攪拌換水法在水源庫(kù)區(qū)脫鹽中的原位中試研究
——以徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源為例

梅生成

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源工程地理位置臨近黃海海岸，成陸時(shí)間較短，受海潮和海水型地下水的雙重影響，該區(qū)域土質(zhì)鹽分高，其中尤其是氯離子含量高[1-2]。前期地勘資料顯示，工程所在位置庫(kù)底深度土層土壤含鹽量大于1.5%，為鹽化土壤，高鹽土壤鹽分釋放將導(dǎo)致徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源水體氯離子濃度超標(biāo)，引起飲用水口感偏咸，并影響市政供水管網(wǎng)的穩(wěn)定，也增加了大部分企業(yè)工業(yè)用水的前處理成本[3]。

同時(shí)，土壤高鹽與水環(huán)境高鹽是本工程生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建的最重要限制因素[4-5]。地勘結(jié)果表明，工程區(qū)域地下水水位、庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度的土層及地下水鹽度含量較高，Cl-濃度達(dá)到1500～4500 mg/L左右。高鹽生環(huán)境會(huì)抑制水生植物的光合作用，還會(huì)對(duì)水生生物造成影響，從而對(duì)生態(tài)凈化工藝中水生動(dòng)、植物的群落構(gòu)建造成較大的脅迫[6-9]。

關(guān)于濱海灘涂鹽土修復(fù)，目前國(guó)內(nèi)外已有較多的研究，并提出了物理、化學(xué)和生物改良等修復(fù)措施[10-11]。但這些研究均是基于灘涂鹽土耕作種植的改良目標(biāo)需求，以耕作層土壤改良和提高農(nóng)作物耐鹽性為主要研究對(duì)象，而對(duì)于濱海高鹽地區(qū)湖庫(kù)底部高鹽土壤本底生境修復(fù)，特別是以濱海鹽堿地湖庫(kù)水體淡化為關(guān)注點(diǎn)的研究尚不多見(jiàn)。

因此，在資料查閱、現(xiàn)場(chǎng)小試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行原位中試示范工程，深入分析土壤脫鹽的關(guān)鍵控制參數(shù)，提出本試驗(yàn)方案，指導(dǎo)徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源地庫(kù)區(qū)建設(shè)過(guò)程中及建成后的脫鹽工作，同時(shí)也為區(qū)域內(nèi)其它湖庫(kù)的脫鹽提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)布置

在室內(nèi)模擬試驗(yàn)獲取的脫鹽關(guān)鍵參數(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)控制變量等試驗(yàn)方法，進(jìn)行野外原位的小規(guī)模小試及大規(guī)模中試研究，進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)，為徐圩庫(kù)區(qū)脫鹽提供更加科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

原位中試池平面布置在徐圩庫(kù)區(qū)工程平面布置的基礎(chǔ)上，按照1∶25的比例進(jìn)行縮放，確定單個(gè)示范試驗(yàn)池的面積大致在3.5畝左右，示范工程試驗(yàn)池的形狀、進(jìn)出水口位置均與庫(kù)區(qū)相同，且?guī)斓淄ㄟ^(guò)土壤換填，平鋪50cm徐圩庫(kù)區(qū)庫(kù)底原位土層，增加示范工程中試試驗(yàn)研究的可參考性，原位中試試驗(yàn)池設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣的方式，監(jiān)測(cè)分析各點(diǎn)位水質(zhì)和底泥理化性質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)觀察記錄周邊水生植物和水生動(dòng)物等生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。底泥樣品的分析指標(biāo)包括土壤全鹽量、Cl-、土壤電導(dǎo)率、pH值、含水率、粒度共六項(xiàng)指標(biāo)。水質(zhì)的分析指標(biāo)包括水溫、CODMn、氮磷指標(biāo)、全鹽量、Cl、pH值共9項(xiàng)指標(biāo)，底泥及水體監(jiān)測(cè)方法見(jiàn)表1。

圖1 原位中試試驗(yàn)池設(shè)計(jì)斷面圖

表1 底泥及水體監(jiān)測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 換水脫鹽量變化分析

原位中試庫(kù)底換填厚度50cm含鹽量2%左右的庫(kù)底原位土，采用手扶式拖拉機(jī)進(jìn)行旋耕，翻耕深度15cm，脫鹽水深30cm。原位中試池面積大約3.5畝，共進(jìn)行10輪攪拌換水脫鹽，總用水量 6174m3。

在原位中試旋耕攪拌脫鹽中，原水的氯離子濃度較高，達(dá)到2200mg/L以上，脫鹽初期的前5輪攪拌換水，氯離子濃度快速下降，隨后土壤鹽分釋放緩慢，水體氯離子濃度和旋耕脫鹽次數(shù)呈冪指數(shù)關(guān)系，。至完成10輪攪拌換水脫鹽后，上覆水氯離子濃度低于250mg/L標(biāo)準(zhǔn)限值，基本完成原位中試池土壤脫鹽，完成脫鹽的單位面積用水量3.36t/m2。

