1、第 卷 第 期水科 学进 展， 年 月 ，： 海湾水库沉积物对水体咸化影响的时间尺度高增文 ， 李宇浩 ， 赵全升 ， 解 磊 ， 叶思源（ 青岛大学化学化工与环境学院， 山东 青岛； 中国地质调查局滨海湿地生物地质重点实验室， 山东 青岛）摘要： 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
2、水库沉积物中盐分释放对库水咸化的影响时间将大于 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。关键词： 海湾水库； 水体咸化； 沉积物； 盐分； 影响时间中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （）建设河口海湾水库开发利用入海淡水是解决沿海地区水资源短缺的重要途径， 但在海湾水库运行过程中常出现水体突然泛咸现象， 并且在水库运行多年以后仍然会出现泛咸问题， 比如浙江的大塘港水库在建库后的第 年仍然发生库水的突然泛咸 。 水体泛咸严重影响海湾水库在缓解滨海地区水资源
3、短缺中的效用。赵文玉等 、 高增文等 通过室内模拟实验， 姜翠玲和裴海峰 通过野外观测资料分析， 认为滨海水库水体咸化的主要盐分来自库底咸化沉积物。 因此， 库底咸化沉积物对库水泛咸影响的时间尺度（ 水库建成后，多长时间内还将存在水体突然泛咸的风险）是海湾水库运行管理中需要关注的重要问题。目前， 关于海湾水库沉积物盐分释放对其上覆水体咸化影响的时间尺度相关报道很少。 高增文等 基于沉积物中盐分释放的主要机理是缓慢的分子扩散作用， 定性指出沉积物中蓄积盐分对上覆水的影响将是长期的过程， 但没有进行定量计算。 有学者讨论了富营养化湖泊营养盐的内源释放对水质影响的持续时间， 比如 等 通过 次（每次
4、间隔 年） 沉积物剖面的总磷浓度分析， 认为以目前的内源释放速率，当外源负荷降低后， 丹麦 湖的 厚表层沉积物中的磷将影响湖水水质达 年以上； 姜建国和沈韫芬 按照均匀的沉积物磷释放速率， 估算武汉东湖内源磷释放对水质的影响时间达 年； 等 通过 个湖泊总磷的长期监测资料与沃伦威德尔方程预测结果的对比， 识别出湖泊内源对水体总磷含量的影响时间为 年； 另外， 和 指出， 目标湖泊在 年内表层 厚沉积物中的磷仅释放了， 这表明沉积物中的磷将对湖水产生长期影响。 这些研究均未给出沉积物溶质释放对湖库水体影响的上限时间。青岛拟在沐官岛海域建设海湾水库， 该区域多年平均气温为 （ 年）。 沐官岛水库所
5、在的库区上覆地层沉积物主要以砂性土为主， 主要由泥质粉砂、 粉质粘土和砂组成， 沉积物厚度一般为 。该水库水面面积为 ， 平均水深 ， 最大水深 。 沐官岛海湾水库库底松散沉积物中盐分对上覆水质的影响时间不适合采用上述 种方法进行估算。 因为随着沉积物中溶质的释放， 释放速率将逐渐减收稿日期： ； 网络出版时间： 网络出版地址： ： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（）； 海洋地质保障工程资助项目（）作者简介： 高增文（）， 男， 山东招远人， 副教授， 博士， 主要从事水资源利用与水环境保护研究。： 水 科 学 进 展第 卷小， 如果采用均匀的释放速度（稳态释放） 预测影响时间将与实际不
6、符， 特别是用于预测较厚沉积物的影响时间时将产生更大误差， 又因沐官岛水库尚未建成， 所以 和 的现场实测法也不适用。沉积物中的盐分将随着扩散时间的增加而逐渐减少（非稳态释放）， 孔隙水中盐分剖面浓度将随之变化。本文通过建立描述沉积物孔隙水盐分剖面浓度变化的数学模型， 并以青岛拟建的沐官岛水库为例， 预测咸化沉积物盐分释放对水质影响的持续时间。 研究结果将为海湾水库水体泛咸防范的时间尺度提供理论依据， 并为其他类型水体的污染沉积物管理提供参考。沉积物中盐分运移模型 模型建立海湾水库库底常存在底边界层， ， 特别是扩散边界层的存在将抑制水动力对沉积物水界面间物质交换的增强效应， 使表层沉积物中的
