慈溪市郑徐水库工程盐度变化特征及排咸方案研究

慈溪市郑徐水库盐度变化特征及排咸研究 慈溪市郑徐水库工程盐度变化特征及排咸 方案研究 第1期总第173期 2011年1月 浙江水利科技 ZhejiangHydroteehnies No.1T0tHlNo.173 January2011 慈溪市郑徐水库工程盐度变化特征及排威方案硼究 陈大标,徐科',魏月梅 (1.宁波市水利水电规划研究院,浙江宁波315192; 2.南京市水利规划设计院有限公司,江苏南京210006) 摘要:采用Delft3D软件对郑徐水库各种引排水工况下的水动力场和盐度场进行模拟,在得到水库盐度 分布规律的基础上,通过底泥盐度释放模型,预测各种排咸方案下的水库盐度淡化情况,并从经济性,可靠性 等多方面对各方案实施效果进行综合评价,最终提出了推荐方案.该研究成果为水库的运行管理提供支撑,并 实现了提高水质的目的,以最大程度地发挥水库效益. 关键词:沿海水库;底泥释放;盐度;淡化 中图分类号:TV213.4文献标识码:B文章编号:1008-701X(2011)O1-01Y24-04 1郑徐水库工程概况 郑徐水库位于慈溪市范市镇,观海卫镇,附海,胜山, 崇寿及新浦镇的沿海上,建于郑家浦与徐家浦围涂区内, 南靠九塘,北至十塘,东靠徐家浦西直堤,西至郑家浦隔 提,占地666.667hm2(1万亩),水面面积约582hm2(8 730亩).水库库底高程为一2.80in(85高程系,下同),死 水位一1.80m,正常蓄水位4.50m,设计水位4.83m,周围 河道常水位为1.45,1.95m,枯水位为O.60m. 郑徐水库主要功能为供水.即在建成蓄水初期主要提 供慈溪市东河区和中河区的环境用水和农业用水,并改善 水库内自身水质;进入正常供水期后,主要供给东河区, 中河区的工业用水.在枯水季节河网水位过低时,也放水 补充东河区和中河区的生态用水及农业用水.工程平面布 置如图1所示…. 图1郑徐水库平面布置图 家鼯出海闸 收稿日期:2010-08-05 作者简介:陈大标(1983一).男,助理工程师,大学本科 主要从事水利水电工程设计工作.Emnil:ehendb.hhu@163.conl ? 24? 由于郑徐水库位于慈溪沿海滩涂盐碱地上,在蓄水初 期不可避免地发生底泥返成现象,使库水咸化.因此必须 研究水库水质咸化机理,找出水质咸化的规律,并提出防 治或延缓水质咸化的建议措施,以减少成化水的浪费,节 约水资源. 本研究通过建立库区水动力模型,研究水库在可能运 行条件下的水动力特性,盐度分布规律,在此基础上,根 据郑徐水库实际情况,研究制定相应的排成工程措施和非 工程措施,并用底泥盐度释放模型对水库盐度淡化趋势进 行预测,为水库运行管理提供支撑,以实现淡化水体,提 高水质的目的,最大程度地发挥水库效益. 2水动力和盐度计算 2.1控制万程 郑徐水库运行初期,库内水体盐度垂线分布不均.本文采 用a坐标下三维斜压模型Delft3D进行模拟,其基本方程为: 连续方程: .坌[!?釜23.. at' : Q(1) 水平与刁方向的动量守恒方程: 7a—rl 一 警一一Po++却一一一, 南畚()+恤(2) 7a—t/7 一 警+一++aa一P0,. {善(%)+%(3) 总第173期?浙江水利科技?2011年第1期 盐度输运方程: Ot+[塑盟+ 'v厂. a(d+)~/S]. a()————一 J—_ 副+ 1[](d+)s+c(4) 式中:}为水位;d为水深;v厂:,/,和,/, =+分别为直角坐标系(,Y)与正交曲线坐标系 (,7)的转换系数;U和分别为和7方向上的平均速度分 量;Q为单位面积上取水,蒸发和降水对流量的贡献;为垂 线无量纲坐标,口=(:一r)/,自由水面=0,水底=1; ",口和分别为,和口方向上的速度分量;和为和 方向的紊动动量通量;和为和】7方向的动量源或 汇,包括建筑物引起的外力,波浪切应力,排引水产生的外 力;Po为水体密度;为竖向涡动系数;和为(,) 坐标系中和叩方向的静水压力梯度. 