中国共产党第十八届中央委员会第三次全体会议明确提出建立资源环境承载力监测预警机制，对水土资源、环境容量和海洋资源超载区域实行限制性措施。水资源承载力成为水资源研究的焦点和热点。

中国水资源承载力研究始于20世纪80年代末，施雅风等^[1]率先在新疆开展研究工作。之后，水资源承载力的概念及内涵被广泛接受并随之引发了热烈讨论，关于水资源承载力的定义主要归纳为2个观点：1)水资源开发容量论或水资源开发规模论^[1]；2)水资源支持持续发展能力论^[2]。水资源承载力兼具4个内涵：生态内涵、时空内涵、社会经济内涵、持续内涵^[3]。虽然表述不同，但在技术层面承载力计算、承载状态评价的关键是科学确定水资源开发利用的边界。国内许多学者在全国、区域层面开展了大量研究^[2-5]。国外水资源承载力研究通常将水资源纳入可持续发展问题中进行讨论^[6-8]。

水资源开发利用边界受到各种水文要素的影响，又与生态、环境等因素关系密切。尽管在技术和应用上都取得了长足进展，但因水资源开发利用边界的确定随意性较大，导致水资源承载力评价结果受到来自多方的质疑，影响了研究成果在实践层面的应用。因此，根据不同水文分区，明确研究区域的水资源主要问题，识别区域水资源承载力的制约要素，提出物理机制明确且能反映水文机理的影响水资源承载力关键水文指标及其对应的临界条件，是水资源承载力研究的重点和难点。

从区域看，中国水资源承载力研究成果多集中于水资源问题突出的北方地区^[2-5]，而南方水资源丰沛，更多是从水环境容量的角度进行探讨。河口地区的研究大多为环境承载力方面。郑恺等^[9]建立东营河口区水环境承载力评价指标体系，并计算其承载力值；郑富龙等^[10]进行了黄河口地区的生态环境承载力多目标优化研究等。在人口密度最大、城市化程度最高、经济最发达的南方河口地区，水资源几乎完全依赖于上游来水，近年来随着水资源利用程度的提高，入海径流减少，引发了一系列威胁供水安全、生态环境安全的问题。相关研究亦表明，长江、珠江流域及东部沿海地区已无水资源承载力的优势^[11]。因此，在这一地区开展基于水文循环机理的水资源承载力关键技术研究，迫切且必要。

本文以长江口为例，针对水资源开发利用边界确定这一承载力研究中的技术难点，从问题产生的机理出发，识别影响承载力的约束和水文要素，提出定值方法及其临界条件，为河口地区水资源管理提供技术支撑，为水资源承载力研究提供借鉴。

1 关键指标 1.1 问题识别

长江口从徐六泾向下，平面河势格局为“三级分汊，四口入海”(图 1)。这里是中国人口最密集、经济最发达、最活跃的区域。长江为河口地区城市提供了丰富水源，承担着区域供水等重要功能。同时，河口地区作为海洋与河流的交汇带，是咸淡水交汇混合活跃的地方，其咸淡水混合的特殊生境使该区域成为幼鱼、无脊椎动物的育苗场及洄游鱼类的产卵场，淡水生态服务功能突出^[12]。近年来，随着上游河道外取水增加，入海径流减少，河口水文情势变化导致长江口长期形成的平衡状态受到破坏，盐水上溯区域扩大、发生机率增大、持续时间延长，对河口地区供水安全造成巨大威胁。此外，因水体盐度变化，对生境变化极为敏感的水生生态系统的潜在影响威胁着区域的生态安全^[13]。这种状态在低流量的枯水期尤为突出，有关报道不时见诸报端，引起社会各界的高度关注。

与北方地区全年水资源均处于紧平衡状态相比，长江口地区水资源承载力问题呈现出季节性、时段性的特点。犹如木桶效应的最短板，在低流量的枯水期，保证长江口区域供水安全和生态安全，以此作为承载力评价的刚性约束，即保证在最不利的条件下水资源开发利用处于不超载状态。

