（环境工程专业论文）盐碱土和咸化地下水对水质咸化影响的实验研究.pdf

ab s t r a c t t h i s s t u d y i s f o c u s o n t h e w a t e r s a l i n i z a t i o n m e c h a n i s m a n d m a t h e m a t i c a l m o d e l , a n d t h e p r e v e n t i o n a n d t r e a t m e n t m e a s u r e f o r t h e w a t e r s a l i n i z a t i o n . t h i s s t u d y h a s s i g n i f i c a n c e i n t h e o ry a n d p r a c t i c e . b a s e d o n t h e m a s s t r a n s f e r t h e o ry , r e s e r v o i r w a t e r s a l i n i z a t i o n a s f o l l o w s , s a li n e s o i l , s a l i n e s h a l l o w g r o u n d w a t e r h a v e b e e n a n a l y z e d . i n a d d i t i o n , s o m e m a i n f a c t o r s , s u c h a s s a l i n e s o i l , s a l i n e s h a l l o w g rou n d w a t e r , w a t e r d e p t h , w i n d a n d t e m p e r a t u r e h a v e b e e n c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . t h e c o n c l u s i o n s a r e a s f o l lo w s : 1 ) i f t h e s a l i n i t y o f s a l i n e s o i l o r s a l i n e s h a l lo w g r o u n d w a t e r i s h i 沙e r , t h e s p e e d o f w a t e r s a l i n i z a t i o n i s f a s t e r , 匀t h e s p e e d o f w a t e r s a l i n i z a t i o n i s s l o w e r w h e n t h e w a t e r d e p t h i s g r e a t e r ; 3 ) w i n d c a n a c c e l e r a t e t h e s p e e d o f w a t e r s a l i n i z a t io n ; a n d 叼w h e n t e m p e r a t u r e i s h i g h e r , t h e s p e e d o f w a t e r s a l i n i z a t i o i s f a s t e r . n e x t , t h e i n fl u e n c e s o f t h e s a l i n e s o i l a n d s h a l l o w g ro u n d w a t e r t o t h e w a t e r s a l i n i z a t i o n i n d i ff e r e n t c o n d i t i o n s h a v e b e e n s t u d i e d b y s t a t i s t i c s m e t h o d s . t h r o u g h t h e m e t h o d s o f t h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n b y s i m p l i f y i n g t h e f a c t o r s , w e i n f e rre d t h e wa t e r s a l i n i z a t i o n ma t h e ma t i c a l mo d e l o f r e s e r v o i r u n d e r a c t i o n o f ma c e t r a n s f e r t o g e t h e r w i t h p e r c o l a t io n d e s a l i n i z a t i o n . t h e n w e d i s c u s s e d t h e r e s e r v o i r