河口底泥鹽度釋放模型研究及應(yīng)用*

彭進(jìn)平，逄 勇，周蓓蕾，王 華

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006;2. 河海大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院//淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

河口是河流與海洋的交匯地帶，其主要特征是鹽淡水混合及底泥鹽化[1-2]。河口水庫是利用河口的天然優(yōu)勢，在河口處建筑攔河大壩而建成的河道水庫，其既有水庫特征，又有河流特性。建設(shè)河口水庫進(jìn)行蓄淡利用是區(qū)域水資源利用的有益補(bǔ)充。然而在河口水庫蓄水初期，庫內(nèi)殘留海水和鹽化底泥中鹽分的分子擴(kuò)散會導(dǎo)致水庫蓄水的鹽化，使河口水庫的蓄水失去其資源的功能。但由于鹽化底泥中鹽分的庫存是有一定限度的，隨著水庫上游來水的不斷進(jìn)入，河口水庫的蓄水便出現(xiàn)混合、蓄滿、下瀉，而逐步實(shí)現(xiàn)整體的置換，水庫蓄水的鹽度便會逐步降低，因此河口水庫鹽度的影響主要表現(xiàn)在未來水體淡化的速度上[3]。目前關(guān)于蓄淡水庫底質(zhì)中鹽分釋放的規(guī)律研究已有一些研究[4]，但其成果僅將底泥鹽度釋放對蓄淡利用的影響直觀估計(jì)為1年～2年，對于河口蓄淡利用的指導(dǎo)相對欠缺。部分研究通過建立完全混合和不完全混合模型對蓄淡水庫進(jìn)行了蓄水的水質(zhì)淡化預(yù)測，但在鹽度釋放參數(shù)的確定上又缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)率定，結(jié)果實(shí)效性相對較低[5-6]。針對這些不足，本文首先開展了室內(nèi)模擬換水實(shí)驗(yàn)，研究了不同底泥鹽度特征的釋放規(guī)律；基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了河口底泥鹽度釋放模型，并以規(guī)劃建設(shè)的鑒江調(diào)水樞紐工程――鑒江河口蓄淡水庫為例對模型進(jìn)行了應(yīng)用研究。本文研究成果將為河口水資源合理高效開發(fā)提供非常關(guān)鍵的依據(jù)。

1 底泥鹽度釋放實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

在GPS map 76衛(wèi)星定位儀定位下，分別在鑒江河口的下段(出?？?、中段(黃坡橋下)及上段(吳陽壩下)3個(gè)采樣點(diǎn)，見圖1，以抓斗采泥器采集河床表面底泥20 kg于干凈塑料桶中，密封后帶回備用。

圖1 河口地區(qū)及試樣采集點(diǎn)

底泥鹽度換水釋放實(shí)驗(yàn)具體步驟為：①將各采樣點(diǎn)采集回來的底泥(重1 kg)分別置于3 L的圓桶中，輕鋪平整(泥厚度為3 cm，水泥界面面積0.016 m2)；②以虹管吸入純凈水2 L(上覆水深12.5 cm)，靜置，每間隔3、6、9 d，以虹管吸出上覆水并攪拌均勻，測其鹽度，同時(shí)用微量注射器抽取底泥中水樣測定其鹽度；③再吸入2 L純凈水，之后每間隔3、6、9 d重復(fù)進(jìn)行以上吸水、測鹽度、測定底泥水樣鹽度及補(bǔ)水等實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)歷經(jīng)30 d。底泥鹽度靜態(tài)釋放實(shí)驗(yàn)具體步驟為：①將各采樣點(diǎn)采集回來的底泥(重1 kg)分別置于3 L的圓桶中， 輕鋪平整(泥厚度為3 cm， 水泥界面面積0.016 m2)；②以虹管吸入純凈水2 L(上覆水深12.5 cm)，靜置，每間隔3 d抽取上覆水測定其鹽度(在測定前30 min先以干凈玻棒攪拌均勻)，同時(shí)用微量注射器抽取底泥中水樣測定其鹽度。實(shí)驗(yàn)中，水體鹽度的測定方法為銀量滴定法(GB17378.4-1998)。

