高盐度底泥水库工程布置及运行对供水安全的影响

高学平，吴登将，孙博闻，张　晨，韩丽君

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津市水利勘测设计院，天津 300072）

高盐度底泥水库工程布置及运行对供水安全的影响

高学平1，吴登将1，孙博闻1，张晨1，韩丽君2

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津市水利勘测设计院，天津 300072）

为保障高盐度底泥水库供水氯离子质量浓度达标（小于250 mg/L），在水库闸门工程布置及水库正常运行期间对高盐度底泥这一氯离子释放源对水库水质的影响进行研究。以天津市北塘水库为例，针对水库闸门布置方案比选及水库在运行期间的水质咸化问题，考虑高盐度底泥氯离子释放，建立三维水动力水质模型进行数值模拟。结果表明：引水、供水闸门的空间布置直接影响供水水质，引水闸位于西南角同时开启3个供水闸的方案为较优方案，该方案下基本无死水区域，供水水质在供水8 d后达标；在水库静置期，底泥氯离子释放速率与底泥含盐量呈正相关，在最不利情况下，水库氯离子在底泥释放55 d后浓度超标。

高盐度底泥水库；工程布置；供水安全；氯离子质量浓度；水库水污染；北塘水库

近年来，水污染已成为我国普遍存在的环境问题，水污染尤其是城市供水水库的污染将会直接威胁居民的日常生活用水安全，影响居民的生活质量。随着水污染研究的深入，沉积底泥作为污染物释放源越来越受到人们的重视。污染物通过废水排放、大气沉降、雨水淋溶与冲刷进入水体，最后沉积到底泥中并逐渐富集，使底泥受到严重污染［1］。沉积底泥内可溶解的污染物与上覆水存在相互传递的物理作用，若底泥污染物浓度高于上覆水污染物浓度，则污染物由底泥向上覆水体释放，因此对于已污染的底泥环境，应该将底泥作为一个污染释放源予以考虑。地处滨海城市的水库，由于受到地域及人类活动的影响，导致含盐量较高的海水长期倒灌侵蚀，使得水库底泥严重盐碱化，例如位于天津市滨海新区的北塘水库，其局部底泥氯离子质量分数高达1 400× 10-6［2］。而海水入侵具有较强的后效作用，高盐度底泥一旦形成，很难在短期内恢复。当前，作为城市或地区居民生活饮用水的供水水库，其出库闸供水的水体氯离子质量浓度应保持在250 mg/L以内（参照GB3838—2002《中华人民共和国地表水环境质量标准》），因此高盐度底泥作为氯离子释放源对水库水质安全的威胁将长期存在。

底泥污染物空间上一般呈现不均匀分布［3-4］，高盐度底泥水库受到库底地形、底泥地质及水生生物活动等因素的影响，导致水库底泥含盐量在空间上分布不均匀，将高盐度底泥作为氯离子释放源，水库中局部底泥含盐量高则氯离子释放速率快［5-6］。在水库水体流通性很小的情况下，氯离子容易在水库高含盐量底泥区域堆积，在未修建水库闸门前，水库入库闸、出库闸空间布置的设计应该考虑底泥含盐量的空间分布，否则可能导致水库局部高盐度底泥区域水质变差；在水库开始运行后，可能面临不可预知的突发情况，如来水水源中断、水库安全定期检修等，这些突发情况会导致水库引水、供水中断从而使库区水体呈静置状态，库区水体的氯离子质量浓度在静置状态下会逐渐上升［7-8］，可能导致水库水体的氯离子质量浓度不达标。

笔者以天津市北塘水库为例，基于环境流体力学模型（EFDC）建立了底泥氯离子扩散模型，模型中氯离子作为保守物质在底泥和上覆水之间进行物质交换，利用该模型模拟水库不同工程布置下的引水、供水过程及水库在静置期的水质咸化过程，研究高盐度底泥对水库工程布置及运行的影响，给出了最优工程布置方案和水库静置期氯离子超标时间，为水库在建筑物的布置及日后运行管理提供科学依据。