7、溶质释放以分子扩散作用为主 。 在分子扩散基础上建立沉积物中盐分的运移模型， 假设条件如下：（） 忽略沉积物孔隙水渗流的影响， 只考虑分子扩散作用引起的沉积物盐分变化。（） 假设库区沉积物为均匀的多孔介质， 水库蓄水前沉积物中盐分均一。（） 沉积物中没有盐分的外来源， 也没有其他的排除途径。沉积物孔隙水中盐分的垂向运移可用 第二定律表示：（） 式中 为沉积物孔隙水中的盐分浓度， ； 为扩散时间， ； 为垂向距离， ， 在沉积物的底部时 ， 在其顶部（即沉积物水界面）时 （ 为沉积物的厚度）； 为沉积物孔隙水中盐分的垂向浓度梯度，； 为沉积物孔隙水中盐分的扩散系数， 。模型的初始条件和边界条件：
8、 （） （） ， （）式中为沉积物孔隙水中盐分的初始浓度， ； 为沉积物水界面的盐分浓度， 即水库底边界层下边界的盐分浓度， 。 由于海湾水库底边界层中较强的盐分梯度（ 其稳定性频率常比热分层水体的 高个数量级 ）， 致使海湾水库分层水体的混合不同于常规温带水库每年季节性的翻池， 海湾水库底边界层常多年稳定存在， 即多年不发生混合。 在海湾水库水体底边界层未受到强烈扰动时， 其下边界盐分浓度常保持相对恒定 ， 所以边界条件（）成立。根据初始及边界条件式（） 式（）， 式（）经过拉普拉斯变换后的表达式为（） （ ）式中 为时间 、 位置 和扩散系数 的函数， 表达式为（）（） （） （）（ ）
9、（ ） 式中 （） 为余误差函数； 为非负整数。沉积物孔隙水中盐分浓度将随着时间延长逐渐降低； 当、 、 和 已知时， 根据式（）， 通过设定沉积物中盐分对其上覆水不产生咸化影响的判断标准， 可以反算移除沉积物中大部分盐分需要的时间，即预先设定底层沉积物孔隙水中盐分的极限浓度， 再多次计算不同时间对应的底层沉积物孔隙水的盐分浓度， 至模拟的盐分浓度与设定的盐分极限浓度相等时结束， 从而得到咸化沉积物对其上覆淡水影响的持续时间。第 期高增文， 等： 海湾水库沉积物对水体咸化影响的时间尺度 模型参数在应用式（）进行孔隙水剖面浓度或沉积物盐分释放对水质影响时间的预测时， 需要确定的参数、 、 和 ，
10、 其中 、 可由现场监测或调查获取， 采用水槽实验数据（ 选用依据见结果与讨论部分）， 需要准确确定的关键参数为沉积物孔隙水中盐分的扩散系数 。 海湾水库沉积物孔隙水盐分是由多种离子组成的混合体系， 离子间的电效应将影响离子的扩散系数， 并且沉积物中盐分浓度较高， 并非无限稀释溶液。 因此， 本研究中整体盐分的扩散系数不适合利用 和 给出的稀释溶液中各离子扩散系数进行简单的复合计算； 本文采用 和 的方法获取水体中主要离子的综合扩散系数。 另外， 沉积物孔隙水中盐分的扩散系数采用电阻率法校正多孔介质的弯曲率与孔隙度对扩散系数的影响 。 模型验证高增文等 曾以沐官岛水库的砂质沉积物为底质， 进行
11、室内水槽实验， 模拟咸化沉积物对其上覆淡水的影响，该实验对沉积物中盐分的时空分布进行了监测。 本文以该实验数据为基础进行模型验证， 模拟过程沉积物厚度 ， 沉积物初始盐分浓度 ， 沉积物水界面盐分浓度 ； 盐分扩散系数的具体计算过程见文献， 并调整至实验平均水温（ ） 的数值（ ）。 水槽实验进行 的实验结果与图 验证结果模拟结果见图。 由结果可知， 模拟结果的最大相对误差为 ， 可以满足模拟要求。 结果与讨论 边界条件因沐官岛海湾水库未建成， 因此不能获得沉积物上边界（ 即沉积物水界面） 盐分的实际数值， 所以需要采用估计值。 为避免因上边界盐分估值（ ）而增加模拟的不确定性， 可以建立 与
