北大港水庫分庫后的水質咸化風險研究

郭思琪，郭寶順，秦華聯

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098；2.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；3.天津市水利勘測設計院，天津300204）

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.006

北大港水庫分庫后的水質咸化風險研究

郭思琪1，郭寶順2，秦華聯3

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098；2.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；3.天津市水利勘測設計院，天津300204）

對北大港水庫水環境、庫區底泥及土壤鹽分分布、釋放強度及規律、水文地質條件等方面進行實驗分析，通過模型對水庫分庫蓄水后水質變化進行預測，提出北大港水庫分庫后作為南水北調東線及引黃濟津工程調蓄水庫的咸化風險以及為防止咸化采取的水質、水位控制方案和對策措施。

北大港水庫；分庫挖深；咸化研究；控制方案

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.006

1 基本情況

北大港水庫位于天津市濱海新區，庫區距渤海6 km，占地面積164 km2，水面面積150 km2，圍堤為復式均質土壩，總庫容5億m3，興利庫容4.41億m3，庫區地層巖性為素填土、陸相粉質黏土和海相粉質黏土，以陸相粉質黏土層為主。

北大港水庫是南水北調東線和引黃濟津工程的調蓄水庫，又是北大港濕地自然保護區的核心區，擔負著天津市供水安全與生態保護的雙重任務。現狀北大港水庫存在蓄水量大幅減少，蓄水保證率低，水面大、蒸發滲漏損失大，水質咸化嚴重等一系列問題。為保證南水北調供水安全與濕地生態保護的需求，擬將北大港水庫分為東西兩庫，西庫在挖深保證蓄水庫容的基礎上作為城市備用水源地，蓄水面積110 km2，蓄水庫容3.8億m3。

由于北大港水庫位于濱海地區，土壤鹽堿化嚴重，地下水位高且鹽分含量也高，西庫開挖后新揭露的土壤層鹽分釋放和地下水位波動均會影響水庫蓄水后的水質，增加咸化的風險。因此，有必要通過野外監測、室內模擬、模型預測等方法，分析新開挖區水文地質條件的變化，研究庫區及庫周新生界面土壤鹽分釋放強度，探索地下水與水庫水的作用規律，預測不同分庫方案下水庫蓄水后水質咸化的風險，并提出預防水庫咸化的建設、運行方案，為有關部門的科學決策提供技術支持。

2 影響水質咸化因素及變化規律分析

2.1 水庫水環境

從水樣監測結果可知，北大港水庫水質較差，水體氯離子濃度超過集中式生活飲用水水質標準（250 mg/L）。經分析，其原因主要有兩個方面：一是水庫蓄水少，蓄水水位低，底泥鹽分容易釋放；二是庫區東距渤海灣6 km，地下水水位易受到漲落潮的影響，從而影響水庫水質。

2.2 庫區底泥及庫周土壤鹽分分布規律

根據現場取樣分析，北大港水庫西庫庫區1～2 m內全鹽量變化范圍為0.25%～1.25%，Cl-變化范圍為0.06%～0.60%；2～3 m內全鹽量變化范圍為0.25%～1.38%，Cl-變化范圍為0.08%～0.76%，屬濱海鹽土，鹽化程度高。庫周1～2 m內全鹽量變化范圍為0.17%～0.94%，Cl-變化范圍為0.05%～0.45%，為重鹽化土，鹽化程度較高。西庫庫區內土壤鹽分分布不均，主要表現為庫周低、庫區高和西部低、東部高。

土壤中的全鹽量和Cl-隨深度增加而上升，在1～2 m內變化較小，2 m下增加趨勢明顯，主要是受地下水的影響造成的，地下水的埋深范圍為1.51～2 m，2 m以下的土壤由于與地下水長期接觸，土壤中鹽分含量明顯高于上層土壤。水庫分庫時向下開挖，不可避免地產生新的揭露層，使土壤鹽分釋放高于現在土壤鹽分釋放，且使水庫蓄水后更易于受到高礦化度地下水的影響，增大水體咸化的風險。