1　北塘水库概况

北塘水库位于天津市滨海新区塘沽区北塘镇西北约2km，为一中型平原水库，呈不规则多边形，占地面积7.4 km2，为南水北调调引水库，目前有4个引水、供水闸门，分别为④号、⑤号、⑥号和⑦号闸门。为满足水库的调蓄及事故备用要求，拟新建若干入库闸、出库闸，①号、②号和③号闸门是备选新建闸门（未建成）。图1为北塘水库工程布置示意图。

天津市水利科学研究所与南开大学在2004年北塘水库处于干涸期时对水库底泥进行检测，结果表明库区西侧属于重度盐渍化水平，库区南侧、北侧和东侧属轻度盐渍化水平，库中心底泥属非盐渍化水平。河海大学在2005年水库引潮白河水入库后再次对水库底泥进行检测，检测结果与天津市水利科学研究所在水库干涸时检测的结果相近［2］。图2为河海大学对北塘水库底泥氯离子质量分数分布检测结果。

图1　北塘水库工程布置（单位：m）

图2　水库底泥氯离子质量分数分布

2　基于EFDC的底泥氯离子扩散模型

为了模拟水库引水、供水过程及静置期水库水质咸化过程，结合水库的特征和国内外水质模拟的水平，选择了在国内外应用广泛的EFDC。EFDC是美国环保局（USEPA）推荐的三维水动力模型，集水动力模块、水质预测模块、泥沙输运模块和污染物运移模块为一体，在水动力模拟［9］、底泥氯离子释放模拟［10］、水库分层水温模拟［11］、河道海湾模拟［12］等方面都有成功的应用。

2.1底泥污染物释放方式分析

在底泥-水界面污染物迁移扩散领域，已有相关研究成果［13-15］。底泥污染物释放不仅与底泥污染物浓度有关，还与上覆水体的流场有关。较大的流速能够引起底泥的悬浮，并加速溶解于孔隙水和吸附于悬浮泥沙上的污染物向上覆水体释放。式（1）为泥沙起动速度计算公式［16］，该式适用于无黏性均匀泥沙。

式中：Uc为泥沙起动速度，m/s；h为水深，m；D为土颗粒粒径，m；ρs为土颗粒的密度，kg/m3；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

北塘水库土颗粒平均粒径为0.05×10-3m，土颗粒的密度为2 650 kg/m3，根据公式（1）计算得出北塘水库在不同水位下底泥起动速度，见表1。

表1　北塘水库底泥起动速度

北塘水库死水位、供水低水位、设计高水位分别为2.8 m、5.6 m、7.0 m，根据水库设计的闸门引水、供水流量，库区内水体最大流速不超过10 cm/s，结合表1可知，水库运行过程中，不会引起底泥的扬动，底泥污染物释放主要以底泥孔隙水污染物向上覆水体扩散为主。

2.2底泥污染物释放控制方程

底泥上覆水界面上由于浓度差而发生分子扩散，根据费克第二定律可以得到底泥和上覆水体中溶质随时间的变化。式（2）为底泥污染物扩散控制方程［17］：

式中：c为溶质的质量浓度，mg/L；Dm为底泥孔隙水污染物向上覆水体扩散系数，m2/s；t为扩散时间，s；y为污染源的距离，m。利用量纲分析法求解式（2），式（3）为其基本解。

式中M为底泥污染物总质量，mg。

2.3模型建立与模型参数的确定

基于EFDC的水动力水质三维模型，采用正交曲线网格，以水动力模块为基础，对底泥污染物释放模型进行耦合，假定底泥为无黏性均匀泥沙，仅考虑底泥污染物的分子扩散而不考虑底泥起动悬浮。模型水动力参数：水库死水位为2.8 m，水库底部为平底，库底高程为2.0 m，死水位水深为0.8 m；底泥氯离子质量分数分布沿用河海大学检测的数据（图2）；南水北调通水后，北塘水库水源将由丹江口水库引水，其水体氯离子质量浓度为25.0mg/L，不考虑气象条件、人为条件对模拟结果的影响。模型其他参数：网格单元数为2302，垂向分10层计算，时间步长为10s，糙率系数为0.03；底泥释放源厚度为1 m，底泥孔隙水污染物向上覆水体扩散系数为1.22×10-9m2/s［17］。

