北大港水庫分庫后的水質(zhì)咸化風(fēng)險(xiǎn)研究

郭思琪，郭寶順，秦華聯(lián)

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098；2.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；3.天津市水利勘測設(shè)計(jì)院，天津300204）

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.006

北大港水庫分庫后的水質(zhì)咸化風(fēng)險(xiǎn)研究

郭思琪1，郭寶順2，秦華聯(lián)3

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098；2.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；3.天津市水利勘測設(shè)計(jì)院，天津300204）

對北大港水庫水環(huán)境、庫區(qū)底泥及土壤鹽分分布、釋放強(qiáng)度及規(guī)律、水文地質(zhì)條件等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過模型對水庫分庫蓄水后水質(zhì)變化進(jìn)行預(yù)測，提出北大港水庫分庫后作為南水北調(diào)東線及引黃濟(jì)津工程調(diào)蓄水庫的咸化風(fēng)險(xiǎn)以及為防止咸化采取的水質(zhì)、水位控制方案和對策措施。

北大港水庫；分庫挖深；咸化研究；控制方案

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.006

1 基本情況

北大港水庫位于天津市濱海新區(qū)，庫區(qū)距渤海6 km，占地面積164 km2，水面面積150 km2，圍堤為復(fù)式均質(zhì)土壩，總庫容5億m3，興利庫容4.41億m3，庫區(qū)地層巖性為素填土、陸相粉質(zhì)黏土和海相粉質(zhì)黏土，以陸相粉質(zhì)黏土層為主。

北大港水庫是南水北調(diào)東線和引黃濟(jì)津工程的調(diào)蓄水庫，又是北大港濕地自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)，擔(dān)負(fù)著天津市供水安全與生態(tài)保護(hù)的雙重任務(wù)?，F(xiàn)狀北大港水庫存在蓄水量大幅減少，蓄水保證率低，水面大、蒸發(fā)滲漏損失大，水質(zhì)咸化嚴(yán)重等一系列問題。為保證南水北調(diào)供水安全與濕地生態(tài)保護(hù)的需求，擬將北大港水庫分為東西兩庫，西庫在挖深保證蓄水庫容的基礎(chǔ)上作為城市備用水源地，蓄水面積110 km2，蓄水庫容3.8億m3。

由于北大港水庫位于濱海地區(qū)，土壤鹽堿化嚴(yán)重，地下水位高且鹽分含量也高，西庫開挖后新揭露的土壤層鹽分釋放和地下水位波動均會影響水庫蓄水后的水質(zhì)，增加咸化的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要通過野外監(jiān)測、室內(nèi)模擬、模型預(yù)測等方法，分析新開挖區(qū)水文地質(zhì)條件的變化，研究庫區(qū)及庫周新生界面土壤鹽分釋放強(qiáng)度，探索地下水與水庫水的作用規(guī)律，預(yù)測不同分庫方案下水庫蓄水后水質(zhì)咸化的風(fēng)險(xiǎn)，并提出預(yù)防水庫咸化的建設(shè)、運(yùn)行方案，為有關(guān)部門的科學(xué)決策提供技術(shù)支持。

2 影響水質(zhì)咸化因素及變化規(guī)律分析

2.1 水庫水環(huán)境

從水樣監(jiān)測結(jié)果可知，北大港水庫水質(zhì)較差，水體氯離子濃度超過集中式生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（250 mg/L）。經(jīng)分析，其原因主要有兩個(gè)方面：一是水庫蓄水少，蓄水水位低，底泥鹽分容易釋放；二是庫區(qū)東距渤海灣6 km，地下水水位易受到漲落潮的影響，從而影響水庫水質(zhì)。

2.2 庫區(qū)底泥及庫周土壤鹽分分布規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場取樣分析，北大港水庫西庫庫區(qū)1～2 m內(nèi)全鹽量變化范圍為0.25%～1.25%，Cl-變化范圍為0.06%～0.60%；2～3 m內(nèi)全鹽量變化范圍為0.25%～1.38%，Cl-變化范圍為0.08%～0.76%，屬濱海鹽土，鹽化程度高。庫周1～2 m內(nèi)全鹽量變化范圍為0.17%～0.94%，Cl-變化范圍為0.05%～0.45%，為重鹽化土，鹽化程度較高。西庫庫區(qū)內(nèi)土壤鹽分分布不均，主要表現(xiàn)為庫周低、庫區(qū)高和西部低、東部高。

土壤中的全鹽量和Cl-隨深度增加而上升，在1～2 m內(nèi)變化較小，2 m下增加趨勢明顯，主要是受地下水的影響造成的，地下水的埋深范圍為1.51～2 m，2 m以下的土壤由于與地下水長期接觸，土壤中鹽分含量明顯高于上層土壤。水庫分庫時(shí)向下開挖，不可避免地產(chǎn)生新的揭露層，使土壤鹽分釋放高于現(xiàn)在土壤鹽分釋放，且使水庫蓄水后更易于受到高礦化度地下水的影響，增大水體咸化的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 底泥鹽分釋放規(guī)律