1.2 机理与水文要素 1.2.1 作用机理

河口水文情势的两大最主要动力学条件是潮汐和入海径流：1)潮汐是盐水的来源。理论上，潮汐越强，进入口内的盐水越多，混合水体盐度越大，盐水入侵程度越严重；2)在反映潮汐强弱的特征值中，潮差更具有客观性^[14]。研究表明，在一定的入海径流下，河口盐度变化由潮差引起，潮差越大，潮汐前进距离越远，携带的盐水越多，盐水入侵范围越大；3)入海径流对河口盐度有稀释作用。入海径流越大，冲淡水距离越远，盐水入侵距离越短，盐水入侵范围越小；反之，入海径流越小，冲淡水距离越近，盐水入侵距离越远，入侵范围越大。

长江口北支上段具有喇叭口地形，导致入海径流仅5%可进入北支，而大量外海潮水涌入北支造成北支口门内盐度几乎与外海相当。尤其枯水期，北支高盐度水体可深入至青龙港，随北支涨潮流越过崇明洲头进入南支，发生北支倒灌南支现象。进入南支的倒灌潮流分3条路径影响南支上中段水体(图 1b中①、②、③)。南支下段则主要受外海潮流的影响，自口门向内形成咸潮入侵路径^[15]。根据长期观测，枯水期盐水入侵较严重，洪水期基本无盐水入侵，而枯水年枯水期的盐水入侵最为严重。入海径流越小，盐水入侵持续时间越长。

1.2.2 水文要素

1) 入海流量。

有研究表明^[16]，大通水文站和徐六泾水文站流量过程基本一致，因此大通站的径流特征可以反映长江口入海径流变化情况。根据1950—2015年水文资料，大通站多年平均流量为28 300 m³/s，最小流量为4 620 m³/s，流量季节变化明显，其中枯水期(11月至次年4月)平均流量为16 542 m³/s。自2006年三峡水库蓄水并开始发挥作用以来，径流年内分配过程出现变化(表 1)，表现为洪水期年平均径流量减少(-10.6%)，枯水期径流基本无变化。

2) 潮差。

长江口属于中等强度的潮汐河口，为半日潮，一个太阴日内(约24 h 50 min)出现2次高潮和低潮。本文选择潮位资料完整的、能反映长江口南支潮位变化的高桥站作为代表潮位站，将每日相邻的最高潮位和最低潮位相减，得到2个潮差，取大的潮差作为当日的潮汐强度，一年逐日潮差随时间变化见图 2。高桥潮位站潮差具有明显的半月周期变化及年内变化，潮差范围介于1~4 m。

1.3 指标确定

长江口的水文情势是入海径流和潮汐相互作用的结果，而水域的盐度变化则是这两大水文要素相互作用、此消彼长的直接表象。潮汐是受日月影响呈周期变化的天文现象，不具有可控性，而入海径流可以通过规范上游水资源开发利用、进行水资源合理配置加以调控。因此，将入海径流确定为水资源承载力评价的关键指标，在枯水期确保一定的入海径流，避免河口地区因咸潮入侵引起水体盐度剧烈变化，以满足区域内供水、水生态系统安全为控制目标或临界条件。通过上述分析，将问题化繁为简，归纳为反映水文机理、物理意义明确的指标，为水资源承载力计算、评价提供科学依据。

2 关键指标临界条件的确定方法说明与模型构建 2.1 概述

长江口作为我国最大的河口，是盐水入侵研究的重点，对长江口咸潮入侵规律及影响、河口水流、盐度分布等物理过程模拟等有诸多研究^[17-18]。研究方法多采用现场观测、物理模型、数值模拟、统计分析等。尽管数值模拟对资料要求高，但因其物理机制明确，能够精细模拟区域水、盐变化过程和空间分布。本文采用MIKE21，该模型多用于模拟河流、湖泊、河口、海洋及海岸的水流、波浪、泥沙及环境变化，具体可参考文[19]。

