海湾水库沉积物对水体咸化影响的时间尺度

为预测海湾水库沉积物盐分释放对库水咸化影响的持续时间,建立了描述沉积物孔隙水盐分剖面分布的非稳态数学模型,并优化选取模型的边界条件与关键参数(沉积物孔隙水盐分的扩散系数)。稳态与非稳态条件下沉积物盐分释放的对比分析表明,在计算污染沉积物对其上覆水水质的影响时间时,按非稳态释放更符合实际情况。非稳态盐分释放的计算结果表明,拟建沐官岛海湾水库沉积物中盐分释放对库水咸化的影响时间将大于600年,该影响时间远长于水库的寿命;表明在水库的整个生命周期内,均需要定期监测海湾水库底层水的盐分浓度,并需采取有效措施预防水体的突然泛咸,而不能仅在建库初期关注咸化问题。

海湾水库蓄水初期底质与淡水盐分交换的试验研究

在现场调查和钻探的基础上,采集了沐官岛水库库区3种典型底质(粉质粘土、泥质粉沙和中细砂)的原状/扰动土样和地表水样,然后分别采用静水土柱和动水水槽试验测定盐分的时-空变化规律,最后定量计算出不同底质盐分的释放通量,从而为该海湾水库蓄水初期水质的评价和预测提供了科学依据。土柱试验表明,在分子扩散作用下高盐分区主要集中在水-沉积物界面之上7.5 cm的范围内,7.5 cm之上的水体盐分较为均一,底质盐分释放通量按粉质粘土、中细砂、泥质粉沙的顺序递减,盐分释放通量符合负的幂指数形式,而且抽排界面之上高浓度水体对降低水体盐分含量效果显著。根据水槽模拟试验,风的吹拂会影响到界面之上水体盐分的分层,有利于海湾水库中盐分的混合作用。

海湾水库蓄水初期的单次往复密度流

为了探讨海湾水库蓄水初期单次往复水平密度流的产生与效应,进行砂质斜坡沉积物与水体之间盐分交换的水槽实验。通过沉积物孔隙水与其上覆水的多剖面电导率动态监测,分析盐分的时空分布特征,并计算深水区、浅水区和中心区的边界层单位面积含盐总量。实验结果显示,进水在浅水区沉积物表面产生明显的渗入-溢出现象,浅水区沉积物孔隙水盐分浓度显著低于中心区与深水区同一高度的盐分浓度,深水区初始底边界层含盐量与初始边界层下边界盐分浓度均为最高;这表明进水过程在倾斜沉积物表面产生了前进密度流,水流携带的盐分在坡底累积。水槽进满水后深水区边界层含盐总量与边界层下边界盐分浓度快速降低,并且浅水区表层沉积物孔隙水与深水区同一深度水体之间的盐分快速达到平衡;这表明蓄水初期在两者之间形成了返回密度流,从浅水区表层沉积物冲刷出的盐分在密度流作用下再次进入沉积物。为避免再次进入沉积物的盐分在后期继续影响水库泛咸,建议在蓄水结束后尽快实施坡底咸水排除方案。

山东省兴建河口海湾水库前景预测

结合山东省的河流开发、利用现状和开发潜力进行了定量分析,提出了今后兴建河口海湾水库工程适宜地点、工程规模、效果等的初步构划以及需要研究的问题。若能尽快实现,对缓解山东省水资源的供需矛盾,促进国民经济的发展具有重要的意义。

库底排咸沟对控制海湾水库库水咸化的效应

河口海湾水库建成蓄水后,库底沉积物孔隙咸水影响库水的未来水质。文章选用河口海湾处典型沉积物中细沙,通过室内土柱盐分释放对比实验,从沉积物上覆水体盐分含量与沉积物-水界面盐分交换通量两方面探讨海湾水库蓄水前开挖排咸沟对抑制水体咸化的效果。实验设有三个土柱,分别在加入淡水前分别释出0mL、30mL、60mL孔隙咸水。结果表明,蓄水前释出沉积物孔隙咸水可以有效降低上覆水体盐分浓度,实验中后期三个柱的沉积物-水界面盐分浓度分别稳定在7.4 g/L、5.9 g/L、5.4 g/L左右;三个土柱中固液界面的盐分通量依次下降,并且释水量越多效果越明显。海湾水库蓄水前开挖排咸沟将有效抑制库水的咸化程度,如果结合抽排沉积物之上的高盐水效果更显著。研究结果可以为海湾水库水质咸化防治措施的决策提供依据。

海湾水库突然泛咸的实验研究

通过室内中型水槽实验模拟分层水体受到突然扰动后水体盐分浓度及含盐总量的变化,探讨海湾水库的突然泛咸机理。结果表明,水体受到强烈扰动后,底部咸水与上层淡水的混合将导致库水整体泛咸;表层沉积物中的盐分也是库水泛咸的重要盐源,扰动条件下表层沉积物盐分的增强释放将强化库水的泛咸程度。海湾水库水体的分层结构与稳定强度明显不同于温度分层水库,导致它与温度分层水库的混合频次不同。海湾水库运行过程中,可以采用机械抽排水库底层咸水等措施来抑制库水泛咸。研究结果可为海湾水库的突然泛咸管理提供理论与实践依据。