w a t e r s a n i l i z a t i o n in fl u e n c i n g l a w s o f s o m e i m p o r t a n t f a c to r s c o n s i s t i n g . a t l a s t , w e i n v e s t ig a t e d 血 p r e v e n t i o n a n d t r e a t m e n t m e a s u r e f o r w a t e r s a l i n i z a t i o n . k e y wo r d s : wa t e r s a l i n i z a t i o n ; ma s ss a l i n e s o i l : s a l i n e c o m p l e t e mi x i n g mo d e l r r 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以 适当复制论文的部分或全部内容用 学位论文作者签名 活动。 l o v 7 年r 尽 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 本授权书。 解密后适用 指导教师签名: 夕 u 学位论文作者签名: 场 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 芍一 飞 秘 密 * t o 年( 最 长1 0 年， 可 少 于1 0 年 ) - - 一 机密2 0 年 ( 最长2 0 年， 可少于2 0 年) 争 一滋 户 书 未 落 . 详勿潇弄- -沙 一 _. 于 爪八丫孟 一 沁沂茶今忘飞 _ 炭 广.，r!. 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的 成果。 除文中已 经注明引 用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 砒 z -117 年 ” 3 i 日 第一章 引官 第一章 引言 第一节 研究背景 1 . 1 . 1天津市水资源现状与水危机 天津市地处九河下梢，在历史上是属于不缺水的地区。据多年来的数据统 计， 天 津市地表水资 源量多 年平均值为1 0 .5 5 x 1 0 8 m 3 ， 地 下水资源量为1 .0 5 5 x 1 0 8 m 3 ， 扣除 重复计 算量0 . 7 1 x 1 0 8 m 3 ， 水资 源总量 为1 8 . 1 6 x 1 0 8 m 3 。 天 津市人 均水资 源占 有量1 8 0 立方米从 ，仅为全国人均水资源占有量的十三分之一，是全国人 均水资 源占 有量最少的省市之一，属重度缺水地区i l l 据有关专家预侧，到2 0 1 0年， 天津市总需水量为 2 3 . 1 4 x 1 0 w ，按供水保 证率7 5 % 和9 5 % m计， 将缺水9 .9 1 x 1 0 8 m 3 和1 2 .4 6 x 1 0 8 m ; 。 到2 0 3 0 年， 保证率 7 5 % 和9 5 % ， 将分别 缺水1 5 . 8 2 x 1 0 8 m 3 和1 8 .3 7 x 1 0 8 m 3 12 1 . 由于天津市水资量非常少，近三十多年来多次发生供水危机。尤其 是二十世纪七十年代、八十年代以来，华北平原出现了 1 9 7 0 -1 9 7 2 , 1 9 7 4 - 1 9 7 6 , 1 9 8 0 1 9 8 4连续枯水年，使天津长期陷入缺水危机。年三 十年来，北京市的密云水库、河北省的岗南、岳城水库都曾为天津市供 水，天津市于七十年代付出高额代价实施了三次“ 引黄济津” 工程.1 9 8 1 年为保证北京市用水， 国务院决定， 密云水库停止向天津市和河北省供水， 天津市不得不又两次调引黄河水，以解燃眉之急。1 9 8 3年建成的引滦入 津工程使天津市有了一个比较稳定的水源，但供水水源单一和水量有限， 天津城市供水仍然存在很大风险13 1 1 . 1 . 2水危机引发的严孟问压 由 于水资源短缺，供水水源单一，供水量和供水保证率不能满足城市用水 要求， 严重制约了社会经济的发展。天津市水利科学研究所曾对我市工业 缺水 与经济损失进行了研究，根据系统分析理论建立了线性规划一投入产出模型， 采用1 9 8 3 - 1 9 9 8 年的 系列资料 分析了2 0 1 0 年工 业 缺水率与 经济 损失 率的关系。 研究成果表明， 2 0 1 0年如不建设新的水源工程增加城市供水量，即使采取各种 第一章 引言 应急对微，工业平均缺水率仍将为2 2 % ，经济损失率将达到 2 0 %，与计划产值 比较，因缺水工业产值约减少6 8 0 亿元，由此造成国内生产总值减少7 4 8 亿元。 由 于水资源短缺， 还给环境带来系列问 题。