加快海涂水庫水體淡化措施的研究

金德鋼,孫 堯,夏珊珊

(寧波市水利水電規劃設計研究院,浙江 寧波 315192)

1 問題的提出

寧波市地處我國東南沿海,沿海和島嶼地區普遍缺水,加之山低源短,無建造大中型水庫的條件。但海涂資源豐富,根據當地實際情況建設了許多堵港蓄淡水庫和海涂水庫,用以攔蓄陸域來水或豐水期抽蓄河網淡水,其中規模較大的有象山縣大塘港、寧?？h胡陳港、毛嶼港、一市港、車岙港下水庫及慈溪四灶浦等蓄淡水庫。正在興建鄭徐海涂水庫和規劃興建慈西、臨海浦等海涂水庫。在短時間解決堵港水庫和海涂水庫咸水淡化問題,已提到議事日程。本文結合二維水動力模型對慈溪鄭徐海涂水庫排咸設計成果分析,提出對海涂水庫排咸設計理論計算方法和方案措施探討。

2 工程概況

鄭徐海涂水庫工程位于慈溪市范市鎮、觀海衛鎮、附海、勝山、崇壽及新浦鎮的灘涂上,建于鄭家浦與徐家浦圍涂區內,南靠九塘,北至十塘,東靠徐家浦河道西直堤,西至鄭家浦隔提,占地666.7 hm2(1萬畝),總庫容4 270萬m3[1]。工程由堤壩、翻水泵站、放水閘、排咸站、配套河道、節制閘組成,工程于2010年11月開工,計劃2013年完工。

3 海涂水庫水質咸化主要影響因素分析

(1)庫底鹽堿底泥:庫底沉積物中鹽分釋放是一個緩慢過程,其對海涂水庫水質影響主要在建庫初期[2-3]。

(2)咸化淺層地下水:地下水含鹽量高于水庫水體的含鹽量,是導致水庫水質咸化的主要因素[2-3]。地下水與水庫水的補給關系與水庫蓄水水位的變化有很大關系,當水庫蓄水水位較高時,由水庫水補給地下水,水庫水質受地下水的影響較小。反之,庫底地下水將會通過土壤孔隙與上覆庫內水體相連,地下水將補給水庫水。

(3)氣候氣象因素:蒸發是影響水質咸化的一個重要因素,蒸發濃縮作用占優勢也引起水庫水質咸化。尤其在炎熱的夏季,地下水、水庫水體中的鹽分擴散系數增大,可加快咸化的速度,經常會導致突發性泛咸現象。風是影響水質咸化的另一個因素,風吹過水面產生剪切應力,將形成垂直環流和水平環流,使鹽分從庫底鹽堿土壤和咸化地下水向水庫水體中擴散,從而加快水庫水質的咸化速度。

4 研究思路及模型介紹

4.1 研究思路

通過建立庫區水動力模型,研究水庫在可能運行條件下的水動力特性、鹽度分布規律,在此基礎上,根據鄭徐水庫實際,研究制定相應的排咸工程措施和非工程措施,并用底泥鹽度釋放模型對水庫鹽度淡化趨勢進行預測,為水庫運行管理提供支撐,實現淡化水體、提高水質的目的,最大程度地發揮水庫效益。

4.2 數學模型介紹

4.2.1 Delft 3D水動力模型

使用Delft 3D軟件建立鄭徐水庫庫區二維水動力模型,按照不同工況分析庫區的水動力流場,在此基礎上進一步研究引水調度對水庫鹽度變化的影響,為鄭徐水庫運行調度提出指導性意見和建議。

模型的計算區域為庫區內水域,該水域根據堤線布置進行概化。采用Delft 3D軟件自帶Rgfgrid程序生成正交曲線網格。網格的疏密情況根據實際需要而不同,進出水口及工程敏感區域網格較密,邊界附近一般區域網格相對較疏?？偩W格數82×82,最小網格間距15m,最大網格間距80m,平均網格間距30 m,計算面積約為6.4 km2。

4.2.2 底泥鹽度釋放模型

鄭徐水庫水體鹽分主要來源于底泥,底泥鹽度釋放是一個不斷衰減的過程。廣東工業大學彭進平等對河口蓄淡水庫底泥鹽分釋放進行了研究,建立了底泥鹽度釋放模型,分析了3種不同底質情況下的底泥釋放規律,確定了釋放衰減系數、初始釋放通量等參數,并應用該模型對鑒江河口水庫的淡化進行了分析預測。

底泥中鹽度釋放量一般隨時間呈指數衰減規律:

