦開始對長江的入海流量產(chǎn)生影響。在70年代以前,大通流量在10000m3/s時,河口一般沒有強(qiáng)烈的鹽水入侵。然而,1979年3月大通月平均流量10400m3/s時,長江口鹽水入侵上海吳凇水廠氯度卻高達(dá)1360mg/l(相當(dāng)于鹽度2.46‰)(國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)為氯度低于250mg/l),鹽水控制長江河口段水域并影響到太湖以東三角洲平原腹地,對江蘇省和上海市的工農(nóng)業(yè)與人民生活造成了極為嚴(yán)重的影響。至2001年3～4月,大通流量在15000m3/s以上時仍發(fā)生了強(qiáng)烈的鹽水入侵。除了近年來北支鹽水倒灌南支的增強(qiáng)以外,大通至河口區(qū)間大規(guī)模的抽引水是導(dǎo)致這一過程的主要原因之一。4.2氧指數(shù)和抽引水量對大通以下沿江兩岸水利工程的系統(tǒng)調(diào)查表明:1978年時大通以下水利工程的抽引水能力已達(dá)到3000m3/s(平均流量),該年長江中下游與黃、淮、海流域氣候普遍干旱,長江大通以下的抽引水量達(dá)331億m3。為了深入研究的需要,我們對沿江各省市這一時期的抽引水量進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)查統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明其總量在320～330億m3之間,與上述估計(jì)值十分接近。根據(jù)部分抽引水工程的實(shí)際抽引水資料,估算出大通以下1978～1979年冬半年(11月～4月份)的抽引水量約占1978年全年的30.98%。如采用這一比值,可得1978～1979年枯季(11～4月份)大通以下從長江抽引水量達(dá)102.54×108m3。截至到2000年為止,大通以下已有抽引水工程64個(圖2),總抽引水能力達(dá)4626m3/s(包括東線等主要工程)(圖3)。假設(shè)1978～1979年的特大干旱在現(xiàn)今的情況下重現(xiàn),則枯季的抽引水量將從1978年的102.54×108m3增至158.12×108m3。4.3不同季節(jié)抽引水量對長江徑流的影響前已述及,長江大通以下枯季的徑流量變化主要取決于沿江兩岸大量的抽引水。實(shí)際上,在許多情況下汛期的抽引水量更大,這時農(nóng)作物正處于生長季節(jié),需水量很大。但是由于汛期長江干流的徑流量很大,使得沿江的抽引水對長江的徑流量影響很小。所以本文只考慮枯季的抽引水,各相關(guān)參數(shù)也是在枯季引排水資料的基礎(chǔ)上計(jì)算的。4.3.1入江流量、蒸發(fā)量通過計(jì)算不同流量的出現(xiàn)頻率和降水量、蒸發(fā)量的距平百分率,綜合分析了大通以下枯季支流的入江流量、降水量(統(tǒng)計(jì)了32個水文站)和蒸發(fā)量(12個水文站),另外參考了部分抽引水工程的實(shí)際引排水資料。最終確定1978～1979年為典型特枯年,1976～1977年為典型枯水年,1977～1978年為典型平水年,1975～1976年為典型豐水年。4.3.2不同抽引工程利用月p由于各年的氣候變化和不同季節(jié)農(nóng)作物需水量的變化,抽引水量和入江流量的年、季差異很大。本文在分析部分抽引水工程的實(shí)際引排水資料及支流入江流量的基礎(chǔ)上,估算了過去不同水文年引水閘和抽水站的開閘或開機(jī)率、抽引水時間、引排水閘的排水系數(shù)、支流入江流量等參數(shù)。實(shí)際上自大通至徐六涇,沿江兩岸的抽引水工程受到潮汐漲落的影響,其抽引水的各相關(guān)參數(shù)應(yīng)該是隨時間與工程的位置而變化,本文只考慮每個潮周期內(nèi)的平均狀況。抽引水工程的開閘或開機(jī)率(P),本文計(jì)算分析了典型抽引水工程在1973～1985年之間不同水文年枯季的情況,結(jié)果顯示,特枯的1978～1979年枯季達(dá)到了97.5%,枯水年的1976～1977年和1979～1980年分別達(dá)到了86%和92%,平水年的1977～1978年和1980～1981年分別達(dá)到了83.3%和76%,豐水年的1975～1976年達(dá)到了72%。在此基礎(chǔ)上,本文假定在特枯年所有抽引水工程全部開閘或開機(jī)(100%),枯水年為90%,平水年80%,豐水年70%。抽引水時間(T)的估算分為引水閘和抽水站2種情況,其中抽水站又根據(jù)運(yùn)行機(jī)制的不同,分為“單式”抽水站、“復(fù)式”抽水站和江都水利樞紐工程三種情況分別計(jì)算。在抽引水工程實(shí)際抽引水流量的基礎(chǔ)上,計(jì)算其各典型年不同月份的抽引水量,然后除以該部分抽引水工程的實(shí)際抽引水能力(設(shè)計(jì)抽引水能力Q×開閘或開機(jī)率P)。江都水利樞紐工程即根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的實(shí)測流量(V江都)計(jì)算。在上述參數(shù)估算的基礎(chǔ)上,即可建立不同抽引水工程抽引江水量的計(jì)算公式:抽引水流量本文計(jì)算的是月平均流量,根據(jù)抽引水量換算即可(Vy=R引江/30/24/3600)。由于抽水站的排水量很小,所以本文忽略不計(jì),只計(jì)算引水閘的排水量。由于排水量的計(jì)算很復(fù)雜且資料短缺,本文根據(jù)部分引水閘各典型年的月引排水量數(shù)據(jù),計(jì)算出不同月份排水量和引水量的比值即作為排水系數(shù)K。排水量的計(jì)算:本文選用的6條支流資料比較齊全,不同典型水文年各月份的支流入江流量即通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算其月平均流量Vz。