长江口在发生极端严重的海水入侵后，对潮汐变化以及淡水释放的响应

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Response of saltwater intrusion to tidal variability and freshwater release after extremely severe saltwater intrusion in the Changjiang Estuary

长江口2022年极端盐水入侵事件中，潮汐波动与人工淡水调控对入侵响应的协同作用研究。基于长序列同步观测与数值模拟，揭示SWI滞后效应主导机制，发现北分汉盐水倒灌加剧分层，淡水释放后0.45 psu等盐线26.5 km外移，验证潮汐窗口期调控有效性。

　　

张万英|张志琳|马瑞|刘大伟|王一禾|朱建荣

中国华东师范大学河口与海岸研究院，上海，200241

摘要

2022年洪水季节，长江口发生了前所未有的海水入侵（SWI）事件，对淡水安全构成了严重威胁。本研究利用在南北支流进行的综合现场数据，调查了海水入侵对潮汐变化和淡水释放的响应。数据涵盖了自然缓解期（9月29日至10月7日）和紧急淡水释放期（10月16日至22日）。结果表明，海水入侵引发了显著的滞后效应，缓解过程占据了主导地位。北支流的海水溢出加剧了海水入侵，导致上游分层加剧而下游分层减弱，从而增强了盐分的滞留。通量分解显示，高盐度背景是由低流量引起的向陆地方向的拉格朗日输送维持的，而潮汐泵送和垂直剪切输送则起到了盐分滞留的作用。紧急淡水释放后，表层0.45 psu（饮用水标准盐度）等盐度线迅速向海方向后退了约26.5公里，有效缓解了上海的供水危机。这一成功归因于在退潮期间进行调节的最佳时机。人工淡水释放与自然盐度降低的协同作用逆转了拉格朗日输送，引发了“垂直解耦”，增强了分层，使表层水源与底层海水分离。本研究强调了在多支流河口同步调节与有利潮汐阶段相结合的重要性。

引言

海水入侵（SWI）是河口中的基本现象，由向海方向的淡水平流与向陆地方向的盐分输送之间的平衡决定，这与潮汐混合和密度驱动的交换流有关（MacCready和Geyer，2010）。作为复杂的近岸系统，河口的SWI动态受多种水动力因素影响，主要是河流流量和潮汐，这些因素又受到风应力和地貌的调节（Lange等人，2020）。周期性潮汐平流在潮汐周期内重新分配盐度；然而，潮汐还通过残余环流和混合相关过程影响净盐分平衡。即使在没有平均流量的情况下，潮汐流与非规则海底地形或海岸线几何形状之间的非线性相互作用也能产生净残余流（Zimmerman，1981），从而通过水平扩散和混沌平流增强盐分输送（Zimmerman，1986）。此外，潮汐应变可以产生混合不对称性，导致潮汐泵送输送，并增强潮汐平均剪切力，在某些情况下，这种剪切力对残余环流的贡献甚至超过了斜压梯度（Becherer等人，2016；Burchard和Baumert，1998；Simpson等人，1990）。虽然河流流量通过稀释盐度和增强向海方向的正压梯度力来调节SWI（Becker等人，2010；Xu等人，2008），但人为干预（如水库调节）进一步复杂化了这些自然平衡（Jin等人，2024；Qiu和Zhu，2013；Zhu等人，2021）。风应力可以通过水平平流（Uncles和Stephens，2011；Xu等人，2008）、垂直混合（Uncles和Stephens，2011；Wang等人，2022；Xu等人，2008；Zhang等人，2021）、艾克曼输送、沿海流和沿海困波（K?rner等人，2024；Li等人，2022；Li等人，2020；Li等人，2012；Zhu等人，2020a）等机制显著改变分层和盐分输送。

长江口是一个中潮河口（最大潮差约3.38米，最大流速约2.0米/秒），具有多个分叉和大量的淡水注入（每年约9.00×10^11立方米），是研究这些相互作用的理想实验室。河流流量和潮汐之间的竞争决定了SWI的总体强度；然而，分叉的地形通过创建多条入侵路径使这一过程复杂化，包括正面入侵、盐水冲刷沙洲以及来自其他支流的盐水溢出（Mao等人，2001）。北支流（NB）向南支流（SB）的盐水溢出是最显著的例子，这会导致典型的“高-低-高”纵向盐度分布，并显著扩大高盐度水域的面积（Mao等人，2001；Yang等人，2023；Zhang等人，2019）。受季风气候控制，长江口的SWI通常发生在旱季（11月至4月，仅占年总量的约30%）（Milliman和Farnsworth，2011）。值得注意的是，夏末和初秋期间梯级水库的蓄水（总有效容量约7.06×10^10立方米）可能触发SWI（Jin等人，2024；Qiu和Zhu，2013）。风应力作为一种重要的外部力量，有时对SWI的影响大于河流流量或潮汐。北风引起的向陆地方向的艾克曼输送已被证明能显著增强长江口的SWI（Li等人，2022；Li等人，2012；Zhu等人，2020a）。

