引黄水在北大港水库蓄存期水质咸化机理分析及防治措施
摘要：长期以来，“引黄济津”工程是解决天津市缺水问题的一项有效措施，北大港水库是该工程唯一的调蓄水库。“引黄水”经北大港水库蓄存一段时间后水质咸化，氯离子浓度超过了地表水Ⅲ类水质标准。从质量传递理论出发，全面地分析了“引黄水”水质咸化的原因，得出了“引黄水”水质咸化受北大港水库所处地区的地理条件和气象条件影响的结论，提出了减缓“引黄水”水质咸化速度的一些工程措施。
关键词：北大港水库 水质咸化 传质理论 防治措施
Analysis on Yin-Huang Water Salinization Mechanism during being stored in Bei-Da-Gang Reservoir and Prevention Measures
Zhao Wenyu1,2 Wang Qishan1 Zhao Yuming3 Cui HaiTao3 Liu Chengjian3
Sun Zengfeng1 Zheng Liyan1 Wu Libo1
(1.Nankai University, Tian Jin, 300071;
2. Guilin Institute of Technology, Guilin, Guang Xi, 541004;
3. Bei-Da-Gang Reservoir Administration Departmentalism, Tian Jin, 300270)
Abstract: The project of Yellow River division for Tianjin (also called Yin-Huang-Ji-Jin Project) is an effective measure to resolve the problem of water resource shortage in Tianjin City. Bei-Da-gang reservoir is the only one regulating reservoir for this project. Yin-Huang water gets salted during being stored in Bei-Da-Gang Reservoir and the Cl- concentration goes beyond the Ⅲ Standard of Ground Water Quality finally. Based on mass transfer theory, Yin-Huang Water salinization mechanism is roundly analyzed. It is concluded that the Yin-Huang water salinization mechanism is mainly affected by the physical geography and weather condition in Bei-Da-Gang Reservoir area. Some project to retard the speed of the salinization is proposed in the article.
Key words: Bei-Da-Gang Reservoir; Water Salinization; Mass Transfer Theory；Prevention Measures
1 “引黄水”在北大港水库蓄存前后盐度变化情况
“引黄济津”工程是国家为解决天津市水资源严重溃缺问题而实施的一项重要应急措施[1]，“南水北调”工程是国家为解决北方缺水问题而制定的一项具有战略意义的重要决策。北大港水库作为“引黄济津”工程和“南水北调”工程东线备用方案的调蓄水库，研究“引黄”、“引江”的淡水（目前只有“引黄水”）在北大港水库蓄存期咸化机理有重大的现实意义与深远的战略意义。
北大港水库是位于天津市大港区的一座大型平原水库。大港区是由退海形成的滨海平原地区。北大港水库所在地区在上为洪沥水冲积之古泻湖、逐渐演变为海进海退盐碱荒芜的渍水之地，后经人工围堰建坝形成现存规模的北大港水库[2]。“引黄水”在北大港水库蓄存一段时间后水质与原黄河水水质有很大的差异，特别是其盐度（本文只考察氯离子浓度）变化很大。由表1可明显看出，“引黄水”在北大港水库蓄存一段时间后，氯离子浓度逐步增加。
2 传质理论简述
质量传递是属于传递现象的范畴，传递现象是自然界和工程技术中普遍存在的现象。质量传递是物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区转移的一种现象，描述质量传递现象定律为费克定律[3]，表达式如下：
表1 引水期间“引黄水”与在北大港水库中蓄存一段时间后的“引黄水”氯离子浓度比较
Tab.1 Compare of Cl- Concentration in “Yin-Huang” Water between the Drawing Water Period and Some Time after Being Storied in Bei-Da-Gang Reservoir
“引黄水”入库前氯离子浓度(单位：mg/L) | “引黄水”入库后氯离子浓度(单位：mg/L) | ||||
取样点 | 取样日期 | 氯离子浓度 | 取样点 | 取样日期 | 氯离子浓度 |
南运河九宣闸(“引黄济津”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 | 十号口门(北大港水库向天津市供水出口) | 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)摘自天津市环保局监测中心提供的第八次“引黄济津”沿线水质监测成果表。
(2)地面饮用水Ⅲ类水质标准中氯离子浓度≤250mg/L。
(3)第八次“引黄济津”于2003年9月22日“引黄水”进入天津市，于2004年1月6日结束。
(2)
式中：JA—在y方向上相对于质量平均速度的质量，kg/s·m2；
DAB—物质A在物质B中的扩散系数，m2/s；
