高鹽度底泥水庫工程布置及運行對供水安全的影響

高學(xué)平，吳登將，孫博聞，張　晨，韓麗君

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300072）

高鹽度底泥水庫工程布置及運行對供水安全的影響

高學(xué)平1，吳登將1，孫博聞1，張晨1，韓麗君2

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300072）

為保障高鹽度底泥水庫供水氯離子質(zhì)量濃度達標(biāo)（小于250 mg/L），在水庫閘門工程布置及水庫正常運行期間對高鹽度底泥這一氯離子釋放源對水庫水質(zhì)的影響進行研究。以天津市北塘水庫為例，針對水庫閘門布置方案比選及水庫在運行期間的水質(zhì)咸化問題，考慮高鹽度底泥氯離子釋放，建立三維水動力水質(zhì)模型進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：引水、供水閘門的空間布置直接影響供水水質(zhì)，引水閘位于西南角同時開啟3個供水閘的方案為較優(yōu)方案，該方案下基本無死水區(qū)域，供水水質(zhì)在供水8 d后達標(biāo)；在水庫靜置期，底泥氯離子釋放速率與底泥含鹽量呈正相關(guān)，在最不利情況下，水庫氯離子在底泥釋放55 d后濃度超標(biāo)。

高鹽度底泥水庫；工程布置；供水安全；氯離子質(zhì)量濃度；水庫水污染；北塘水庫

近年來，水污染已成為我國普遍存在的環(huán)境問題，水污染尤其是城市供水水庫的污染將會直接威脅居民的日常生活用水安全，影響居民的生活質(zhì)量。隨著水污染研究的深入，沉積底泥作為污染物釋放源越來越受到人們的重視。污染物通過廢水排放、大氣沉降、雨水淋溶與沖刷進入水體，最后沉積到底泥中并逐漸富集，使底泥受到嚴(yán)重污染［1］。沉積底泥內(nèi)可溶解的污染物與上覆水存在相互傳遞的物理作用，若底泥污染物濃度高于上覆水污染物濃度，則污染物由底泥向上覆水體釋放，因此對于已污染的底泥環(huán)境，應(yīng)該將底泥作為一個污染釋放源予以考慮。地處濱海城市的水庫，由于受到地域及人類活動的影響，導(dǎo)致含鹽量較高的海水長期倒灌侵蝕，使得水庫底泥嚴(yán)重鹽堿化，例如位于天津市濱海新區(qū)的北塘水庫，其局部底泥氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達1 400× 10-6［2］。而海水入侵具有較強的后效作用，高鹽度底泥一旦形成，很難在短期內(nèi)恢復(fù)。當(dāng)前，作為城市或地區(qū)居民生活飲用水的供水水庫，其出庫閘供水的水體氯離子質(zhì)量濃度應(yīng)保持在250 mg/L以內(nèi)（參照GB3838—2002《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》），因此高鹽度底泥作為氯離子釋放源對水庫水質(zhì)安全的威脅將長期存在。

底泥污染物空間上一般呈現(xiàn)不均勻分布［3-4］，高鹽度底泥水庫受到庫底地形、底泥地質(zhì)及水生生物活動等因素的影響，導(dǎo)致水庫底泥含鹽量在空間上分布不均勻，將高鹽度底泥作為氯離子釋放源，水庫中局部底泥含鹽量高則氯離子釋放速率快［5-6］。在水庫水體流通性很小的情況下，氯離子容易在水庫高含鹽量底泥區(qū)域堆積，在未修建水庫閘門前，水庫入庫閘、出庫閘空間布置的設(shè)計應(yīng)該考慮底泥含鹽量的空間分布，否則可能導(dǎo)致水庫局部高鹽度底泥區(qū)域水質(zhì)變差；在水庫開始運行后，可能面臨不可預(yù)知的突發(fā)情況，如來水水源中斷、水庫安全定期檢修等，這些突發(fā)情況會導(dǎo)致水庫引水、供水中斷從而使庫區(qū)水體呈靜置狀態(tài)，庫區(qū)水體的氯離子質(zhì)量濃度在靜置狀態(tài)下會逐漸上升［7-8］，可能導(dǎo)致水庫水體的氯離子質(zhì)量濃度不達標(biāo)。

