加快海涂水庫水體淡化措施的研究

金德鋼,孫 堯,夏珊珊

(寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院,浙江 寧波 315192)

1 問題的提出

寧波市地處我國東南沿海,沿海和島嶼地區(qū)普遍缺水,加之山低源短,無建造大中型水庫的條件。但海涂資源豐富,根據(jù)當?shù)貙嶋H情況建設了許多堵港蓄淡水庫和海涂水庫,用以攔蓄陸域來水或豐水期抽蓄河網(wǎng)淡水,其中規(guī)模較大的有象山縣大塘港、寧?？h胡陳港、毛嶼港、一市港、車岙港下水庫及慈溪四灶浦等蓄淡水庫。正在興建鄭徐海涂水庫和規(guī)劃興建慈西、臨海浦等海涂水庫。在短時間解決堵港水庫和海涂水庫咸水淡化問題,已提到議事日程。本文結(jié)合二維水動力模型對慈溪鄭徐海涂水庫排咸設計成果分析,提出對海涂水庫排咸設計理論計算方法和方案措施探討。

2 工程概況

鄭徐海涂水庫工程位于慈溪市范市鎮(zhèn)、觀海衛(wèi)鎮(zhèn)、附海、勝山、崇壽及新浦鎮(zhèn)的灘涂上,建于鄭家浦與徐家浦圍涂區(qū)內(nèi),南靠九塘,北至十塘,東靠徐家浦河道西直堤,西至鄭家浦隔提,占地666.7 hm2(1萬畝),總庫容4 270萬m3[1]。工程由堤壩、翻水泵站、放水閘、排咸站、配套河道、節(jié)制閘組成,工程于2010年11月開工,計劃2013年完工。

3 海涂水庫水質(zhì)咸化主要影響因素分析

(1)庫底鹽堿底泥:庫底沉積物中鹽分釋放是一個緩慢過程,其對海涂水庫水質(zhì)影響主要在建庫初期[2-3]。

(2)咸化淺層地下水:地下水含鹽量高于水庫水體的含鹽量,是導致水庫水質(zhì)咸化的主要因素[2-3]。地下水與水庫水的補給關(guān)系與水庫蓄水水位的變化有很大關(guān)系,當水庫蓄水水位較高時,由水庫水補給地下水,水庫水質(zhì)受地下水的影響較小。反之,庫底地下水將會通過土壤孔隙與上覆庫內(nèi)水體相連,地下水將補給水庫水。

(3)氣候氣象因素:蒸發(fā)是影響水質(zhì)咸化的一個重要因素,蒸發(fā)濃縮作用占優(yōu)勢也引起水庫水質(zhì)咸化。尤其在炎熱的夏季,地下水、水庫水體中的鹽分擴散系數(shù)增大,可加快咸化的速度,經(jīng)常會導致突發(fā)性泛咸現(xiàn)象。風是影響水質(zhì)咸化的另一個因素,風吹過水面產(chǎn)生剪切應力,將形成垂直環(huán)流和水平環(huán)流,使鹽分從庫底鹽堿土壤和咸化地下水向水庫水體中擴散,從而加快水庫水質(zhì)的咸化速度。

4 研究思路及模型介紹

4.1 研究思路

通過建立庫區(qū)水動力模型,研究水庫在可能運行條件下的水動力特性、鹽度分布規(guī)律,在此基礎上,根據(jù)鄭徐水庫實際,研究制定相應的排咸工程措施和非工程措施,并用底泥鹽度釋放模型對水庫鹽度淡化趨勢進行預測,為水庫運行管理提供支撐,實現(xiàn)淡化水體、提高水質(zhì)的目的,最大程度地發(fā)揮水庫效益。

4.2 數(shù)學模型介紹

4.2.1 Delft 3D水動力模型

使用Delft 3D軟件建立鄭徐水庫庫區(qū)二維水動力模型,按照不同工況分析庫區(qū)的水動力流場,在此基礎上進一步研究引水調(diào)度對水庫鹽度變化的影響,為鄭徐水庫運行調(diào)度提出指導性意見和建議。

模型的計算區(qū)域為庫區(qū)內(nèi)水域,該水域根據(jù)堤線布置進行概化。采用Delft 3D軟件自帶Rgfgrid程序生成正交曲線網(wǎng)格。網(wǎng)格的疏密情況根據(jù)實際需要而不同,進出水口及工程敏感區(qū)域網(wǎng)格較密,邊界附近一般區(qū)域網(wǎng)格相對較疏。總網(wǎng)格數(shù)82×82,最小網(wǎng)格間距15m,最大網(wǎng)格間距80m,平均網(wǎng)格間距30 m,計算面積約為6.4 km2。

4.2.2 底泥鹽度釋放模型

鄭徐水庫水體鹽分主要來源于底泥,底泥鹽度釋放是一個不斷衰減的過程。廣東工業(yè)大學彭進平等對河口蓄淡水庫底泥鹽分釋放進行了研究,建立了底泥鹽度釋放模型,分析了3種不同底質(zhì)情況下的底泥釋放規(guī)律,確定了釋放衰減系數(shù)、初始釋放通量等參數(shù),并應用該模型對鑒江河口水庫的淡化進行了分析預測。

