平潭岛竹屿湖水库水体淡化关键技术研究

林明财

（福建省水利规划院，福建 福州 350001）

海岛地域狭窄，降雨集中且时空差异性大，普遍存在径流短、入海快的问题，淡水资源未得到有效利用便以雨洪的形式流入海洋，造成资源性缺水，严重限制了海岛经济与社会发展。尽管海岛部分区域采用岛外调水解决岛上用水问题，但岛外调水投资成本高，且当旱季岛外供水紧张时，岛内供水保障同样存在极大风险，因此有效利用海岛本地水资源，增加海岛水资源储蓄空间，是海岛水安全保障的重要且必要环节，对提高海岛城市水安全韧性具有战略意义。本文以平潭岛竹屿湖为例，对其水库水体淡化技术进行研究，以期为同类型水库水体淡化提供借鉴。

1 基本情况

1.1 竹屿湖概况

平潭岛位于福建省东部海域，为福建省第一大岛，东临台湾海峡，西临海坛海峡。竹屿口位于平潭岛西部，上接平潭岛的两条最大溪流，即东溪和西溪，下接海坛海峡，由竹屿挡潮闸分为竹屿湾与竹屿湖两部分。竹屿的流域水系见图1。

图1 竹屿湖流域水系图

竹屿湖集雨面积（竹屿水闸闸址以上）为44.1km2，多年平均径流量约2500万m3，平均底部高程为-5～-3m，正常蓄水位为0.80m，对应库容约750万m3；50年一遇设计洪水位为2.41m，对应库容约1100万m3，可达到中型水库的规模，为岛内第二大水库，其年径流量丰富，蓄水空间大。对竹屿湖水体淡化进行研究，并提出有助于加快水体淡化的关键技术，使其成为蓄集淡水的水库，可作为岛上备用水源地，将极大地降低岛内干旱年份用水风险，保障平潭岛用水安全。

1.2 竹屿湖水库蓄淡的难点与关键点

通过对海岛地区地形地貌、水文气象以及相关文献等进行分析研究，可总结出如下竹屿湖蓄淡的难点和关键点：

a. 现状水体与底泥含盐度高，自然蓄淡功能实现周期长。竹屿湖原为沿海滩涂，竹屿水闸修建后，汛期主要功能为滞洪排洪通道，非汛期作为景观湖使用。为保证湖内景观水位以及养殖需求，会纳潮入湖，导致水体水质含盐量高。对竹屿湖周边湖水进行取样检测，竹屿湖水目前主要为半咸水，盐度分布在空间与时间上均存在差异，湖水及底泥的含盐现状极大地增加了蓄淡功能快速实现的难度。

b. 夏季台风多、蒸发大，蓄淡运用影响因素多。海岛四面环海，海陆风频繁，平潭岛年平均风速6.7m/s，因此水面蒸发较大，据统计，平潭岛多年平均水面蒸发量为1330.0mm，远大于多年平均降雨量1180.2mm[3]。一般来说，水库运行初期，表层水体在雨季时可很快淡化且能达标使用，而底层水体，特别是库区深潭内水体很难淡化，尤其是遇到干旱的夏季，库内水体随着底泥沉积物中盐分的释放出现“返咸”现象，从而使表层水体盐分超标，蓄淡功能实现难度增加。

c. 掌握底泥盐分析出影响因素及析出规律、控制盐分影响是蓄淡关键。众多学者[4-6]的室内试验与室外监测都表明海湾水库中的盐分主要来源于库底高盐的沉积物孔隙水。根据模型计算表明，海湾水库库底沉积物中蓄积的盐分将对水库库水产生长期的影响[7]。对于海岛蓄淡水库，库底底泥沉积物中的盐分析出对库水的盐度影响至关重要，因此掌握底泥盐分析出规律，前期做好促排措施，后期做好吸盐防咸措施，对加快蓄淡功能实现、延长蓄淡功能生命周期极为关键。

d. 掌握库区水体盐度变化规律、加快水体交换也是蓄淡关键。除了库底沉积物盐分析出对库水存在长期影响外，河流来水、浅层高盐度地下水入库、底层高盐度沉积水上翻、堤防坝体以及泄洪闸渗漏等对库水也有一定影响。因此，在流域层面，加强流域内点源、面源污染治理，实现雨污水达标处理后入河，从源头严格控制流域来水水质；在水库层面，通过合理分配来水量，结合库形调节库内流速、流向等水动力条件，选择时机加快库内水体交换，对加快海岛河口处蓄淡水库功能的实现、延长水库生命周期也极为关键。

