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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(kù)蓄存前后鹽度變化情況

“引黃濟(jì)津”工程是國(guó)家為解決天津市水資源嚴(yán)重潰缺問(wèn)題而實(shí)施的一項(xiàng)重要應(yīng)急措施[1]，“南水北調(diào)”工程是國(guó)家為解決北方缺水問(wèn)題而制定的一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的重要決策。北大港水庫(kù)作為“引黃濟(jì)津”工程和“南水北調(diào)”工程?hào)|線備用方案的調(diào)蓄水庫(kù)，研究“引黃”、“引江”的淡水（目前只有“引黃水”）在北大港水庫(kù)蓄存期咸化機(jī)理有重大的現(xiàn)實(shí)意義與深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

北大港水庫(kù)是位于天津市大港區(qū)的一座大型平原水庫(kù)。大港區(qū)是由退海形成的濱海平原地區(qū)。北大港水庫(kù)所在地區(qū)在歷史上為洪瀝水沖積之古瀉湖、逐漸演變?yōu)楹＿M(jìn)海退鹽堿荒蕪的漬水之地，后經(jīng)人工圍堰建壩形成現(xiàn)存規(guī)模的北大港水庫(kù)[2]?！耙S水”在北大港水庫(kù)蓄存一段時(shí)間后水質(zhì)與原黃河水水質(zhì)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(kù)蓄存一段時(shí)間后，氯離子濃度逐步增加。

2傳質(zhì)理論簡(jiǎn)述

質(zhì)量傳遞是屬于傳遞現(xiàn)象的范疇，傳遞現(xiàn)象是自然界和工程技術(shù)中普遍存在的現(xiàn)象。質(zhì)量傳遞是物系中一個(gè)或幾個(gè)組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象，描述質(zhì)量傳遞現(xiàn)象定律為費(fèi)克定律[3]，表達(dá)式如下：

表1引水期間“引黃水”與在北大港水庫(kù)中蓄存一段時(shí)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(kù)前氯離子濃度(單位：mg/L)

“引黃水”入庫(kù)后氯離子濃度(單位：mg/L)

取樣點(diǎn)

取樣日期

氯離子濃度

取樣點(diǎn)

取樣日期

氯離子濃度

南運(yùn)河九宣閘(“引黃濟(jì)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(hào)口門(北大港水庫(kù)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(huán)保局監(jiān)測(cè)中心提供的第八次“引黃濟(jì)津”沿線水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果表。

(2)地面飲用水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中氯離子濃度≤250mg/L。

(3)第八次“引黃濟(jì)津”于2003年9月22日“引黃水”進(jìn)入天津市，于2004年1月6日結(jié)束。

(2)

式中：JA—在y方向上相對(duì)于質(zhì)量平均速度的質(zhì)量，kg/s·m2；

DAB—物質(zhì)A在物質(zhì)B中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

dρA/dy—在y方向的濃度梯度kg/m3·m。

3“引黃水”水質(zhì)咸化機(jī)理分析

3.1土壤的影響

北大港水庫(kù)周邊地區(qū)及庫(kù)底土壤屬于鹽化土壤，其含鹽量一般在0.2%~1.5%?！耙S水”進(jìn)入北大港水庫(kù)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(kù)中“引黃水”是連通的。根據(jù)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(kù)中“引黃水”之間就形成了鹽度梯度，根據(jù)質(zhì)量傳遞理論，鹽分將從鹽度高的土壤水中擴(kuò)散到鹽度低的水庫(kù)“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(zhì)咸化的一個(gè)源(圖1)。

圖1北大港水庫(kù)水質(zhì)咸化機(jī)理模型示意圖----蒸發(fā)濃縮作用與傳質(zhì)作用

Fig.1Bei-Da-GangReservoirWaterSalinizationMechanismModelSchetch

aboutEvaporationConcentratingandMassTransfer

3.2水文地質(zhì)情況的影響

大港區(qū)是天津水文地質(zhì)分區(qū)最下游的一個(gè)區(qū)，其地下水的埋藏條件、富水性及水質(zhì)等特征，均系最差者。大港區(qū)第四系淺層水，水位埋深為0.82~6.02米，水化學(xué)類型主要為氯化鈉型水，地下水中氯離子濃度高達(dá)1500mg/L[2]。北大港水庫(kù)庫(kù)區(qū)的地下水將會(huì)通過(guò)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(jù)傳質(zhì)理論，由于存在鹽度梯度，地下水中的鹽將向“引黃水”中擴(kuò)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(zhì)咸化的另一個(gè)源。

