北大港水库分库后的水质咸化风险研究

2017-03-29郭思琪郭宝顺秦华联

海河水利 2017年1期

关键词：蓄水盐分供水

郭思琪，郭宝顺，秦华联

（1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2.天津市水文水资源勘测管理中心，天津300061；3.天津市水利勘测设计院，天津300204）

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.006

北大港水库分库后的水质咸化风险研究

郭思琪1，郭宝顺2，秦华联3

（1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2.天津市水文水资源勘测管理中心，天津300061；3.天津市水利勘测设计院，天津300204）

对北大港水库水环境、库区底泥及土壤盐分分布、释放强度及规律、水文地质条件等方面进行实验分析，通过模型对水库分库蓄水后水质变化进行预测，提出北大港水库分库后作为南水北调东线及引黄济津工程调蓄水库的咸化风险以及为防止咸化采取的水质、水位控制方案和对策措施。

北大港水库；分库挖深；咸化研究；控制方案

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.006

1 基本情况

北大港水库位于天津市滨海新区，库区距渤海6 km，占地面积164 km2，水面面积150 km2，围堤为复式均质土坝，总库容5亿m3，兴利库容4.41亿m3，库区地层岩性为素填土、陆相粉质黏土和海相粉质黏土，以陆相粉质黏土层为主。

北大港水库是南水北调东线和引黄济津工程的调蓄水库，又是北大港湿地自然保护区的核心区，担负着天津市供水安全与生态保护的双重任务。现状北大港水库存在蓄水量大幅减少，蓄水保证率低，水面大、蒸发渗漏损失大，水质咸化严重等一系列问题。为保证南水北调供水安全与湿地生态保护的需求，拟将北大港水库分为东西两库，西库在挖深保证蓄水库容的基础上作为城市备用水源地，蓄水面积110 km2，蓄水库容3.8亿m3。

由于北大港水库位于滨海地区，土壤盐碱化严重，地下水位高且盐分含量也高，西库开挖后新揭露的土壤层盐分释放和地下水位波动均会影响水库蓄水后的水质，增加咸化的风险。因此，有必要通过野外监测、室内模拟、模型预测等方法，分析新开挖区水文地质条件的变化，研究库区及库周新生界面土壤盐分释放强度，探索地下水与水库水的作用规律，预测不同分库方案下水库蓄水后水质咸化的风险，并提出预防水库咸化的建设、运行方案，为有关部门的科学决策提供技术支持。

2 影响水质咸化因素及变化规律分析

2.1 水库水环境

从水样监测结果可知，北大港水库水质较差，水体氯离子浓度超过集中式生活饮用水水质标准（250 mg/L）。经分析，其原因主要有两个方面：一是水库蓄水少，蓄水水位低，底泥盐分容易释放；二是库区东距渤海湾6 km，地下水水位易受到涨落潮的影响，从而影响水库水质。

2.2 库区底泥及库周土壤盐分分布规律

根据现场取样分析，北大港水库西库库区1～2 m内全盐量变化范围为0.25%～1.25%，Cl-变化范围为0.06%～0.60%；2～3 m内全盐量变化范围为0.25%～1.38%，Cl-变化范围为0.08%～0.76%，属滨海盐土，盐化程度高。库周1～2 m内全盐量变化范围为0.17%～0.94%，Cl-变化范围为0.05%～0.45%，为重盐化土，盐化程度较高。西库库区内土壤盐分分布不均，主要表现为库周低、库区高和西部低、东部高。

土壤中的全盐量和Cl-随深度增加而上升，在1～2 m内变化较小，2 m下增加趋势明显，主要是受地下水的影响造成的，地下水的埋深范围为1.51～2 m，2 m以下的土壤由于与地下水长期接触，土壤中盐分含量明显高于上层土壤。水库分库时向下开挖，不可避免地产生新的揭露层，使土壤盐分释放高于现在土壤盐分释放，且使水库蓄水后更易于受到高矿化度地下水的影响，增大水体咸化的风险。

2.3 底泥盐分释放规律

实验室模拟了不同含盐量、不同上覆水深、静止及扰动、换水等条件下底泥盐分的释放量和释放强度。

在上覆水深相同、静置状态下，土壤Cl-单位面积释放量与土壤盐分含量呈正线性相关关系，即土壤盐分含量越高，蓄水后单位面积盐分释放量越大。根据土壤盐分含量推算，蓄引黄河水后Cl-的浓度将达到299.7 mg/L，超过饮用水标准限值。

在土壤盐分含量和上覆水深相同的条件下，扰动将加快土壤盐分的释放。在静置状态下，需要220 d左右Cl-释放才达到稳定，而扰动条件下仅需30 d即达到稳定。

在土壤盐分含量相同的条件下，Cl-的释放量与上覆水水深呈负相关关系，即水深越大对土壤的压力越大，土壤盐分释放量越小。根据其它水库室内试验及水库实际运行时的测定结果推知，北大港水库分库运行后将使水体中Cl-浓度上升到369.9 mg/L，超过饮用水标准限值。

2.4 变化规律分析

水库与地下水的相互作用分析表明，水库在不挖深、挖深1 m和挖深2 m时渗漏量随着挖深逐渐加大，地下水传质作用逐渐增强，水库水受地下水咸化的风险也逐渐加大。

3 分库蓄水后水质变化预测

本次模拟选取完全混合零维数学模型进行预测计算，即将北大港水库看成一个完整的体系，体系内部各水体间是均匀混合的，流入的物质立即完全分散到整个体系，以此理想状态分别建立水库的水量、水质模型，预测水库分库后水位及水质变化。