1.2 結(jié)果與分析

1.2.1 河口底泥特性 對采集回的底泥進(jìn)行分析表明，鑒江河口段均為沙質(zhì)底，其中河口上段為粗沙底，中段為中沙底，下段為軟細(xì)沙底；底泥顆粒從上往下逐漸變小，表明區(qū)域河道來水流速相對平緩，排沙量低。底泥鹽度則從上往下逐漸變大，河口下段為7.07 g/kg，上段僅為0.87 g/kg。底泥的基本性質(zhì)見表1。

1.2.2 底泥鹽度釋放規(guī)律

(1)底泥間隙水不同(本底)鹽度下鹽度的釋放特征。

表1 底泥基本性質(zhì)表

底泥間隙水不同本底鹽度(分別8 800 mg/L、2 600 mg/L及780 mg/L)條件下，上覆水鹽度與時(shí)間的關(guān)系，見圖2。從圖中可以看出，在相同的換水周期里，間隙水本底鹽度大的，其上覆水鹽度也相應(yīng)較大，間隙水本底鹽度小的，其上覆水鹽度也相應(yīng)較小，結(jié)果表明底泥間隙水本底鹽度是影響鹽度向上覆水釋放的主要因子；從圖中也可以看出，換水實(shí)驗(yàn)的初始周期，上覆水鹽度變化較大，后期則較為平緩，結(jié)果表明，底泥間隙水本底鹽度向上覆水釋放均以換水的初期為最高，也即初期上覆水累積的鹽度大，隨著換水次數(shù)的增加，其釋放則逐步減弱，上覆水累積的鹽度則逐漸降低。

圖2 不同間隙水本底鹽度下，底泥鹽度釋放與時(shí)間關(guān)系圖(換水周期分別為3、6、9 d)

(2)不同換水周期下底泥鹽度的釋放特征。

不同換水周期下，上覆水鹽度與時(shí)間的關(guān)系,見圖3。從圖中可以看出，換水周期越長，上覆水鹽度就越大，結(jié)果表明，在相同的底泥間隙水本底鹽度的狀況下，換水時(shí)間越長，底泥鹽度釋放到上覆水的累積鹽度就越大。隨著時(shí)間的推移，底泥鹽度向上覆水的釋放均逐步減小，這應(yīng)主要是底泥間隙水本底鹽度也因不斷地釋放而降低的緣故。

圖3 不同換水周期下底泥鹽度釋放與時(shí)間關(guān)系圖(本底鹽度分別為8 800、2 600、780 mg/L)

(3)底泥鹽度靜態(tài)釋放特征。

圖4為靜態(tài)釋放實(shí)驗(yàn)中，不同底泥間隙水本底鹽度下，其上覆水鹽度隨時(shí)間的變化圖，從圖中可以看出，在釋放初期，底泥鹽度的釋放程度相對較快，上覆水鹽度增加幅度也相應(yīng)較大，后期則相對平緩，該結(jié)果與換水釋放實(shí)驗(yàn)一致，主要也是因?yàn)榈啄帑}度的釋放使其本底存量降低，而上覆水則濃度增加，最終導(dǎo)致鹽度在底泥與上覆水間的濃度差降低所致。隨著時(shí)間推移，上覆水鹽度逐步累加，經(jīng)30 d，上覆水的鹽度分別達(dá)2 626、932、533 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過飲用水水質(zhì)的要求。

圖4 底泥鹽度釋放與時(shí)間關(guān)系圖(靜態(tài)釋放)

2 河口底泥鹽度釋放模型

2.1 模型建立

依據(jù)質(zhì)量守衡原理，采用完全混合系統(tǒng)水質(zhì)模型，具體模型為：

CinQin+FS=QoutCout+V(Cout-Cin

(1)

