加快海涂水库水体淡化措施的研究

金德钢,孙 尧,夏珊珊

(宁波市水利水电规划设计研究院,浙江 宁波 315192)

1 问题的提出

宁波市地处我国东南沿海,沿海和岛屿地区普遍缺水,加之山低源短,无建造大中型水库的条件。但海涂资源丰富,根据当地实际情况建设了许多堵港蓄淡水库和海涂水库,用以拦蓄陆域来水或丰水期抽蓄河网淡水,其中规模较大的有象山县大塘港、宁海县胡陈港、毛屿港、一市港、车岙港下水库及慈溪四灶浦等蓄淡水库。正在兴建郑徐海涂水库和规划兴建慈西、临海浦等海涂水库。在短时间解决堵港水库和海涂水库咸水淡化问题,已提到议事日程。本文结合二维水动力模型对慈溪郑徐海涂水库排咸设计成果分析,提出对海涂水库排咸设计理论计算方法和方案措施探讨。

2 工程概况

郑徐海涂水库工程位于慈溪市范市镇、观海卫镇、附海、胜山、崇寿及新浦镇的滩涂上,建于郑家浦与徐家浦围涂区内,南靠九塘,北至十塘,东靠徐家浦河道西直堤,西至郑家浦隔提,占地666.7 hm2(1万亩),总库容4 270万m3[1]。工程由堤坝、翻水泵站、放水闸、排咸站、配套河道、节制闸组成,工程于2010年11月开工,计划2013年完工。

3 海涂水库水质咸化主要影响因素分析

(1)库底盐碱底泥:库底沉积物中盐分释放是一个缓慢过程,其对海涂水库水质影响主要在建库初期[2-3]。

(2)咸化浅层地下水:地下水含盐量高于水库水体的含盐量,是导致水库水质咸化的主要因素[2-3]。地下水与水库水的补给关系与水库蓄水水位的变化有很大关系,当水库蓄水水位较高时,由水库水补给地下水,水库水质受地下水的影响较小。反之,库底地下水将会通过土壤孔隙与上覆库内水体相连,地下水将补给水库水。

(3)气候气象因素:蒸发是影响水质咸化的一个重要因素,蒸发浓缩作用占优势也引起水库水质咸化。尤其在炎热的夏季,地下水、水库水体中的盐分扩散系数增大,可加快咸化的速度,经常会导致突发性泛咸现象。风是影响水质咸化的另一个因素,风吹过水面产生剪切应力,将形成垂直环流和水平环流,使盐分从库底盐碱土壤和咸化地下水向水库水体中扩散,从而加快水库水质的咸化速度。

4 研究思路及模型介绍

4.1 研究思路

通过建立库区水动力模型,研究水库在可能运行条件下的水动力特性、盐度分布规律,在此基础上,根据郑徐水库实际,研究制定相应的排咸工程措施和非工程措施,并用底泥盐度释放模型对水库盐度淡化趋势进行预测,为水库运行管理提供支撑,实现淡化水体、提高水质的目的,最大程度地发挥水库效益。

4.2 数学模型介绍

4.2.1 Delft 3D水动力模型

使用Delft 3D软件建立郑徐水库库区二维水动力模型,按照不同工况分析库区的水动力流场,在此基础上进一步研究引水调度对水库盐度变化的影响,为郑徐水库运行调度提出指导性意见和建议。

模型的计算区域为库区内水域,该水域根据堤线布置进行概化。采用Delft 3D软件自带Rgfgrid程序生成正交曲线网格。网格的疏密情况根据实际需要而不同,进出水口及工程敏感区域网格较密,边界附近一般区域网格相对较疏。总网格数82×82,最小网格间距15m,最大网格间距80m,平均网格间距30 m,计算面积约为6.4 km2。

4.2.2 底泥盐度释放模型

郑徐水库水体盐分主要来源于底泥,底泥盐度释放是一个不断衰减的过程。广东工业大学彭进平等对河口蓄淡水库底泥盐分释放进行了研究,建立了底泥盐度释放模型,分析了3种不同底质情况下的底泥释放规律,确定了释放衰减系数、初始释放通量等参数,并应用该模型对鉴江河口水库的淡化进行了分析预测。

底泥中盐度释放量一般随时间呈指数衰减规律:

式中:F0为初始释放通量(mg/(d.cm2)),k为衰减系数(1/d),t为时间(d)。

以天为计算时段进行计算,根据质量守恒原理,采用完全混合系统水质模型,模型计算表达式为:

式中:S为水库库面面积(m2),F为底泥中的盐分释放通量(mg/(d.cm2)),Cout为完全混合后的水质浓度(mg/L),Cin为来水水质浓度(mg/L),Qout为流出系统的流量(m3/s),Qin为流入系统的流量(m3/s),V为水库的库容(m3)。

郑徐水库淡化预测拟采用鉴江水库的研究成果[4],对郑徐水库的淡化进行定量预测,并确定水库正常运行情况下的排咸泵规模。

相关参数的确定:底泥风干后的盐度7.07 g/kg,本底间隙水盐度8.80mg/L,初试释放通量为8.97 mg/(d.cm2)。

5 计算成果分析

5.1 水动力模型计算成果

(1)水库中水体交换的主要动力来自于引排水,由于水库库面面积较大,在各类引排水条件下,水库整体水动力条件较弱,大部分区域流速小于0.01 m/s,远离引排水闸的岸边水体基本处于静止状态。

(2)在典型引水条件下,水库中含盐份水体被来水稀释,盐度有明显下降,下降幅度与引水口距离成反比,与水深成反比。可见,在前期水库盐度较大时,采用引排水调度进行集中洗盐,可以较大程度地降低水库水体的含盐度,在正常运行期时,水体静置时间较长,库内水体盐度出现分层,此时,采用小流量排咸泵进行排咸,可以达到较好的排咸效果。郑徐水库引水闸附近观察点盐度分层示意见图1。

图1 郑徐水库引水闸附近观察点盐度分层示意图

(3)湖心岛位置正对引水口,其南北两侧水道的过水断面面积相对大小对水库流场影响较大。缩窄南侧水道可增大东北侧水体的流动速度,扩大库区水体流动范围,不仅增强了库水的流动性,而且更为有效地降低水库水体盐度,鉴于此,推荐缩窄南侧水道方案。

(4)将库区东侧徐家浦九塘北侧的放水闸沿堤线向北移动300m,拉大了与引水口的距离,可使南部库区的水体流动性较放水闸北移前有明显增强,推荐放水闸北移方案。

5.2 盐度预测模型计算成果

在水库运行初期,通过引、放水闸及泵(包括排咸泵)的组合调度,对水库进行洗盐,逐步降低水库水体盐度,减小底泥盐度释放强度,最终实现用较小流量的排咸泵达到水库供水水质要求的目的。根据GB/T 19923—2005《工业用水水质标准》,氯离子的含量标准为250 mg/L。水库盐度随时间变化见图2。

经计算建成后第1年引排水2次,然后水库蓄至4.5 m开始供水,保持水位不变,开始用排咸流量为0.34 m3/s的排咸泵排咸,再运行1 a,水库达到工业供水水质要求。

图2 水库盐度随时间变化图

6 工程措施

6.1 排咸点布置

为达到排咸效果,取水口布置于水体交换少、高程较低处。本工程进水口位于西南角,出水口位于东侧、西南角两处,相对而言库区北侧区域水体交换缓慢,盐水易在此沉积。且北侧距外海最近,排咸距离短,运行成本低。拟定沿北堤布置4处排咸点。将取水口设置于-2.8 m高程,取水口处需设置集咸取水坑,尺寸为:以取水口群为中心,半径20 m,取水坑底暂拟定高程不高于-4.0 m,一方面有利于抽水水流流态,另一方面也可使盐水更集中于取水口。

6.2 取水流量及水泵选型

水库投入使用后排咸设施主要维持水库水质,降低水库返盐影响程度。根据上述分析泵总流量0.34 m3/s,布设4个抽排点,按每个抽排点4个吸水口计,每个抽排点流量为0.085 m3/s,考虑运行过程中存在停电等因素,适当提高单个抽排点流量为0.10 m3/s。

进出水管用抗腐蚀、小阻尼管材,进水管考虑新建坝体沉降较大采用适应变形能力较强的PE排污管,出水管埋于海堤内采用预应力钢筋混凝土,经济管径采用规范公式:

式中:Q为流量 (m3/s)。计算结果为进水管径150 mm,出水管径195 mm,根据现有规格进水管采用DN160(长度小于600 m)和DN200(长度大于600 m),出水管采用DN250,进水管设计流速1.32 m/s(长度小于600 m)和0.85m/s(长度大于600 m),出水管设计流速1.63 m/s。