式中:F0為初始釋放通量(mg/(d.cm2)),k為衰減系數(1/d),t為時間(d)。

以天為計算時段進行計算,根據質量守恒原理,采用完全混合系統水質模型,模型計算表達式為:

式中:S為水庫庫面面積(m2),F為底泥中的鹽分釋放通量(mg/(d.cm2)),Cout為完全混合后的水質濃度(mg/L),Cin為來水水質濃度(mg/L),Qout為流出系統的流量(m3/s),Qin為流入系統的流量(m3/s),V為水庫的庫容(m3)。

鄭徐水庫淡化預測擬采用鑒江水庫的研究成果[4],對鄭徐水庫的淡化進行定量預測,并確定水庫正常運行情況下的排咸泵規模。

相關參數的確定:底泥風干后的鹽度7.07 g/kg,本底間隙水鹽度8.80mg/L,初試釋放通量為8.97 mg/(d.cm2)。

5 計算成果分析

5.1 水動力模型計算成果

(1)水庫中水體交換的主要動力來自于引排水,由于水庫庫面面積較大,在各類引排水條件下,水庫整體水動力條件較弱,大部分區域流速小于0.01 m/s,遠離引排水閘的岸邊水體基本處于靜止狀態。

(2)在典型引水條件下,水庫中含鹽份水體被來水稀釋,鹽度有明顯下降,下降幅度與引水口距離成反比,與水深成反比?？梢?在前期水庫鹽度較大時,采用引排水調度進行集中洗鹽,可以較大程度地降低水庫水體的含鹽度,在正常運行期時,水體靜置時間較長,庫內水體鹽度出現分層,此時,采用小流量排咸泵進行排咸,可以達到較好的排咸效果。鄭徐水庫引水閘附近觀察點鹽度分層示意見圖1。

圖1 鄭徐水庫引水閘附近觀察點鹽度分層示意圖

(3)湖心島位置正對引水口,其南北兩側水道的過水斷面面積相對大小對水庫流場影響較大?？s窄南側水道可增大東北側水體的流動速度,擴大庫區水體流動范圍,不僅增強了庫水的流動性,而且更為有效地降低水庫水體鹽度,鑒于此,推薦縮窄南側水道方案。

(4)將庫區東側徐家浦九塘北側的放水閘沿堤線向北移動300m,拉大了與引水口的距離,可使南部庫區的水體流動性較放水閘北移前有明顯增強,推薦放水閘北移方案。

5.2 鹽度預測模型計算成果

在水庫運行初期,通過引、放水閘及泵(包括排咸泵)的組合調度,對水庫進行洗鹽,逐步降低水庫水體鹽度,減小底泥鹽度釋放強度,最終實現用較小流量的排咸泵達到水庫供水水質要求的目的。根據GB/T 19923—2005《工業用水水質標準》,氯離子的含量標準為250 mg/L。水庫鹽度隨時間變化見圖2。

經計算建成后第1年引排水2次,然后水庫蓄至4.5 m開始供水,保持水位不變,開始用排咸流量為0.34 m3/s的排咸泵排咸,再運行1 a,水庫達到工業供水水質要求。

圖2 水庫鹽度隨時間變化圖

6 工程措施

6.1 排咸點布置

為達到排咸效果,取水口布置于水體交換少、高程較低處。本工程進水口位于西南角,出水口位于東側、西南角兩處,相對而言庫區北側區域水體交換緩慢,鹽水易在此沉積。且北側距外海最近,排咸距離短,運行成本低。擬定沿北堤布置4處排咸點。將取水口設置于-2.8 m高程,取水口處需設置集咸取水坑,尺寸為:以取水口群為中心,半徑20 m,取水坑底暫擬定高程不高于-4.0 m,一方面有利于抽水水流流態,另一方面也可使鹽水更集中于取水口。

6.2 取水流量及水泵選型

水庫投入使用后排咸設施主要維持水庫水質,降低水庫返鹽影響程度。根據上述分析泵總流量0.34 m3/s,布設4個抽排點,按每個抽排點4個吸水口計,每個抽排點流量為0.085 m3/s,考慮運行過程中存在停電等因素,適當提高單個抽排點流量為0.10 m3/s。

進出水管用抗腐蝕、小阻尼管材,進水管考慮新建壩體沉降較大采用適應變形能力較強的PE排污管,出水管埋于海堤內采用預應力鋼筋混凝土,經濟管徑采用規范公式:

式中:Q為流量 (m3/s)。計算結果為進水管徑150 mm,出水管徑195 mm,根據現有規格進水管采用DN160(長度小于600 m)和DN200(長度大于600 m),出水管采用DN250,進水管設計流速1.32 m/s(長度小于600 m)和0.85m/s(長度大于600 m),出水管設計流速1.63 m/s。