在天津地区，地表水资源极度 溃缺，就超量开采地下水，导致地下水位下降，引发了大面积的地下沉降和海 水入侵等环境问 题， 现己 形成了中心城区、塘沽、 大港、静海、武清等几个主 要 下降 漏斗 和 沉降 中 心， 沉降 区范 围 约7 3 0 0 k m z ， 占 全市 总面 积的6 1 .2 % f4 l e 1 . 1 . 3引黄济津工程简介 为了 解决天津市水危机，国家实施了 “ 引滦济津” 工程，曾经一时缓解了天 津市水资源短缺的矛盾。但是，从上个世纪七十年代以来，滦河流域多 次连续遭遇枯水年，可供天津市的水量已经不能满足需要，水资源短缺问 题依然严重， 不得已 又多次实 施了 “ 引 黄济 津” 应急 输水工程( 图1 . 1 ) .自 从七十 年代以来，截止到目前，先后共进行了 9次引黄济津应急输水，具体情 况如下: i-一- 一 一 i * m a , l t a m *m e 引黄济津示意图 ，.( 口 r ,户 s讯 s o * 袄了之 匕 卜.佣亩 嘴. . 一 巨里3 1 11 目. 一 二 图1 . 1 引 黄济津工程路线示意图 1 9 7 2 年第一抹引黄济津， _从 1 1 月2 。日 至 1 2月.2 5日，入津基流 0 . 6 x 1 护 m 3 ，从1 2 月2 5日至1 9 7 3 年2 月1 5日，从河南省人民渠引黄济 津 1 . 3 7 x 1 0 p m 3 ,净收水1 .0 3 x 1 0 8 m 3 a 1 9 7 3 年第二次引黄济津，由人民胜利渠向天津放水 1 . 6 x 1 0 w ,净收 第一章 引言 水 1 . 0 8 x 1 0 8 m 3 . 1 9 7 5 年第三次引黄济津 民胜利渠向天津放水 4 . 3 6 x 1 0 8 m 3 . t 济津，从 1 . 5 7 x 1 0 8 m 3 1 2月 1 6日至 1 9 7 6 年 1 月3 1日，由人 米，加上基流 5 . 1 x 1 0 0 m 3 ，天津净收水 1 9 8 1 年8 月至9 月1 6 日 第四次引黄济津，由卫放河放水，天津净收水 0 . 2 6 3 x 1 护 扩. 1 0 月1 5 日 至1 1 月2 8 日再次向天津放水6 . 9 1 x 1 0 8 m 3 ， 至1 9 8 2 年2 月2 0日，天津净收水4 . 4 7 x 1 ( 8 m 3 . 1 9 8 2 年 1 0月1日，第五次引黄济津，从岳城水库引水，从 1 1 月 1 日至 1 5日分别从山东位山和播庄引黄河水，至 1 9 8 3 年 1 月4日，天津 市净收 水6 .0 2 x 1 0 8 m 3 . 2 0 0 0 年 8 月1 5日实施了第六次引黄济津， 由位山闸放水8 . 6 6 x 1 0 8 m 3 , 九宣闸收水 4 .0 1 x 1 0 8 m 3 15 ) . 2 0 0 2 年实施了第七次引黄济津， 由位山闸放水， 2 0 0 2 年 1 0月3 1日 位 山闸放水， 至2 0 0 3 年1 月2 3日 调水结束， 位山闸放水6 . 0 6 x 1 0 8 m 3 ， 天津 九宜闸收水2 . 4 7 x 1 0 8 m 3 . 2 0 0 3 年第八次引黄济津，9 月1 2日 ， 山东聊城位山闸正式开闸 放水， 天津 市于 9月22 日 开始 接收引 黄水， 到 2 0 0 4 年 1 月7日 调水结束， 共收水约为 5 . 1 x 1 护 扩。 2 0 0 4 年1 第九次引 黄济津，1 0月9日 ，位山闸放水9 .0 1 x 1 护 m 3 ， 至2 0 0 5 年1 元2 5 日 结束时， 天津市九宣闸接收到4 .3 x 1 0 8 m 3 . 1 . 1 . 4南水北调工程简介 国家为了解决我国南北方水资源分布不平衡的矛盾，解决包括天津市在内 的北方城市 缺水的问 题， 决心实施“ 南水北调” 工程。 南水北调是解决海河流域缺 水问题的根本出路， 是改善黄、 淮、海地区生态环境， 保障京、 津乃至整个华 北地区可持续发展的重大战略举措。南水北调工程前期工作始于2 0世纪 5 0年 代初，国家计委、水利部组织进行了 五十年的论证工作， 规划建设东、中、西 三条调水 工程， 沟通 长 江、 淮河、 黄河、 海河四 大 水系 1 8 .9 0 1 . 2 0 0 2 年9 月国 家 计委、水利部联合编制并上报 南水北调工程总体规划 ， 2 0 0 2 年1 2 月2 3日， 国务院以 “ 国函 ( 2 0 0 2 ) 1 1 7 号” 文原则同意了总体规划报告，并批复根据前期工 作的深度， 先期实施东线和中线一期工程。 第一章 引官 目前，南水北调工程东线和中线的前期工作进展顺利.东、中线一期 工程项目 建议书已 经完成编制和评估;中线可行性研究报告已编制完成，东线 可行性研究报告正在汇总: 丹江口 大坝加高、中线穿黄工程可研报告已 经国务 院批复， 正在进行初步设计概算审定。 按计划中线将于2 0 1 0 年通水到天津。 到2 0 1 0 年， 天 津市缺 水将达1 2 .4 6 x 1 0 8 m 3 . 根据有关规 划， 天津城市 缺水 量由南水北调中线一期工程和东线二期工程共同分担。中 线一期工程，多年平 均天津分水 量为1 0 . 