进水口最低水位为2.0 m,出水口高程为5.0 m,水头差3 m。进水管沿程水头损失共计5.35m(长度小于600m)和3.02 m(长度大于600 m),进水管局部水头损失忽略,出水管沿程水头损失共计1.55 m,出水管局部水头损失共计0.26 m,总水头损失约为10.18 m,水泵采用80～280(Ⅰ)-B(电机功率11 kW)离心泵,扬程19 m,允许气蚀余量2.3 m,吸程按下式计算:

Hs=10.33(标准大气压)-2.3(气蚀余量)-0.5(安全富余量)=7.53 m

水库排咸最低水位2.0 m,水泵安装高程不高于5.0 m,本次设计拟定为4.8 m。

6.3 其它排咸措施

6.3.1 合理调度,加大库内水体交换速率

郑徐水库为典型的海涂平原水库,自身集雨面积只有水库水面,来水主要是从西侧八塘横江的河道及曹娥江引水工程的境外来水。二维水动力模型计算成果表明,库内水动力条件较弱,局部库湾水流不畅,水体环流主要来自于风场、泵站引水及排水闸放水。在工程措施排咸的基础上,充分利用水库引排水,采用合理的调度方式,稀释库内盐度高的水体,再引入河网中的淡水或天然降水进行补充,循环往复,达到水质净化的目的。

(1)水库建成初期,水体盐分主要来源于水库的底质土层,此时水库含盐度较高,盐分从底部向库面水体扩散明显,此时应利用引排水进行集中排咸,具体的调度方式应综合考虑降雨、河网水位及闸泵规模等因素。

(2)由于慈溪60%以上的降雨集中在4—9月,在曹娥江引水的补充下,汛期水量相对充足,应充分利用汛期富足的弃水和雨水进行连续置换水。置换水方式选择排水闸和管道排咸相结合,排水闸换水起排时间选择在东河区河网水位位于低水位时,水库放水时与徐家浦十塘闸联合放水,当河网水位达到警戒水位时应停止放水,并开闸引水,待河网水位降至常水位以下时再开始放水。

(3)在非汛期,水库取排水量相对减少,水体交换不足,底部水体盐分堆积,且不易向表层水体扩散,使底部水体含盐度提高,在遭遇一定天气条件下,枯水期水库泛咸的可能性增大,此时,可采用排咸泵进行小流量排咸,降低水库水质灾害的风险。

6.3.2 科学布置,优化水库取用水装置

由于库区上、中层水体盐度分布较为均匀,且易于淡化,因而可以采用表层浮球式取水装置取用库区已达到水质标准的局部合格水,提高水库的利用率,同时也可以加快底部水体淡化。

6.3.3 加强监测,及时采取有效措施防治水质灾害

在正常情况下,液体溶解扩散和沉淀使水库水含氯度与水位高程成梯度分布。水库在运行期间,由于局部水体置换率低,若不能及时排出,将会形成化学成分复杂的高浓度咸水,在干旱及雨量减少等气候环境影响下,产生库水泛咸,严重影响水库供水。因此,及时掌握水库水质及分布情况对于水库安全供水尤为重要。

7 结 语

采用Delft 3D水动力模型能很好地模拟库区的水动力流场和引排水调度对水库盐度变化的影响,能提供水库进水、排水口合理布置、排咸措施选择和引排水运行调度提出指导性意见和建议。盐度预测模型根据引、放水闸及泵(包括排咸泵)的组合调度,对水库进行洗盐,逐步降低水库水体盐度,减小底泥盐度释放强度,最终实现用较小流量的排咸泵达到水库供水水质要求的目的,可按要求合理预测水库咸水淡化时间,可供其他海涂水库排咸设计参考。

[1]金德钢.慈溪市郑徐水库初步设计报告[R].宁波:宁波市水利水电规划设计研究院,2010.

[2]毛献忠,陈甫源,余祈文,等.堵港蓄淡水库水体淡化预测研究 [J].水利学报,2004(07):80-85.

[3]毛献忠,朱小敖,陈甫源,等.沿海堵港蓄淡水库加快水体淡化措施的研究[J].水科学进展,2005(06):773-776.

[4]向军,彭进平,逢勇,等.鉴江河口底泥盐度释放规律研究[J].水文,2008,28(4):12-15.