筆者以天津市北塘水庫為例，基于環(huán)境流體力學(xué)模型（EFDC）建立了底泥氯離子擴散模型，模型中氯離子作為保守物質(zhì)在底泥和上覆水之間進行物質(zhì)交換，利用該模型模擬水庫不同工程布置下的引水、供水過程及水庫在靜置期的水質(zhì)咸化過程，研究高鹽度底泥對水庫工程布置及運行的影響，給出了最優(yōu)工程布置方案和水庫靜置期氯離子超標(biāo)時間，為水庫在建筑物的布置及日后運行管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　北塘水庫概況

北塘水庫位于天津市濱海新區(qū)塘沽區(qū)北塘鎮(zhèn)西北約2km，為一中型平原水庫，呈不規(guī)則多邊形，占地面積7.4 km2，為南水北調(diào)調(diào)引水庫，目前有4個引水、供水閘門，分別為④號、⑤號、⑥號和⑦號閘門。為滿足水庫的調(diào)蓄及事故備用要求，擬新建若干入庫閘、出庫閘，①號、②號和③號閘門是備選新建閘門（未建成）。圖1為北塘水庫工程布置示意圖。

天津市水利科學(xué)研究所與南開大學(xué)在2004年北塘水庫處于干涸期時對水庫底泥進行檢測，結(jié)果表明庫區(qū)西側(cè)屬于重度鹽漬化水平，庫區(qū)南側(cè)、北側(cè)和東側(cè)屬輕度鹽漬化水平，庫中心底泥屬非鹽漬化水平。河海大學(xué)在2005年水庫引潮白河水入庫后再次對水庫底泥進行檢測，檢測結(jié)果與天津市水利科學(xué)研究所在水庫干涸時檢測的結(jié)果相近［2］。圖2為河海大學(xué)對北塘水庫底泥氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布檢測結(jié)果。

圖1　北塘水庫工程布置（單位：m）

圖2　水庫底泥氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2　基于EFDC的底泥氯離子擴散模型

為了模擬水庫引水、供水過程及靜置期水庫水質(zhì)咸化過程，結(jié)合水庫的特征和國內(nèi)外水質(zhì)模擬的水平，選擇了在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的EFDC。EFDC是美國環(huán)保局（USEPA）推薦的三維水動力模型，集水動力模塊、水質(zhì)預(yù)測模塊、泥沙輸運模塊和污染物運移模塊為一體，在水動力模擬［9］、底泥氯離子釋放模擬［10］、水庫分層水溫模擬［11］、河道海灣模擬［12］等方面都有成功的應(yīng)用。

2.1底泥污染物釋放方式分析

在底泥-水界面污染物遷移擴散領(lǐng)域，已有相關(guān)研究成果［13-15］。底泥污染物釋放不僅與底泥污染物濃度有關(guān)，還與上覆水體的流場有關(guān)。較大的流速能夠引起底泥的懸浮，并加速溶解于孔隙水和吸附于懸浮泥沙上的污染物向上覆水體釋放。式（1）為泥沙起動速度計算公式［16］，該式適用于無黏性均勻泥沙。

式中：Uc為泥沙起動速度，m/s；h為水深，m；D為土顆粒粒徑，m；ρs為土顆粒的密度，kg/m3；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

北塘水庫土顆粒平均粒徑為0.05×10-3m，土顆粒的密度為2 650 kg/m3，根據(jù)公式（1）計算得出北塘水庫在不同水位下底泥起動速度，見表1。

表1　北塘水庫底泥起動速度

北塘水庫死水位、供水低水位、設(shè)計高水位分別為2.8 m、5.6 m、7.0 m，根據(jù)水庫設(shè)計的閘門引水、供水流量，庫區(qū)內(nèi)水體最大流速不超過10 cm/s，結(jié)合表1可知，水庫運行過程中，不會引起底泥的揚動，底泥污染物釋放主要以底泥孔隙水污染物向上覆水體擴散為主。

