北大港水庫水質咸化垂直分布規(guī)律及影響因素

北大港水庫水質咸化垂直分布規(guī)律及影響因素

沿海水庫的咸化已成為一種普遍現(xiàn)象。天津沿海平原地區(qū)建設的蓄水蓄水水庫大多存在水質咸化現(xiàn)象。2003年-2004年,引黃水在天津北大港水庫蓄存一段時間后,就曾出現(xiàn)水質咸化現(xiàn)象,濱海地區(qū)的其他水庫如北塘水庫、黃港水庫、營城水庫、官港水庫、錢圈水庫的水質也均存在咸化問題。劉克等研究表明北大港濕地植物群落退化,有向鹽漬化過渡的趨勢。多數(shù)學者對水庫水質咸化機理進行了研究,張宇龍等研究了北大港水庫底泥釋放氯離子的規(guī)律。姜翠玲模擬分析底泥含鹽量、蓄水水質及水位變動和擾動條件下北塘水庫底泥氯化物釋放規(guī)律。趙玉明建立了北大港水庫水質咸化的水質模型,研究了水庫水體水質與初始濃度、進出水流量、蒸發(fā)濃縮作用和底泥釋放的關系。趙文玉等認為北大港水庫水質咸化受到鹽堿土、淺層地下咸水、氣候氣象條件、大氣沉降、海水入侵等因素影響;水體溫度變化也會影響底泥鹽分的釋放。天津濱海地區(qū)淺層地下咸水埋深淺,當水庫蓄水水位低于地下水位時,地下水將會通過土壤孔隙與上覆庫內水體相連,加劇水庫咸化。李軍等認為蒸發(fā)-濃縮作用是控制天津濱海地區(qū)地表水化學組成的主要原因,咸/海水入侵以及由其導致的陽離子交換反應、碳酸鈣的沉淀/溶解等對水質咸化也有重要的影響。陳衛(wèi)等對北塘水庫蓄水期水質變化規(guī)律進行研究,也認為水體氯化物濃度的增加主要是由于蒸發(fā)濃縮作用引起的。李子琛等研究結果表明北大港水庫底質對重金屬鉻的吸附作用與底質固體顆粒粒徑大小、陽離子交換量和含鹽量等因素有關。張晨等采用數(shù)值模擬方法,應用EFDC三維水動力水質模型,以氯離子為模擬指標,探討底泥氯離子釋放對水質的影響,指出主輔庫聯(lián)合調度為較優(yōu)的調控方案。李海明等研究認為,水庫不同位置地下咸水與水庫水體交換過程中,鹽分的歸宿不同:接近水庫入口處的沉積物能將鹽分截留下來,而出水口沉積物卻將鹽分釋放轉移到水體。關于天津濱海地區(qū)水庫水質咸化問題,不少學者進行了室內試驗研究,但對于水庫咸化規(guī)律、時空分布特征的研究涉及很少。本文通過野外調查、取樣,識別了北大港水庫不同季節(jié)水質咸化垂向分布特征,分析了水庫咸化機理及其影響因素。研究成果為北大港水庫水資源優(yōu)化調度、供水安全的定量評價和工程設計提供科學依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)。1水庫地位由“引黃濟津”到水源型水庫北大港水庫是位于天津市東南部大港區(qū)的一座大型平原水庫,位于海河流域、大清河、南運河、子牙河水系獨流減河下游,距海岸線6km,初步建成于1974年,具有防汛和抗旱功能。自“引黃濟津”工程實施以來,北大港水庫多次作為“引黃濟津”工程的調蓄水庫,其地位已由一般防汛、抗早等農(nóng)用型水庫的地位上升到了水源型水庫的地位。北大港水庫占地164km2,蓄水面積150km2,設計庫容5億m3,庫底平均高程3.0m(大沽高程),設計蓄水位7.0m。水庫主要建筑物包括5圍堤和13座蓄供水建筑物:水庫圍堤分為東南圍堤、西南圍堤、西圍堤、北圍堤和東圍堤;主要蓄供水建筑物包括姚塘子揚水站、馬圈進水閘、趙連莊閘、大港農(nóng)場閘、劉崗莊閘、躍進閘、大蘇莊農(nóng)場虹吸管、用支三虹吸管、沙井子閘、大港油田虹吸、魚種場虹吸管、排咸閘和十號口門調節(jié)閘。