海湾水库咸化模拟

秦志新

（青岛大学，山东 青岛 266071）

我国是一个中度缺水的国家[1]。我国拥有丰富的淡水资源，其总量位于全球第四位。但是，我国的人均水资源量很少，仅约为世界平均水平的四分之一，并且随着工农业的发展，我国水资源匮乏的问题将会越来越严重。

沿海城市具有多水、多湾的地区资源优势，充分利用此优势兴建海湾水库，可为缓解沿海淡水资源短缺问题提供一条重要的有效途径。

海湾水库建成蓄淡后，在一定的环境条件下，其水体存在严重的咸化的问题，从而影响海湾水库的正常供水功能，妨碍水库在沿海地区水资源短缺中效用的发挥[2,3]。比如1974年建成的浙江大塘港水库在建成蓄淡后，先后发生数次水库水体盐分度超标现象[4]，严重影响了水库供水区域的工农业生产和居民生活。因此，模拟研究防咸措施对水库中盐分时空分布的影响对海湾水库的建设以及建成后的运营管理具有重要的指导作用。

1 海湾水库库水咸化调控的模拟预测

数值模拟是环境系统研究中最重要的方法之一，它是是预测与模拟污染物在水环境中行为模拟和水质管理规划与评价的重要方法。

（1）未采取防咸措施条件下，对沐官岛海湾水库水体中盐分浓度进行模拟。得出结论如下：

①未采取防咸措施条件下，2 d-36 d时间段内，沐官岛海湾水库底部边界层逐渐形成，且在36 d时边界层厚度达到最大，约为2 m左右。此时边界层内盐分扩散系数Kz主要为分子扩散量级，在1.2～5.7×10-5cm2/s范围内。36 d-60 d时间段内，水库底部边界层逐渐消失，60 d时边界层厚度减小至0.4 m左右。这可能是因为10月份月平均风速增大且气温降低，9月份形成的水体中的温跃层逐渐消失，水库底边界层受到的扰动逐步增大。盐分扩散系数Kz随之增大，模拟进行到60 d时，水深7.875 m处，盐分扩散系数为0.014 cm2/s，远大于盐分分子扩散量级。但水库底部盐分扩散仍然以分子扩散为主，1.04～1.2×10-5cm2/s。

②60 d-240 d时间段内，水库沉积物-水界面盐分浓度持续下降，而上层水体盐分浓度逐渐升高。水库底边界厚度无明显的变化（240 d时约为0.39 m左右）。

③240 d-360 d内，水库底边界层厚度稍有增加（360 d时约为0.63 m左右）。这可能是因为该时间段为来年5月份至8月份，此时研究区域风速有所下降而气温有所上升，水体中温跃层逐渐形成，水库底边界层受到的扰动减小。因此，虽然水库沉积物-水界面盐分浓度不断减小而上层水体盐分浓度持续增高，根据浮力频率N2公式，水库底层水体稳定性持续降低，但此时边界层厚度依然有所增加。水库上层水体盐分浓度持续升高，360 d左右达到了0.97 g/L。这表明，在沉积物盐分释放影响下，沐官岛水库面临较大的咸化风险。

（2）采取防咸措施后，对水库水体中的盐分浓度进行模拟，得出结论如下：采取防咸措施后，软件模拟初始阶段（2 d-30 d），沐官岛水库底边界层逐步形成，但其厚度远远小于未采取防咸措施下底边界层厚度（底边界层厚度在30 d时达到最大，仅为0.16 m左右）。30 d后水库底边界层厚度快速减小，34 d时底边界层消失。与未采取防咸措施相比较，采取防咸措施后，水库底边界层减小的速度较快，且水体能够完全混合。这是可能是因为采取防咸措施后，水库沉积物-水界面两侧盐分浓度梯度变小。采取防咸措施后，水库底层水体稳定性较差，由于10月份气象条件的改变，风对水库底层水体的扰动加大，水库水体快速达到混合。

（3）有、无防咸措施条件下，沐官岛水库上层水体盐分浓度均持续升高，但未采取防咸措施条件下，水库上层水体盐分浓度上升速率明显高于采取防咸措施条件下上层水体盐分浓度的上升速率。这是因为采取防咸措施后，一定深度范围内的库底沉积物中盐分浓度减小，且越靠近沉积物-水界面盐分浓度越小。根据菲克定律，在设置的初始条件及边界条件情况下，采取防咸措施后沉积物盐分释放通量要小于未采取措施时的盐分释放通量，采取防咸措施后进入水库上层水体的盐分质量小于未采取措施时的盐分质量。

2 结论与建议

利用AQUASIM软件进行垂向一维建模，分别对有、无防咸措施条件下的沐官岛水库库水中盐分的时空分布进行模拟，得出结论：在上述两种条件下，水库上层水体盐分浓度均持续升高，但未采取防咸措施条件下，水库上层水体盐分浓度上升速率明显高于采取防咸措施条件下上层水体盐分浓度的上升速率，水库存在库水盐分超标风险。

为避免海湾水库库水盐分浓度超标，提出三点建议：

（1）蓄水前开挖库底排咸沟并排出初期蓄水。实验研究表明，水库蓄水之前开挖库底排咸沟，排出初期蓄水能够有效排出库底沉积物中的盐分，从而减少盐分在底边界层中的累积。

（2）水库蓄水前排尽库区内残存海水，并在水库运营过程中尽量保证较高的蓄水水位。水库蓄水前尽量排尽库内海水，并在水库运营过程中尽量维持水库的高水位蓄水状态，以减少海水通过库底沉积物渗入。

（3）水库建造时做好拦海坝的防渗工作，并通过两层闸门进行挡咸，加强水库建成运营时对于泄洪闸的管理与维护，避免海水渗漏进入水库。

[1]姜兵.中国水资源利用效率区域差异及影响因素研究[J].黑龙江科学,2017(8):25-26.

[2]李敏中,李敏中.沿海滩涂水库排咸研究[J].河海大学学报:自然科学版,1998(3):76-80.

[3]毛献忠,陈甫源,余祈文,等.堵港蓄淡水库水体淡化预测研究[J].水利学报,2004,35(7):80-85.

[4]王高正,朱江平.大塘港水库机械排咸技术[J].水利水电科技进展,1998(4):44-46.