咸潮对磨刀门河口地区水资源系统影响浅析

咸潮对磨刀门河口地区水资源系统影响浅析

唐纤蕴

深圳市宝安区松岗街道办事处市政建设工程事务中心

1. 咸潮影响及研究

咸潮(或称咸潮上溯，盐水入侵)是指海洋大陆架高盐水团随潮汐涨潮流沿着河口的潮汐通道向上推进，盐水扩散、咸淡水混合造成上游河道水体变咸的现象。它是入海河流的河口区最主要的潮汐动力过程之一，是河口特有的自然现象和本质属性^[1-3]。咸潮上溯现象多发生在河口三角洲地区，河口三角洲作为独特的、自然动态的沿海社会生态系统，提供了价值数万亿美元的重要生态系统服务，包括丰富的生物多样性、肥沃的冲积土和渔业的水生栖息地，世界上有共约5亿人居住在河口三角洲地区，其密集度为全球平均居住人口的7倍^[4]，因此研究咸潮上溯是关注河口地区水资源系统及生态系统的重要课题。

粤港澳大湾区西岸城市群位于西、北江河网，水资源承载力相对较高，然而具典型季节变化特征，枯水期咸潮及水污染引发的水质性缺水问题凸显磨刀门水道连年受咸灾困扰，位于磨刀门河口的中山、珠海及澳门等行政区因此出现供水安全保障及水生态安全等制约当地经济社会发展的问题。突破和发展粤港澳大湾区的经济，需要从战略高度前瞻性加强粤港澳大湾区强咸潮河口蓄淡水库的规划及保护^[5]，高度重视咸潮上溯对沿海地区水资源系统的影响，并有针对性地用发展的眼光对咸潮造成的水资源问题进行系统性研究。

目前关于咸潮的研究多集中在探索咸水入侵的动力机制数值模拟和其与潮位关系的数理统计上，对咸潮上溯所带来的当地水资源系统结构变化及生态环境改变的研究仍处于起步阶段，鲜少有人将咸潮上溯这一自然现象所带来的危害进行综合评估或探讨。然而随着我国近年大力发展生态建设，人们越发关注人类发展背景下自然环境的改变对生态结构与水资源系统的影响，如全球气候变暖对水资源的影响或土地利用变化对当地水资源结构的改变等问题受到人们的关注^[6-8]，因此许多发源于经济学及社会学领域的系统评估方法和策略开始在水资源领域应用并发展。

2.咸潮对水质的影响

磨刀门咸潮期内河涌蓄水期间,由于咸潮期闸外水位高,水闸关闭避咸,闸内河涌水动力进一步降低,水量交换较少,河涌水体自净能力下降,污染物在河涌里滞留回荡,难以排出。受咸潮影响，有时外闸每轮关闸持续时间达约半月之久，河涌存水时间较长,水动力不足,进一步恶化了水质,河涌极易出现蓝藻水葫芦爆发等水环境问题^[9]。

为研究咸潮上溯对当地水资源系统的水环境质量造成的影响，本文依据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）对地表水水质的分类，并将未符合原水质指标的Ⅲ、Ⅳ类地表水归为被污染类，将未符合目标水质为Ⅱ类水的集中式生活饮用水地表水源地一级保护区等地表水归为受影响类，其余地表水归为达标类，主要参考指标为pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮及氯化物共7项。由于实时输入型原水水质对水环境质量产生影响的同时，河涌水道中多种水生生物与污染物的生物化学过程也会对此产生影响，因此需要考虑到水体发生自净作用所需时间，本文水质监测数据分析采用月尺度数据进行。

采用2016年1月到3月及2016年10月到2017年3月磨刀门受咸潮影响流域内35个测点共203个样本进行水质要素比较分析，其中被污染类样本数为99个，占Ⅲ、Ⅳ类地表水样本的61.9%，达标类则占38.1%。受影响类样本数为36个，占Ⅱ类水样本83.7%，达标类则占其中的16.3%，所有203个样本中达标的地表水样本仅占33.5%。而在对Ⅳ类水质目标样本进行分析时发现，在氯化物浓度超标的28个样本中，有22个样本氨氮浓度也检测出不合格，但仍有53个盐度达标的样本发生了氨氮超标的情况，占比70.67%（见表 2 -1）。