式(1)中：S為水庫水面面積 (m2)；F為底泥中鹽分釋放通量(mg/d·cm2)；Cout為完全混合后的水質(zhì)濃度(mg/L)；Cin為來水水質(zhì)濃度(mg/L)；Qout為流出系統(tǒng)的流量為 (m3/s)；Qin(m3/s)為進(jìn)入系統(tǒng)的流量；V為水庫的庫容(m3)。

底泥中鹽度釋放量隨時(shí)間一般呈指數(shù)衰減規(guī)律，具體為：

F=F0exp(-kt)

(2)

式(2)中：F0為初始釋放通量(mg/d·cm2)；k為衰減系數(shù)(1/d)；t為衰減時(shí)間(d)。

對于蓄淡水庫而言，鹽度滿足20.0 mg/L時(shí)，其供水水質(zhì)才能合格，因此以鹽度是20.0 mg/L為鹽度達(dá)標(biāo)計(jì)算點(diǎn)，以天為計(jì)算時(shí)段進(jìn)行時(shí)間計(jì)算。根據(jù)式(1)、(2)，則在蓄淡的第一天有：

(3)

式(3)中：C1為蓄淡第一天完全混合后的水質(zhì)濃度(mg/L)；

第二天有：

(4)

第n天有：

(5)

則當(dāng)Cn≤20 mg/L時(shí)，計(jì)算得n值。

2.2 參數(shù)率定

2.2.1 釋放衰減系數(shù)k的確定 根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，在換水實(shí)驗(yàn)里，上覆水鹽度的變化隨時(shí)間呈負(fù)指數(shù)分布，相關(guān)系數(shù)(R2)在0.946 6～0.998 5之間，結(jié)果表明，底泥鹽度釋放符合隨時(shí)間一般呈指數(shù)衰減規(guī)律，各指數(shù)方程式及相關(guān)系數(shù)見表2。換水周期為3 d時(shí)，k值在0.068 9～0.096 4之間，換水周期為6 d時(shí)，k值在0.047～0.089 3之間，換水周期為9 d時(shí)，k值在0.041 7～0.076 5之間，結(jié)果顯示，k值與底泥間隙水鹽度沒有明顯的相關(guān)性，但隨著換水周期的增大，k變小，表明換水周期與k值有較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境估算時(shí)，均采用最惡劣狀態(tài)進(jìn)行，因此本文k值在換水周期為3 d時(shí)，k=0.068 9；6 d時(shí)，k=0.047；9 d時(shí)，k=0.041 7。對于其它換水周期的k值，則以換水周期與k值的關(guān)系圖(見圖5)或相關(guān)方程式進(jìn)行計(jì)算，同樣取最小值。相關(guān)方程式如下：

圖5 換水周期與衰減系數(shù)k的相關(guān)圖

間隙水鹽度為8 800 mg/L時(shí)：

y= 0.107 2e-0.035 7xR2= 0.938 7

(6)

間隙水鹽度為2 600 mg/L時(shí)：

y= 0.126 2e-0.116 6xR2= 0.863 3

(7)

間隙水鹽度為780 mg/L時(shí)：

y= 0.084 8e-0.083 7xR2= 0.916 3

(8)

以上各式中：y代表k；x代表換水時(shí)間(d)。

表2 不同換水周期底泥鹽度釋放變化趨勢曲線表

2.2.2 初始釋放通量F0的確定 底泥與上覆水界面鹽度的釋放通量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后水體濃度變化直接計(jì)算獲得[7-11]，計(jì)算公式為:

/(A*t)

(9)

式(9)中，F(xiàn)為底泥～上覆水界面釋放通量(mg/d·cm2)；Vt為實(shí)驗(yàn)上覆水體積(mL)；Ct、Ct-1分別為在t和t-1時(shí)刻水中鹽度的濃度(mg/L)；A為底泥與上覆水界面面積(cm2)；t為時(shí)間(d)[12]。

圖6 初始釋放通量F0與底泥本底鹽度相關(guān)圖

底泥鹽度的釋放通量主要受底泥間隙水鹽度的影響，其與底泥間隙水氯離子濃度相關(guān)圖(見圖6)，關(guān)系式為：

y= 0.043 6e0.605 3xR2= 0.733 9

(10)

