平潭島竹嶼湖水庫水體淡化關(guān)鍵技術(shù)研究

林明財(cái)

（福建省水利規(guī)劃院，福建 福州 350001）

海島地域狹窄，降雨集中且時(shí)空差異性大，普遍存在徑流短、入?？斓膯栴}，淡水資源未得到有效利用便以雨洪的形式流入海洋，造成資源性缺水，嚴(yán)重限制了海島經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展。盡管海島部分區(qū)域采用島外調(diào)水解決島上用水問題，但島外調(diào)水投資成本高，且當(dāng)旱季島外供水緊張時(shí)，島內(nèi)供水保障同樣存在極大風(fēng)險(xiǎn)，因此有效利用海島本地水資源，增加海島水資源儲(chǔ)蓄空間，是海島水安全保障的重要且必要環(huán)節(jié)，對提高海島城市水安全韌性具有戰(zhàn)略意義。本文以平潭島竹嶼湖為例，對其水庫水體淡化技術(shù)進(jìn)行研究，以期為同類型水庫水體淡化提供借鑒。

1 基本情況

1.1 竹嶼湖概況

平潭島位于福建省東部海域，為福建省第一大島，東臨臺(tái)灣海峽，西臨海壇海峽。竹嶼口位于平潭島西部，上接平潭島的兩條最大溪流，即東溪和西溪，下接海壇海峽，由竹嶼擋潮閘分為竹嶼灣與竹嶼湖兩部分。竹嶼的流域水系見圖1。

圖1 竹嶼湖流域水系圖

竹嶼湖集雨面積（竹嶼水閘閘址以上）為44.1km2，多年平均徑流量約2500萬m3，平均底部高程為-5～-3m，正常蓄水位為0.80m，對應(yīng)庫容約750萬m3；50年一遇設(shè)計(jì)洪水位為2.41m，對應(yīng)庫容約1100萬m3，可達(dá)到中型水庫的規(guī)模，為島內(nèi)第二大水庫，其年徑流量豐富，蓄水空間大。對竹嶼湖水體淡化進(jìn)行研究，并提出有助于加快水體淡化的關(guān)鍵技術(shù)，使其成為蓄集淡水的水庫，可作為島上備用水源地，將極大地降低島內(nèi)干旱年份用水風(fēng)險(xiǎn)，保障平潭島用水安全。

1.2 竹嶼湖水庫蓄淡的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)

通過對海島地區(qū)地形地貌、水文氣象以及相關(guān)文獻(xiàn)等進(jìn)行分析研究，可總結(jié)出如下竹嶼湖蓄淡的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)：

a. 現(xiàn)狀水體與底泥含鹽度高，自然蓄淡功能實(shí)現(xiàn)周期長。竹嶼湖原為沿海灘涂，竹嶼水閘修建后，汛期主要功能為滯洪排洪通道，非汛期作為景觀湖使用。為保證湖內(nèi)景觀水位以及養(yǎng)殖需求，會(huì)納潮入湖，導(dǎo)致水體水質(zhì)含鹽量高。對竹嶼湖周邊湖水進(jìn)行取樣檢測，竹嶼湖水目前主要為半咸水，鹽度分布在空間與時(shí)間上均存在差異，湖水及底泥的含鹽現(xiàn)狀極大地增加了蓄淡功能快速實(shí)現(xiàn)的難度。

b. 夏季臺(tái)風(fēng)多、蒸發(fā)大，蓄淡運(yùn)用影響因素多。海島四面環(huán)海，海陸風(fēng)頻繁，平潭島年平均風(fēng)速6.7m/s，因此水面蒸發(fā)較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，平潭島多年平均水面蒸發(fā)量為1330.0mm，遠(yuǎn)大于多年平均降雨量1180.2mm[3]。一般來說，水庫運(yùn)行初期，表層水體在雨季時(shí)可很快淡化且能達(dá)標(biāo)使用，而底層水體，特別是庫區(qū)深潭內(nèi)水體很難淡化，尤其是遇到干旱的夏季，庫內(nèi)水體隨著底泥沉積物中鹽分的釋放出現(xiàn)“返咸”現(xiàn)象，從而使表層水體鹽分超標(biāo)，蓄淡功能實(shí)現(xiàn)難度增加。