詳見圖1。2樣品采集和測定為了更好地研究北大港水庫水質咸化的時空變化特征,在北大港水庫布設5個站點,其中3個入庫口方向站點(馬圈閘內、趙連莊閘、姚塘子揚水站),2個出庫口站點(3號泄水閘、十號口門);同時為了對比,選取北大港水庫附近獨流減河2個地表水站點(獨流減河和排咸閘外)和引黃水樣一組;用定深取樣器在每一個站點分表層(水深0.5m)、中層(1～2m)和底層(3～4m)不同位置分別取樣。北大港水庫2011年11月調入引黃水,本文選擇調水后兩個不同的季節(jié)2012年春季(4月)和夏季(5月)進行樣品的采集和水質分析,此時北大港水庫沒有承擔引黃調水任務。測試組分選擇代表性咸化指標,如電導率、氯離子和總溶解性固體(TDS)以及pH。各項指標的監(jiān)測均依據(jù)相關的國家或行業(yè)標準和環(huán)境規(guī)范。布點方法與原則、樣品采集、制備與保存均參照《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T91-2002)。水樣電導率采用電導率儀(DDS-12B精密電導率儀)測定,氯離子和TDS分別采用硝酸鹽滴定法和重量法測定。3結果與討論3.1北港水庫水質惡化指標3.1.1各條水庫ph的變化各站點pH較穩(wěn)定,基本在7.9～9.8之間,平均8.7,呈弱堿性。與地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)比較,各站點均未超標。北大港水庫pH變化較大,在7.9～9.8之間,平均8.67;引黃水pH基本穩(wěn)定在8.06～9.80之間,平均8.9?？傮w看,北大港水庫進水方向站點pH最小,出水站點pH最高。水庫外獨流減河和排咸閘外2站點pH基本穩(wěn)定在8.5～8.9之間,平均8.7,但低于引黃水和水庫出水站點。3.1.2tp0s/cm各采樣點中排咸閘外站點電導率最大為12170μS/cm,北大港水庫入庫口方向趙連莊閘站點電導率最小為500μS/cm。北大港水庫電導率基本穩(wěn)定在500～1720μS/cm之間,平均867.5μS/cm;獨流減河2站點電導率較大,在9630～10461μS/cm之間,平均10045.75μS/cm。引黃水電導率基本穩(wěn)定在630～770μS/cm之間,平均691.5μS/cm。3.1.3標準曲線見表1各采樣點中排咸閘外站點氯離子最大為19.21g/L,北大港水庫入庫口趙連莊閘站點氯離子最小為0.12g/L,平均為4.81g/L。北大港水庫氯離子基本穩(wěn)定在0.12～1.09g/L之間,平均0.41g/L;獨流減河2站點氯離子含量較大,在16.75～19.21g/L之間,平均18.035g/L。引黃水氯離子基本穩(wěn)定在0.21～0.26g/L之間,平均0.22g/L。與地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002)250mg/L比較,各站點均已超標。3.1.4tds值分布各采樣點中排咸閘外站點TDS最大為48.97g/L,北大港水庫入庫口趙連莊閘站點TDS最小為0.62g/L;各站點TDS變化幅度較大,平均為10.8g/L。北大港水庫TDS基本穩(wěn)定在0.62～2.72g/L之間,平均1.46g/L;獨流減河2站點TDS含量較大,在31.59～49.44g/L之間,平均38.83g/L。