實(shí)驗(yàn)室模擬了不同含鹽量、不同上覆水深、靜止及擾動、換水等條件下底泥鹽分的釋放量和釋放強(qiáng)度。

在上覆水深相同、靜置狀態(tài)下，土壤Cl-單位面積釋放量與土壤鹽分含量呈正線性相關(guān)關(guān)系，即土壤鹽分含量越高，蓄水后單位面積鹽分釋放量越大。根據(jù)土壤鹽分含量推算，蓄引黃河水后Cl-的濃度將達(dá)到299.7 mg/L，超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值。

在土壤鹽分含量和上覆水深相同的條件下，擾動將加快土壤鹽分的釋放。在靜置狀態(tài)下，需要220 d左右Cl-釋放才達(dá)到穩(wěn)定，而擾動條件下僅需30 d即達(dá)到穩(wěn)定。

在土壤鹽分含量相同的條件下，Cl-的釋放量與上覆水水深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即水深越大對土壤的壓力越大，土壤鹽分釋放量越小。根據(jù)其它水庫室內(nèi)試驗(yàn)及水庫實(shí)際運(yùn)行時(shí)的測定結(jié)果推知，北大港水庫分庫運(yùn)行后將使水體中Cl-濃度上升到369.9 mg/L，超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.4 變化規(guī)律分析

水庫與地下水的相互作用分析表明，水庫在不挖深、挖深1 m和挖深2 m時(shí)滲漏量隨著挖深逐漸加大，地下水傳質(zhì)作用逐漸增強(qiáng)，水庫水受地下水咸化的風(fēng)險(xiǎn)也逐漸加大。

3 分庫蓄水后水質(zhì)變化預(yù)測

本次模擬選取完全混合零維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，即將北大港水庫看成一個(gè)完整的體系，體系內(nèi)部各水體間是均勻混合的，流入的物質(zhì)立即完全分散到整個(gè)體系，以此理想狀態(tài)分別建立水庫的水量、水質(zhì)模型，預(yù)測水庫分庫后水位及水質(zhì)變化。

（1）水量基本方程為：式中：Wt+Δt為t+Δt時(shí)刻水庫的庫容（104m3）；Wt為t時(shí)刻水庫的庫容（104m3）；W引為Δt時(shí)段內(nèi)的水庫引水量（104m3）；h降為Δt時(shí)段內(nèi)的降雨量（cm）；At為t時(shí)刻水庫的水面面積（km2）；W排為Δt時(shí)段內(nèi)的水庫排水量（104m3）；W滲為Δt時(shí)段內(nèi)的水庫下滲量（104m3）；h蒸為Δt時(shí)段內(nèi)的蒸發(fā)量（cm）。

（2）水質(zhì)基本方程為：

式中：Ct為t時(shí)刻水庫水中氯離子（或礦化度）濃度（mg/L）；Ct+Δt為t+Δt時(shí)刻水庫水中氯離子（或礦化度）濃度（mg/L）；C引為Δt時(shí)段內(nèi)引水中氯離子（或礦化度）平均濃度（mg/L）；C降為Δt時(shí)段內(nèi)降雨中氯離子（或礦化度）平均濃度（mg/L），取5.42 mg/L（研究期間現(xiàn)場采集的降雨中所含氯離子的平均濃度）；C蒸為Δt時(shí)段內(nèi)因蒸發(fā)增加的氯離子（或礦化度）平均濃度（mg/L）；k為水庫水中氯離子（或礦化度）綜合吸附系數(shù)；S為水庫土壤中氯離子（或全鹽量）釋放速率[mg/（m2·s）]；N為地下水中氯離子（或礦化度）傳質(zhì)通量[mg/（m2·s）]；A1為水庫土壤鹽分的有效釋放面積（km2），取110.30km2（即庫底及邊坡淹沒面積）；A2為水庫與地下水鹽分的有效交換面積（km2），取109.74 km2（即水庫與地下水的交換主要發(fā)生在庫底垂向交換界面）。

利用既有資料對模型進(jìn)行了水量水質(zhì)率定，率定結(jié)果表明，模型有較好的精度。同時(shí)，根據(jù)該模型，在綜合考慮引供水、蒸發(fā)、降雨、土壤釋鹽、下滲及地下水傳質(zhì)作用的影響下，進(jìn)行了以下2種工況的水質(zhì)變化預(yù)測：①維持北大港水庫現(xiàn)狀，蓄引黃河水3.0億m3，預(yù)測全庫引黃水質(zhì)的咸化規(guī)律；②分庫后，西庫蓄引黃河水3.0億m3，預(yù)測西庫引黃水質(zhì)的咸化規(guī)律。預(yù)測結(jié)果，見表1。