c. 掌握底泥鹽分析出影響因素及析出規(guī)律、控制鹽分影響是蓄淡關(guān)鍵。眾多學(xué)者[4-6]的室內(nèi)試驗(yàn)與室外監(jiān)測都表明海灣水庫中的鹽分主要來源于庫底高鹽的沉積物孔隙水。根據(jù)模型計(jì)算表明，海灣水庫庫底沉積物中蓄積的鹽分將對水庫庫水產(chǎn)生長期的影響[7]。對于海島蓄淡水庫，庫底底泥沉積物中的鹽分析出對庫水的鹽度影響至關(guān)重要，因此掌握底泥鹽分析出規(guī)律，前期做好促排措施，后期做好吸鹽防咸措施，對加快蓄淡功能實(shí)現(xiàn)、延長蓄淡功能生命周期極為關(guān)鍵。

d. 掌握庫區(qū)水體鹽度變化規(guī)律、加快水體交換也是蓄淡關(guān)鍵。除了庫底沉積物鹽分析出對庫水存在長期影響外，河流來水、淺層高鹽度地下水入庫、底層高鹽度沉積水上翻、堤防壩體以及泄洪閘滲漏等對庫水也有一定影響。因此，在流域?qū)用?，加?qiáng)流域內(nèi)點(diǎn)源、面源污染治理，實(shí)現(xiàn)雨污水達(dá)標(biāo)處理后入河，從源頭嚴(yán)格控制流域來水水質(zhì)；在水庫層面，通過合理分配來水量，結(jié)合庫形調(diào)節(jié)庫內(nèi)流速、流向等水動(dòng)力條件，選擇時(shí)機(jī)加快庫內(nèi)水體交換，對加快海島河口處蓄淡水庫功能的實(shí)現(xiàn)、延長水庫生命周期也極為關(guān)鍵。

2 竹嶼湖鹽度分布規(guī)律研究

分別在夏季和冬季對竹嶼湖進(jìn)行上覆水及底泥取樣（取樣點(diǎn)見圖2），在室內(nèi)進(jìn)行電導(dǎo)率及含鹽度檢測，研究竹嶼湖水體及底泥鹽度分布規(guī)律[2]，見圖3。

圖2 取樣點(diǎn)分布

圖3 竹嶼湖水體與底泥沉積物鹽度分布

a. 竹嶼湖水體水平方向鹽度分布規(guī)律。水樣與泥樣的氯離子濃度整體呈現(xiàn)以閘口處為峰值，并向四周逐漸減低的分布規(guī)律，主要原因是閘口處湖水與湖外海水交換頻繁。

b. 竹嶼湖水體縱向鹽度分布規(guī)律。水面下2m以內(nèi)，氯離子濃度隨著深度增加而增加；在2～4m左右時(shí)達(dá)到最大值；4m之后，隨著深度增加而降低。

c. 竹嶼湖底泥鹽度分布規(guī)律。底泥沉積物中氯離子濃度隨著深度的增加而逐漸降低，并且表層（0～25cm）處的底泥沉積物氯離子含量占整體泥樣氯離子含量的75%以上，是氯離子最主要的富集區(qū)域。

3 竹嶼湖底泥沉積物鹽分釋放影響因素研究

為解決底泥沉積物鹽分析出對庫水返咸影響的關(guān)鍵問題，通過實(shí)驗(yàn)對比，研究底泥沉積物含鹽度、上覆水深、風(fēng)力擾動(dòng)、沉水植物、底泥微生物等對上覆水鹽度的影響，得出不同因素影響下底泥鹽分釋放規(guī)律[8]，見圖4。