海湾水库突然混合临界风速的预测

以拟建的沐官岛海湾水库为研究对象,从内假潮促使底边界层咸水与表层淡水混合的角度探讨海湾水库突然混合的临界风速。利用Shintani改进的有效韦德伯恩数,结合沐官岛水库地形及分层位置,计算沐官岛水库突然混合的临界风速。风向为NNW时,水体表面最大吹程为3103. 45 m,湖面之上10 m处风速大于20. 5 m/s时,沐官岛水库水体突然混合,同样条件下长方体水库突然混合的临界风速为21.7 m/s;风向为SW时,水体表面最大吹程为3 620. 69 m,水体突然混合的临界风速为22. 7 m/s,同样条件下长方体水库临界风速为19. 6 m/s;风向为SW(由海吹向陆岸)时,虽然沐官岛水库水体表面最大吹程大于风向为NNW(由陆岸吹向海)时的最大吹程,库水却更难发生突然混合,并且在这两个不同的风向下,该水库临界风速与长方体水库临界风速的大小关系相反。

水位变化条件下海湾水库盐分达标探讨

针对中国北方海湾水库间歇来水、连续取水和沉积物动态释盐的特点,建立水量与盐分耦合的数学模型,以青岛拟建的沐官岛水库为例,探讨水位变化条件下混合型海湾水库库水盐分的影响因素、超标风险与达标条件。模拟结果表明,在水库水位连续降低条件下,毫米量级的日蒸发量对库水盐分的累积效应显著。在不利水文条件下,受沉积物释盐、水分蒸发与人工取水的影响,混合型海湾水库长期存在盐分超标的风险。与水位不变时相反,水位降低时库水盐分浓度随着取水量的增大而升高;因此,当库水盐分存在超标风险时,可以通过减少日取水量实现库水盐分达标。为保障安全供水,在海湾水库设计与运营管理阶段,均需要综合考虑水量-盐分因素进行水库的日取水量调算。

沐官岛海湾水库拦海坝的渗流与稳定性三维数值模拟分析

兴建河口海湾水库是国内外解决水资源不足的一项重要措施,其对水资源的充分利用具有极其重要的意义。本文依托沐官岛海湾水库工程,考虑海洋水文和地质条件因素,采用有限元分析软件ABAQUS建立了大型三维渗流和稳定性仿真有限元模型,开展多种潮位工况下拦海坝的孔隙水压、渗流速度和竖向沉降仿真计算,对沐官岛拦海坝渗流与稳定性进行分析。分析得出,在20年一遇潮位下,拦海坝的防渗性能良好,对海水与淡水起到阻隔作用。在50年、100年一遇潮位时,防渗墙内部产生渗流速度,这是由于水压差过大、渗流强度增加而产生的结果。拦海坝的不均匀沉降控制较好,不会发生坝体尤其是心墙的开裂。提出防渗墙加固措施,为坝基渗流预防、稳定性设计以及后续拦海坝建设与使用的安全性保证提供参考依据。

环境因素影响下海湾蓄淡水库底泥盐分释放试验研究

在现场调查的基础上,利用沐官岛海湾水库库区典型底质(砂质粉砂)的原状/扰动土样和地表水(海水和淡水),采用土柱和水槽试验测定了3.5m/s风速或上覆水盐分浓度、pH和温度作用下底泥盐分向上覆水体释放的时-空变化规律,并定量计算出底泥盐分的释放通量。试验结果发现,底泥的盐分释放不同程度地受到环境因素的影响。(1)风的作用能促进底泥盐分释放。在风的作用下,上覆水中盐分浓度的分布存在明显的规律性:表层水体(水土界面之上4cm水位至水体表面)盐分浓度均匀分布,底层水体(水土界面至4cm水位水体)盐分浓度非均匀分布,且在3cm水位处盐分浓度最小。(2)上覆水中盐分的浓度抑制底泥盐分的释放。(3)pH值≤7时,底泥盐分释放几乎不受影响;pH值>7时,底泥盐分释放略有增加;(4)一定温度作用下盐分浓度在水体中非线性分布,在水-土界面至7.5cm水位处为高盐分浓度区,7.5cm水位至水体水面盐分浓度含量较低。温度的升高促进底泥盐分释放。

沐官岛水库蓄水初期盐分运移数值模拟

沐官岛水库是一个拟建的河口海湾水库,库底为富含咸水的潮滩沉积物。这一特殊的地质及水环境条件直接关系到水库未来的水质安全和正常的调度运行,所以必须准确地确定水库水体中盐分空间分布这一关键问题。本文依据现场调查、钻探及室内实验资料,通过垂直方向线性插值技术,建立了沐官岛水库蓄水初期盐分运移准三维模型,模拟了水库蓄水初期在内源盐分释放影响下,库水盐分的演化过程。结果表明：若遇平水年开始蓄水,当蓄水至1.5m时,该层含盐量在平面上的变化范围主要在0.30～1.30g/L之间;当蓄水至4.5m时,该层含盐量在平面上的变化范围主要在0.30～1.55g/L。