底泥中鹽度釋放量一般隨時間呈指數(shù)衰減規(guī)律:

式中:F0為初始釋放通量(mg/(d.cm2)),k為衰減系數(shù)(1/d),t為時間(d)。

以天為計算時段進行計算,根據(jù)質(zhì)量守恒原理,采用完全混合系統(tǒng)水質(zhì)模型,模型計算表達式為:

式中:S為水庫庫面面積(m2),F為底泥中的鹽分釋放通量(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(m3/s),Qin為流入系統(tǒng)的流量(m3/s),V為水庫的庫容(m3)。

鄭徐水庫淡化預測擬采用鑒江水庫的研究成果[4],對鄭徐水庫的淡化進行定量預測,并確定水庫正常運行情況下的排咸泵規(guī)模。

相關(guān)參數(shù)的確定:底泥風干后的鹽度7.07 g/kg,本底間隙水鹽度8.80mg/L,初試釋放通量為8.97 mg/(d.cm2)。

5 計算成果分析

5.1 水動力模型計算成果

(1)水庫中水體交換的主要動力來自于引排水,由于水庫庫面面積較大,在各類引排水條件下,水庫整體水動力條件較弱,大部分區(qū)域流速小于0.01 m/s,遠離引排水閘的岸邊水體基本處于靜止狀態(tài)。

(2)在典型引水條件下,水庫中含鹽份水體被來水稀釋,鹽度有明顯下降,下降幅度與引水口距離成反比,與水深成反比?？梢?在前期水庫鹽度較大時,采用引排水調(diào)度進行集中洗鹽,可以較大程度地降低水庫水體的含鹽度,在正常運行期時,水體靜置時間較長,庫內(nèi)水體鹽度出現(xiàn)分層,此時,采用小流量排咸泵進行排咸,可以達到較好的排咸效果。鄭徐水庫引水閘附近觀察點鹽度分層示意見圖1。

圖1 鄭徐水庫引水閘附近觀察點鹽度分層示意圖

(3)湖心島位置正對引水口,其南北兩側(cè)水道的過水斷面面積相對大小對水庫流場影響較大?？s窄南側(cè)水道可增大東北側(cè)水體的流動速度,擴大庫區(qū)水體流動范圍,不僅增強了庫水的流動性,而且更為有效地降低水庫水體鹽度,鑒于此,推薦縮窄南側(cè)水道方案。

(4)將庫區(qū)東側(cè)徐家浦九塘北側(cè)的放水閘沿堤線向北移動300m,拉大了與引水口的距離,可使南部庫區(qū)的水體流動性較放水閘北移前有明顯增強,推薦放水閘北移方案。

5.2 鹽度預測模型計算成果

在水庫運行初期,通過引、放水閘及泵(包括排咸泵)的組合調(diào)度,對水庫進行洗鹽,逐步降低水庫水體鹽度,減小底泥鹽度釋放強度,最終實現(xiàn)用較小流量的排咸泵達到水庫供水水質(zhì)要求的目的。根據(jù)GB/T 19923—2005《工業(yè)用水水質(zhì)標準》,氯離子的含量標準為250 mg/L。水庫鹽度隨時間變化見圖2。

經(jīng)計算建成后第1年引排水2次,然后水庫蓄至4.5 m開始供水,保持水位不變,開始用排咸流量為0.34 m3/s的排咸泵排咸,再運行1 a,水庫達到工業(yè)供水水質(zhì)要求。

圖2 水庫鹽度隨時間變化圖

6 工程措施

6.1 排咸點布置

為達到排咸效果,取水口布置于水體交換少、高程較低處。本工程進水口位于西南角,出水口位于東側(cè)、西南角兩處,相對而言庫區(qū)北側(cè)區(qū)域水體交換緩慢,鹽水易在此沉積。且北側(cè)距外海最近,排咸距離短,運行成本低。擬定沿北堤布置4處排咸點。將取水口設置于-2.8 m高程,取水口處需設置集咸取水坑,尺寸為:以取水口群為中心,半徑20 m,取水坑底暫擬定高程不高于-4.0 m,一方面有利于抽水水流流態(tài),另一方面也可使鹽水更集中于取水口。

6.2 取水流量及水泵選型

水庫投入使用后排咸設施主要維持水庫水質(zhì),降低水庫返鹽影響程度。根據(jù)上述分析泵總流量0.34 m3/s,布設4個抽排點,按每個抽排點4個吸水口計,每個抽排點流量為0.085 m3/s,考慮運行過程中存在停電等因素,適當提高單個抽排點流量為0.10 m3/s。

進出水管用抗腐蝕、小阻尼管材,進水管考慮新建壩體沉降較大采用適應變形能力較強的PE排污管,出水管埋于海堤內(nèi)采用預應力鋼筋混凝土,經(jīng)濟管徑采用規(guī)范公式:

式中:Q為流量 (m3/s)。計算結(jié)果為進水管徑150 mm,出水管徑195 mm,根據(jù)現(xiàn)有規(guī)格進水管采用DN160(長度小于600 m)和DN200(長度大于600 m),出水管采用DN250,進水管設計流速1.32 m/s(長度小于600 m)和0.85m/s(長度大于600 m),出水管設計流速1.63 m/s。

進水口最低水位為2.0 m,出水口高程為5.0 m,水頭差3 m。進水管沿程水頭損失共計5.35m(長度小于600m)和3.02 m(長度大于600 m),進水管局部水頭損失忽略,出水管沿程水頭損失共計1.55 m,出水管局部水頭損失共計0.26 m,總水頭損失約為10.18 m,水泵采用80～280(Ⅰ)-B(電機功率11 kW)離心泵,揚程19 m,允許氣蝕余量2.3 m,吸程按下式計算:

Hs=10.33(標準大氣壓)-2.3(氣蝕余量)-0.5(安全富余量)=7.53 m

水庫排咸最低水位2.0 m,水泵安裝高程不高于5.0 m,本次設計擬定為4.8 m。

6.3 其它排咸措施

6.3.1 合理調(diào)度,加大庫內(nèi)水體交換速率

鄭徐水庫為典型的海涂平原水庫,自身集雨面積只有水庫水面,來水主要是從西側(cè)八塘橫江的河道及曹娥江引水工程的境外來水。二維水動力模型計算成果表明,庫內(nèi)水動力條件較弱,局部庫灣水流不暢,水體環(huán)流主要來自于風場、泵站引水及排水閘放水。在工程措施排咸的基礎上,充分利用水庫引排水,采用合理的調(diào)度方式,稀釋庫內(nèi)鹽度高的水體,再引入河網(wǎng)中的淡水或天然降水進行補充,循環(huán)往復,達到水質(zhì)凈化的目的。

(1)水庫建成初期,水體鹽分主要來源于水庫的底質(zhì)土層,此時水庫含鹽度較高,鹽分從底部向庫面水體擴散明顯,此時應利用引排水進行集中排咸,具體的調(diào)度方式應綜合考慮降雨、河網(wǎng)水位及閘泵規(guī)模等因素。

(2)由于慈溪60%以上的降雨集中在4—9月,在曹娥江引水的補充下,汛期水量相對充足,應充分利用汛期富足的棄水和雨水進行連續(xù)置換水。置換水方式選擇排水閘和管道排咸相結(jié)合,排水閘換水起排時間選擇在東河區(qū)河網(wǎng)水位位于低水位時,水庫放水時與徐家浦十塘閘聯(lián)合放水,當河網(wǎng)水位達到警戒水位時應停止放水,并開閘引水,待河網(wǎng)水位降至常水位以下時再開始放水。

(3)在非汛期,水庫取排水量相對減少,水體交換不足,底部水體鹽分堆積,且不易向表層水體擴散,使底部水體含鹽度提高,在遭遇一定天氣條件下,枯水期水庫泛咸的可能性增大,此時,可采用排咸泵進行小流量排咸,降低水庫水質(zhì)災害的風險。

6.3.2 科學布置,優(yōu)化水庫取用水裝置

由于庫區(qū)上、中層水體鹽度分布較為均勻,且易于淡化,因而可以采用表層浮球式取水裝置取用庫區(qū)已達到水質(zhì)標準的局部合格水,提高水庫的利用率,同時也可以加快底部水體淡化。

6.3.3 加強監(jiān)測,及時采取有效措施防治水質(zhì)災害

在正常情況下,液體溶解擴散和沉淀使水庫水含氯度與水位高程成梯度分布。水庫在運行期間,由于局部水體置換率低,若不能及時排出,將會形成化學成分復雜的高濃度咸水,在干旱及雨量減少等氣候環(huán)境影響下,產(chǎn)生庫水泛咸,嚴重影響水庫供水。因此,及時掌握水庫水質(zhì)及分布情況對于水庫安全供水尤為重要。

7 結(jié) 語

采用Delft 3D水動力模型能很好地模擬庫區(qū)的水動力流場和引排水調(diào)度對水庫鹽度變化的影響,能提供水庫進水、排水口合理布置、排咸措施選擇和引排水運行調(diào)度提出指導性意見和建議。鹽度預測模型根據(jù)引、放水閘及泵(包括排咸泵)的組合調(diào)度,對水庫進行洗鹽,逐步降低水庫水體鹽度,減小底泥鹽度釋放強度,最終實現(xiàn)用較小流量的排咸泵達到水庫供水水質(zhì)要求的目的,可按要求合理預測水庫咸水淡化時間,可供其他海涂水庫排咸設計參考。

[1]金德鋼.慈溪市鄭徐水庫初步設計報告[R].寧波:寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院,2010.

[2]毛獻忠,陳甫源,余祈文,等.堵港蓄淡水庫水體淡化預測研究 [J].水利學報,2004(07):80-85.

[3]毛獻忠,朱小敖,陳甫源,等.沿海堵港蓄淡水庫加快水體淡化措施的研究[J].水科學進展,2005(06):773-776.

[4]向軍,彭進平,逢勇,等.鑒江河口底泥鹽度釋放規(guī)律研究[J].水文,2008,28(4):12-15.