1 5 x 1 0 8 m 3 , 沿程输 水损失 按巧 % 考虑， 到 天津干线入市口门 水量为 8 .6 3 x 1 0 8 m 3 ; 东 线二 期工程， 天津分 水量为 5 .o x 1 0 m 3 ( 天津九宜闸)， 扣除蒸发渗 漏损失 后， 净水量为4 .o x x i 0 8 m 3 i( 71 e 南水北调中线工程是从长江支流汉江中游的丹江口 水库引水，其水质优良， 可以达到地表水环境质量1 1 类标准。调水总干渠在郑州西穿过黄河，沿京广铁 路西侧北上，全线自 流到天津、北京，总长1 4 0 0 多公里，为全立交、全衬砌的 专用明渠和管道。 天津干线作为总干渠的一部分， 从总干渠的河北徐水引水， 经容城、霸州、武清、西青到外环河六号桥附近入市，全长 1 5 0多公里，采用 全 箱 涵 方 案 输 水 【 调水结束时，改由北大港水库向 天津市供水。引黄水在北大港水库调 蓄 期间 ， 存 在 着水 质 咸化 的问 题 ( 表1 . 1 ) ， 这 极 大的 影响了 北大 港 水库 作为 饮 用 水 源 水 库 的 功 能 (1 1 1 表1 . 1 引黄水氛离子浓度与在北大港水库中蓄存一段时间后的引黄水氛离子浓度比 较 引 黄 水 入 库 前 氛 离 子 浓 度 单 位 : - 8 .l 1) 弓 !黄 水 入 库 后 权 离 子 浓 度 单 位 : - g -l : ) 取样点取样日 期 叙离子浓度取样点 取样日期饭离子依度 南 运 河 九 宜闸 r 引 黄济津” 工程天津 市入口 ) 2 0 0 3 - 9 - 2 2 2 0 0 3 - 9 - 2 3 2 0 0 3 - 1 0-1 0 2 0 0 3 - 1 0 - 2 1 2 0 0 3 - 1 0 - 3 1 2 0 0 3 - 1 1 - 1 2 2 0 0 3 - 1 1 - 2 1 2 0 0 3 - 1 2 - 1 2 0 0 3 - 1 2 - 1 8 2 0 0 3 - 1 2 - 3 1 加以- 1 - 5 1 6 90 4 7 . 9 9 7 2 3 7 . 7 4 3 . 2 4 7 . 6 5 7 . 4 3 5 . 6 7 1 月 ， 叹2 7 8 . 1 +号口 门 ( i t 大 港水库向天津 市供水出口 ) 2 0 0 3 . 8 - 1 7 2 0 0 3 - 1 0 - 1 2 0 0 3 - 1 0 - 2 1 2 0 0 3 - 1 0 - 3 1 2 0 0 3 - 1 1 - 1 1 2 0 0 3 - 1 2 - 1 2 以州 卜1 7 2 0 0 4 - 2 - 2 2 0 0 4 - 2 - 2 5 2 0 0卜 斗， 2 砚14 - 5 一， 卯 5 9 8 3 2 7 1 8 4 1 万 1 那 1 犯 1 5 5 1 7 5 2 1 9 2 6 2 . 7 注: mm自 天 津 市 环 保 局 监侧 中 心 提 供的 第 八 次 “ 引 黄 济 津 喂线 水 质 监 侧成 果 表。 ( 2 ) 地 面 饮 用水m类 水 质 标 准中 【 0 1 = 2 5 0 n % / l . ( 3 ) 第 八 次 “ 引 黄 济 津 ” 于2 0 0 3 年9 月2 2 日 引 黄 水 进 入 夭 津 市， 于2 0 0 4 年1 月 日 结 束， 在 这 段 时 间内，黄水一部分直接向天津市水厂供水，另一部分进入北大港水库蓄存。 ( 4 ) 第八次 “ 引 黄济 津 ” 于2 0 (”年1 月6 日 由 北大港水库向 天 津市水厂供水， 于2 0 0 4 年5 月2 1 日 开 始改由于桥水库向天津市水厂供水。 1 . 1 . 5 . 2北塘水库水质咸化问题 北塘水库位于天津东部滨海的 塘沽区的一座中型平原水库，主要是作为排 洪蓄涝、农业用水等功能的水库。由于南水北调中线工程的实施，为保证塘沽 区的供水安全，拟将北塘水库作为调蓄水库，其使用功能上升到饮用水源水库 的地位。多年来，很少对北塘水库的水质进行监控，由于北塘水库作为南水北 调中线工程调蓄水库的可行性问题的提出，于2 0 0 4 年7 月2 4日开始在北塘水 库 蓄 存了 潮白 新 河 上 游 洪 水 约4 x 1 0 7 m 3 ， 其 氯 离 子 浓 度 为1 6 8 m g / l ， 低 于 地 表 水 ii i 类水 质标 准 值 下限 值 ( 2 5 0 m g / l ) ， 在 北 塘水 库中 均 匀分 布5 点 阵 1 # 、 库2 # , 库3 # 、 库4 # 和 库 5 # ) ， 定 期 监 潮白 新 河洪 水 在北 塘 水 库中 的 水 质变 化 情况， 其 氛离子 很快都均 超过2 5 0 m g / l ， 表明 水质发生了 咸化现象 ( 图1 .乃. 第一章 引言 、冒侧爱小健喊 8 si_ i_军 f si 1宇宇 s 0早 l i l l军 2 军 军 1 i 1甲甲甲甲甲甲甲甲苏昌昌昌 . 吧日 夕 . 心砚 叼呢 叼比 卜卜卜 曰口 v1 ，禅价卜田尸.切n.匕n 时间( d )“ 图1 . 2潮白 新河洪水滋水) 进入北塘水库后水质变化趋势图 第二节 研究意义、研究内容和研究方法 1 . 2 . 