得益于长江丰富的淡水资源和长江口有利的航运条件，上海是一个拥有超过2480万居民的特大城市（上海市统计局，2021年），面临巨大的淡水需求。为了保证淡水供应，建造了一系列河口水库，包括青草沙水库、东风西沙水库、陈港水库和太仓水库（图1），用于储存来自河口的淡水。这些水库供应了上海约80%的淡水（Zhu等人，2020b）。然而，SWI对这些储存容量有限的水库构成了严重威胁。如果取水口的盐度超过0.45 psu（GB5749-2022饮用水质量标准），长江口的河水被认为不适合饮用。根据上海海洋监测与预报中心（2022年）的数据，2010年至2021年间这些河口水库共遭受了63次SWI事件，其中大多数发生在旱季，每年通常发生两到三次，每次持续5到6天。

在如此高的用水需求压力下，2022年洪水季节的极端SWI事件带来了前所未有的挑战。在长期干旱和持续低河流流量的情况下（图2（a）），由两个北向台风（Hinnamnor和Nanmadol；图2（c）和（d））引发的强北风，触发了极其严重的SWI事件（Ma，2024；Ma等人，2025）。在这次极端事件中，青草沙水库有98天不适合取水，达到了历史最高水平（图2（e）。这一危机迫使长江水利委员会（CWRC）采取紧急措施，从长江流域的梯级水库释放了大量淡水（40.63×10^8立方米），以抑制SWI（Qiu等人，2025），导致长江口取水口的盐度急剧下降（图2（e））。这一系列事件，包括极端自然SWI之后迅速进行的大规模人工调节，为探索在这种前所未有的情况下SWI的响应和潜在的盐分输送机制提供了难得的机会，这与典型的季节性变化不同。

为了全面了解这一极端事件的响应和机制，我们收集了长江河口水文与水资源调查局（CEB）进行的两次航次的现场数据。这些大规模的纵向和多船同步调查在空间覆盖范围和分辨率上均超过了以往关于该事件的观测报告。重要的是，这些观测捕捉到了两个重要时期：严重SWI的自然缓解期（2022年9月29日至10月7日）和紧急调节期（2022年10月16日至21日）。通过将这些宝贵的现场数据与通量分解分析和数值模拟相结合，我们旨在阐明SWI的响应，并确定在这种复合极端条件下的盐分输送机制。具体来说，本研究解决了以下关键科学问题：在极端SWI事件之后，（1）在建立极端高盐度背景后，SWI如何响应潮汐变化？（2）在多分叉河口中，SWI如何响应快速的人为淡水释放？（3）在这些复合极端条件下，驱动盐分输送的关键机制是什么？本文的结构如下：第2节介绍了观测和通量分析方法。第3节描述并分析了观测站点的流速和盐度的时空变化以及不同时期的SWI原因。第4节利用通量分析和数值模拟讨论了盐分输送机制。第5节提出了结论。

部分摘录

测量站点

为了研究淡水-盐水界面的动态范围以及流速和盐度的时空变化，CEB在2022年9月29日至10月7日和10月16日至21日期间分别对南支流（SB）和北支流（NC）进行了两次纵向调查和同步调查。在第一次航次中，纵向调查路线包括徐吕泾段（9月29日观测）和白庙-杨林段（

纵向调查

从9月29日至10月6日，在徐吕泾至陈港水库的河段进行了四次表层盐度的纵向调查。在这次航次中，表层0.45 psu等盐度线向陆地方向的移动延伸到了徐吕泾下游约7.5公里处（图3）。SWI强度的时空变化与潮差波动同步：10月3日潮差降至最低时，0.45 psu等盐度线后退，而当潮差恢复时又再次向陆地方向前进

潮汐对海水入侵长度的影响

经典的盐度平衡理论指出，在稳态条件下，海水入侵长度（L）由河流流量驱动的向海平流输送与交换流和潮汐混合驱动的向陆地输送之间的动态平衡决定（MacCready和Geyer，2010）。北支流（NB）和南支流（NC）不同的地貌特征导致了根本不同的潮汐响应。NB具有典型的漏斗形几何结构，这导致了强烈的

结论

在极端低河流流量和连续台风的共同影响下，2022年洪水季节长江口发生了极其严重的SWI事件。为了缓解淡水供应压力，长江水利委员会（CWRC）从长江流域的梯级水库实施了紧急大规模淡水释放。本研究调查了严重SWI缓解期（9月29日至10月7日）和

CRediT作者贡献声明

朱建荣：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。王一禾：概念构思。张志琳：调查、正式分析。张万英：撰写——初稿、可视化、正式分析。刘大伟：调查。马瑞：撰写——审稿与编辑、监督

未引用的参考文献

上海海洋监测与预报中心，2022年；Zhu等人，2015年。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明，在进行本研究时不存在任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号2023YFC3206003）、国家自然科学基金（项目编号U2340225、42276174）和上海市科学技术委员会（项目编号23DZ1203002）的支持。这是对帮助作者工作的具体同事、机构或机构的感谢。