表12 種工況下水庫水質(zhì)變化結(jié)果對比分析

2種工況下，雖然都出現(xiàn)水質(zhì)咸化現(xiàn)象，但分庫后水質(zhì)達(dá)標(biāo)天數(shù)多、供水時(shí)間長、供水量大，且在模擬的末期水庫氯化物濃度低。因此，在引黃水量、水質(zhì)相同的條件下，水庫分庫較水庫維持現(xiàn)狀直接蓄水的咸化風(fēng)險(xiǎn)更小，供水的保證率更高。

4 分庫后水質(zhì)、水位控制方案研究

由于南水北調(diào)東線工程尚未完成，本次主要研究引黃河水時(shí)水庫運(yùn)行調(diào)度方案及其水質(zhì)變化。水庫運(yùn)行及調(diào)度方案設(shè)計(jì)如下：

（1）水庫分庫不挖深，于11月1日開始以50 m3/s速度引蓄黃河水分別至4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5 m，在引黃結(jié)束后或從次年2月1日開始以25 m3/s流量向市區(qū)供水，直至水質(zhì)超標(biāo)或低于死水位3.0 m。

（2）水庫分庫挖深1 m，于11月1日開始以50 m3/s速度引蓄黃河水分別至3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 m，在引黃結(jié)束后或從次年2月1日開始以25 m3/s流量向市區(qū)供水，直至水質(zhì)超標(biāo)或低于死水位3.0 m。

（3）水庫分庫挖深2 m，于11月1日開始以50 m3/s速度引蓄黃河水分別至2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 m，在引黃結(jié)束后或從次年2月1日開始以25 m3/s流量向市區(qū)供水，直至水質(zhì)超標(biāo)或低于死水位3.0 m。

運(yùn)用模型模擬在不同分庫方案、不同蓄水位條件下引水后的氯化物達(dá)標(biāo)天數(shù)、供水天數(shù)和可供水量，結(jié)果見表2，不同挖深及水深條件下水庫庫容及可供水量如圖1所示。

表2 各運(yùn)行方案基本參數(shù)

圖1 不同水深工況下水庫庫容及可供水量

經(jīng)模型計(jì)算，北大港水庫分庫后作為引黃濟(jì)津工程的調(diào)蓄水庫，在引供水、蒸發(fā)、降雨、土壤釋鹽、下滲及地下水補(bǔ)給等咸化因子綜合作用下，蓄水后除蓄水6.5億m3的工況外，其它工況（蓄水1.6億、2.6億、3.6億、4.6億、5.6億m3）條件下水體均會發(fā)生咸化現(xiàn)象。當(dāng)蓄水量較少（1.6億m3左右）時(shí)，水庫在不挖深條件下進(jìn)行分庫較好，與挖深1、2 m相比，供水時(shí)間較長，供水量較高。當(dāng)蓄水量適中（2.6億～3.6億m3左右）時(shí)，水庫在不挖深和挖深1 m情況下進(jìn)行分庫的效果好于挖深2 m的情況。當(dāng)水庫蓄水量較大（4.6億m3左右）時(shí)，3種分庫方案均可滿足較長時(shí)間的供水需求，但在挖深2 m情況下會造成水資源的浪費(fèi)。當(dāng)水庫蓄水量很大（5.6億m3左右）時(shí)，3種分庫方案雖均可滿足較長時(shí)間的供水需求，但由于引水時(shí)間長，近期較難實(shí)現(xiàn)，可在南水北調(diào)東線工程開通后作為水庫遠(yuǎn)期引供水方案。通過對比分析，按近期蓄水3.8億m3考慮，水庫可采取不挖深或挖深1 m兩種方案分庫，可保證較長時(shí)間的供水天數(shù)和較大供水量。同時(shí)，為減輕地下水影響的風(fēng)險(xiǎn)，挖深1 m應(yīng)為其極限挖深。

在不挖深和挖深1 m兩種情況下，水庫蓄水量越大，水庫發(fā)生水質(zhì)咸化的風(fēng)險(xiǎn)就越低，水庫可供水量就越大，即水庫遠(yuǎn)期（蓄水量5億m3）較近期（蓄水量3.8億m3）水質(zhì)咸化風(fēng)險(xiǎn)低。

在不挖深和挖深1 m分庫情況下，近期蓄水3.8億m3時(shí)，可采用水位控制方法進(jìn)行水庫調(diào)度以保障水庫水質(zhì)安全，不挖深工況控制水位設(shè)定為3.5 m，挖深1 m工況控制水位設(shè)定為2.5 m。

5 結(jié)論

北大港水庫分庫蓄水后，在蒸發(fā)、降雨、土壤釋鹽、下滲及地下水補(bǔ)給等咸化因子綜合作用下水體有較大的咸化風(fēng)險(xiǎn)。但在合適的分庫方案和合理調(diào)度下，北大港水庫分庫后可作為南水北調(diào)和引黃入津工程的調(diào)節(jié)和事故備用水庫，在控制水體咸化方面是可行的，同時(shí)建議采取相應(yīng)的排咸工程。

X832

：A

：1004-7328（2017）01-0021-04

2016—07—20

郭思琪（1995—），女，學(xué)生，主要從事農(nóng)業(yè)水利方面的學(xué)習(xí)。