2.3 底泥鹽分釋放規律

實驗室模擬了不同含鹽量、不同上覆水深、靜止及擾動、換水等條件下底泥鹽分的釋放量和釋放強度。

在上覆水深相同、靜置狀態下，土壤Cl-單位面積釋放量與土壤鹽分含量呈正線性相關關系，即土壤鹽分含量越高，蓄水后單位面積鹽分釋放量越大。根據土壤鹽分含量推算，蓄引黃河水后Cl-的濃度將達到299.7 mg/L，超過飲用水標準限值。

在土壤鹽分含量和上覆水深相同的條件下，擾動將加快土壤鹽分的釋放。在靜置狀態下，需要220 d左右Cl-釋放才達到穩定，而擾動條件下僅需30 d即達到穩定。

在土壤鹽分含量相同的條件下，Cl-的釋放量與上覆水水深呈負相關關系，即水深越大對土壤的壓力越大，土壤鹽分釋放量越小。根據其它水庫室內試驗及水庫實際運行時的測定結果推知，北大港水庫分庫運行后將使水體中Cl-濃度上升到369.9 mg/L，超過飲用水標準限值。

2.4 變化規律分析

水庫與地下水的相互作用分析表明，水庫在不挖深、挖深1 m和挖深2 m時滲漏量隨著挖深逐漸加大，地下水傳質作用逐漸增強，水庫水受地下水咸化的風險也逐漸加大。

3 分庫蓄水后水質變化預測

本次模擬選取完全混合零維數學模型進行預測計算，即將北大港水庫看成一個完整的體系，體系內部各水體間是均勻混合的，流入的物質立即完全分散到整個體系，以此理想狀態分別建立水庫的水量、水質模型，預測水庫分庫后水位及水質變化。

（1）水量基本方程為：式中：Wt+Δt為t+Δt時刻水庫的庫容（104m3）；Wt為t時刻水庫的庫容（104m3）；W引為Δt時段內的水庫引水量（104m3）；h降為Δt時段內的降雨量（cm）；At為t時刻水庫的水面面積（km2）；W排為Δt時段內的水庫排水量（104m3）；W滲為Δt時段內的水庫下滲量（104m3）；h蒸為Δt時段內的蒸發量（cm）。

（2）水質基本方程為：

式中：Ct為t時刻水庫水中氯離子（或礦化度）濃度（mg/L）；Ct+Δt為t+Δt時刻水庫水中氯離子（或礦化度）濃度（mg/L）；C引為Δt時段內引水中氯離子（或礦化度）平均濃度（mg/L）；C降為Δt時段內降雨中氯離子（或礦化度）平均濃度（mg/L），取5.42 mg/L（研究期間現場采集的降雨中所含氯離子的平均濃度）；C蒸為Δt時段內因蒸發增加的氯離子（或礦化度）平均濃度（mg/L）；k為水庫水中氯離子（或礦化度）綜合吸附系數；S為水庫土壤中氯離子（或全鹽量）釋放速率[mg/（m2·s）]；N為地下水中氯離子（或礦化度）傳質通量[mg/（m2·s）]；A1為水庫土壤鹽分的有效釋放面積（km2），取110.30km2（即庫底及邊坡淹沒面積）；A2為水庫與地下水鹽分的有效交換面積（km2），取109.74 km2（即水庫與地下水的交換主要發生在庫底垂向交換界面）。

利用既有資料對模型進行了水量水質率定，率定結果表明，模型有較好的精度。同時，根據該模型，在綜合考慮引供水、蒸發、降雨、土壤釋鹽、下滲及地下水傳質作用的影響下，進行了以下2種工況的水質變化預測：①維持北大港水庫現狀，蓄引黃河水3.0億m3，預測全庫引黃水質的咸化規律；②分庫后，西庫蓄引黃河水3.0億m3，預測西庫引黃水質的咸化規律。預測結果，見表1。

