水庫蓄存期水質分析論文

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ZhaoWenyu1,2WangQishan1ZhaoYuming3CuiHaiTao3LiuChengjian3

SunZengfeng1ZhengLiyan1WuLibo1

(1.NankaiUniversity,TianJin,300071;

2.GuilinInstituteofTechnology,Guilin,GuangXi,541004;

3.Bei-Da-GangReservoirAdministrationDepartmentalism,TianJin,300270)

Abstract:TheprojectofYellowRiverdivisionforTianjin(alsocalledYin-Huang-Ji-JinProject)isaneffectivemeasuretoresolvetheproblemofwaterresourceshortageinTianjinCity.Bei-Da-gangreservoiristheonlyoneregulatingreservoirforthisproject.Yin-HuangwatergetssaltedduringbeingstoredinBei-Da-GangReservoirandtheCl-concentrationgoesbeyondtheⅢStandardofGroundWaterQualityfinally.Basedonmasstransfertheory,Yin-HuangWatersalinizationmechanismisroundlyanalyzed.ItisconcludedthattheYin-HuangwatersalinizationmechanismismainlyaffectedbythephysicalgeographyandweatherconditioninBei-Da-GangReservoirarea.Someprojecttoretardthespeedofthesalinizationisproposedinthearticle.

Keywords:Bei-Da-GangReservoir;WaterSalinization;MassTransferTheory；PreventionMeasures

1“引黃水”在北大港水庫蓄存前后鹽度變化情況

“引黃濟津”工程是國家為解決天津市水資源嚴重潰缺問題而實施的一項重要應急措施[1]，“南水北調”工程是國家為解決北方缺水問題而制定的一項具有戰略意義的重要決策。北大港水庫作為“引黃濟津”工程和“南水北調”工程東線備用方案的調蓄水庫，研究“引黃”、“引江”的淡水（目前只有“引黃水”）在北大港水庫蓄存期咸化機理有重大的現實意義與深遠的戰略意義。

北大港水庫是位于天津市大港區的一座大型平原水庫。大港區是由退海形成的濱海平原地區。北大港水庫所在地區在歷史上為洪瀝水沖積之古瀉湖、逐漸演變為海進海退鹽堿荒蕪的漬水之地，后經人工圍堰建壩形成現存規模的北大港水庫[2]。“引黃水”在北大港水庫蓄存一段時間后水質與原黃河水水質有很大的差異，特別是其鹽度（本文只考察氯離子濃度）變化很大。由表1可明顯看出，“引黃水”在北大港水庫蓄存一段時間后，氯離子濃度逐步增加。

2傳質理論簡述

質量傳遞是屬于傳遞現象的范疇，傳遞現象是自然界和工程技術中普遍存在的現象。質量傳遞是物系中一個或幾個組分由高濃度區向低濃度區轉移的一種現象，描述質量傳遞現象定律為費克定律[3]，表達式如下：

表1引水期間“引黃水”與在北大港水庫中蓄存一段時間后的“引黃水”氯離子濃度比較

Tab.1CompareofCl-Concentrationin“Yin-Huang”WaterbetweentheDrawingWaterPeriodandSomeTimeafterBeingStoriedinBei-Da-GangReservoir

“引黃水”入庫前氯離子濃度(單位：mg/L)

“引黃水”入庫后氯離子濃度(單位：mg/L)

取樣點

取樣日期

氯離子濃度

取樣點

取樣日期

氯離子濃度

南運河九宣閘(“引黃濟津”工程天津市入口)

2003-9-23

2003-10-10

2003-10-21

2003-10-31

2003-11-12

2003-11-21

2003-12-18

2003-12-31

2004-1-5

47.9

97.2

37.7

43.2

47.6

57.4

71.8

76.2

78.1

十號口門(北大港水庫向天津市供水出口)

2003-8-17

2003-10-1

2003-10-31

2003-11-11

2003-12-1

2004-2-2

2004-2-25

2004-4-19

2004-5-11

697

598

184

177

155

155

175

237

258

注：(1)摘自天津市環保局監測中心提供的第八次“引黃濟津”沿線水質監測成果表。

(2)地面飲用水Ⅲ類水質標準中氯離子濃度≤250mg/L。

(3)第八次“引黃濟津”于2003年9月22日“引黃水”進入天津市，于2004年1月6日結束。

(2)

式中：JA—在y方向上相對于質量平均速度的質量，kg/s·m2；

DAB—物質A在物質B中的擴散系數，m2/s；

dρA/dy—在y方向的濃度梯度kg/m3·m。

3“引黃水”水質咸化機理分析

3.1土壤的影響

北大港水庫周邊地區及庫底土壤屬于鹽化土壤，其含鹽量一般在0.2%~1.5%。“引黃水”進入北大港水庫后，必然滲入土壤的孔隙中，形成了土壤水。顯然，土壤水與水庫中“引黃水”是連通的。根據溶解理論，土壤顆粒中所含的鹽分必然溶入土壤水中，這樣在土壤水與水庫中“引黃水”之間就形成了鹽度梯度，根據質量傳遞理論，鹽分將從鹽度高的土壤水中擴散到鹽度低的水庫“引黃水”中，造成“引黃水”鹽度增加。因此，鹽化土壤是“引黃水”水質咸化的一個源(圖1)。