圖4 不同因素影響下底泥鹽分釋放量對比情況

a. 底泥沉積物鹽度。高鹽度底泥沉積物很大程度上影響上覆水的鹽度分布，底泥含鹽量越多，向水體中釋放的鹽分越多。其中，表層泥樣鹽度最高，釋放量最大，到48天時(shí)可累積釋放45.6%的鹽分，當(dāng)?shù)啄帑}分與水體鹽分平衡后，基本以每天1g/m2的速率與上層水體交換。

b. 上覆水深。水體的水質(zhì)咸化速率與上覆水深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。上覆水水深越大，產(chǎn)生的壓力越大，越不利于底泥鹽分的釋放，因此當(dāng)枯水期上游來水量減小時(shí)，庫水位降低，湖內(nèi)最易發(fā)生返咸現(xiàn)象。

c. 溫度。底泥沉積物的鹽分釋放速率、鹽分釋放量與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。溫度升高促進(jìn)沉積物鹽分釋放，鹽分釋放通量隨之升高。但由于水體溫躍層的存在，冬季底層水體溫度高于表層水體，容易使湖區(qū)底層高溫高鹽水體與表層低溫低鹽水體混合造成整個(gè)湖區(qū)“返咸”，從而影響區(qū)域內(nèi)供水。

d. 風(fēng)力擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水體處于擾動(dòng)狀態(tài)下，底泥各層氯離子釋放的比例相比于靜止?fàn)顟B(tài)，其釋放量增加了52.2%，說明對于極易遭受臺(tái)風(fēng)等暴風(fēng)影響的沿海島嶼，若強(qiáng)風(fēng)浪持續(xù)作用，不但會(huì)導(dǎo)致底層水體上翻引起庫水“返咸”，還會(huì)使沉積物表層孔隙水產(chǎn)生強(qiáng)對流增加鹽分釋放。

e. 沉水植物。通過比照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，栽種沉水植物的實(shí)驗(yàn)組底泥鹽分釋放通量小于空白對照組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明，栽種沉水植物能夠?qū)Φ啄噌尫牌鸬揭种谱饔?，有固化底泥以及吸鹽的功效。

f. 微生物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，投入福爾馬林實(shí)驗(yàn)組相較于對照組釋放量增加了35.7%；而投入葡萄糖實(shí)驗(yàn)組降低了19.8%，含有較多微生物的實(shí)驗(yàn)組（葡萄糖實(shí)驗(yàn)組）內(nèi)氯離子釋放量遠(yuǎn)小于其他實(shí)驗(yàn)組，由此推測底泥中存在的部分微生物，可吸收鹽分進(jìn)入體內(nèi)，從而起到生物固氯的作用。

4 竹嶼湖水體鹽度變化影響因素研究

基于水動(dòng)力方程、輸運(yùn)方程以及溫鹽函數(shù)，采用數(shù)值模擬方法，在湖面蒸發(fā)、風(fēng)力、水閘控制水位、上游不同補(bǔ)水量以及在竹嶼灣增設(shè)擋潮閘等不同控制工況條件下，對庫內(nèi)水體鹽度變化情況進(jìn)行模擬研究，模擬研究計(jì)算工況見表1，研究區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖5。

表1 模擬研究計(jì)算工況

圖5 研究區(qū)域劃分網(wǎng)格

選取各個(gè)工況計(jì)算穩(wěn)定后的鹽度值，計(jì)算同一時(shí)間段不同控制因素下湖中點(diǎn)、西溪下游點(diǎn)、東溪下游點(diǎn)的鹽度與工況2鹽度的差值（見表2），此差值即為控制因素對該點(diǎn)水體鹽度的相對影響，量化各個(gè)控制因素對湖內(nèi)鹽度的影響程度，研究結(jié)果如下：