計(jì)算每次攪拌換水外排的脫鹽量，其變化趨勢(shì)與上覆水氯離子濃度變化情況一致，初期前5輪脫鹽排水的脫鹽量較大，當(dāng)土壤鹽分降低到一定程度后，每次換水的脫鹽量均相對(duì)較小，原位中試歷次換水脫鹽量見(jiàn)圖2。

圖2 原位中試歷次換水脫鹽量

2.2 土壤鹽度變化分析

通過(guò)多點(diǎn)取樣監(jiān)測(cè)原位中試脫鹽的土壤鹽度變化趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，攪拌換水脫鹽前，原位中試池底換填的庫(kù)底土壤鹽分在2.0%左右，與庫(kù)底表層土壤鹽度的監(jiān)測(cè)值保持一致，其中表層10cm土壤鹽度1.95%，10～20cm土壤鹽度1.99%，20～30cm土層鹽度2.06%；脫鹽后，表層0～20cm土層的鹽度降低顯著，其中表層10cm土層的鹽度降低至0.43%，10～20cm土壤鹽度降低至0.64%，受攪拌設(shè)備的旋耕深度限制，20～30cm土層的鹽度降低量較小，脫鹽后的土壤鹽度平均值在1.13%左右。

從不同取樣位置土壤鹽度的變化情況(表2)可以看出，在完成10輪的攪拌換水脫鹽后，東側(cè)Z1取樣點(diǎn)土壤鹽度在各取樣點(diǎn)中，自表層10cm至30cm不同深度土層的鹽度均達(dá)到最低，表層0～10cm土壤鹽度僅 0.27%，而該取樣點(diǎn)位于攪拌脫鹽換水的進(jìn)水口，進(jìn)水期間低鹽度的原水沖刷是該點(diǎn)位土壤脫鹽徹底的主要原因；而距離進(jìn)水口最遠(yuǎn)的Z3取樣點(diǎn)，脫鹽后的土壤鹽度相較其他幾個(gè)取樣點(diǎn)最高。因此，庫(kù)區(qū)脫鹽工程實(shí)施過(guò)程中，要綜合考慮進(jìn)出水位置[12]。

表2 原位中試脫鹽前后土壤鹽度變化

表2(續(xù))

2.3 蓄水期水體Cl-濃度變化分析

原位中試經(jīng)10輪攪拌換水脫鹽后，自10月28日起蓄高水位至深度為1.0m，模擬庫(kù)區(qū)脫鹽完成后蓄水期階段水體中的氯離子含量變化情況。在經(jīng)持續(xù)30天的跟蹤監(jiān)測(cè)后，原位中試脫鹽后蓄水期水體氯離子濃度變化情況見(jiàn)圖5。

持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在蓄水水深1.0m的條件下，善后河原水在脫鹽覆蓋后的原位中試池內(nèi)停留30天左右的時(shí)間里，水體氯離子含量從184 mg/L升高至220 mg/L，未超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值的250 mg/L，除進(jìn)水蓄水時(shí)氯離子含量自初始的184 mg/L快速上升至202 mg/L后，氯離子含量上升緩慢，水質(zhì)維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)(見(jiàn)圖3)。

圖3 原位中試脫鹽后蓄水期水體氯離子濃度變化

2.4 蓄水期鹽分釋放通量分析

從原位中試脫鹽后蓄水期鹽分釋放通量(圖4)來(lái)看，土壤鹽分的釋放通量極低，平均低于0.03g/(m2·h)，按此釋放通量，排除初次進(jìn)水沖刷的影響，徐圩庫(kù)區(qū)常水位7m水深的條件下，庫(kù)區(qū)水體氯離子含量在一個(gè)月內(nèi)預(yù)計(jì)僅上升2～5mg/L左右，能夠達(dá)到庫(kù)區(qū)脫鹽目標(biāo)需求。

圖4 原位中試脫鹽后蓄水期鹽分釋放通量

2.5 關(guān)鍵參數(shù)分析

原位中試脫鹽的關(guān)鍵參數(shù)如下：原位中試換水10次，用水量 6174m3，脫鹽量 12257kg，單位面積用水3.36 t/m2，表層土壤脫鹽率 73.1%，距庫(kù)區(qū)表層土壤脫鹽率 80%還有一點(diǎn)差距，建議增加攪拌換水次數(shù)。

3 小結(jié)

(1)相較靜態(tài)釋放和流動(dòng)換水，攪拌換水脫鹽是最快速高效，且節(jié)約水資源的脫鹽方案，且土壤脫鹽較徹底，可達(dá)到庫(kù)區(qū)脫鹽目標(biāo)需求。

(2)原位中試經(jīng)10次攪拌換水后，上覆水氯離子濃度達(dá)到250mg/L以下，蓄水期氯離子濃度上升緩慢，具有較好的工程示范意義，可推廣應(yīng)用于徐圩庫(kù)區(qū)土壤脫鹽?？紤]土壤脫鹽的徹底性，庫(kù)區(qū)脫鹽時(shí)建議增加攪拌換水次數(shù)。

(3)進(jìn)出水方式可一定程度上影響土壤的脫鹽效果，庫(kù)區(qū)脫鹽工程實(shí)施過(guò)程中，建議采用多點(diǎn)進(jìn)水的方式，提高庫(kù)區(qū)脫鹽效率。