2.4模型的验证

北塘水库当前水体为潮白河汛期补水，水位高程5.6 m，水体静置约1 a，引潮白河补水水体氯离子质量浓度为200 mg/L，用已建立的模型对水库静置1 a后的水体进行模拟，另外对北塘水库4个取样点（A、B、C、D）水体进行取样，用硝酸银滴定法测定其氯离子质量浓度。图3为水库水体氯离子质量浓度分布模拟结果（含4个取样点），图4为取样点氯离子质量浓度模拟值与实测值的对比。需要说明的是，在模型参数选取上存在系统偏差，例如初始条件设置中，将初始水体氯离子质量浓度统一设为250 mg/L，库区内所有底泥释放源厚度统一设置为1 m。结果表明，实测水体氯离子质量浓度和模拟结果误差在10%左右，而水质模拟误差30%以内一般可以视为较优［18-19］，因此，本模型精度可靠。

图3　水库水体氯离子质量浓度分布模拟结果

图4　取样点氯离子质量浓度模拟值与实测值对比

3　水库工程布置及引水、供水方案模拟结果

3.1工程布置及引水、供水预备方案

如图1所示，①号、②号和③号闸门是备选新建闸门（未建成），结合现有闸门并考虑改造费用预算、水库供水需求以及方便水库管理，拟定引水、供水预备方案，见表2。

3.2各方案模拟结果及分析

方案1采用⑤号、⑥号闸同时出流，对比方案2、方案3，虽然单个闸门出流流量减半，但从整个库区角度看，库区流场最为均匀，基本无死水区，对库区内水体交换最为有利；方案4采用②号闸为引水闸，与供水闸相隔较远，故流场也较为均匀；方案5中，入库①号闸与出库⑦号闸紧靠，导致库区北部区域出现大面积死水区，死水面积达到整个库区的68%。

表3为各方案开始供水时刻出库闸出流水体氯离子质量浓度及其达标所需时间（氯离子质量浓度小于250 mg/L时达标），表中c0为开始供水时刻出库闸出流氯离子质量浓度，T为供水氯离子质量浓度达标所需时间。方案1、方案2、方案3中的③号闸附近在开始供水时刻水体氯离子质量浓度在302.2 mg/L左右，在水库开始供水8 d后氯离子质量浓度达标，方案4则在15 d后达标；方案5，由于入库①号闸与出库⑦号闸紧靠，在引水过程完成后，⑦号闸附近区域水质已接近入流水质，氯离子质量浓度为25.0mg/L，出库⑥号闸附近区域水体已得到充分稀释，氯离子质量浓度为122.8mg/L，故在开始供水后，方案5氯离子质量浓度在标准范围之内，可库区东北部及西部底泥含盐度较高，底泥释放氯离子速率快，库区北部大面积区域氯离子残余量较高，从整个过程看，方案5没有完全发挥水库的调度功能，库区水体没能进行充分的交换。综上，认为方案1为较优的推荐方案。

表2　引水、供水预备方案运行情况

表3　出库闸出流氯离子质量浓度及达标所需时间

表4　观测点底泥氯离子释放总量（累计）与当日释放速率

4　水库静置期水质咸化模拟结果

为确定北塘水库在静置状态下水库水质能够保持在标准范围内的最大静置时间，对北塘水库在静置期的水质咸化过程进行模拟。在水库长期正常运行后，整个库区水体氯离子质量浓度和南水北调水源氯离子质量浓度相近，均取25mg/L，如图2所示，按底泥氯离子含量高低取1、2、3、4、5这5个观测点，5个底泥观测点在静置状态下的氯离子释放总量（累计）和当日释放速率列于表4中。

从表4可以看出，各个观测点底泥氯离子释放总量不同，初始底泥氯离子含量高的观测点释放总量大，相同静置时间下，底泥释放总量由大到小依次为观测点1、观测点2、观测点3、观测点4、观测点5，观测点1静置240 d后释放总量为1749.9 g/m2，观测点5静置240d后释放总量为90.6g/m2。由当日释放速率可以看出，初始底泥氯离子含量高的观测点当日释放速率大，同一观测点当日释放速率随着静置天数的增加不断减小，静置200 d左右底泥氯离子释放速率趋近于零。

