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三代科学家献策上海淡水资源利用

3月22日是第三十个“世界水日”也是第三十五届“中国水周”(22日至28日)的开始。联合国确定今年“世界水日”主题为“珍惜地下水,珍视隐藏的资源”,我国“世界水日”“中国水周”活动主题为“推进地下水超采综合治理 复苏河湖生态环境”。

上海位于东海之滨、长江之尾,内有黄浦江和苏州河,以及众多内河,且有巨量径流的长江流过,理应不缺淡水。但2010年之前,上海的用水主要取自黄浦江,水量不足,水质较差,属于水质型缺水城市,需要将水源地战略性地转移至长江河口,建设河口避咸蓄淡水库。

为了江水绿如蓝,几十年来,华东师大科研人员扎根河口,开展了大量现场观测、数值模拟和理论分析,在河口淡水资源利用中提供了重大科技支撑,奋力书写城市高质量发展“绿色”答卷,用实际行动讲述“人不负青山,青山定不负人”的动人故事。

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长江河口咸潮入侵示意图       华东师大供图

开源淡水:“可就近在边滩建水库”

在河口建设水库,面临的最大问题是盐水入侵(也称咸潮入侵)。在长江河口建设水库,充分利用巨量的长江淡水资源,需要研究和揭示长江河口盐水入侵的时空变化规律、动力过程和机制,在此基础上科学选择水库场址、设计水库库容、数值预报盐水入侵,保障取水安全。

上世纪80年代初,我国筹建宝山钢铁厂,选址上海西北的长江口南岸。炼钢需要优质淡水,盐度标准需低于50 mg/L,远低于饮用水盐度标准250 mg/L。因长江河口存在盐水入侵,原计划从淀山湖引水,但距离远、投资大。

针对这一问题,华东师范大学河口海岸科学研究所教授沈焕庭通过深入研究盐水入侵的规律,发现在枯季盐水入侵季节有出现淡水的事实,建立模型并给出对策:可就近在边滩建设水库。

沈焕庭团队首次对影响长江口盐水入侵的因素、盐水入侵对生活、工农业用水与河口过程的影响、盐水入侵来源、盐淡水混合类型、河口段与口外海滨盐度的时空变化规律、南水北调、三峡工程等大型工程以及海平面变化对盐水入侵的影响、最长连续不宜取水天数的估算和河口盐度预报方法等进行了较全面系统的研究。

最终,宝钢水库于1985年9月建成运行,总库容1200万m3,日供水16.4万m3(宝钢专用),为宝钢提供了大量优质原水,节省了大量资金。

根据沈焕庭教授的研究,上世纪90年代初,上海又确定紧邻宝钢水库建造陈行水库,新水库于1996年建成通水, 解决了上海部分城区的工业和市民的用水需求。该总库容为860万m3,供水能力206万m3/日,约占全市原水供应量的12%。陈行水库建成通水结束了上海市区用水以黄浦江为唯一水源的历史,由单水源过渡到双水源格局。

精准盐度:为水库库容设计提供关键参数

继宝钢水库、陈行水库后,上海又在长江河口陆续建成青草沙水库和东风西沙水库。青草沙水库源于20世纪90年代华东师范大学河口海岸研究所教授陈吉余提出的“干净水源何处寻,长江河口江中求”设想,并经过十多年的长期科学论证,确定了在长兴岛的青草沙建设江心洲水库的方案。青草沙水库位于长江口南北港分流口下方,长兴岛西北侧,为江心水库。该水库2010年10月建成,有效库容3.82亿m3,供水规模为500万m3/日,为特大型水库,原水供应占全市50%以上,受益人口超过1300万人。至此,上海完成了水源地从黄浦江向长江口的战略转移。

2014年1月建成的东风西沙水库位于长江口南支上段的北侧、崇明岛西南部,在东风西沙与崇明岛之间的潮沟圈围而成。有效库容890.2万m3,近期供水规模为21.5万m3/日。该水库专门为崇明岛供水,在建设世界级崇明生态岛中起着重要的作用。

水库筹建期间,华东师范大学河口海岸学国家重点实验室教授朱建荣研究组以径流量特枯的1978年至1979年作为水文计算年,模拟出了青草沙和东风西沙水库取水口盐度随时间变化过程,并得出得出两座水库最长连续不宜取水天数分别为68天和26天的重要结论。

这个水库库容设计的关键参数,在水库建设中被采用,为水库建设和上海淡水资源的战略转移提供了科技支撑。

此后,朱建荣研究组又成功研发了高精度三维河口盐水入侵数值预报系统,提前预报盐水入侵,保障水库取水安全。

立足生态:为水库供水安全保驾护航

作为世界最大的生态型、江心洲水库,青草沙水库在建设初期就保留了大面积的自然植被,库区水质及环境条件得天独厚。

从2013年开始,华东师范大学河口海岸学国家重点实验室副研究员童春富带领研究团队,在青草沙水库开展了库区生态特征及其变化、生态效应与有效管控等系列研究,不仅理清了青草沙水库库区包括植被、大型土壤动物、鸟类、土壤种子库等的生态特征及其变化趋势,其研究提出的意见和建议,包括收割有利于促进芦苇等湿地植物生长、提升植被水质净化功能;根据生物量和氮磷赋存量确定库区植被最佳收割时机;根据植物季节性生长节律适当调节水库运行水位,保障库区生态条件的可持续性等,已应用于指导水库运行管理实践,有效保障了水库生态条件良性、可持续发展以及水库供水安全。

2016年12月,上海市另一个重要水源地金泽水库建成供水,总库容约910万m3,日供水量约350万m3,为上海市包括金山、闵行、奉贤、松江、青浦等西南五区近670万人提供生活用水。

2017年,童春富团队开始在金泽水库开展包括植被、鸟类、大型底栖动物、浮游植物等在内的系统监测与分析,开展了金泽水库水质调控与稳定关键技术的相关研究,提出了库区水生植物营建与管理、浮床种植提升水质净化功能等相应的技术方法和建议,在推进库区生态建设的同时,积极为水库的供水安全保驾护航。

随着上海正向“五个中心”建设大步迈进,对自然资源开发利用有了更多期待,也对生态文明城市建设有了更高追求。华东师范大学科研人员始终坚持利用生态优势,深入挖掘资源禀赋,为水资源的可持续利用建言献策,让源源流淌的碧水流淌进千门万户,为推动上海经济社会发展全面绿色转型提供新动能。

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