定义在运动的平面的竖向速度由如下连续方程 计算: +?3+! a. +:)Oo"d"一一 模型方程未涉及物理上(即Cartesima直角坐标系中)的 竖向速度,该竖向速度只在后处理时计算,即: =(U十一==-—== GqG ["(+簧)+(+篝)】+(+) 压力梯度由下式计算为: 常密度静水压强假设下, p—g曼羔.!坌 10..一ID .~/_ !p—g煞.. 坌塑 Po~/-一却Po;却 式中:P为包括浮体建筑物引起的压力在内的自由面 压力. 为常温下参考海水密度;P为静水压,其水平梯度分 肭:=篓+gc筹+赛塞 葛+gPoc+骞塞P0'一aaa 以上2式右侧中,第1项为水面梯度项,即正压项; 第2项为密度梯度项,即斜压项和由于地形变化而形成垂 向网格变形的修正项. 海水密度(p)是盐度()和水温(,)的函数,其状态方 程采用Eek~a't盐水经验关系: 1000Po lD丽 式中:A=1779.5+11.25t一0.0745t一(3.80+ 0.01t)S;.0=0.6980;Po=5890十38t一0.375t+3S,S 为盐度(%.);t为水温(oC). 模型初始条件一般以零启动的形式给出,即全场3个流 速分量给定为零,同时给出初始水位和初始盐度场,即: f(,'7,0)=0 L?(,叩,0)=口(,,0)=0 模型边界条件视不同情况分别给定: (1)开边界:分段给出水位过程或流速过程,为使模拟取 得较好效果,开边界网格线最好与水流垂直; (2)闭边界:采用自由滑移条件,与闭边界垂直方向流速 为零; cs运动边界:{:!…o=0I1--ooL=U rI一三竖 ,.,目j一一Po(4)底边界: {【号 一 式中:和切分别为底切应力在和方向的分量. (5)盐度边界条件:号誉.=0,号一.=0 2.2模型计算结果 对各种工况下的水库流场和盐度场进行模拟计算,结 果表明: (1)水库中水体交换的主要动力来自于引排水,但由 于水库水面面积较大,在各类引排水条件下,水库整体水 动力条件较弱,大部分区域流速小于O.01m/s,远离引排水 闸的岸边水体基本处于静止状态. (2)在典型引排水条件下,水库中含盐份水体被来水 稀释,盐度有明显下降,下降幅度与引水口距离成反比, 与水深成反比.由此可见,在前期水库盐度较大时,采用 引排水调度进行集中洗盐,可以较大程度地降低水库水体 的含盐度,在正常运行期时,水体静置时间较长,库内水 体盐度出现分层,此时,采用小流量排咸泵进行排咸,可 以达到较好的排咸效果. 3水库排咸预测 郑徐水库水质咸化的因素有盐碱底泥,咸化浅层地下 水,气候气象条件,大气沉降,海水人侵,库内底咸水及 水库水深(水位)等,其中底泥及浅层地下水盐度释放是 水库水质咸化的决定性因素.图2为郑徐水库水质咸化主 要影响因素的示意图. ?t???'??t.??tIt^?,t,?r-?^?^????^ 图2郑徐水库水质咸化主要影响因素示意图 ? 25? 总第173期?浙江水利科技?2011年第l期 3.1排成预测计算方法 郑徐水库水质咸化是一个缓慢的质量传递过程,本文 采用经典传质理论(费克定律)作为理论基础,对水质咸 化过程进行长时间的宏观研究.根据彭进平等对河口蓄 淡水库底泥盐份释放的研究,底泥中盐度释放量随时间一 般呈指数衰减规律: F=Foexp(一kt)(5) 其中为初始释放通量(m异,d?cm2),k为衰减系数 (1/d),t为时间(d). 