表 2‑1 各类水质目标样本检测指标不合格数目

由于2016年1月至3月广昌泵站取水口超标天数仅18天，尤其一月份只一天超标，是典型的丰水年枯水期阶段，2016年10月到12月广昌取水头部日均咸度超标天数达84天之多，平均每月都有28天超标，而次年（2017年）的1-2月期间共超标59天，即连续两个月每天都超标，是典型枯水年枯水期。将以上月份连续排列近似模拟咸潮危害依次增强的情景后，针对不同目标水质的地表水样本分类后分别进行不合格样本百分比变化趋势分析。结果表明，对于Ⅱ类水而言，咸潮对水体咸度影响并不大，其余水质指标在没有明显含氯度波动的情况下变化也不明显。而对于Ⅲ、Ⅳ类水而言，咸潮严重程度与水体中氯化物浓度超标比率呈正相关关系，与总磷指标超标比率则为负相关。在Ⅲ、Ⅳ类水中，氨氮、总氮两个指标不达标比率变化明显，但与氯化物浓度超标比率没有相关关系，可能是由于河涌在咸水来袭时采取关闸避咸的保护措施使得水道水质污染加剧有关。另外，在Ⅳ类水中，总氮有随着咸潮加剧而下降的趋势（见表 2 -2），可认为是由含氮量少的海水上溯至各河涌内造成。

南屏桥中取样点位于前山水道中段，上接坦洲涌下连洪湾水道，枯水期为阻挡咸潮入涌，通常将与磨刀门水道相连的广昌水闸、大涌口水闸及与近海相连的石角咀水闸关闭以保证相关河涌水质。从南屏桥中水质监测数据得知，水体中高锰酸钾指数与氨氮浓度变化趋势一致，且都与水体咸度有正相关关系。高锰酸钾及指数与氨氮浓度反应的是河道污水排放污染情况，这两个指数的增加表示咸潮上溯使得排污水堆积，进一步导致水体水质恶化（图2-1）。

表 2‑2 Ⅳ类地表水逐月超标样本百分比

图 2‑1 南屏桥中水质监测点水质要素关系

3.咸潮上溯对水资源系统的影响敏感性分析

3.1 可靠性计算

引入可靠性指数的概念分别对取水、蓄水两个维度进行咸潮上溯影响的敏感性分析。可靠性指数在水资源系统鲁棒性^[10]、气候变化响应等^[11,12]方面都有丰富的应用。参考Fowler^[13]等人的可靠性指数 的计算方法，结合咸潮上溯影响因素的特征，定义 为取水口水体日均咸度，则：

250mg/L时，=0; 否则，=1

（3‑1）

式中：

——月总天数，范围在28-31间；

——当 =0时，表示当天取水口水体日平均咸度超标，当 =1时，表示咸度达标；

——代表该月对应水体咸度达标可靠性（淡水保证率） ，用 表示。

若定义 为取水口日取水水量，则：

时，=1; 否则，=0

（3‑2）

式中：

——月总天数，范围在28-31间；

——取水水量，当 =0时， =0表示当天取水口没法取水，而 =1表示天取水口可以取水；当 =10时， =0表示当天取水口取水量小于10万吨，而 =1表示天取水口取水量大于等于10万吨；当 =15时， =0表示当天取水口取水量小于15万吨，而 =1表示天取水口取水量大于等于15万吨；

——代表该月对应取水口取水可靠性（保证率） ，用 表示。

3.2敏感性分析

为了增加水资源系统评估体系框架指标权重分配的客观性、科学性，先对咸潮上溯影响对象进行敏感性分析。所谓敏感性分析，就是一种定量描述模型输入变量对输出变量的重要性程度的方法^[14]。敏感性分析体现不同情境下，咸潮上溯影响对象的响应程度和梯度，更直观、全面的体现了咸潮上溯对水资源系统的影响。本文以思贤滘2006-2013共8年的平均日径流量为基准，采用线性插值法对2006-2013年间共7个枯水期（9月到次年4月）思贤滘月均来水量进行模拟，将枯水月思贤滘月均来水变化率

和对应可靠性指数变化率 作为敏感度预测因子（注：变化率指预测值与的百分比，如：100%表示无变化；90%表示降低10%），各取水口（从上游至下游依次为竹洲头、平岗及广昌站）及取水量 对应的可靠度 和 作为被预测指数，且：

=（3‑3） 其中，

分别将广昌站、平岗站、竹洲头站数据代入上式，可知在多年平均来水的30%-100%径流情境下各取水站点的 和 及对应的敏感性指数 和 。从表 3 -1可以得知，取水站点越接近河口则枯水期取水口 越低，且随着径流的减小其 越小，以广昌站为例，当上游来水只有多年平均的30%时，广昌站淡水保证率只有0.004，意味着此种情况下，几乎所有时间咸界线都将超过广昌站；同时，对于广昌站而言 敏感性下降趋势在来水30%-100%区间随来水量递减情况下较为一致；平岗及竹洲头站的 敏感性在来水30%-40%区间下降较明显，且在50%-100%区间内随着来水增加 敏感性缓慢贴近于0；平岗站 在来水为50%以上区间内小幅上涨，维持在0.8左右到0.9以内，表示平岗站受到咸潮上溯影响的可能性在来水大于50%时较小。