12、影响时间为低灵敏度关系的模型； 可以通过设定合适的判断模拟结束的标准而实现。 可以以底部沉积物孔隙水盐分浓度减小为 作为标准， 或者以沉积物底部孔隙水中盐分浓度与沉积物水界面盐分浓度差为这两者初始浓度差的作为标准。 经过灵敏度分析， 选择后者作为判断标准时沉积物上边界盐分含量对模型结果没有影响， 所以上边界盐分估值不影响计算结果。 文中模拟时按水槽实验沉积物水界面的盐分浓度进行预测。根据对拟建库区沉积物的调查结果， 库区大部分区域沉积物孔隙水的盐分含量与当地海水盐分含量相当。 因此， 在应用模型计算水库沉积物盐分对库水影响时间时， 沉积物孔隙水中初始盐分含量按 计算。 扩散系数沉积物中盐分的扩
13、散系数是本文模拟计算的关键参数（ 扩散系数减小 时， 影响时间将增大）。该扩散系数常采用经验法进行估算 ， 但采用传统的经验公式法估算砂质沉积物中盐分的扩散系数将产生约的误差 ， 本文采用电阻率法识别沉积物孔隙度与弯曲率的影响， 从而辅助确定沉积物盐分的扩散系数。 另外， 扩散系数还受盐分梯度与温度等环境因素的影响。 盐分梯度的影响扩散系数随着盐分梯度发生变化。 根据 和 的研究结果， 扩散系数将随着浓度梯度的减小而减小， 比如在 时， 当不同咸水之间的盐分差为 时， 咸水中 种主要离子的综合扩散系数为 ， 当盐分差为 时， 综合扩散系数为 。 随着海湾水库沉积物中盐分的逐渐释放， 盐分的扩散
14、系数将逐渐减小。 沐官岛水库库底沉积物底部孔隙水与沉积物水界面初始盐分浓度水 科 学 进 展第 卷差为 ， 模拟计算结束时的盐分差为 。 按扩散系数随着浓度梯度线性变化计算， 则模拟计算开始与结束时， 扩散系数的变化小于。 经过影响时间对扩散系数的灵敏度分析， 的扩散系数变化，将对沉积物盐分释放对库水的影响时间产生约的影响， 影响较小。 因此在模拟计算时， 认为盐分梯度对扩散系数不产生影响， 即假定扩散系数不随盐分梯度变化。 温度的影响温度对分子扩散系数的影响较显著， 温度越高扩散系数越大， 比如 时氯离子的扩散系数约为 时的两倍。 季节性的气温变化将引起浅水沉积物的温度变化， 从而影响盐分的
15、扩散系数。 和 指出， 不同季节沉积物剖面温度在 深处温度两侧呈对称分布， 并且分层水库沉积物温度波动幅度明显小于浅水沉积物的温度波动。 海湾水库常存在显著的盐分分层， 并且常存在永滞层水体 ， 这使得温带地区海湾水库的沉积物温度随着气温的变化不明显。 因此， 本文采用 深处沉积物温度进行模拟。 该温度采用 和 的方法求算（与年均气温、 水面面积和最大水深等因素有关）， 结果为 。 影响时间当沉积物底部孔隙水中盐分浓度与沉积物水界面盐分浓度差为这两者初始浓度差的时， 认为沉积物中的盐分对沉积物上覆水的影响轻微。 根据这一判断标准， 应用式（） 计算沐官岛海湾水库沉积物中盐分释放对库水的影响时间
16、。 沉积物按中砂考虑， 其深度按 计算； 盐分的扩散系数按 进行校正， 并按照高增文等 方法计算沉积物孔隙度、 弯曲率对扩散系数的影响（ ）。 计算结果为 （ ）（图 中 指沉积物盐分不对其上覆水产生明显影响时（年）的孔隙水盐分剖面分布）， 即在海湾水库建成后年， 厚沉积物中盐分仍将对水体的咸化产生影响。沉积物盐分释放对库水的影响时间与沉积物厚度的平图 厚砂层盐分释放 年的模拟结果方成正比， 即 厚中砂沉积物的影响时间约为 年。 沐官岛海湾水库库底沉积物厚度为， 沉积物对水质 的影响时间将远长于 年。 稳态与非稳态释放条件下影响时间对比姜建国和沈韫芬 按沉积物中溶质稳态释放计算沉积物的净化速率