以天为计算时段进行计算,根据质量守恒原理,采用完 全混合系统水质模型,模型计算表达式为: CQ+FS=Q+(C一C)(6) 其中.s为水库库面面积,F为底泥中的盐份释放通量, c为完全混合后的水质浓度,为来水水质浓度,Q为 流出系统的流量,q为流入系统的流量,为水库的库容. 3.2计算参数确定 郑徐水库水体淡化主要是通过不断引排水及各种排成 措施,对水库含盐水体进行引水稀释一洗盐溶解一放水排 咸一再引水稀释的循环过程.要对水库淡化进行预测,需 确定水库引排水过程及底泥盐份释放过程2个关键因素. 3.2.1水库引排水过程 水库进水可采用泵直接从河取水,也可以利片j库内 外水位差直接从引水闸引水,引水闸外河网常水位1.95m; 水库排水可采用泵排,也可以利用库内外水位差直接从放 水闸进行排水,放水闸外河网常水位1.65m. 类似工程经验及相关研究表明,水库在低水位运行时 洗盐效果较好,主要原因有:水库水体盐度呈梯度分布, 底部水体的含盐度较高,上部水体的含盐度相对较低,提 高水库水位,虽然增大了1次置换水的排盐量,但置换水 时间间隔也相应增加,频次降低,因此对排盐效果影响不 大;相关底泥释放实验表明,水压大小与底泥盐度释放有 一 定的关系,水压增大将会抑制底泥盐份的释放;此外, 从运行成本上来说,郑徐水库为平原水库,外侧河网水位 1.95m,提高水位运行水位必然大大提高水库运行费用. 因此,基于这3方面考虑,在前期排成调度时,采用低水 位的运行方式,在后期水库盐度预测时,考虑到水库开始 供水,水库水位恢复到正常蓄水位4.50m. 3.2.2底泥盐份释放过程 水库底泥释放过程直接影响水体盐度变化及排成效率, 相同条件下,底泥盐度释放越快,水库换水频次越高,排 成效果越明显,水库盐度下降也越快.实践表明,随着水 库蓄水出现混合,蓄满,下泻过程,而逐步实现整体的置 换,水库蓄水的盐度便会逐步降低,因此,沿海水库盐度 的影响主要表现在未来水体淡化的速度上,这便取决于底 泥盐度释放的强度. 相关研究表明,水库底泥盐纷释放与底泥含盐量, 上覆水盐度,水压,底泥性质等密切相关.底泥空孑L隙水 ? 26? 盐度即底泥间隙水本底盐度的释放规律是以换水的初期为 最高,也即初期上覆水累计盐度大,随着换水次数的增加, 其释放减弱,上覆水累计的盐度则逐渐降低;在不同换水 周期下,换水时间越长,底泥盐度释放到上覆水的累计盐 度就越大,而随着时间的推移,底泥盐度向上覆水的释放 逐渐减小,这主要是底泥间隙水本底盐度也因不断释放而 降低的缘故. 相关参数的确定:底泥风干后的盐度7.07异,ks,本底 问隙水盐度8800mg/L,初试释放通量为,衰减系数 0.01l89lid. 3.2.3水库供水盐度 在水库运行初期,通过引,放水闸及泵(包括排成泵) 的组合调度,对水库进行洗盐,逐步降低水库水体盐度, 减小底泥盐度释放强度,最终实现用较小流量的排咸泵达 到水库供水水质要求的目的. 根据《工业用水水质标准》(GB/T19923--2005),氯离 子的含量标准为250mr,/L. 3.3排咸调度方案 水库排成可通过2种途径实现:?利用进,出水口加 速水库水体置换;?设置专门的小流量排咸泵,抽排库底 高浓度盐水.第1种方法效果显着,但费用高,经济性差, 第2种方法则见效慢,优点是经济,且在水库投入运行后 可继续发挥作用,防止返盐.因此本文按照这2种方法的 不同组合,根据水库供水时间要求,拟定方案进行比选. 3.3.1工况1 水库建成后2a内弓l排水2次,a,从一1.8111自流引水 至1.95m,静置0.5a后再使用西南角抽水泵排水至一1.8 m,即为引排水1次.经过2a4次的引排水调度,水库在 第5次引水后盐度下降到74.38mg/L,再将水库蓄至4.5m 开始供水,可保证水质要求,水质达到要求的时间是第2 年末.库水盐度变化情况见图3.' 