3.3氣象條件的影響

大港區(qū)瀕臨渤海，處于大陸性與海洋性氣候的過(guò)渡帶，屬溫暖帶大陸性季風(fēng)型氣候，季風(fēng)顯著，四季分明，春季多風(fēng)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(fā)量與降雨量的影響

由圖2知，大港區(qū)年蒸發(fā)量大于年降雨量(年平均差值達(dá)1400mm)，如果在一年之內(nèi)沒(méi)有補(bǔ)充新的“引黃水”，則庫(kù)區(qū)水量就會(huì)減少。由于蒸發(fā)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(huì)增加，這就是蒸發(fā)濃縮作用。因此，蒸發(fā)濃縮作用是造成“引黃水”水質(zhì)咸化的另一個(gè)原因(圖1)。

圖21974年至2001年大港區(qū)年蒸發(fā)量與年降雨量對(duì)照?qǐng)D

Fig.2ComparingAnnualEvaporationwithAnnualRainfallfrom1974to2001

3.3.2風(fēng)的影響

大港區(qū)位于季風(fēng)氣候區(qū)，并且由于大港區(qū)臨海，幾乎每天都有風(fēng)。風(fēng)是引起水體混合的重要因素，當(dāng)風(fēng)吹過(guò)水面時(shí)，對(duì)水面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，形成風(fēng)浪，并產(chǎn)生風(fēng)吹流，同時(shí)形成垂直環(huán)流和水平環(huán)流［4.5］。由風(fēng)形成的風(fēng)浪和環(huán)流，對(duì)水體產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，這將會(huì)加速鹽從庫(kù)底土壤和地下水向“引黃水”中的擴(kuò)散速度，從而加快“引黃水”水質(zhì)咸化速度。另外，風(fēng)的存在還會(huì)加快水分蒸發(fā)的速度[6]，從另一個(gè)角度加快“引黃水”水質(zhì)咸化速度。此外，風(fēng)還吹起部分水庫(kù)周圍的鹽化懸浮土粒進(jìn)入水庫(kù)，也會(huì)增加“引黃水”的含鹽量。

3.4“引黃水”入庫(kù)前原存水水質(zhì)及水量的影響

由3.1、3.2和3.3的闡述知，在“引黃水”進(jìn)入水庫(kù)前，水庫(kù)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(guò)地面水源Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（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(kù)是一個(gè)天然低洼地經(jīng)人工圍堰形成的水庫(kù)，其庫(kù)底地形凹凸不平，因此不可能將水庫(kù)原存水排盡，這樣原有含鹽量很高的水就會(huì)和含鹽量很低的“引黃水”混合，造成“引黃水”水質(zhì)咸化。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可知，原存水含鹽量越高，水量越大，在總庫(kù)容一定的情況下，混合水水質(zhì)咸化程度越大。

4減緩“引黃水”水質(zhì)咸化速度的工程措施建議

由于“引黃濟(jì)津”工程要求實(shí)施八個(gè)月才能解決天津市供水問(wèn)題，往年由于北大港水庫(kù)水質(zhì)咸化問(wèn)題到第六或第七個(gè)月開(kāi)始水體中氯離子濃度就超過(guò)地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(≤250mg/L)，而不得不提前中止供水，浪費(fèi)了大量的水資源。

根據(jù)上述對(duì)“引黃水”在北大港水庫(kù)蓄存一段時(shí)間后水質(zhì)咸化機(jī)理的分析可知，北大港水庫(kù)所處的自然地理?xiàng)l件和氣象條件是影響水質(zhì)咸化的主要因素。當(dāng)然，我們不能改變這些客觀條件，但我們可以根據(jù)質(zhì)量傳遞理論，對(duì)北大港水庫(kù)采取一些工程措施，減緩“引黃水”水質(zhì)咸化的速度，以期達(dá)到“引黃濟(jì)津”工程要求實(shí)施八個(gè)月時(shí)間內(nèi)對(duì)水質(zhì)的要求，或者盡量減少?gòu)U棄水量、節(jié)約水資源。

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

(1)假設(shè)庫(kù)底鹽化土壤土質(zhì)均勻，則其傳質(zhì)通量為定值?？s小面積可以減少水體與庫(kù)底鹽化土壤的接觸面，減少了庫(kù)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(zhì)咸化的速度。

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

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

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