从表 3 -2可以得知，广昌站及平岗站的 在来水区间为多年平均来水的30%-100%时随水量增加呈上升趋势，而竹洲头站 除在来水为多年平均的40%-50%间略微上涨，整体呈下降趋势；另外，由平岗站 远高于广昌站及竹洲头站，表明平岗站在咸潮上溯期间当地主力取水泵站，当上游来水小于多年平均来水量时，广昌泵站能保证的取水天数不超过40%，而平岗站维持在70%以上，发挥巨大作用，当来水小于多年平均的50%、平岗站无法取水或取水量不足时，竹洲头站则作为平岗站备用取水泵站开始工作；同时，由 及 和它们对应的 可知当来水大于多年平均60%的时候，各泵站总取水量达每天十万吨的可靠性指数上升趋势减缓（ < 1.0），同时 也基本达到0.85以上，表明此时基本可以满足日取水十万吨的需求；而每天十五万吨的可靠性指数 在多年平均来水的70%-100%区间内在0.70值附近小幅波动，一方面是由于早年间区域用水需求没有达到15万吨，因此即便在满足取水15万吨的条件下也不会取足水量，因此不排除这些年份在此来水条件下取水水量基本能达到15万吨的可能。

表 3‑1 不同来水条件下各取水口淡水保证率敏感分析

表 3‑2 不同来水条件下各取水口取水水量保证率敏感分析

注：未标明水量则表示计算取水量指标 =0，如 表示平岗站取水保证率；

标明水量如： 则表示各取水口日取水量之和大于等于10万吨（m³）的保证率。

由于随着时间的推移，水资源系统的外部环境及内部条件都会发生变化，因此要用动态和发展的眼光看待咸潮上溯对水资源系统的影响。从2006年到2013年7个枯水期共8个自然年间，无论是经济的发展，人口数量变化及人类活动对自然环境的作用都有可能影响水资源系统对咸潮上溯的响应规律。

由各枯水期的8个月（如2008-2009年枯水期则为2008年9-12月及2009年1-4月）数据采用线性插值的方式模拟对应枯水期不同多年平均来水比例下的广昌站 值，发现在径流来水占多年平均来水30%-100%区间内， 值在各枯水期内呈上升趋势，不同年份枯水期随来水增加上升趋势不同，如2007-2010、2011-2012年间的枯水期广昌站 上升较为平缓；2006-2010与2010-2013年相比，在来水为多年平均50%以下时，后者 值整体低于前者且有逐年降低趋势，表示在来水较枯时（<50%）,2010年后的咸潮上溯情况比2010年以前更为严重，广昌站被咸水覆盖可能性更大，且有随着时间推移有加重趋势。其主要原因可能是：1.随着港珠澳大桥珠澳人工岛等大型工程项目的建设，由于大面积填土与节省成本的需要，磨刀门拦门沙出现了大规模的采砂，河道的下切及拦门沙的破坏加剧咸潮上溯深度^[15,16]。2.围垦及填海导致生态湿地的丢失，破坏了河口植物蓄淡压咸的天然屏障，使口门区的"调淡"作用消失^[17]。

结束语：

本文经过对磨刀门主河道的水质及其相关河涌等地表水的水质分析，发现咸潮上溯对Ⅱ类地表水水质影响不大，对Ⅲ、Ⅳ类水的影响主要在水体高锰酸钾指数及氨氮浓度的升高上，反应咸潮上溯使得河道排污受阻，导致水体水质恶化。而通过分析咸潮上溯期间当地取水蓄水数据，引入可靠性指数反映当地水资源系统的取水保证率和淡水保证率，同时结合敏感性分析方法计算不同径流条件下它们的脆弱程度，得出平岗站受到咸潮上溯影响的可能性在来水大于多年平均径流50%时较小及当来水大于多年平均60%的时候，各泵站总取水量可以满足每天十万吨的结论。考虑到水资源系统外部环境与内部条件随着社会经济发展产生的变化，加入时间维度信息对不同来水条件下的取水保证率和淡水保证率进行分析，得出在来水为多年平均50%以下时，咸潮上溯程度逐年加剧的结论，其现象可能由挖沙和围垦等人类活动造成。

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