图3水库盐度随时间变化图(工况1) 3.3.2工况2 ,然后水库蓄至4.5m开 水库建成后第1年引排水2次 始供水,保持水位不变,开始用排咸泵不间断排咸.为了 在不同年份供水,需要有不同的排成泵规模:?为使第1 年末水库盐度达到供水标准(第2年开始供水),至少需要 O.7m3,s的排成泵流量;?为使第2年末水库盐度达到供水 标准(第3年开始供水),至少需要O.3-4,s的排成泵流 量;?为保证水库建成后第3年末水质达到供水标准(即 第4年开始供水),则只需0.15n3/s的排成泵流量.库水盐 度变化情况见图4. 总第173期?浙江水利科技?2011年第1期 图4水库盐度随时间变化图(工况2) 3.3.3工况3 工况3调度方案同为低水位洗盐,采用方式为第1年 上半年引排水1次,从第1年的下半年起蓄水至4.5m,保 持水位不变,开始用排成泵不间断排咸.为了在不同年份 供水,需要有不同的排成泵规模:?为保证水库建成后第1 年末水质达到供水标准(第2年开始供水),至少需要3.5 m3,s的排成泵流量;?为保证水库建成后第2年末水质达 到供水标准(第3年开始供水),至少需要O.5I玎3Is的排咸 泵流量;?为保证水库建成后第3年末水质达到供水标准 (即第4年开始供水),则需要O.28rn3,s的排咸泵流量.库 水盐度变化情况见图5. la00.00 —1200.O0 1000?0~1 <8?? 堇6o..00 2?oo … 0 一….一,……一.……… 600 .d_一…..—一… 图5水库盐度随时间变化图(工况3) 3.4各方案分析比较 综合上述计算成果,郑徐水库排咸效果与引排水次数, 排咸泵流量及2种方式组合情况关系密切,各方案组合情 况决定了目标供水时间的长短.为对各方案实施效果进行 比选,确定以下3个条件为评价各方案排成效益的关键 因子. (1)排成费用:在集中排成期内,为达到供水目标时 间排咸所消耗的水资源费,运行调度费等; (2)供水时间:水库达到供水水质标准所需的时间; (3)常态排成:在进入正常供水期后,排咸泵应能满 足正常供水水质要求,同时兼顾考虑应急排咸的需要. 根据以上3个因素,各工况下的换水时间和费用比较 见表1. 表1各工况比选表 (注:水费以O.3元,t计,电费以O.54元,kW?h计,西南角抽水泵流量l2.25m3,s,每台 功率160kW.) 通过比较最终推荐采用工况2的第?种方案,即在第1 年引排水调度2次,之后水库蓄水至4.5m,改用排咸流量 为0.34,s的排成泵排咸,再运行1a,水库达到供水水质 要求.为达到排成效果,拟定沿水库北堤布置4处排成点. 按每个抽排点4个吸水口计,每个抽排点流量为0.085m】/s. 考虑运行过程中存在停电等因素,适当提高单个抽排点流 量为0.1m3,s. 4结语 本文通过Delft3D软件对郑徐水库各种引排水工况下的 水动力场和盐度场进行模拟计算,研究水库的盐度分布规 律,并采用底泥盐度释放模型,对各种排咸方案下的水库 盐度淡化情况进行预测;同时从经济性,可靠性和可行性 多方面对各方案实施效果进行综合评价,提出了推荐方案, 为水库运行管理提供支撑,实现淡化水体,提高水质的目 的,最大程度地发挥水库效益.该研究成果对于我国其它 沿海地区水库水质咸化问题具有借鉴意义,提出的防治或 延缓水质咸化的措施对于其他类似地区的解决水质成化问 题具有一定的推广价值. 参考文献: [1]夏珊珊,赵淳逸,陈大标,等.慈溪市郑徐水库工程盐度变化 特征及排成措施专题报告[R].宁波:宁波市水利水电规划设 计研究院,20t0. [2]彭进平.逄勇,周借蕾,等.河E1底泥盐度释放模型研究及应 用[J].中山大学:自然科学版,2009,48(1):31—36. (责任编辑郎忘忧) ? 27?