2.2 长江口MIKE21模型的构建 2.2.1 边界设置

研究范围为上游至江苏省的江阴站，离长江口徐六泾约200 km，下游边界分别取南、北、东3个开边界，模型范围：东经120°~124.5°，北纬29.5°~32.5°，面积93 185 km²(图 1)。采用2000年实测地形资料。外海区域采用海图数字化水下地形，包括92 771个网格，54 243个网格节点。其中：外海的最大网格间距为8 000 m，口内的最小网格为200 m，外海到口内的网格尺寸逐渐变小。陆地边界采取“不可入，可滑移”条件^[20]，即沿闭边界法向水流速度为零。开边界在外海区域，通过潮波模型推算，本文选择全球潮波模型TPXO6.2，推算外海北、东、南3条边界潮位。该模型推算潮波采用13个主要分潮的调和常数：8个天文分潮M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁，3个浅水分潮M₄、MS₄、MN₄，2个长周期分潮M_f、M_m。

因江阴站仅有水位资料，而江阴径流量和大通径流量基本相等^[21]，模型的江阴边界流量采用大通站2002年2月11日至2002年3月13日逐日流量，钱塘江仓前边界因为流量极小且对研究区影响很小，作为陆边界处理。模型上游江阴边界：浅滩处采用干湿网格判别技术，各参数取值为h_dry=0.005 m，h_flood=0.05 m，h_wet=0.1 m。

模型上游盐度为0，外海盐度边界根据有关研究结果^[20]，南边界由西至东采用15‰~30‰盐度线性插值，外海东边界由南至北采用30‰~35‰盐度线性插值，北边界盐度由西至东采用25‰~35‰盐度线性插值。根据模拟范围，从初始盐度为0开始，连续模拟3个月，将得到的盐度场做为模型的初始盐度场。

2.2.2 参数设置

时间步长Δt=30 s, 利用Smagorinsky公式计算水平黏度系数，根据速度梯度估算涡流黏度。糙率场对潮汐潮流和潮差有很大影响。本文根据不同地区的深度反复标定糙率，糙率n的取值范围为0.010 5~0.02。盐度水平扩散系数对长江口盐度场有一定的影响。扩散系数越大，盐度扩散越快，扩散范围越大。根据重复的计算和校准，盐度扩散系数是一个常数值100 m²/s。

2.3 模型验证 2.3.1 潮位和盐度验证

选取崇明洲头、南门潮位站2002年3月1日至3月9日大、中、小潮全潮观测资料进行潮位验证(图 1)，验证结果如图 3a和3b所示。各潮位站实测值与计算值较吻合，大部分测站的高、低潮相位偏差在0.5 h以内，高、低潮潮位偏差在10 cm以内，模拟结果基本反映了长江口从口门至口内涨潮历时缩短、落潮历时延长的潮波变化。

选取与潮流同期的Y4、Y8盐度测点大、中、小潮盐度测验资料进行验证，盐度站位置见图 1。盐度实测结果为氯度，采用Knudsen盐度公式^[21]进行转换，验证结果如图 3c和3d所示。

2.3.2 模拟效果检验

采用Skill model^[22]检验模拟拟合程度。对潮位站点和盐度站点进行验证，时间为2002年3月1日至2002年3月9日。对每个小时潮位、盐度资料收集，以验证模型(表 2)。

潮位和盐度验证结果看，潮位验证Skill值都在0.9以上，拟合效果很好；盐度验证Skill值略低于潮位拟合结果，这是因为小潮时，部分测站盐度极低，对水流的敏感性很强。

3 模拟结果与临界条件

长江口三大水库(陈行水库、青草沙水库和东风西沙水库)取水口均在南支，且北支长期处在高盐度，因此本文针对长江口南支的盐度变化进行分析。承载力研究多是为宏观决策分析提供服务，其精度满足“量级不错，趋势一致，分布合理”即符合要求^[23]，且以满足盐度要求对上游进行实时调度，从管理角度难以实现，故文中取模型运行时段内不同潮差范围中的平均盐度值进行研究。

3.1 盐度变化 3.1.1 流量与盐度

以大通作为流量边界，在10 000、15 000、20 000、25 000、30 000和35 000 m³/s不同流量下运行模型，其他条件保持不变，分析8个测站的盐度变化。8个测站(图 1)基本覆盖整个南支，可以较好反映南支整体情况。