（1）水量基本方程为：式中：Wt+Δt为t+Δt时刻水库的库容（104m3）；Wt为t时刻水库的库容（104m3）；W引为Δt时段内的水库引水量（104m3）；h降为Δt时段内的降雨量（cm）；At为t时刻水库的水面面积（km2）；W排为Δt时段内的水库排水量（104m3）；W渗为Δt时段内的水库下渗量（104m3）；h蒸为Δt时段内的蒸发量（cm）。

（2）水质基本方程为：

式中：Ct为t时刻水库水中氯离子（或矿化度）浓度（mg/L）；Ct+Δt为t+Δt时刻水库水中氯离子（或矿化度）浓度（mg/L）；C引为Δt时段内引水中氯离子（或矿化度）平均浓度（mg/L）；C降为Δt时段内降雨中氯离子（或矿化度）平均浓度（mg/L），取5.42 mg/L（研究期间现场采集的降雨中所含氯离子的平均浓度）；C蒸为Δt时段内因蒸发增加的氯离子（或矿化度）平均浓度（mg/L）；k为水库水中氯离子（或矿化度）综合吸附系数；S为水库土壤中氯离子（或全盐量）释放速率[mg/（m2·s）]；N为地下水中氯离子（或矿化度）传质通量[mg/（m2·s）]；A1为水库土壤盐分的有效释放面积（km2），取110.30km2（即库底及边坡淹没面积）；A2为水库与地下水盐分的有效交换面积（km2），取109.74 km2（即水库与地下水的交换主要发生在库底垂向交换界面）。

利用既有资料对模型进行了水量水质率定，率定结果表明，模型有较好的精度。同时，根据该模型，在综合考虑引供水、蒸发、降雨、土壤释盐、下渗及地下水传质作用的影响下，进行了以下2种工况的水质变化预测：①维持北大港水库现状，蓄引黄河水3.0亿m3，预测全库引黄水质的咸化规律；②分库后，西库蓄引黄河水3.0亿m3，预测西库引黄水质的咸化规律。预测结果，见表1。

表12 种工况下水库水质变化结果对比分析

2种工况下，虽然都出现水质咸化现象，但分库后水质达标天数多、供水时间长、供水量大，且在模拟的末期水库氯化物浓度低。因此，在引黄水量、水质相同的条件下，水库分库较水库维持现状直接蓄水的咸化风险更小，供水的保证率更高。

4 分库后水质、水位控制方案研究

由于南水北调东线工程尚未完成，本次主要研究引黄河水时水库运行调度方案及其水质变化。水库运行及调度方案设计如下：

（1）水库分库不挖深，于11月1日开始以50 m3/s速度引蓄黄河水分别至4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5 m，在引黄结束后或从次年2月1日开始以25 m3/s流量向市区供水，直至水质超标或低于死水位3.0 m。

（2）水库分库挖深1 m，于11月1日开始以50 m3/s速度引蓄黄河水分别至3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 m，在引黄结束后或从次年2月1日开始以25 m3/s流量向市区供水，直至水质超标或低于死水位3.0 m。

（3）水库分库挖深2 m，于11月1日开始以50 m3/s速度引蓄黄河水分别至2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 m，在引黄结束后或从次年2月1日开始以25 m3/s流量向市区供水，直至水质超标或低于死水位3.0 m。

运用模型模拟在不同分库方案、不同蓄水位条件下引水后的氯化物达标天数、供水天数和可供水量，结果见表2，不同挖深及水深条件下水库库容及可供水量如图1所示。

表2 各运行方案基本参数

图1 不同水深工况下水库库容及可供水量

经模型计算，北大港水库分库后作为引黄济津工程的调蓄水库，在引供水、蒸发、降雨、土壤释盐、下渗及地下水补给等咸化因子综合作用下，蓄水后除蓄水6.5亿m3的工况外，其它工况（蓄水1.6亿、2.6亿、3.6亿、4.6亿、5.6亿m3）条件下水体均会发生咸化现象。当蓄水量较少（1.6亿m3左右）时，水库在不挖深条件下进行分库较好，与挖深1、2 m相比，供水时间较长，供水量较高。当蓄水量适中（2.6亿～3.6亿m3左右）时，水库在不挖深和挖深1 m情况下进行分库的效果好于挖深2 m的情况。当水库蓄水量较大（4.6亿m3左右）时，3种分库方案均可满足较长时间的供水需求，但在挖深2 m情况下会造成水资源的浪费。当水库蓄水量很大（5.6亿m3左右）时，3种分库方案虽均可满足较长时间的供水需求，但由于引水时间长，近期较难实现，可在南水北调东线工程开通后作为水库远期引供水方案。通过对比分析，按近期蓄水3.8亿m3考虑，水库可采取不挖深或挖深1 m两种方案分库，可保证较长时间的供水天数和较大供水量。同时，为减轻地下水影响的风险，挖深1 m应为其极限挖深。

在不挖深和挖深1 m两种情况下，水库蓄水量越大，水库发生水质咸化的风险就越低，水库可供水量就越大，即水库远期（蓄水量5亿m3）较近期（蓄水量3.8亿m3）水质咸化风险低。

在不挖深和挖深1 m分库情况下，近期蓄水3.8亿m3时，可采用水位控制方法进行水库调度以保障水库水质安全，不挖深工况控制水位设定为3.5 m，挖深1 m工况控制水位设定为2.5 m。