1研究的意义 本论文的研究工作既具有理论价值又是实际工作的需要，目前，江河、湖 泊等水体的有机污染比 较严重，富营养化是普遍存在的问题。因此，进行有机 污染机理、防治措施等研究的很多， 如底泥释放氮、磷规律、富营养化综合治 理等。根据所掌握的资料， 象本论文这样，针对饮用水调蓄水库水质咸化机理 及防治措施的研究，还没有发现类似的报告。所以，本论文成果将对水库 ( 湖 泊)水质咸化的研究具有一定价值.如我国东部沿海地区，特别是邻近海洋的 地方，土壤含盐量一般都比较高，这些地区水库咸化是一个较普遍的现象。本 论文的研究成果也可推广应用到类似水库的水质咸化机理分析以及污染防治工 作当中。对于东部沿海以 外其它地区的河流、湖泊、水库的水质咸化防治，本 研究也有一定的借鉴作用。 1 . 2 . 2研究的内 容 本论文的研究内 容主要包括以 下几 个方面: ( 1 )高含盐量底质释放盐分的机理 本文主要研究是盐碱土和咸化地下水与地表水之间盐分转移机理与模型。 第一章 引官 水库底的盐碱土和地下水的含盐量比较高， 底质中的盐分必然要向 水中 释放。 要想研究水质咸化问题，必须首先弄清楚高含盐量底质释放盐分的机理。包括 哪些因素对释放有影响、释放有那些规律，等等。 ( 2 ) 盐碱土对水质咸化的影响 土壤水盐运动主 要分为水平运动和垂直运动。 垂直运动控制着盐碱土的积 盐和脱盐过程， 即地下潜水在土体中的上、下运行过程，实际上这是一个很复杂 的运动过程。水平运动控制着地下潜水的水盐集散过程， 直接影响盐渍土发生 发展的地下水位、 矿化度和水化学类。 对垂直运动的定量研究是为了了 解土壤 盐分随时间在土壤中的 变化规律1y ( 3 ) 咸化地下水对水质咸化的影响。 盐分不可能以固态形势进入土壤，而是随着水的运动而转移，所以地下水 中的含盐量多少以 及分布，很大程度上会影响土壤的盐溃化的程度，影响上覆 水含盐量的变化。 所以 要研究水质咸化，也必须考虑到咸化地下水对水质的影 响。了解其燕发规律， 对土坡盐分的作用，对地表水的盐分传递，是非常必要 的【 切 。 ( 4 ) 水质咸化污染防治措施 弄清水质咸化机理， 预测水在水库中蓄存时的 水质变化规律， 最终的目 的 是找到适宜的污染防治措施，治理或减缓水质的咸化。防治措施应该是多方面 的、综合的、切合实际的，能够对今后水库和湖泊的规划、改造和运行管理等 提出指导性的建议，使研究成果发挥应有的作用。 1 . 2 . 3研究方法 为了完成本论文的研究任务，采用了下面这些方法: ( 1 )充分收集资料 充分利用多种渠道，广泛收集各种资料，包括北大港水库的历史情况、现 状资料、相关的研究成果、理论著作等。使本论文的研究工作有坚实的资料基 础，是保证取得高水平成果的必要条件之一。 ( 2 ) 现状监测 收集到的资 料不 可能 完 全满足研究的需要， 同 时， 也为了 获得研究对象当 前情况的数据，必须进行现状监测。 3 )实验内实验 第一t 引官 实验内实验具有规模小、容易操纵、 条件控制精确等特点， 所以实验内实 验是本论文研究的重要手段之一。 。 ( 4 ) 数学建模 为了 反映变量之间的关系， 也为了 进行定量研究，建立数学模型是必要的， 也是非常有效的。 降万t( 落盆泊幼作用， 风吹扰动水体 ( 加斌传度) 盆栩土( m 土，级土 雌 币 . 入 含 趁 赫 ot . ig 翌 盆俄上( 钻 土、. 士】 绝 下 水 位h e山 水月水休 盆孩士( 枯质粉 土、肠沙力 f k ii ik 14 # f # ff m .ft a 主 卜 !主爬 二 二二 k l 二a 引 k l 二 二二一r 湛酷ilfimi_, 成化坎层地下水枯质拍土、粉砂土 含水层) 饱下水了 洲水界面入任海水笼水 图2 ， 1水质咸化主要影响因素示意图 2 . 1 . 1盐碱土对水质咸化的影晌 当水体与土壤接触时， 水体和与之接触的土壤表层之间有很大的接触面一 一层极薄的水膜， 盐份从土壤中 溶解到水膜，这样水膜与水体就存在盐份浓度 梯度， 根据 质量 传递 理 论 ( 费 克定 律) ， 盐 份将从该 薄层水 膜中 扩散到 上覆水体之 中， 造成上覆水体水 质咸化( 图2 . 2 ) ，该过程可简要表示如下: 表层盐碱土 溶解 - - - - - 今水膜 盐份 上 覆 水椒水 质咸 均 第二章 水质咸化机理定性分析 ! 一牛打津伞仁侧、牛乍 乍 i 津丰 乍 车 牛 伞 二 木 水 木 小 木 木 木小 小 木 水水 水 水 木 木 小 水 冲卜 i i 1= 1 i i- i i i- 融 1 i i- i i l l 盆份从水口扩 吐到上.水体 盆份从盐砚 土 溶 入水 峨 图2 . 2 表层盐碱土与上扭水体之间传质示愈图 另外，土壤是一种多孔介质，土壤土粒团聚体之间以及团聚体内部，均有 大量 孔隙 存在。自 然 状态的 土壤 均含有一定数量 形式的 水， 包括结合水( 吸 湿水 与膜状 水) 、 毛管水、 重力 水等， 只有当 土壤中 全部 孔隙 都 被水分 充满时， 也 就 是土壤 含重力水达饱 和时， 土壤中的 水才可能贯通 【7 0 ,7 1 . 