2 竹屿湖盐度分布规律研究

分别在夏季和冬季对竹屿湖进行上覆水及底泥取样（取样点见图2），在室内进行电导率及含盐度检测，研究竹屿湖水体及底泥盐度分布规律[2]，见图3。

图2 取样点分布

图3 竹屿湖水体与底泥沉积物盐度分布

a. 竹屿湖水体水平方向盐度分布规律。水样与泥样的氯离子浓度整体呈现以闸口处为峰值，并向四周逐渐减低的分布规律，主要原因是闸口处湖水与湖外海水交换频繁。

b. 竹屿湖水体纵向盐度分布规律。水面下2m以内，氯离子浓度随着深度增加而增加；在2～4m左右时达到最大值；4m之后，随着深度增加而降低。

c. 竹屿湖底泥盐度分布规律。底泥沉积物中氯离子浓度随着深度的增加而逐渐降低，并且表层（0～25cm）处的底泥沉积物氯离子含量占整体泥样氯离子含量的75%以上，是氯离子最主要的富集区域。

3 竹屿湖底泥沉积物盐分释放影响因素研究

为解决底泥沉积物盐分析出对库水返咸影响的关键问题，通过实验对比，研究底泥沉积物含盐度、上覆水深、风力扰动、沉水植物、底泥微生物等对上覆水盐度的影响，得出不同因素影响下底泥盐分释放规律[8]，见图4。

图4 不同因素影响下底泥盐分释放量对比情况

a. 底泥沉积物盐度。高盐度底泥沉积物很大程度上影响上覆水的盐度分布，底泥含盐量越多，向水体中释放的盐分越多。其中，表层泥样盐度最高，释放量最大，到48天时可累积释放45.6%的盐分，当底泥盐分与水体盐分平衡后，基本以每天1g/m2的速率与上层水体交换。

b. 上覆水深。水体的水质咸化速率与上覆水深度呈负相关关系。上覆水水深越大，产生的压力越大，越不利于底泥盐分的释放，因此当枯水期上游来水量减小时，库水位降低，湖内最易发生返咸现象。

c. 温度。底泥沉积物的盐分释放速率、盐分释放量与温度呈正相关关系。温度升高促进沉积物盐分释放，盐分释放通量随之升高。但由于水体温跃层的存在，冬季底层水体温度高于表层水体，容易使湖区底层高温高盐水体与表层低温低盐水体混合造成整个湖区“返咸”，从而影响区域内供水。

d. 风力扰动。实验结果表明，在水体处于扰动状态下，底泥各层氯离子释放的比例相比于静止状态，其释放量增加了52.2%，说明对于极易遭受台风等暴风影响的沿海岛屿，若强风浪持续作用，不但会导致底层水体上翻引起库水“返咸”，还会使沉积物表层孔隙水产生强对流增加盐分释放。

e. 沉水植物。通过比照实验发现，栽种沉水植物的实验组底泥盐分释放通量小于空白对照组，实验结果充分表明，栽种沉水植物能够对底泥释放起到抑制作用，有固化底泥以及吸盐的功效。

f. 微生物。实验发现，投入福尔马林实验组相较于对照组释放量增加了35.7%；而投入葡萄糖实验组降低了19.8%，含有较多微生物的实验组（葡萄糖实验组）内氯离子释放量远小于其他实验组，由此推测底泥中存在的部分微生物，可吸收盐分进入体内，从而起到生物固氯的作用。

4 竹屿湖水体盐度变化影响因素研究

基于水动力方程、输运方程以及温盐函数，采用数值模拟方法，在湖面蒸发、风力、水闸控制水位、上游不同补水量以及在竹屿湾增设挡潮闸等不同控制工况条件下，对库内水体盐度变化情况进行模拟研究，模拟研究计算工况见表1，研究区域网格划分见图5。

表1 模拟研究计算工况

图5 研究区域划分网格

选取各个工况计算稳定后的盐度值，计算同一时间段不同控制因素下湖中点、西溪下游点、东溪下游点的盐度与工况2盐度的差值（见表2），此差值即为控制因素对该点水体盐度的相对影响，量化各个控制因素对湖内盐度的影响程度，研究结果如下：

表2 不同控制因素湖中各点盐度变化对比

a. 蒸发、风力以及抬高开闸的潮水位均导致湖内各点盐度增大，其中风力影响最大，其次是蒸发影响以及抬高开闸潮水位。

b. 增加入湖流量、低潮水位开闸置换水体、增加下游水闸联合调度等非工程措施可有效降低湖内盐度，各因素对全湖盐度降低的影响敏感程度依次为：入湖流量＞低潮位开闸置换水体＞下游竹屿湾水闸联合调控。由排序可以发现，湖内盐度的变化其实是上游来水与下游潮水互相作用的结果，其中流量的影响整体大于潮水的影响。

c. 受竹屿湖地形影响，东溪湖区河道顺直、水动力条件好、水体交换快，增加东溪来水流量比例可加快东部区域水体淡化速度；西溪河道短，且河道内因吹沙存在深坑，流量与潮水对该处盐度的影响较其他区域更为复杂；湖中区域接近闸口处，更易受潮水盐度影响。表明库区地形对水体淡化影响较大，为尽快实现水库蓄淡功能，可考虑进行分区淡化方案。