表12 種工況下水庫水質變化結果對比分析

2種工況下，雖然都出現水質咸化現象，但分庫后水質達標天數多、供水時間長、供水量大，且在模擬的末期水庫氯化物濃度低。因此，在引黃水量、水質相同的條件下，水庫分庫較水庫維持現狀直接蓄水的咸化風險更小，供水的保證率更高。

4 分庫后水質、水位控制方案研究

由于南水北調東線工程尚未完成，本次主要研究引黃河水時水庫運行調度方案及其水質變化。水庫運行及調度方案設計如下：

（1）水庫分庫不挖深，于11月1日開始以50 m3/s速度引蓄黃河水分別至4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5 m，在引黃結束后或從次年2月1日開始以25 m3/s流量向市區供水，直至水質超標或低于死水位3.0 m。

（2）水庫分庫挖深1 m，于11月1日開始以50 m3/s速度引蓄黃河水分別至3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5 m，在引黃結束后或從次年2月1日開始以25 m3/s流量向市區供水，直至水質超標或低于死水位3.0 m。

（3）水庫分庫挖深2 m，于11月1日開始以50 m3/s速度引蓄黃河水分別至2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5 m，在引黃結束后或從次年2月1日開始以25 m3/s流量向市區供水，直至水質超標或低于死水位3.0 m。

運用模型模擬在不同分庫方案、不同蓄水位條件下引水后的氯化物達標天數、供水天數和可供水量，結果見表2，不同挖深及水深條件下水庫庫容及可供水量如圖1所示。

表2 各運行方案基本參數

圖1 不同水深工況下水庫庫容及可供水量

經模型計算，北大港水庫分庫后作為引黃濟津工程的調蓄水庫，在引供水、蒸發、降雨、土壤釋鹽、下滲及地下水補給等咸化因子綜合作用下，蓄水后除蓄水6.5億m3的工況外，其它工況（蓄水1.6億、2.6億、3.6億、4.6億、5.6億m3）條件下水體均會發生咸化現象。當蓄水量較少（1.6億m3左右）時，水庫在不挖深條件下進行分庫較好，與挖深1、2 m相比，供水時間較長，供水量較高。當蓄水量適中（2.6億～3.6億m3左右）時，水庫在不挖深和挖深1 m情況下進行分庫的效果好于挖深2 m的情況。當水庫蓄水量較大（4.6億m3左右）時，3種分庫方案均可滿足較長時間的供水需求，但在挖深2 m情況下會造成水資源的浪費。當水庫蓄水量很大（5.6億m3左右）時，3種分庫方案雖均可滿足較長時間的供水需求，但由于引水時間長，近期較難實現，可在南水北調東線工程開通后作為水庫遠期引供水方案。通過對比分析，按近期蓄水3.8億m3考慮，水庫可采取不挖深或挖深1 m兩種方案分庫，可保證較長時間的供水天數和較大供水量。同時，為減輕地下水影響的風險，挖深1 m應為其極限挖深。

在不挖深和挖深1 m兩種情況下，水庫蓄水量越大，水庫發生水質咸化的風險就越低，水庫可供水量就越大，即水庫遠期（蓄水量5億m3）較近期（蓄水量3.8億m3）水質咸化風險低。

在不挖深和挖深1 m分庫情況下，近期蓄水3.8億m3時，可采用水位控制方法進行水庫調度以保障水庫水質安全，不挖深工況控制水位設定為3.5 m，挖深1 m工況控制水位設定為2.5 m。

5 結論

北大港水庫分庫蓄水后，在蒸發、降雨、土壤釋鹽、下滲及地下水補給等咸化因子綜合作用下水體有較大的咸化風險。但在合適的分庫方案和合理調度下，北大港水庫分庫后可作為南水北調和引黃入津工程的調節和事故備用水庫，在控制水體咸化方面是可行的，同時建議采取相應的排咸工程。

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：1004-7328（2017）01-0021-04

2016—07—20

郭思琪（1995—），女，學生，主要從事農業水利方面的學習。