引黃水TDS基本穩(wěn)定在0.86～1.01g/L之間,平均0.94g/L。3.2北港水庫水質變化特征3.2.1ph的季節(jié)動態(tài)從各站點的平均值看,pH季節(jié)性變化總體趨勢較顯著。北大港水庫各站點和獨流減河2站點pH均表現(xiàn)為夏季高于春季(表1)。趙連莊閘以及獨流減河站點pH季節(jié)性變化相對很小,其余各站點變化較為明顯。3.2.2水庫出水口點火電導率分析從電導率平均值看,各站點季節(jié)性變化很大(表1),引黃水春季電導率略高于夏季,而北大港水庫出水口站點(十號口門、3號泄水閘)電導率春季明顯高于夏季;獨流減河2站點也表現(xiàn)為春季高于夏季的特征。北大港水庫進水方向3站點(馬圈閘內、趙連莊閘、姚塘揚水站)電導率變化規(guī)律與其余站點相反,表現(xiàn)為春季低于夏季。3.2.3夏季與夏季排咸閘外網(wǎng)點北大港水庫氯離子春季低于夏季;獨流減河站點氯離子也表現(xiàn)為春季低于夏季,而排咸閘外站點卻表現(xiàn)為春季高于夏季的特征。相比而言,獨流減河的2站點氯離子季節(jié)性變化較大,北大港水庫各站點氯離子季節(jié)性變化很小(表1),表現(xiàn)出夏季略高于春季的趨勢,而引黃水春季和夏季氯離子變化很小。3.2.4tds季節(jié)變化北大港水庫TDS總體夏季略高于春季,其中十號口門站點TDS變化規(guī)律與水庫其余站點相反,表現(xiàn)為夏季低于春季;獨流減河2站點TDS季節(jié)性變化很大,且規(guī)律相反,獨流減河站點夏季高于春季,排咸閘外站點TDS卻表現(xiàn)為春季高于夏季的特征;相比獨流減河2站點來講,北大港水庫各站點TDS季節(jié)性變化不明顯(表1)。引黃水TDS季節(jié)性變化很小,表現(xiàn)為夏季略高于春季?？傮w看,每一個站點的TDS平均值季節(jié)性變化較明顯。3.3北港水庫水質開采和垂向規(guī)律3.3.1水庫內、表層ph的垂向變化總體而言,多數(shù)站點pH隨著深度的增加而降低,但各層pH差別很小(圖2)。圖2中數(shù)據(jù)為春季和夏季數(shù)據(jù)的平均值,以下同。引黃水pH垂向變化不明顯,基本無變化,中層較高,表層次之,底層略低。馬圈閘內、趙連莊閘、姚塘子揚水站3站點為水庫進水向站點,馬圈閘內pH變化較為明顯,表層pH明顯大于中層和底層,姚塘子揚水站表層至底層pH也呈減小趨勢,而趙連莊閘規(guī)律相反,pH變化不大,中層略大,表層最小。3號泄水閘、十號口門、獨流減河與排咸閘外pH垂向變化總體趨勢為隨深度的增加而降低,但變化不明顯。3.3.2各內部點火電導率的垂向變化各站點電導率垂向變化明顯,大致為電導率隨著深度的增加而增加,引黃水站點規(guī)律相反(圖3)。北大港水庫進水方向3站點(馬圈閘內、姚塘子揚水站和趙連莊閘)電導率垂向變化明顯,馬圈閘內站點表層電導率明顯低于中層和底層,隨著深度的增加而增加;姚塘子揚水站站點也符合該規(guī)律,但底層電導率略高于表層和中層;而趙連莊閘的電導率中層最高,表層和底層明顯低于中層。水庫出水口的兩站點(3號泄水閘和十號口門)電導率垂向變化較明顯,均表現(xiàn)出隨深度的增加而增加的趨勢。十號口門電導率表層略高于中層。北大港水庫外的獨流減河2站點電導率垂向變化明顯,隨著深度的增加電導率呈升高趨勢,底層電導率最大。引黃水電導率各層間差異較為明顯,整體表現(xiàn)為隨著深度的增加而減小,表層最大,中層最小。