海灣水庫咸化模擬

秦志新

（青島大學，山東 青島 266071）

我國是一個中度缺水的國家[1]。我國擁有豐富的淡水資源，其總量位于全球第四位。但是，我國的人均水資源量很少，僅約為世界平均水平的四分之一，并且隨著工農業的發展，我國水資源匱乏的問題將會越來越嚴重。

沿海城市具有多水、多灣的地區資源優勢，充分利用此優勢興建海灣水庫，可為緩解沿海淡水資源短缺問題提供一條重要的有效途徑。

海灣水庫建成蓄淡后，在一定的環境條件下，其水體存在嚴重的咸化的問題，從而影響海灣水庫的正常供水功能，妨礙水庫在沿海地區水資源短缺中效用的發揮[2,3]。比如1974年建成的浙江大塘港水庫在建成蓄淡后，先后發生數次水庫水體鹽分度超標現象[4]，嚴重影響了水庫供水區域的工農業生產和居民生活。因此，模擬研究防咸措施對水庫中鹽分時空分布的影響對海灣水庫的建設以及建成后的運營管理具有重要的指導作用。

1 海灣水庫庫水咸化調控的模擬預測

數值模擬是環境系統研究中最重要的方法之一，它是是預測與模擬污染物在水環境中行為模擬和水質管理規劃與評價的重要方法。

（1）未采取防咸措施條件下，對沐官島海灣水庫水體中鹽分濃度進行模擬。得出結論如下：

①未采取防咸措施條件下，2 d-36 d時間段內，沐官島海灣水庫底部邊界層逐漸形成，且在36 d時邊界層厚度達到最大，約為2 m左右。此時邊界層內鹽分擴散系數Kz主要為分子擴散量級，在1.2～5.7×10-5cm2/s范圍內。36 d-60 d時間段內，水庫底部邊界層逐漸消失，60 d時邊界層厚度減小至0.4 m左右。這可能是因為10月份月平均風速增大且氣溫降低，9月份形成的水體中的溫躍層逐漸消失，水庫底邊界層受到的擾動逐步增大。鹽分擴散系數Kz隨之增大，模擬進行到60 d時，水深7.875 m處，鹽分擴散系數為0.014 cm2/s，遠大于鹽分分子擴散量級。但水庫底部鹽分擴散仍然以分子擴散為主，1.04～1.2×10-5cm2/s。

②60 d-240 d時間段內，水庫沉積物-水界面鹽分濃度持續下降，而上層水體鹽分濃度逐漸升高。水庫底邊界厚度無明顯的變化（240 d時約為0.39 m左右）。

③240 d-360 d內，水庫底邊界層厚度稍有增加（360 d時約為0.63 m左右）。這可能是因為該時間段為來年5月份至8月份，此時研究區域風速有所下降而氣溫有所上升，水體中溫躍層逐漸形成，水庫底邊界層受到的擾動減小。因此，雖然水庫沉積物-水界面鹽分濃度不斷減小而上層水體鹽分濃度持續增高，根據浮力頻率N2公式，水庫底層水體穩定性持續降低，但此時邊界層厚度依然有所增加。水庫上層水體鹽分濃度持續升高，360 d左右達到了0.97 g/L。這表明，在沉積物鹽分釋放影響下，沐官島水庫面臨較大的咸化風險。

（2）采取防咸措施后，對水庫水體中的鹽分濃度進行模擬，得出結論如下：采取防咸措施后，軟件模擬初始階段（2 d-30 d），沐官島水庫底邊界層逐步形成，但其厚度遠遠小于未采取防咸措施下底邊界層厚度（底邊界層厚度在30 d時達到最大，僅為0.16 m左右）。30 d后水庫底邊界層厚度快速減小，34 d時底邊界層消失。與未采取防咸措施相比較，采取防咸措施后，水庫底邊界層減小的速度較快，且水體能夠完全混合。這是可能是因為采取防咸措施后，水庫沉積物-水界面兩側鹽分濃度梯度變小。采取防咸措施后，水庫底層水體穩定性較差，由于10月份氣象條件的改變，風對水庫底層水體的擾動加大，水庫水體快速達到混合。

（3）有、無防咸措施條件下，沐官島水庫上層水體鹽分濃度均持續升高，但未采取防咸措施條件下，水庫上層水體鹽分濃度上升速率明顯高于采取防咸措施條件下上層水體鹽分濃度的上升速率。這是因為采取防咸措施后，一定深度范圍內的庫底沉積物中鹽分濃度減小，且越靠近沉積物-水界面鹽分濃度越小。根據菲克定律，在設置的初始條件及邊界條件情況下，采取防咸措施后沉積物鹽分釋放通量要小于未采取措施時的鹽分釋放通量，采取防咸措施后進入水庫上層水體的鹽分質量小于未采取措施時的鹽分質量。

2 結論與建議

利用AQUASIM軟件進行垂向一維建模，分別對有、無防咸措施條件下的沐官島水庫庫水中鹽分的時空分布進行模擬，得出結論：在上述兩種條件下，水庫上層水體鹽分濃度均持續升高，但未采取防咸措施條件下，水庫上層水體鹽分濃度上升速率明顯高于采取防咸措施條件下上層水體鹽分濃度的上升速率，水庫存在庫水鹽分超標風險。

為避免海灣水庫庫水鹽分濃度超標，提出三點建議：

（1）蓄水前開挖庫底排咸溝并排出初期蓄水。實驗研究表明，水庫蓄水之前開挖庫底排咸溝，排出初期蓄水能夠有效排出庫底沉積物中的鹽分，從而減少鹽分在底邊界層中的累積。

（2）水庫蓄水前排盡庫區內殘存海水，并在水庫運營過程中盡量保證較高的蓄水水位。水庫蓄水前盡量排盡庫內海水，并在水庫運營過程中盡量維持水庫的高水位蓄水狀態，以減少海水通過庫底沉積物滲入。

（3）水庫建造時做好攔海壩的防滲工作，并通過兩層閘門進行擋咸，加強水庫建成運營時對于泄洪閘的管理與維護，避免海水滲漏進入水庫。

[1]姜兵.中國水資源利用效率區域差異及影響因素研究[J].黑龍江科學,2017(8):25-26.

[2]李敏中,李敏中.沿海灘涂水庫排咸研究[J].河海大學學報:自然科學版,1998(3):76-80.

[3]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,2004,35(7):80-85.

[4]王高正,朱江平.大塘港水庫機械排咸技術[J].水利水電科技進展,1998(4):44-46.