式(10)中：y為初始釋放通量；x為底泥間隙水氯離子濃度。

3 應(yīng)用研究

鑒江干流發(fā)源于信宜縣五里大山，河長211 km，集雨面積9 464 km2，多年平均逕流量為80.44億m3，P=90%年徑流量45.45億m3，鑒江不同頻率徑流量見表3。鑒江河口水庫正常蓄水位為2.5 m，相應(yīng)河槽庫容為0.742 5億m3。根據(jù)公式(10)及鑒江河口采集樣品中底泥間隙水鹽度最大值為8 800 mg/L，則鑒江底泥初始釋放通量F0為8.97 mg/d·cm2；衰減系數(shù)k則根據(jù)式(6)～式(8)及蓄淡水庫的來水狀況計(jì)算確定，均取最惡劣狀況(即該來水頻率下，以最枯月流量計(jì)算確定換水周期)，k值計(jì)算結(jié)果見表3；入流鹽度Cin取上游來水年平均鹽度0.3 mg/L；水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)C定為20.0 mg/L(以工業(yè)用水對水質(zhì)的要求確定)。

表3 鑒江河口水庫不同來水頻率下k值表

根據(jù)鹽度達(dá)標(biāo)計(jì)算模型及上述參數(shù)，鑒江來水不同頻率時(shí)(以最枯月來水計(jì))，蓄淡工程水體鹽度隨時(shí)間變化見圖7。由圖7中可以看出，在水庫蓄淡初期，水體鹽度相對較低，隨著蓄淡時(shí)間增加，水體鹽度均先增加，然后又逐步降低。這主要是因?yàn)樵谛畹跗陔m然底泥鹽度釋放通量較大，但因時(shí)間較短，水體中累積的鹽度總量相對較少，因而水體鹽度濃度只能逐步增加；隨著時(shí)間的增加，底泥鹽度釋放通量逐步降低，當(dāng)釋放增加的鹽度量少于來水稀釋的量時(shí)，水體鹽度便逐步降低。從圖7中也可以看出，不同來水頻率下，蓄淡水庫水體淡化所需時(shí)間不同，豐水期淡化時(shí)間較短，枯水期則較長，淡化時(shí)間與來水頻率呈正比關(guān)系。其中，當(dāng)來水頻率為10%時(shí)，即鑒江處于豐水期條件時(shí)，鑒江蓄淡工程水質(zhì)能夠滿足工業(yè)取水要求的時(shí)限為30 d左右；若來水頻率為95%時(shí)，即鑒江處于枯水期條件時(shí)，鑒江蓄淡工程水質(zhì)能夠滿足工業(yè)取水要求的時(shí)限為107 d左右；若來水頻率為97%時(shí)，即鑒江處于特枯水期條件時(shí)，鑒江蓄淡工程水質(zhì)能夠滿足工業(yè)取水要求的時(shí)限為127 d左右。

圖7 不同來水狀況下，蓄淡工程水體鹽度隨時(shí)間變化圖

4 小 結(jié)

(1)通過換水釋放、靜態(tài)釋放實(shí)驗(yàn)手段，研究分析了底泥鹽度的釋放特征，結(jié)果顯示：在同一換水周期下，底泥鹽度的釋放受底泥本底間隙水鹽度的影響，本底間隙水鹽度越大釋放量越大；初期，底泥鹽度釋放強(qiáng)度較大，但隨著換水周期的累加，底泥鹽度釋放逐步降低。

(2)建立了考慮來水狀況及底泥間隙水本底鹽度的河口蓄淡水庫鹽度達(dá)標(biāo)的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行了分析確定。將模型應(yīng)用于鑒江河口蓄淡水庫進(jìn)行水質(zhì)淡化分析，結(jié)果顯示：河口蓄淡水庫在蓄淡初期，水質(zhì)(鹽度)逐步增加，到一定值后又逐步遞減；在不同來水頻率下，淡化時(shí)間不同，豐水期淡化時(shí)間較短，枯水期則較長，淡化時(shí)間與來水頻率呈正比關(guān)系。

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