進水口最低水位為2.0 m,出水口高程為5.0 m,水頭差3 m。進水管沿程水頭損失共計5.35m(長度小于600m)和3.02 m(長度大于600 m),進水管局部水頭損失忽略,出水管沿程水頭損失共計1.55 m,出水管局部水頭損失共計0.26 m,總水頭損失約為10.18 m,水泵采用80～280(Ⅰ)-B(電機功率11 kW)離心泵,揚程19 m,允許氣蝕余量2.3 m,吸程按下式計算:

Hs=10.33(標準大氣壓)-2.3(氣蝕余量)-0.5(安全富余量)=7.53 m

水庫排咸最低水位2.0 m,水泵安裝高程不高于5.0 m,本次設計擬定為4.8 m。

6.3 其它排咸措施

6.3.1 合理調度,加大庫內水體交換速率

鄭徐水庫為典型的海涂平原水庫,自身集雨面積只有水庫水面,來水主要是從西側八塘橫江的河道及曹娥江引水工程的境外來水。二維水動力模型計算成果表明,庫內水動力條件較弱,局部庫灣水流不暢,水體環流主要來自于風場、泵站引水及排水閘放水。在工程措施排咸的基礎上,充分利用水庫引排水,采用合理的調度方式,稀釋庫內鹽度高的水體,再引入河網中的淡水或天然降水進行補充,循環往復,達到水質凈化的目的。

(1)水庫建成初期,水體鹽分主要來源于水庫的底質土層,此時水庫含鹽度較高,鹽分從底部向庫面水體擴散明顯,此時應利用引排水進行集中排咸,具體的調度方式應綜合考慮降雨、河網水位及閘泵規模等因素。

(2)由于慈溪60%以上的降雨集中在4—9月,在曹娥江引水的補充下,汛期水量相對充足,應充分利用汛期富足的棄水和雨水進行連續置換水。置換水方式選擇排水閘和管道排咸相結合,排水閘換水起排時間選擇在東河區河網水位位于低水位時,水庫放水時與徐家浦十塘閘聯合放水,當河網水位達到警戒水位時應停止放水,并開閘引水,待河網水位降至常水位以下時再開始放水。

(3)在非汛期,水庫取排水量相對減少,水體交換不足,底部水體鹽分堆積,且不易向表層水體擴散,使底部水體含鹽度提高,在遭遇一定天氣條件下,枯水期水庫泛咸的可能性增大,此時,可采用排咸泵進行小流量排咸,降低水庫水質災害的風險。

6.3.2 科學布置,優化水庫取用水裝置

由于庫區上、中層水體鹽度分布較為均勻,且易于淡化,因而可以采用表層浮球式取水裝置取用庫區已達到水質標準的局部合格水,提高水庫的利用率,同時也可以加快底部水體淡化。

6.3.3 加強監測,及時采取有效措施防治水質災害

在正常情況下,液體溶解擴散和沉淀使水庫水含氯度與水位高程成梯度分布。水庫在運行期間,由于局部水體置換率低,若不能及時排出,將會形成化學成分復雜的高濃度咸水,在干旱及雨量減少等氣候環境影響下,產生庫水泛咸,嚴重影響水庫供水。因此,及時掌握水庫水質及分布情況對于水庫安全供水尤為重要。

7 結 語

采用Delft 3D水動力模型能很好地模擬庫區的水動力流場和引排水調度對水庫鹽度變化的影響,能提供水庫進水、排水口合理布置、排咸措施選擇和引排水運行調度提出指導性意見和建議。鹽度預測模型根據引、放水閘及泵(包括排咸泵)的組合調度,對水庫進行洗鹽,逐步降低水庫水體鹽度,減小底泥鹽度釋放強度,最終實現用較小流量的排咸泵達到水庫供水水質要求的目的,可按要求合理預測水庫咸水淡化時間,可供其他海涂水庫排咸設計參考。

[1]金德鋼.慈溪市鄭徐水庫初步設計報告[R].寧波:寧波市水利水電規劃設計研究院,2010.

[2]毛獻忠,陳甫源,余祈文,等.堵港蓄淡水庫水體淡化預測研究 [J].水利學報,2004(07):80-85.

[3]毛獻忠,朱小敖,陳甫源,等.沿海堵港蓄淡水庫加快水體淡化措施的研究[J].水科學進展,2005(06):773-776.

[4]向軍,彭進平,逢勇,等.鑒江河口底泥鹽度釋放規律研究[J].水文,2008,28(4):12-15.