4.3.3實(shí)際資料檢驗(yàn)根據(jù)上述方法計(jì)算的各參數(shù)以及信息系統(tǒng)中的抽引水工程數(shù)據(jù)庫,建立了大通以下枯季徑流量變化計(jì)算模型(C=Vy-Vp-Vz),對4個典型水文年和枯水年的1994～1995年枯季3個典型月份11、1和3月份的抽引水量分別進(jìn)行了計(jì)算,且根據(jù)實(shí)際資料對特枯年和枯水年的參數(shù)進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明,1978～1979年枯季大通以下共抽引水99.4×108m3,根據(jù)部分抽引水工程的資料得1978～1979年枯季的抽引水量相當(dāng)于1978年全年的30.98%,由此可得1978年大通以下共抽引水320.89×108m3。據(jù)王超俊估計(jì),1978年大通以下從長江抽引水量達(dá)331×108m3,與其相比誤差為3.05%。用同樣的方法估算出枯水年1995年全年江蘇省共抽引水203.63×108m3,據(jù)文獻(xiàn)記錄,1995年江蘇省全年引水200.9×108m3,結(jié)果很接近,誤差為1.36%。平水年和豐水年沒有相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),不能進(jìn)行比較。4.4月之后的流量由計(jì)算結(jié)果(表1)可以看出,特枯年的1978～1979年大通以下的抽引水流量很大,排水流量和支流入江流量很小,典型月份11月、1月和3月份的月平均凈減少流量分別達(dá)到了674m3/s、494m3/s和539m3/s,在大通月平均流量中的比重已分別達(dá)到了4.26%、6.85%和5.19%。其它水文年由于大通以下支流入江流量和排水流量較大,各月份長江的月平均凈減少流量不大,平水年和豐水年還有所增加。90年代以后,隨著對水資源需求的增加和大通以下抽引水能力的增大,大通以下的抽引水流量已有很大增長(圖4),對入海流量的影響也明顯增強(qiáng),枯水年的1994～1995年枯季月平均凈減少流量近等于1976～1977年的兩倍。按此比例,目前如遇特枯年,大通以下枯季的月平均凈減少流量將達(dá)到1000m3/s以上。由計(jì)算結(jié)果也可以看出,在4個典型年中,均是11月份(或4月份)引水流量最大。1月份(或2月份)引水流量雖較小,但占入海流量的比重卻最大,而11月份(或4月份)所占入海流量比重較小。這里應(yīng)引起注意的是,特枯年大通水文站流量特別小,1月份只有7220m3/s。5抽引水量將上升長江大通以下地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,隨著沿江各抽引水工程的擴(kuò)建和配套設(shè)施的完善,其抽引水能力將大幅度增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),長江大通以下地區(qū)目前規(guī)劃實(shí)施中的各大工程,如引江濟(jì)太工程、江水北調(diào)工程中的泰州引江工程以及南水北調(diào)東線工程等,待2030年前這些工程全部完工以后,大通以下抽引水工程的抽引水能力將達(dá)到5416m3/s。如遇枯水年,兩岸的抽引水量將會進(jìn)一步上升。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前引江濟(jì)太工程在進(jìn)行的調(diào)水試驗(yàn)中,2001年10月和11月份的引江流量都到達(dá)了160m3/s以上(設(shè)計(jì)流量180m3/s)。南水北調(diào)東線工程目前的最大抽引水流量已達(dá)到500多m3/s,待二期工程完成后將達(dá)到800～1000m3/s,這一工程的運(yùn)作與調(diào)控將成為影響長江入海流量的重要因素之一。5.1水資源的供需矛盾隨著社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,未來20年我國的耗水量將有進(jìn)一步增長的趨勢。盡管有許多其它有利因素如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水技術(shù)與水價政策等,可能會相對緩和水資源的供需矛盾。不過在近期,總的耗水量仍會進(jìn)一步增長。本文假定大通-河口段目前規(guī)劃中的各大工程在2020～2030年之間全部完工,那時大通以下的抽引水能力將達(dá)到5416m3/s。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)2000年以前計(jì)算的各參數(shù)對未來大通以下枯季的徑流量變化進(jìn)行估算,只是原來的江都水利樞紐工程用南水北調(diào)東線工程替換,引水流量參照南水北調(diào)東線工程規(guī)劃,二期工程完成后流量將達(dá)到800～1000m3/s。5.2凈減少流量將增由估算結(jié)果(表1)可以看出,在未來20年內(nèi),大通以下的枯季抽引水量仍將大幅度上升(圖4),而排水流量增加不大,如遇特枯年份,大通以下長江的月平均凈減少流量在3個典型月份(11、1和3月份)將分別達(dá)到1578～1778m3/s、1279～1479m3/s和1369～1569m3/s,在大通月平均流量中的比重將分別達(dá)到9.99～11.25%、17.72～20.49%和13.16～15.09%。如遇枯水年,大通以下各月份的凈減少流量也很大,各月份均將達(dá)到1000m3/s以上,1、3月份的凈減少流量在大通流量中的比重均將達(dá)到10%以上。平水年和豐水年,由于抽引水量相對較少,而支流流量相對較大,大通以下的月平均凈減少流量不是很大,但平水年也將達(dá)到800～1000m3/s,在大通流量中的比重1、3月份也將達(dá)到7.16%～8.93%和8.81%～10.55%,豐水年影響較小