一般 情况 下， 土壤中 的 水均达不到饱和状态，只有土坡位于地下水位以下或被地表水全部淹没时，土 壤水才达到饱和。因此，当土壤上覆水体时，水可渗入深层土壤孔隙中，使土 壤孔隙中充满水，且孔隙水通过接触面水膜与水体连通:则深层土壤颗粒中的 盐份溶入孔隙水中，当表层土壤中的盐份完全溶入水膜中且水膜中的盐份扩散 进入水体后，深层土壤孔隙水与水膜之间形成盐份浓度差，根据费克定律，则 盐份从孔隙水中扩散 到水膜中 再到上覆水体，以此类推，更深层的土壤的盐份 也通过同 样的方式 进入上覆水体， 使上 覆水体 水质不断 咸化( 图2 .3 ) ， 该过 程可 简要表示如下: 深层盐碱土 孔隙水 扩散 水膜一上覆水体( 水质咸化) 盐份 水水 月层土扭 图2 . 3深层盐碱土与上搜水体之间的盐份传质示意图 第二章 水质咸化机理定性分析 综上所述，盐碱土是水质咸化的一个主要因素，土包括水底和水体周围 与水体直接相接触的盐碱土以及水体周围一定范围和一定深度的盐碱土。 2 . 1 . 2咸化地下水对水质咸化的影响 所谓地下水系指埋藏和运动于地表以 下不同深度的地层和岩石空隙的水， 浅层 地下 水指是 具有自 由 水面的 地下水 (4 7 ,4 当水库或湖泊区域的地下水为咸化地下水时，水底地下水将会通过土壤孔 隙与上覆库内水体相连，地下水的含盐量高于水库水体的含盐量，根据费克定 律， 地下 水中的 盐 份将向 水库水体中 扩散 ( 图2 .4 ) ， 该过程可简要 表示 如 下: 咸化浅层地下水 扩散 一 卜孔陈水 4 3 . 9卜 扩散 一-卜 扩散 盐份 水膜一上搜水体 水质咸化) 盐份 挽层饱下水与 水库水体，月 位层地下水向 水库水称拍班 图2 .4咸化浅层地下水与上覆水体之间的盐份传质示意图 因此咸化浅层地下水是上覆水体水质咸化的另一个主要因素，不仅包括为 水体底部的咸化浅层地下水，也包括水体周边一定范围内的咸化浅层地下水。 2 . 1 . 3风对水质咸化的影晌 风是引起水体棍合的重要因素。当风吹过水面时，对水面产生剪切应力， 形 成 风 浪 ， 并 产 生 风 吹 流 ， 同 时 形 成 垂 直 环 流 和 水 平 环 流 4 9 j( 图2 .5 ) . 由 风 吹 形 成的风浪和环流，对水体产生强烈的搅拌作用，这将会加速盐份从库底盐碱土 壤和咸化地下水向上覆水体中的扩散速度，从而加快上覆水体水质的咸化速度。 另 外， 风吹 作 用 还 会 加 快 水分 蒸发的 速度 阿， 加 快蒸发 浓 缩作 用， 从 另 一个 角 度加快水质的咸化。显然，风是影响水质咸化的主要因素之一。 第二章 水质咸化机理定 性分析 w ( f ,z , ) t - . ae , . h . 人 .c s t . . . e t . - e. . u , . o ! n v . . . , + u . u o ,= 优， 以 奋火 确 .， ， ， 乃， ， ， ， ， ， ， 图2 . 5风对水体作用示意图 2 . 1 . 4降雨和燕发对水质咸化的影晌 降雨可增加水体的水量，对水质具有稀释作用;蒸发会减少水体的水量， 由于蒸发浓缩作用将使水体水质发生咸化作用。因此，如果燕发量大于降雨量， 这也是造成水质咸化的主要原因之一。 2 . 1 . 5气温对水质咸化的 影晌 由 溶质在溶剂中 的 扩散系 数计算的 理论公 式斯 托克斯一 爱因 斯坦公 式( 1 .匀 可 知， 温度与扩散系 数 成正比 ， 与液体的 动力学粘度 成反比 ( 而 液体的动 力学粘度 又随 温度的 升高而降 低 ) ， 因 此， 温度升高 可 增加溶 质在溶剂中的 扩散 系数， 表 2 . 1 列出了 相同 浓度盐 酸 和乙 酸 在不同 温度下水中 的 扩散系数15 1 1 表2 . 1在不同 温度下某些溶质在水中的扩散系数 溶质 浓 度 /k m o l.m 3. a wk扩 散 系 t / m 2 .s 1 ho9 2 7 3 2 . 7 2 8 3 3 . 3 hc ooh1 . 0 2 8 5 . 50 . 80 . 8-2 2 9 1 0 . 9 因此， 气温的 变化将引 起水体水温的变化， 在炎热的夏季， 地下水、水库 水体中的盐份扩散系数增大，可加快水质咸化的速度;反之，在冬季的咸化速 度相对较慢。 2 . 1 . 6水库水深对水质咸化的影晌 以天津滨海地区的北大港水库和北塘水库水质为例，这两个水库的自 然地 第二章 水质咸化机理定性分析 理条件、 气候条件均相近， 但其水质咸化的过程和程度不一样， 现比较分析如 下。 