5 竹屿湖水体淡化关键技术

根据上述研究成果，为加快竹屿湖底泥盐分析出和水体淡化，可通过工程措施和非工程措施相结合的方法，促进竹屿湖早日实现蓄淡的功能。

5.1 扰动促使底泥盐分充分释放

平潭岛所处东南沿海，其岛屿为我国第一大风区，不小于6m/s的风速全年有3500h以上，每年途经台风平均可达5～10个，而竹屿湖位于河口区域，水深约4～6m，地势平缓，更易受到风力影响使底部咸水层上翻，不利于蓄淡的尽早实现与长期运行。考虑到扰动等对沉积物表层孔隙水的盐分释放效应，提前对整个湖区进行沉积物扰动以促进盐分释放，对于加快库湾水体淡化、降低后期沉积物表层盐持续释放的影响、延长蓄淡生命周期是十分必要的，为此提出“一种用于湖水底泥疏浚且促进底泥扰动的船载装置”[9]，见图6。

图6 促进底泥扰动的船载装置示意图

该装置通过装置前喷头，实现对底泥的大量搅动，使库区、湖区深层泥样能够充分与上覆水体进行接触，避免微生物的厌氧反应，防止其因长期的淤积堆积较多的氯离子及氮磷等富营养化物质，能够在开闸前对底泥进行冲水扰动，从而促进底泥释放其淤积已久的盐分，从根本上消除水体“返咸”的可能。该装置可用于库区、湖区底泥疏浚，配合调水可进行水体水质日常维护，能够有效缓解沿海水库咸化。

5.2 植物吸盐措施促进库水盐分吸收

植物吸盐实验表明，植物在生长过程中对氯离子的吸收可以起到固泥固盐的作用。采取植物措施，建立由可定期收割的耐盐吸盐植物组成的咸水淡化带，以达到分区淡化水质、防治湖水返咸的目的。为加大植物与水体接触表面积，提高其对水体空间的利用，提出“一种用于加速水体淡化的人工生态浮岛”[10]，见图7。

图7 人工生态浮岛示意图

加速水体淡化的人工生态浮岛由固定桩与水底连接，固定桩上端安装有浮在水面的中央浮岛平台，浮岛平台可由开设有种植孔的种植浮块自由组合，种植孔内种植用于淡化水体的挺水植物，如芦苇、香蒲等，同时相邻两种植浮块之间挂接用于淡化水体的碳纤维水草或生态袋等沉水植物，如金鱼藻。种植浮块采用可拆卸连接，每隔2～3个月植株成熟后生长速率减缓，吸盐能力也将饱和，此时可将浮岛单元快速拆卸，安装新的幼年吸盐植物。

5.3 竹屿湖分区淡化调度方案

上述研究成果表明，增加上游来水流量，同时控制闸门在低潮位小开度启闭，促进水体交换的同时减少下游潮水对库水的影响，可以加快湖内半咸水体的盐度降低速度，尽快实现水体达到淡水标准。由于东溪较其他区域盐度降低速度快，因此本研究拟在东溪支流增设东溪节制闸（见图8），通过节制闸调节流量，分区域加快湖区半咸水体淡化速度。

图8 东溪节制闸分区位置

借助脉冲大流量（如汛期流域洪水）及竹屿湖规划生态补水流量（Q西=0.8m3/s，Q东=2.5m3/s）结合闸门低潮位小开度控制调节，经过多次冲洗、闸门调节，来实现湖水盐度降低的目的。实施分区方案时，首先闸门全部开启，待全湖经过一次脉冲大流量冲淡后，再启用东溪节制闸与竹屿湖闸共同调节，使东溪节制闸以上区域水体率先实现淡化，待东溪节制闸以上区域水体实现淡水化后，再根据潮位与湖水位的关系，通过闸门控制结合水量调度使西溪湖区和湖心逐步实现淡化的目标。具体调节方案见表3。

表3 湖水分区淡化调度方案

根据模拟结果，在全湖区淡化方案基础上增设东溪节制闸并与竹屿水闸联合调度，比全湖区淡化方案中同区域水体达到淡水标准的时间提前了约38%～50%，即约200万m3淡水可提前使用。由此说明，分区方案可以较快地实现淡化功能，提高淡水利用率。

6 结语

本文从海岛雨洪资源高效利用角度出发，以平潭岛竹屿湖为研究对象，分析了竹屿湖蓄淡存在的难点和关键性问题，得出了竹屿湖底泥和水体的盐度空间分布规律，并通过实验研究了影响底泥盐分析出和水体淡化的影响因素，据此提出了扰动促使底泥盐分充分释放、植物吸盐促进库水淡化以及制定合理调度方案等关键技术，有助于竹屿湖蓄淡水库功能的尽快实现，延长水库生命周期，增加平潭海岛水资源储蓄空间，促进当地水资源高效利用，从而保障岛内经济社会的用水安全。