17、， 本文按非稳态释放模拟计算沉积物盐分释放对水质的影响时间。 按稳态释放计算海湾水库 厚的中砂（ 孔隙度为 ， 界面盐分交换通量约为 （ ） ）盐分释放时间， 计算结果约为 年（ ）。 按非稳态方法计算沉积物盐分释放 年时的孔隙水盐分剖面分布见图。 由图 可以看出， 水库建成 年时仅表层 范围内沉积物盐分浓度有相对明显降低， 而下层沉积物的盐分分布几乎未受影响。 按非稳态释放计算沉积物盐分释放对库水的影响时间则大于 年， 两种方法的计算结果相差悬殊。 实际上， 沉积物中盐分释放是非稳态过程。 因此， 在计算污染沉积物对其上覆水水质的影响时间时， 按非稳态释放往往更符合实际情况。 咸化沉积物对水
18、质长期影响的管理启示目前， 在水库常规水质监测时通常仅进行表层水体分析， 而海湾水库底部水体往往常年分层， 其表层水体的盐分含量常满足用水标准， 而底层水中盐分在不断积累， 存在突然泛咸的风险。 表层水连续多年的达标监测结果常使决策者误认为海湾水库已不存在水体突然泛咸问题， 从而延误水体咸化防治的时机。 本文的计算结果表明， 沉积物中盐分释放对库水咸化的影响时间将大于 年， 而水库的寿命常小于 年 ， 因此， 在海湾水库的整个生命周期内， 均需要关注水体的突然泛咸问题， 而不能仅在建库初期关注咸化问题。在海湾水库的运行管理过程中， 应结合底层水的盐分监测， 进行底层水盐分累积的跟踪分析， 在恰
19、当的时间采取排咸措施， 避免水体突然泛咸。第 期高增文， 等： 海湾水库沉积物对水体咸化影响的时间尺度本文未考虑沉积物孔隙水运动对盐分运移的影响， 在后续研究中应考虑地表水与地下水作用对沉积物水界面溶质交换的影响。结论在对未建成的海湾水库沉积物盐分释放对其上覆水咸化影响时间预测时， 可以采用描述沉积物孔隙水盐分剖面分布的非稳态数学模型进行计算。 沐官岛海湾水库沉积物中盐分对库水咸化的影响将大于 年， 该时间远长于水库的寿命， 所以在水库的整个生命周期内， 均需要关注海湾水库的咸化问题， 定期监测水库底层水的盐分浓度， 并采取措施预防水体的突然泛咸。 在目前地表水例行监测中常仅进行表层水分析的背
20、景下， 研究结果对于海湾水库的防咸管理具有更重要的意义。参考文献：王高正， 朱江平 大塘港水库机械排咸技术 水利水电科技进展， ， （）： （ ， ， ， （）： （ ）赵文玉， 王启山， 吴国平， 等 引黄水在北大港水库蓄存期水质咸化的研究 水科学进展， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ）高增文， 郑西来， 吴俊文 海湾水库蓄水初期底质与淡水盐分交换的试验研究 水科学进展， ， （）： （ ， ， ， ， （）： （ ）姜翠玲， 裴海峰 天津市北塘水库水质咸化原因和防治对策 湖泊科学， ， （）： （ ， ， ， （）： （ ）高增文， 郑西来， 赵全升 扩散边界层对沉积物盐
21、分释放的阻滞影响 水科学进展， ， （）： （ ， ， ， ， （）： （ ） ， ， ， ， ， ： 姜建国， 沈韫芬 截污工程完成后武汉东湖自然净化速率探讨 长江流域资源与环境， ， （）： （， ， ， （）： （ ） ， ， ， ： ， ， ： ， ， ， ： ， ， ， ， ， ， ： 岳大伟， 高增文， 赵全升， 等 海湾水库突然泛咸的实验研究 水资源保护， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ） ， ： ， ， （）： ， ， ， （）： 水科学进展第 卷 ， ， ， ： 高增文， 郑西来， 徐芹选， 等 应用电阻率法确定浅水砂质沉积物中的扩散系数 地球物理学进展， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ） ， ， ， （）： ， ， ，（）： ， ， ， （）： ： ： ， ： ， ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ， ）： ， ， ： ； ； ； ； （ ）