2.2底泥污染物釋放控制方程

底泥上覆水界面上由于濃度差而發(fā)生分子擴散，根據(jù)費克第二定律可以得到底泥和上覆水體中溶質(zhì)隨時間的變化。式（2）為底泥污染物擴散控制方程［17］：

式中：c為溶質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L；Dm為底泥孔隙水污染物向上覆水體擴散系數(shù)，m2/s；t為擴散時間，s；y為污染源的距離，m。利用量綱分析法求解式（2），式（3）為其基本解。

式中M為底泥污染物總質(zhì)量，mg。

2.3模型建立與模型參數(shù)的確定

基于EFDC的水動力水質(zhì)三維模型，采用正交曲線網(wǎng)格，以水動力模塊為基礎(chǔ)，對底泥污染物釋放模型進行耦合，假定底泥為無黏性均勻泥沙，僅考慮底泥污染物的分子擴散而不考慮底泥起動懸浮。模型水動力參數(shù)：水庫死水位為2.8 m，水庫底部為平底，庫底高程為2.0 m，死水位水深為0.8 m；底泥氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布沿用河海大學(xué)檢測的數(shù)據(jù)（圖2）；南水北調(diào)通水后，北塘水庫水源將由丹江口水庫引水，其水體氯離子質(zhì)量濃度為25.0mg/L，不考慮氣象條件、人為條件對模擬結(jié)果的影響。模型其他參數(shù)：網(wǎng)格單元數(shù)為2302，垂向分10層計算，時間步長為10s，糙率系數(shù)為0.03；底泥釋放源厚度為1 m，底泥孔隙水污染物向上覆水體擴散系數(shù)為1.22×10-9m2/s［17］。

2.4模型的驗證

北塘水庫當(dāng)前水體為潮白河汛期補水，水位高程5.6 m，水體靜置約1 a，引潮白河補水水體氯離子質(zhì)量濃度為200 mg/L，用已建立的模型對水庫靜置1 a后的水體進行模擬，另外對北塘水庫4個取樣點（A、B、C、D）水體進行取樣，用硝酸銀滴定法測定其氯離子質(zhì)量濃度。圖3為水庫水體氯離子質(zhì)量濃度分布模擬結(jié)果（含4個取樣點），圖4為取樣點氯離子質(zhì)量濃度模擬值與實測值的對比。需要說明的是，在模型參數(shù)選取上存在系統(tǒng)偏差，例如初始條件設(shè)置中，將初始水體氯離子質(zhì)量濃度統(tǒng)一設(shè)為250 mg/L，庫區(qū)內(nèi)所有底泥釋放源厚度統(tǒng)一設(shè)置為1 m。結(jié)果表明，實測水體氯離子質(zhì)量濃度和模擬結(jié)果誤差在10%左右，而水質(zhì)模擬誤差30%以內(nèi)一般可以視為較優(yōu)［18-19］，因此，本模型精度可靠。

圖3　水庫水體氯離子質(zhì)量濃度分布模擬結(jié)果

圖4　取樣點氯離子質(zhì)量濃度模擬值與實測值對比

3　水庫工程布置及引水、供水方案模擬結(jié)果

3.1工程布置及引水、供水預(yù)備方案

如圖1所示，①號、②號和③號閘門是備選新建閘門（未建成），結(jié)合現(xiàn)有閘門并考慮改造費用預(yù)算、水庫供水需求以及方便水庫管理，擬定引水、供水預(yù)備方案，見表2。

3.2各方案模擬結(jié)果及分析

方案1采用⑤號、⑥號閘同時出流，對比方案2、方案3，雖然單個閘門出流流量減半，但從整個庫區(qū)角度看，庫區(qū)流場最為均勻，基本無死水區(qū)，對庫區(qū)內(nèi)水體交換最為有利；方案4采用②號閘為引水閘，與供水閘相隔較遠，故流場也較為均勻；方案5中，入庫①號閘與出庫⑦號閘緊靠，導(dǎo)致庫區(qū)北部區(qū)域出現(xiàn)大面積死水區(qū)，死水面積達到整個庫區(qū)的68%。