表2 不同控制因素湖中各點(diǎn)鹽度變化對比

a. 蒸發(fā)、風(fēng)力以及抬高開閘的潮水位均導(dǎo)致湖內(nèi)各點(diǎn)鹽度增大，其中風(fēng)力影響最大，其次是蒸發(fā)影響以及抬高開閘潮水位。

b. 增加入湖流量、低潮水位開閘置換水體、增加下游水閘聯(lián)合調(diào)度等非工程措施可有效降低湖內(nèi)鹽度，各因素對全湖鹽度降低的影響敏感程度依次為：入湖流量＞低潮位開閘置換水體＞下游竹嶼灣水閘聯(lián)合調(diào)控。由排序可以發(fā)現(xiàn)，湖內(nèi)鹽度的變化其實(shí)是上游來水與下游潮水互相作用的結(jié)果，其中流量的影響整體大于潮水的影響。

c. 受竹嶼湖地形影響，東溪湖區(qū)河道順直、水動(dòng)力條件好、水體交換快，增加?xùn)|溪來水流量比例可加快東部區(qū)域水體淡化速度；西溪河道短，且河道內(nèi)因吹沙存在深坑，流量與潮水對該處鹽度的影響較其他區(qū)域更為復(fù)雜；湖中區(qū)域接近閘口處，更易受潮水鹽度影響。表明庫區(qū)地形對水體淡化影響較大，為盡快實(shí)現(xiàn)水庫蓄淡功能，可考慮進(jìn)行分區(qū)淡化方案。

5 竹嶼湖水體淡化關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述研究成果，為加快竹嶼湖底泥鹽分析出和水體淡化，可通過工程措施和非工程措施相結(jié)合的方法，促進(jìn)竹嶼湖早日實(shí)現(xiàn)蓄淡的功能。

5.1 擾動(dòng)促使底泥鹽分充分釋放

平潭島所處東南沿海，其島嶼為我國第一大風(fēng)區(qū)，不小于6m/s的風(fēng)速全年有3500h以上，每年途經(jīng)臺(tái)風(fēng)平均可達(dá)5～10個(gè)，而竹嶼湖位于河口區(qū)域，水深約4～6m，地勢平緩，更易受到風(fēng)力影響使底部咸水層上翻，不利于蓄淡的盡早實(shí)現(xiàn)與長期運(yùn)行。考慮到擾動(dòng)等對沉積物表層孔隙水的鹽分釋放效應(yīng)，提前對整個(gè)湖區(qū)進(jìn)行沉積物擾動(dòng)以促進(jìn)鹽分釋放，對于加快庫灣水體淡化、降低后期沉積物表層鹽持續(xù)釋放的影響、延長蓄淡生命周期是十分必要的，為此提出“一種用于湖水底泥疏浚且促進(jìn)底泥擾動(dòng)的船載裝置”[9]，見圖6。

圖6 促進(jìn)底泥擾動(dòng)的船載裝置示意圖

該裝置通過裝置前噴頭，實(shí)現(xiàn)對底泥的大量攪動(dòng)，使庫區(qū)、湖區(qū)深層泥樣能夠充分與上覆水體進(jìn)行接觸，避免微生物的厭氧反應(yīng)，防止其因長期的淤積堆積較多的氯離子及氮磷等富營養(yǎng)化物質(zhì)，能夠在開閘前對底泥進(jìn)行沖水?dāng)_動(dòng)，從而促進(jìn)底泥釋放其淤積已久的鹽分，從根本上消除水體“返咸”的可能。該裝置可用于庫區(qū)、湖區(qū)底泥疏浚，配合調(diào)水可進(jìn)行水體水質(zhì)日常維護(hù)，能夠有效緩解沿海水庫咸化。

5.2 植物吸鹽措施促進(jìn)庫水鹽分吸收

植物吸鹽實(shí)驗(yàn)表明，植物在生長過程中對氯離子的吸收可以起到固泥固鹽的作用。采取植物措施，建立由可定期收割的耐鹽吸鹽植物組成的咸水淡化帶，以達(dá)到分區(qū)淡化水質(zhì)、防治湖水返咸的目的。為加大植物與水體接觸表面積，提高其對水體空間的利用，提出“一種用于加速水體淡化的人工生態(tài)浮島”[10]，見圖7。