圖1北大港水庫水質咸化機理模型示意圖----蒸發濃縮作用與傳質作用

Fig.1Bei-Da-GangReservoirWaterSalinizationMechanismModelSchetch

aboutEvaporationConcentratingandMassTransfer

3.2水文地質情況的影響

大港區是天津水文地質分區最下游的一個區，其地下水的埋藏條件、富水性及水質等特征，均系最差者。大港區第四系淺層水，水位埋深為0.82~6.02米，水化學類型主要為氯化鈉型水，地下水中氯離子濃度高達1500mg/L[2]。北大港水庫庫區的地下水將會通過土壤孔隙與“引黃水”相連，地下水的含鹽量高于“引黃水”的含鹽量。同樣根據傳質理論，由于存在鹽度梯度，地下水中的鹽將向“引黃水”中擴散，造成“引黃水”鹽度增加。因此，含鹽量高的地下水是“引黃水”水質咸化的另一個源。

3.3氣象條件的影響

大港區瀕臨渤海，處于大陸性與海洋性氣候的過渡帶，屬溫暖帶大陸性季風型氣候，季風顯著，四季分明，春季多風少雨，夏季濕熱多雨，秋季干燥氣爽，冬季寒冷少雪。

3.3.1蒸發量與降雨量的影響

由圖2知，大港區年蒸發量大于年降雨量(年平均差值達1400mm)，如果在一年之內沒有補充新的“引黃水”，則庫區水量就會減少。由于蒸發作用只帶走水，不帶走鹽分，則剩下的水體中的鹽的濃度就會增加，這就是蒸發濃縮作用。因此，蒸發濃縮作用是造成“引黃水”水質咸化的另一個原因(圖1)。

圖21974年至2001年大港區年蒸發量與年降雨量對照圖

Fig.2ComparingAnnualEvaporationwithAnnualRainfallfrom1974to2001

3.3.2風的影響

大港區位于季風氣候區，并且由于大港區臨海，幾乎每天都有風。風是引起水體混合的重要因素，當風吹過水面時，對水面產生剪切應力，形成風浪，并產生風吹流，同時形成垂直環流和水平環流［4.5］。由風形成的風浪和環流，對水體產生強烈的攪拌作用，這將會加速鹽從庫底土壤和地下水向“引黃水”中的擴散速度，從而加快“引黃水”水質咸化速度。另外，風的存在還會加快水分蒸發的速度[6]，從另一個角度加快“引黃水”水質咸化速度。此外，風還吹起部分水庫周圍的鹽化懸浮土粒進入水庫，也會增加“引黃水”的含鹽量。

3.4“引黃水”入庫前原存水水質及水量的影響

由3.1、3.2和3.3的闡述知，在“引黃水”進入水庫前，水庫原存水（或是上次“引黃水”剩余水，或是蓄洪水）的含鹽量必定很高，氯化物含量超過地面水源Ⅲ類標準（表1中2003年8月17日水樣即為2002年“引黃水”剩余水）。另外，由于北大港水庫是一個天然低洼地經人工圍堰形成的水庫，其庫底地形凹凸不平，因此不可能將水庫原存水排盡，這樣原有含鹽量很高的水就會和含鹽量很低的“引黃水”混合，造成“引黃水”水質咸化。通過簡單的計算可知，原存水含鹽量越高，水量越大，在總庫容一定的情況下，混合水水質咸化程度越大。

4減緩“引黃水”水質咸化速度的工程措施建議

由于“引黃濟津”工程要求實施八個月才能解決天津市供水問題，往年由于北大港水庫水質咸化問題到第六或第七個月開始水體中氯離子濃度就超過地表水Ⅲ類水質標準(≤250mg/L)，而不得不提前中止供水，浪費了大量的水資源。

根據上述對“引黃水”在北大港水庫蓄存一段時間后水質咸化機理的分析可知，北大港水庫所處的自然地理條件和氣象條件是影響水質咸化的主要因素。當然，我們不能改變這些客觀條件，但我們可以根據質量傳遞理論，對北大港水庫采取一些工程措施，減緩“引黃水”水質咸化的速度，以期達到“引黃濟津”工程要求實施八個月時間內對水質的要求，或者盡量減少廢棄水量、節約水資源。

建議措施一：建議在保證總蓄水庫容的情況下，縮小水庫面積，增加水庫的水深，將有利于減緩“引黃水”水質咸化的速度，理由如下：

(1)假設庫底鹽化土壤土質均勻，則其傳質通量為定值。縮小面積可以減少水體與庫底鹽化土壤的接觸面，減少了庫底鹽化土壤傳入水體中鹽的總量，在引黃水總體積一定的情況下，就降低了引黃水中鹽的濃度，也就是減緩水質咸化的速度。

(2)蒸發量是以mm計，但蒸發損失水的體積與水體表面面積成正比。因此，縮小水庫面積可以減少由于蒸發而損失的水量，減輕蒸發濃縮作用造成的水質咸化速度。

建議措施二：整平庫底或在庫內挖掘一些導流溝，盡量將“引黃水”入庫前的原存水排盡。也就是說，在“引黃水”與原存水的混合水水量為定值時（即北大港水庫總庫容為定值），高含鹽量的原存水量越小，則“引黃水”水質咸化的程度越小。

參考文獻:

[1]張勝紅,郭書英,徐向廣.2000年引黃濟津應急調水實施方案研究[J].海河水利,2002(2):10~11.

[2]天津市水利局水利志編纂委員會.天津市水利志—大港區水利志[M].天津：天津科學技術出版社.1998.

[3]陳濤,張國亮.化工傳遞過程基礎[M].北京：化學工業出版社,2002.

[4]王運洪.水庫湖流多負荷數值模擬[J].廣西科學,2001,8(2):118~123.

[5]NigünKiran,OrhanYenigünErdemAlbeketal.Wind-inducedcirculationsoftheBlackSea[J].Wat.Sci.Tech.,Vol.32,No.7,pp.87-93.,1996.

[6]奚玉英,陳國春.由20cm蒸發皿資料和風速計算水庫庫面蒸發量[J].水電站設計,2002,18(2):76~78.