表3為各方案開始供水時刻出庫閘出流水體氯離子質(zhì)量濃度及其達標(biāo)所需時間（氯離子質(zhì)量濃度小于250 mg/L時達標(biāo)），表中c0為開始供水時刻出庫閘出流氯離子質(zhì)量濃度，T為供水氯離子質(zhì)量濃度達標(biāo)所需時間。方案1、方案2、方案3中的③號閘附近在開始供水時刻水體氯離子質(zhì)量濃度在302.2 mg/L左右，在水庫開始供水8 d后氯離子質(zhì)量濃度達標(biāo)，方案4則在15 d后達標(biāo)；方案5，由于入庫①號閘與出庫⑦號閘緊靠，在引水過程完成后，⑦號閘附近區(qū)域水質(zhì)已接近入流水質(zhì)，氯離子質(zhì)量濃度為25.0mg/L，出庫⑥號閘附近區(qū)域水體已得到充分稀釋，氯離子質(zhì)量濃度為122.8mg/L，故在開始供水后，方案5氯離子質(zhì)量濃度在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，可庫區(qū)東北部及西部底泥含鹽度較高，底泥釋放氯離子速率快，庫區(qū)北部大面積區(qū)域氯離子殘余量較高，從整個過程看，方案5沒有完全發(fā)揮水庫的調(diào)度功能，庫區(qū)水體沒能進行充分的交換。綜上，認(rèn)為方案1為較優(yōu)的推薦方案。

表2　引水、供水預(yù)備方案運行情況

表3　出庫閘出流氯離子質(zhì)量濃度及達標(biāo)所需時間

表4　觀測點底泥氯離子釋放總量（累計）與當(dāng)日釋放速率

4　水庫靜置期水質(zhì)咸化模擬結(jié)果

為確定北塘水庫在靜置狀態(tài)下水庫水質(zhì)能夠保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的最大靜置時間，對北塘水庫在靜置期的水質(zhì)咸化過程進行模擬。在水庫長期正常運行后，整個庫區(qū)水體氯離子質(zhì)量濃度和南水北調(diào)水源氯離子質(zhì)量濃度相近，均取25mg/L，如圖2所示，按底泥氯離子含量高低取1、2、3、4、5這5個觀測點，5個底泥觀測點在靜置狀態(tài)下的氯離子釋放總量（累計）和當(dāng)日釋放速率列于表4中。

從表4可以看出，各個觀測點底泥氯離子釋放總量不同，初始底泥氯離子含量高的觀測點釋放總量大，相同靜置時間下，底泥釋放總量由大到小依次為觀測點1、觀測點2、觀測點3、觀測點4、觀測點5，觀測點1靜置240 d后釋放總量為1749.9 g/m2，觀測點5靜置240d后釋放總量為90.6g/m2。由當(dāng)日釋放速率可以看出，初始底泥氯離子含量高的觀測點當(dāng)日釋放速率大，同一觀測點當(dāng)日釋放速率隨著靜置天數(shù)的增加不斷減小，靜置200 d左右底泥氯離子釋放速率趨近于零。

據(jù)靜置模擬結(jié)果，第1天底泥氯離子釋放速率最大，若在水庫靜置期均取此釋放速率作為庫區(qū)底泥氯離子釋放速率，則這一情況應(yīng)為水庫靜置期水質(zhì)咸化最不利情況，此時底泥氯離子釋放速率為3.7～64.3g/（m2·d）。根據(jù)公式（4）得到最不利情況下水體氯離子質(zhì)量濃度隨時間的變化，視靜置模擬結(jié)果為一般情況，則最不利情況與一般情況下水體氯離子質(zhì)量濃度-時間關(guān)系如圖5所示。