圖7 人工生態(tài)浮島示意圖

加速水體淡化的人工生態(tài)浮島由固定樁與水底連接，固定樁上端安裝有浮在水面的中央浮島平臺(tái)，浮島平臺(tái)可由開設(shè)有種植孔的種植浮塊自由組合，種植孔內(nèi)種植用于淡化水體的挺水植物，如蘆葦、香蒲等，同時(shí)相鄰兩種植浮塊之間掛接用于淡化水體的碳纖維水草或生態(tài)袋等沉水植物，如金魚藻。種植浮塊采用可拆卸連接，每隔2～3個(gè)月植株成熟后生長速率減緩，吸鹽能力也將飽和，此時(shí)可將浮島單元快速拆卸，安裝新的幼年吸鹽植物。

5.3 竹嶼湖分區(qū)淡化調(diào)度方案

上述研究成果表明，增加上游來水流量，同時(shí)控制閘門在低潮位小開度啟閉，促進(jìn)水體交換的同時(shí)減少下游潮水對庫水的影響，可以加快湖內(nèi)半咸水體的鹽度降低速度，盡快實(shí)現(xiàn)水體達(dá)到淡水標(biāo)準(zhǔn)。由于東溪較其他區(qū)域鹽度降低速度快，因此本研究擬在東溪支流增設(shè)東溪節(jié)制閘（見圖8），通過節(jié)制閘調(diào)節(jié)流量，分區(qū)域加快湖區(qū)半咸水體淡化速度。

圖8 東溪節(jié)制閘分區(qū)位置

借助脈沖大流量（如汛期流域洪水）及竹嶼湖規(guī)劃生態(tài)補(bǔ)水流量（Q西=0.8m3/s，Q東=2.5m3/s）結(jié)合閘門低潮位小開度控制調(diào)節(jié)，經(jīng)過多次沖洗、閘門調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)湖水鹽度降低的目的。實(shí)施分區(qū)方案時(shí)，首先閘門全部開啟，待全湖經(jīng)過一次脈沖大流量沖淡后，再啟用東溪節(jié)制閘與竹嶼湖閘共同調(diào)節(jié)，使東溪節(jié)制閘以上區(qū)域水體率先實(shí)現(xiàn)淡化，待東溪節(jié)制閘以上區(qū)域水體實(shí)現(xiàn)淡水化后，再根據(jù)潮位與湖水位的關(guān)系，通過閘門控制結(jié)合水量調(diào)度使西溪湖區(qū)和湖心逐步實(shí)現(xiàn)淡化的目標(biāo)。具體調(diào)節(jié)方案見表3。

表3 湖水分區(qū)淡化調(diào)度方案

根據(jù)模擬結(jié)果，在全湖區(qū)淡化方案基礎(chǔ)上增設(shè)東溪節(jié)制閘并與竹嶼水閘聯(lián)合調(diào)度，比全湖區(qū)淡化方案中同區(qū)域水體達(dá)到淡水標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間提前了約38%～50%，即約200萬m3淡水可提前使用。由此說明，分區(qū)方案可以較快地實(shí)現(xiàn)淡化功能，提高淡水利用率。

6 結(jié)語

本文從海島雨洪資源高效利用角度出發(fā)，以平潭島竹嶼湖為研究對象，分析了竹嶼湖蓄淡存在的難點(diǎn)和關(guān)鍵性問題，得出了竹嶼湖底泥和水體的鹽度空間分布規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)研究了影響底泥鹽分析出和水體淡化的影響因素，據(jù)此提出了擾動(dòng)促使底泥鹽分充分釋放、植物吸鹽促進(jìn)庫水淡化以及制定合理調(diào)度方案等關(guān)鍵技術(shù)，有助于竹嶼湖蓄淡水庫功能的盡快實(shí)現(xiàn)，延長水庫生命周期，增加平潭海島水資源儲(chǔ)蓄空間，促進(jìn)當(dāng)?shù)厮Y源高效利用，從而保障島內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的用水安全。