据静置模拟结果，第1天底泥氯离子释放速率最大，若在水库静置期均取此释放速率作为库区底泥氯离子释放速率，则这一情况应为水库静置期水质咸化最不利情况，此时底泥氯离子释放速率为3.7～64.3g/（m2·d）。根据公式（4）得到最不利情况下水体氯离子质量浓度随时间的变化，视静置模拟结果为一般情况，则最不利情况与一般情况下水体氯离子质量浓度-时间关系如图5所示。

式中：cCl为库区水体氯离子质量浓度，mg/L；cs为库区水体氯离子初始质量浓度，mg/L；kmax为单个网格底泥释放速率，g/m2；Sa为单个网格面积，m2；ts为静置天数，d；V为库区水体总体积，m3。

图5　最不利情况与一般情况水体氯离子质量浓度-时间关系

从图5可以看出，对于一般情况，随着静置时间的增加，水体氯离子质量浓度不断增加，浓度增长速度逐渐减小，静置至200 d时，氯离子质量浓度增长速度趋近于零，浓度保持在135 mg/L左右；对于最不利情况，水体氯离子质量浓度呈线性增加，在第55天氯离子质量浓度超过250 mg/L。

5　结 论

本文基于EFDC建立了底泥氯离子扩散模型，以天津市北塘水库为例，主要研究了高盐度底泥作为氯离子释放源对水库工程布置及水库运行期的影响，得到以下结论：①对于类似高盐度底泥水库，在引水、供水闸的空间布置上，需要从库区流场及供水水质的角度分析比较各闸门备选布置方案的优劣，同时考虑底泥含盐量在空间上分布的不均匀性，避免引水闸门和供水闸门紧靠布置，导致局部高盐度底泥区域氯离子堆积残留，最终影响供水水质；②在水库运行期间，不可忽略高盐度底泥作为氯离子释放源的影响，底泥氯离子释放速率与底泥含盐量呈正相关，以最大底泥氯离子释放速率作为整个静置期底泥释放速率，可以得出最不利情况下水库水体氯离子质量浓度的超标时间，为水库后续正常供水提供依据。

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Effects of layout and operation of reservoir with high-salinity sediment on water supply safety

GAO Xueping1，WU Dengjiang1，SUN Bowen1，ZHANG Chen1，HAN Lijun2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Water Conservancy Survey and Design Institute，Tianjin 300072，China）

In order to ensure that the chloride ions concentration of the water from a reservoir with high-salinity sediment reaches the standard（less than 250 mg/L），the effects of high-salinity sediment，the main source of chloride ions，on the water quality of the reservoir were studied during the periods of layout design of reservoir gates and operation of the reservoir，using the Beitang Reservoir in Tianjin City as an example.To determine the optimal layout of gates from alternative schemes and to simulate the water salinization in the operation period of the reservoir，a three-dimensional hydrodynamic and water quality model was established，with the release of chloride ions from the high-salinity sediment considered.The results show that the water quality is directly influenced by the spatial layout of the inflow and outflow gates.It is put forward that the scheme with the inflow gate located in the southwestern corner and with the three outflow gates open at the same time is the optimal scheme，in which there is nearly no static region and the water quality will reach the standard after eight days.In the static period of the reservoir，the release rate of chloride ions from the sediment is positively correlated with the salt content in the sediment，and the concentration of chloride ions in the reservoir will exceed the standard at the 55th day after the release under the most unfavorable conditions.

reservoir with high-salinity sediment；project layout；water supply safety；mass concentration of chloride ions；water pollution in reservoir；Beitang Reservoir

X522

A

10067647（2016）05005005

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.009

国家自然科学基金（51279125）；天津市自然科学基金（15JCYBJC22600）；“十二五”国家科技支撑计划（2015BAB07B02）

高学平（1962—），男，教授，博士，主要从事环境水力学、工程水力学研究。E-mail：xpgao@tju.edu.cn

张晨（1981—），男，副教授，博士，主要从事环境水力学、生态水力学研究。E-mail：emil@tju.edu.cn

（20150922 编辑：骆超）