3.3.3水庫周邊氯離子含量各站點氯離子垂向變化不明顯,表層、中層、底層濃度差異性很小,總體上表層氯離子含量略高(圖4)。北大港水庫進水口3站點垂向上氯離子濃度均無明顯變化;水庫出水口的2站點氯離子含量也不隨著深度的變化而變化,且站點之間的也無明顯差異;獨流減河與排咸閘外2站點氯離子含量相對于其他站點很高,表層的氯離子含量大于中層和底層,總體趨勢為隨著深度的增加,氯離子含量減少。引黃水站點表層氯離子濃度略高,中層、底層無明顯變化。3.3.4tds變化趨勢在北大港水庫的進水方向,馬圈閘內站點隨深度的增加TDS明顯降低,趙連莊閘也符合該規(guī)律,但不明顯;而姚塘子揚水站TDS變化規(guī)律相反(圖5),表層略小,底層略大。北大港水庫出水方向2站點變化規(guī)律不明顯,3號泄水閘站點TDS大體上隨深度增加而增加,但不顯著,十號口門的TDS隨深度基本無變化。獨流減河2站點的TDS變化規(guī)律與上述情況相反,TDS總體隨深度的增加呈增加趨勢,但表層和中層相差很小,底層最大;而排咸閘外TDS隨深度的增加呈降低趨勢。引黃水站點TDS呈現(xiàn)隨深度的增加呈降低趨勢,但不明顯,表層略大。3.4通過對水庫水質的機械和影響因素的探討3.4.1水庫內咸化植物基本特征的分析顯示,主要有以下幾種前面統(tǒng)計結果可以看出,從電導率、氯離子和總溶解性固體(TDS)等代表性咸化指標來看,相對于引黃水,水庫水各站點均存在咸化的現(xiàn)象,并且出庫口各站點水質咸化現(xiàn)象明顯高于進水口。這說明引黃水調入北大港水庫后,與原水庫水混合一段時間后,混合以后的水庫水發(fā)生了咸化現(xiàn)象。研究區(qū)由于地下水位淺、含鹽量高,各類土壤均有不同程度的咸化。從各站點水平分布來看,越靠近海岸線水質咸化現(xiàn)象越嚴重。由于獨流減河2站點據(jù)海岸線較近,土壤含鹽量高,因此其電導率、氯離子和總溶解性固體(TDS)均高于水庫水和引黃水。3.4.2季節(jié)變化特征從各站點電導率、氯離子和總溶解性固體(TDS)統(tǒng)計參數(shù)(最大值、最小值和平均值)季節(jié)性變化來看,引黃水和水庫各站點變化很小,基本表現(xiàn)為夏季略高于春季;而獨流減河2站點規(guī)律基本相反。這說明溫度的升高會影響底泥鹽分的釋放,溫度越高,底泥中Cl-越容易釋放。在夏季溫度高的條件下,引黃水進入庫區(qū),混合過程的擾動使底泥鹽分更容易釋放。3.4.3深度和垂向對水質的影響從水庫各咸化指標垂直變化規(guī)律來看,引黃水電導率、氯離子和TDS基本表現(xiàn)為隨著深度的增加而減小,電導率各層間差異較為明顯。相對于引黃水,北大港水庫進水方向3站點和獨流減河2站點電導率垂向變化明顯,隨著深度的增加而增加;氯離子含量隨著深度的變化無明顯差異;各站點基本上隨深度的增加TDS降低。引黃水進入水庫后,垂向發(fā)生了混合作用,氯離子垂向方向變化很小;又由于電導率和TDS是水體中各種陰陽離子的綜合體現(xiàn),由于不同的離子與底泥固體表面的吸附與解吸附作用都與溫度變化、混合作用有關,同時不同離子之間要發(fā)生陽離子交換反應、碳酸鈣的沉淀/溶解等作用,最終結果導致水庫水體電導率和TDS升高,表現(xiàn)出與氯離子不一樣的垂直分布規(guī)律。4北大港水庫水質咸化、垂向變化特征(1)不同季節(jié)北大港水庫水體呈弱堿性,電導率、氯離子和TDS分別為3162.06μS/cm、4.81g/L和10.8g/L