北大 港水库在引 黄期间 蓄 水 平均水深2 m左右 裤底高 程平 均为2 .0 m ， 黄海 高程 ) ，向 天津市供 水期间 水 库水 位下降， 最后平均水 深下降 到l m左右， 水中 氯 离 子 浓 度由 充 满 水时 的1 3 2 m g / 以 2 0 0 4 年1 月6 日 赠加到 供 水结 束时 ( 2 0 ( ” 年 5 月2 2 日 ) 的2 8 6 m g / l ， 水的 咸化 程度有一个明 显的 逐步 升高的 过 程; 北塘水库 在 2 0 0 0 年至 2 0 0 4 年期间，由于天气干早，未蓄水， 基本上是一个可以见底的 洼地，由于南水北调中 线工程拟将北塘水库中作为天津市滨海地区的调蓄水库， 因此于2 04 年对水库进行了改建，并于2 0 0 4 年7 月蓄存潮白 新河上游的洪水， 蓄水进水水质为1 6 8 m g / l ， 蓄 水后 平均水深4 m ( m底高 程平均2 .0 m ， 黄海高 程) ， 定期监测水质变化情况，发现水体中的氯离子在进水后 1周的时间就上升到 3 0 0 m 叭， 此后一直 到2 0 0 4 年1 0 月， 水库中 的氯离子浓 度维 持在3 0 0 m g / l 左右， 并没有随着时间推移而增加。根据初步分析造成这一现象的原因是与深度有关 的下渗作用，水越深，水向库底的渗漏速度越大，将减缓了库底土坡向水体中 溶盐的速度;与同体积不同 水深的水库相比，水越深， 底面积越小，假设库底 传质通量不变的情况下， 库底溶入水体的盐的总量减小，则咸化程度减弱。在 随后的实验，将研究不同水深对库底土壤盐分传质的影响及对水库水质咸化的 影响，并进一步从理论上深入研究下渗作用的数学模型。 第二节 水质咸化机理综合分析 通过对地表水水质咸化机理的全面分析知，影响水质咸化的因素有盐碱土、 咸 化 浅 层 地 下 水、 气 候 气 象 条 件 ( 6 k . 蒸 发 与 降 雨 、 温 度 、 冰 冻 等 ) 、 水 库原 存 底 水水质水量、水库水深等。其中每一个影响因素对水质咸化影响的程度并不相 同，有些影响因素起到主要作用，有些影响因素的影响比较小，可忽略不计。 其中盐碱土、咸化浅层地下水、风、蒸发量大于降雨量、温度、水库原存底水 水质水量、水库水深等是主要影响因素，在下文将重点研究和讨论。还有，这 些影响因素之间并不是孤立的起作用，有些影响因素之间还相互影响，有些影 响因素之间共同对水质咸化起作用。如咸化浅层地下水与土壤盐碱化之间相互 影响:风可加快蒸发浓缩作用;风还可扰动水体，使水体完全混合，处于紊流 状态，就可加速盐碱土向 水库水体的盐的传质作用等。因此，在下文的室内单 第二章 水质咸化机理定性分析 因素实验设计中也考虑了其他因素的变化情况; 在现场水质咸化模拟实验研究 中，将浅层地下水传质作用与盐碱土传质作用统归为盐碱土传质作用来讨论， 将降雨与燕发合并为 净燕发浓缩作用来考虑。 综上所述，水质咸化影响因素较多，且非常复杂，因此其数学模型也不简 单，根据上述的理论分析，提出如下水质咸化综合理论模型: . f ( m, e , t , w, h)( 2 . 1 ) 式中: d c ( t ) l d t - 冰质咸化速度表达示， 以 氛离 子浓度随 时间的 变化率表示， m g / ( l .d ) , f - 一 未知函 数 关系式， 需要通过理论 推导或 实验数 据建模确定: m -盐 碱土、 咸化浅 层地下 水、 海水入 探等因素的 传质作 用对 水质咸化速度影响的综 合因子; 忍 一蒸发量、降雨量、气温变化影响蒸发量、风吹加快蒸发量等蒸发浓 缩作用对水质咸化速度影响的综合因子;t -温度的变化对水质咸化速度影响的 因子;平 风的搅动作用加快水体传质作用对水质咸化速度影响的因子; h - - 水 库水深对 土壤渗透 速度的 影响 进而对水 质咸化速 度影响 ( 即 下 渗作 用) 的因 子. 式 ( 2 . 1 ) 7转化为: c ( t ) 一 f ( m, e , t , w, h , t ) + c ,( 2 . 2 ) 式中: 似 一 指水 质从 初始日 起经t 天后氛 离 子 浓度值， m g / l ; f -一 未知函 数关系式， 为函 数 关系 式了 的积分式， 需 要通过 理论 推导或实 验数 据建 模确定; 卜从初始日 算起的 天数; c o 一水体中初始氛离子 浓度。 要得到每个具体水体的解析模型，需要有长期或短期的水质监测资料，采 用数理统计方法获得。 第三章 盐碱土对水质咸化影响的室内实验研究 第三章 盐碱土对水质咸化影晌的室内实验研究 第一节 实验条件和实验方法 3 . 1 . 1主要洲试指标和洲定方法 在研究中主要的测试项目 为氛离子、全盐量和电导率，氛离子的测定方法 采用离子色 谱法( 美国 戴安公司生产的d x - 3 0 0 型离 子色谱们，电 导率测定 采 用 电导 仪法 仕海雷 磁仪 器 厂生产的d d s - 1 1 a型电 导仪 ) ， 全盐 量采用烘千 法和电 导率仪法， 均符合国 家 水 质监测标准 【5 3 1 3 . 1 . 2土坡对地表水体水质影晌的研究进展 国内外在土壤对地表水体水质影响的研究较多，主要集中于易被土壤吸附 的重金属、 氮、 磷等 元素的影响 方面， h .x u e 等5 4 1研究了 土壤中 铜和锌向 地表 水体迁移的问 题、 m . d e w i t 等15 5 1研究了 土壤中 氮 磷释 放对莱茵 河和易北河 等 地 表水体 水质的影响、 万群等5 6 1 研究了 金凤水库土坡中 砷对库区水体的影响以 及 傅春艳等5 7 1 研究了 土 壤、 底泥中锅对地表水体的影 响等. 