dρA/dy—在y方向的浓度梯度kg/m3·m。
3 “引黄水”水质咸化机理分析
3.1 土壤的影响
北大港水库周边地区及库底土壤属于盐化土壤，其含盐量一般在0.2%~1.5%。“引黄水”进入北大港水库后，必然渗入土壤的孔隙中，形成了土壤水。显然，土壤水与水库中“引黄水”是连通的。根据溶解理论，土壤颗粒中所含的盐分必然溶入土壤水中，这样在土壤水与水库中“引黄水”之间就形成了盐度梯度，根据质量传递理论，盐分将从盐度高的土壤水中扩散到盐度低的水库“引黄水”中，造成 “引黄水”盐度增加。因此，盐化土壤是“引黄水”水质咸化的一个源(图1)。
图1 北大港水库水质咸化机理模型示意图----蒸发浓缩作用与传质作用
Fig.1 Bei-Da-Gang Reservoir Water Salinization Mechanism Model Schetch
about Evaporation Concentrating and Mass Transfer
3.2 水文地质情况的影响
大港区是天津水文地质分区最下游的一个区，其地下水的埋藏条件、富水性及水质等特征，均系最差者。大港区第四系浅层水，水位埋深为0.82~6.02米，水化学类型主要为氯化钠型水，地下水中氯离子浓度高达1500mg/L[2]。北大港水库库区的地下水将会通过土壤孔隙与“引黄水”相连，地下水的含盐量高于“引黄水”的含盐量。同样根据传质理论，由于存在盐度梯度，地下水中的盐将向“引黄水”中扩散，造成“引黄水”盐度增加。因此，含盐量高的地下水是“引黄水”水质咸化的另一个源。
3.3 气象条件的影响
大港区濒临渤海，处于大陆性与海洋性气候的过渡带，属温暖带大陆性季风型气候，季风显著，四季分明，春季多风少雨，夏季湿热多雨，秋季干燥气爽，冬季寒冷少雪。
3.3.1 蒸发量与降雨量的影响
由图2知，大港区年蒸发量大于年降雨量(年平均差值达1400mm)，如果在一年之内没有补充新的“引黄水”，则库区水量就会减少。由于蒸发作用只带走水，不带走盐分，则剩下的水体中的盐的浓度就会增加，这就是蒸发浓缩作用。因此，蒸发浓缩作用是造成“引黄水”水质咸化的另一个原因(图1)。
图2 1974年至2001年大港区年蒸发量与年降雨量对照图 Fig.2 Comparing Annual Evaporation with Annual Rainfall from 1974 to 2001 3.3.2 风的影响 大港区位于季风气候区，并且由于大港区临海，几乎每天都有风。风是引起水体混合的重要因素，当风吹过水面时，对水面产生剪切应力，形成风浪，并产生风吹流，同时形成垂直环流和水平环流［4.5］。由风形成的风浪和环流，对水体产生强烈的搅拌作用，这将会加速盐从库底土壤和地下水向“引黄水”中的扩散速度，从而加快“引黄水”水质咸化速度。另外，风的存在还会加快水分蒸发的速度[6]，从另一个角度加快“引黄水”水质咸化速度。此外，风还吹起部分水库周围的盐化悬浮土粒进入水库，也会增加“引黄水”的含盐量。 3.4 “引黄水”入库前原存水水质及水量的影响 由3.1、3.2和3.3的阐述知，在“引黄水”进入水库前，水库原存水（或是上次“引黄水”剩余水，或是蓄洪水）的含盐量必定很高，氯化物含量超过地面水源Ⅲ类标准（表1中2003年8月17日水样即为2002年“引黄水”剩余水）。另外，由于北大港水库是一个天然低洼地经人工围堰形成的水库，其库底地形凹凸不平，因此不可能将水库原存水排尽，这样原有含盐量很高的水就会和含盐量很低的“引黄水”混合，造成“引黄水”水质咸化。通过简单的可知，原存水含盐量越高，水量越大，在总库容一定的情况下，混合水水质咸化程度越大。 4 减缓“引黄水”水质咸化速度的工程措施建议 由于“引黄济津”工程要求实施八个月才能解决天津市供水问题，往年由于北大港水库水质咸化问题到第六或第七个月开始水体中氯离子浓度就超过地表水Ⅲ类水质标准(≤250mg/L)，而不得不提前中止供水，浪费了大量的水资源。 根据上述对“引黄水”在北大港水库蓄存一段时间后水质咸化机理的分析可知，北大港水库所处的地理条件和气象条件是影响水质咸化的主要因素。当然，我们不能改变这些客观条件，但我们可以根据质量传递理论，对北大港水库采取一些工程措施，减缓“引黄水”水质咸化的速度，以期达到“引黄济津”工程要求实施八个月时间内对水质的要求，或者尽量减少废弃水量、节约水资源。 建议措施一：建议在保证总蓄水库容的情况下，缩小水库面积，增加水库的水深，将有利于减缓“引黄水”水质咸化的速度，理由如下： (1)假设库底盐化土壤土质均匀，则其传质通量为定值。缩小面积可以减少水体与库底盐化土壤的接触面，减少了库底盐化土壤传入水体中盐的总量，在引黄水总体积一定的情况下，就降低了引黄水中盐的浓度，也就是减缓水质咸化的速度。 (2)蒸发量是以mm计，但蒸发损失水的体积与水体表面面积成正比。因此，缩小水库面积可以减少由于蒸发而损失的水量，减轻蒸发浓缩作用造成的水质咸化速度。 建议措施二：整平库底或在库内挖掘一些导流沟，尽量将“引黄水”入库前的原存水排尽。也就是说，在“引黄水”与原存水的混合水水量为定值时（即北大港水库总库容为定值），高含盐量的原存水量越小，则“引黄水”水质咸化的程度越小。 : [1] 张胜红, 郭书英, 徐向广. 2000年引黄济津应急调水实施方案研究[J]. 海河, 2002(2): 10~11. [2] 天津市局志编纂委员会. 天津市志—大港区志[M]. 天津：天津技术出版社. 1998. [3] 陈涛, 张国亮. 化工传递过程基础[M]. 北京：化学出版社, 2002. [4] 王运洪. 水库湖流多负荷数值模拟[J]. 广西科学, 2001, 8(2): 118~123. [5] Nigün Kiran, Orhan Yenigün Erdem Albek et al. Wind-induced circulations of the Black Sea[J]. Wat. Sci. Tech., Vol.32, No.7, pp.87-93., 1996. [6] 奚玉英, 陈国春. 由20cm蒸发皿资料和风速水库库面蒸发量[J]. 水电站设计, 2002, 18(2): 76~78.