模拟结果显示(表 3和图 4)，随着入海流量增加，各测点盐度不断减小；盐度的空间分布为南支盐度分布从上而下呈“高-低-高”规律，上段“高”点位于南北支交界处附近的SB2点，此区间受北支倒灌南支影响，盐度较高；“低”点位于中段SB3-SB5，下段“高”点位于口门S1附近，主要受外海潮流影响。

3.1.2 潮差与盐度

大通站枯水期多年平均流量16 542 m³/s，以此作为模型流量边界进行模拟，将潮差分为：< 1.5 m、1.5~2.0 m、2.0~2.5 m、2.5~3.0 m、3.0~3.5 m、>3.5 m。研究不同潮差8个测站平均盐度的变化。模拟结果显示(表 4和图 5)，随着潮差不断增大，各测站盐度不断增大，SB2受北支盐水倒灌影响，高于周边测站盐度。

3.2 临界条件 3.2.1 判定标准

本文旨在确定入海流量阈值，以达到满足长江口供水、水生生态系统安全的调控目标。此项内容并非本文重点，在确定判定标准时作简化处理。参考水生生物的耐受盐度标准(主要是单个物种的耐盐度试验成果^[23])、工业用水盐度标准、农业灌溉盐度标准以及生活用水盐度标准，取外包线即选择这些标准中的最小值作为盐度标准。根据国家饮用水安全标准(GB 5749—2006)，当河口水体的氯化物浓度超过250 mg/L，即盐度超过0.45‰时，认为发生咸潮入侵，对供水安全、生态安全产生影响，此时水源地取水口不适宜取水，并以此作为控制标准，进一步定量研究盐水入侵过程。

引入超标面积比例(超标率)这一相对指标(式(1))，对典型入海流量、潮差和南支水体盐度超标情况进行分析。其中：S为总面积(南支总面积)，S_s为超标面积(在模型的运行条件下，南支超过盐度标准的面积)。

$ \varphi=\frac{S_{{\rm s}}}{S}. $

(1)

3.2.2 阈值确定

不同流量、潮差下南支水体盐度超标率(见表 5和图 6)显示：在流量小于10 000 m³/s时，开始发生盐水入侵；在流量接近25 000 m³/s时，超标率迅速下降；入海流量达到30 000 m³/s，超标率低于0.02%，盐水入侵基本得到控制。

长江口主要淡水水库对河口盐水入侵有一定的蓄淡避咸能力，有研究表明^[24]当流量持续低于14 832 m³/s时，青草沙水库每月盐度超标总时间为23 d，其中连续超标时间为13 d，其他各水库的超标时间和连续超标总时长高于青草沙水库。已经对水库取用水造成严重影响，调蓄能力弱化。10 000 m³/s左右的流量范围为临界流量的敏感区，此时南支盐度超标率的变化相近，通过分析同期潮位、入海流量等观测值出现频次，最终确定长江口水资源承载力控制指标的临界条件为：入海流量大于10 000 m³/s，可以抵御盐水大规模入侵；入海流量大于15 000 m³/s，可以满足水库取水要求；入海流量大于25 000 m³/s时，基本无盐水入侵，以此作为水资源承载力不同需求的约束性条件。

4 结论

本文以长江口地区为例，探讨了水资源承载力关键指标及其临界条件的确定方法。

通过水动力学模型对盐度场进行模拟，确定河口水体盐度不超标条件下的入海径流临界条件：入海流量大于10 000 m³/s，可以抵御盐水大规模入侵；入海流量大于15 000 m³/s时，可以满足水库取水要求；入海流量大于25 000 m³/s时，基本无盐水入侵。以此作为水资源承载力不同需求的约束性条件。

水动力学模型未考虑上游河道取用水过程，为完善技术方法，逻辑上更为严密，可与水文模型耦合，对河道沿程的取用水引起的径流变化进行模拟，提高精度。本文提出的研究思路可为不同水文分区开展类似工作提供借鉴。