但对于盐碱土中 可 溶 盐对地表水体的水质研究未见报道，可溶盐对地表水体水质的影响模式与可吸 附的污染物对地表水体水质影响的模式不一样。土壤吸附的污染物与水体中的 污染物之前存在着吸附平衡，土壤与水体之间污染物的交换往往只涉及到土壤 与水体接触的表层;可溶盐在土壤中的赋存状态大部分都不是吸附状态，而是 填充在土壤孔隙中，当 土壤孔隙充满水饱和时，盐份就溶于水中，这样土坡孔 隙水中的盐浓度与上覆水体之间形成浓度差，根据费克定律，土壤孔隙水中的 盐份将会扩散到上覆体， 造成上覆水体的水质咸化，并且，土壤与水体盐份的 交换不仅仅涉及到土壤表层，土壤深层的盐份也将扩散到水体中。因此，本论 文设计了一系列实验研究盐碱土对上覆水体水质咸化的规律，具有一定的创新 性、 3 . 1 . 3实验装1和实验准备工作 3 . 1 . 3 . 1实验装1 第三章 盐碱土对水质咸化影响的室内 实脸研究 根据本论文研究的内 容，设计了 一系列的土柱实验进行盐碱土对上覆水体 水质咸化的规律. 文献 15 8 , 5 9 1 中的 土柱实 验大多 是 研究上覆水体所 含的 污染物随 着水渗入土壤后的迁移转化问题;笔者设计的土柱反其道而行之，则是研究盐 碱土中的盐份迁入上覆水体的问题， 虽然土柱形式大致相同， 但所研究的侧重 点不同，因此， 研究方法也不同; 前者多关注污染物在土壤中的垂直分布情况， 笔者则关注上理水体中盐份变化情况。 实验用土柱筒采用有机玻璃管加工而成，内径为 卯m m，高度为 2 0 0 - -2 0 0 0 m m ( 可根 据研究目 的不同 调节 ) ; 盐碱 土采自 北大港水 库库底， 测定 其 含水率、湿密度、 含盐量、含氯量等基本数据，将盐碱土自 然风干、碾碎、过 筛( 2 0 目 ) ， 加适量的 水 ( 与天然土含水率 相等 ) 拌匀 放置2 天以 上， 装填土 柱时 应 分层( 层厚5 c m ) 装填、 压实， 每层填土均应保证与 天 然盐碱土湿密度相同. 在土 柱上方根据研究目 的 不同 装不同高 度的 水柱， 并在一定 位置设置水质监测孔灌 电 导电 极 ) ， 如图3 . 1 所示。 图3 . 1 土柱装置示意图 3 . 1 . 3 . 2实验准备工作 第三章 盐碱土对水质咸化影响的室内实验研究 1 . 实验用盐碱土来源与分析结果 实验所用盐碱土于2 0 0 5 年5 月2 0日 取自 于北大港水库库底，取样位置在 取之前被水泡了 半年以 上， 取样时水已 退却， 此位置与现有库面相差2 0 c m 。 取 样点挖深到 1 2 0 c m时 挖出 渗出 水。 在0 . 1 2 0 c m深度范围内 分层取样， 第一层 0 - 1 0 c m ， 第二 层1 0 - 5 0 c m ， 第三层5 0 - 1 2 0 c m . 土 坡取回实验室后， 按照标准 测 试方法分析了 含盐量、含级离子量、 含水率项目 ，分析结果见表3 . 1 。实验所用 的盐碱土，主要是用5 0 - 1 2 0 c m深度的土坡样。 表3 . 1盐碱土分析结果 几 犷 . 含水率 (%) 含盐量 ( 叫昨e ) 含氛离子量 (妙e ) 0 - 1 0 c m2 0 . 39 9 0 04 7 4 4 . 9 1 0 - 5 0 c m2 2 . 5 9 2 1 5 4 9 3 4 . 9 5 0 - 1 2 0 c m2 3 .61 4 7 3 0 7 1 8 4 . 8 2 . 盐碱土溶出 液的电 导率与全盐量和氯离子浓度相关性研究 在实验室条件下进行静态实验，不可能每天取水样做分析，只能采用在线 监测的方式，因此，需要了解土壤溶出液的电导率、全盐量和氛离子浓度的相 关性。 将取回的盐碱土溶入不同体积的蒸馏水中， 对每个水溶液均分析电导率、 全盐量和氯离子浓度，分别进行电导率与全盐量相关性分析和电导率与抓离子 浓度相关性分析研究， 其结果见图3 . 2 ，可见，盐碱土溶出液的电导率与全盐量 和氛离子浓度均呈线性增加的关系，其相关系数均达到0 . 9 8以上，因此，完全 可以通过监测电导率的变化情况研究水质咸化的规律. 第三章 盐碱土对水质咸化影响的 室内实验研究 卜|1卜|于 绷姗洲翻潮洲姗卿翔。 乙.普、侧说 0 1 0 0 0 2 侧月3 创 扣4 侧扣别期】以目】7 侧 泊 电 导率/ v 8 . c 1c 1 图3 .2盐碱土溶出 液的电导率与全盐量的 相关性和电导率与抓离子浓度相关性 第二节 实验方案和结果 根据对盐碱土对水库水质咸化影响的机理分析，并结合其他影响因素，根 据不同的研究目的，设计了以下几组实验，研究盐碱土对上覆水体水质咸化影 响的规律。 3 . 2 . 1不同含盐最盐碱土对上搜水体水质咸化影晌的实验研究 1 . 实验目 的 本实验主要研究不同含盐量的盐碱土对上覆水体水质咸化的影响规律。 2 . 实验方案 在 两 个 土 柱中 填 入 含 水 率 相同 ( 2 1 .5 % ) . 湿 密 度 相同 ( 1 .5 7 3 g / c m 、 、 高 度 相同 帅为s o m m ) 、 含 盐 量 不 同 的 盐 碱 土 柱 ( 1 # f 柱 含 氯 量 为 : 9 2 1 4 .4 m