式中：cCl為庫區(qū)水體氯離子質(zhì)量濃度，mg/L；cs為庫區(qū)水體氯離子初始質(zhì)量濃度，mg/L；kmax為單個網(wǎng)格底泥釋放速率，g/m2；Sa為單個網(wǎng)格面積，m2；ts為靜置天數(shù)，d；V為庫區(qū)水體總體積，m3。

圖5　最不利情況與一般情況水體氯離子質(zhì)量濃度-時間關(guān)系

從圖5可以看出，對于一般情況，隨著靜置時間的增加，水體氯離子質(zhì)量濃度不斷增加，濃度增長速度逐漸減小，靜置至200 d時，氯離子質(zhì)量濃度增長速度趨近于零，濃度保持在135 mg/L左右；對于最不利情況，水體氯離子質(zhì)量濃度呈線性增加，在第55天氯離子質(zhì)量濃度超過250 mg/L。

5　結(jié) 論

本文基于EFDC建立了底泥氯離子擴散模型，以天津市北塘水庫為例，主要研究了高鹽度底泥作為氯離子釋放源對水庫工程布置及水庫運行期的影響，得到以下結(jié)論：①對于類似高鹽度底泥水庫，在引水、供水閘的空間布置上，需要從庫區(qū)流場及供水水質(zhì)的角度分析比較各閘門備選布置方案的優(yōu)劣，同時考慮底泥含鹽量在空間上分布的不均勻性，避免引水閘門和供水閘門緊靠布置，導(dǎo)致局部高鹽度底泥區(qū)域氯離子堆積殘留，最終影響供水水質(zhì)；②在水庫運行期間，不可忽略高鹽度底泥作為氯離子釋放源的影響，底泥氯離子釋放速率與底泥含鹽量呈正相關(guān)，以最大底泥氯離子釋放速率作為整個靜置期底泥釋放速率，可以得出最不利情況下水庫水體氯離子質(zhì)量濃度的超標(biāo)時間，為水庫后續(xù)正常供水提供依據(jù)。

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Effects of layout and operation of reservoir with high-salinity sediment on water supply safety

GAO Xueping1，WU Dengjiang1，SUN Bowen1，ZHANG Chen1，HAN Lijun2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Water Conservancy Survey and Design Institute，Tianjin 300072，China）

In order to ensure that the chloride ions concentration of the water from a reservoir with high-salinity sediment reaches the standard（less than 250 mg/L），the effects of high-salinity sediment，the main source of chloride ions，on the water quality of the reservoir were studied during the periods of layout design of reservoir gates and operation of the reservoir，using the Beitang Reservoir in Tianjin City as an example.To determine the optimal layout of gates from alternative schemes and to simulate the water salinization in the operation period of the reservoir，a three-dimensional hydrodynamic and water quality model was established，with the release of chloride ions from the high-salinity sediment considered.The results show that the water quality is directly influenced by the spatial layout of the inflow and outflow gates.It is put forward that the scheme with the inflow gate located in the southwestern corner and with the three outflow gates open at the same time is the optimal scheme，in which there is nearly no static region and the water quality will reach the standard after eight days.In the static period of the reservoir，the release rate of chloride ions from the sediment is positively correlated with the salt content in the sediment，and the concentration of chloride ions in the reservoir will exceed the standard at the 55th day after the release under the most unfavorable conditions.

reservoir with high-salinity sediment；project layout；water supply safety；mass concentration of chloride ions；water pollution in reservoir；Beitang Reservoir

X522

A

10067647（2016）05005005

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.009

國家自然科學(xué)基金（51279125）；天津市自然科學(xué)基金（15JCYBJC22600）；“十二五”國家科技支撐計劃（2015BAB07B02）

高學(xué)平（1962—），男，教授，博士，主要從事環(huán)境水力學(xué)、工程水力學(xué)研究。E-mail：xpgao@tju.edu.cn

張晨（1981—），男，副教授，博士，主要從事環(huán)境水力學(xué)、生態(tài)水力學(xué)研究。E-mail：emil@tju.edu.cn

（20150922 編輯：駱超）