天津滨海地区水库水质咸化机理分析及实验研究

论文摘要

天津市是个水资源极度匮乏的城市，水危机已成为制约天津市社会经济发展的重要因素。已经实施的引滦济津工程和引黄济津工程，为解决天津市水资源危机发挥了重大的作用。天津滨海地区的北大港水库作为引黄济津工程的调蓄水库，一直存在水质咸化的问题，限制了其作为饮用水源水库功能；正在实施的南水北调工程将是彻底解决天津市水资源危机的重要举措，拟将天津滨海地区的北塘水库设置为该工程配套的调蓄水库，经调查研究发现，北塘水库也存在水质咸化问题。因此，研究天津滨海地区水库水质咸化机理和水质咸化数学模型，进而研究水库水质咸化的防治措施，具有重大的理论意义和迫切的现实意义。从传质理论出发，根据天津滨海地区的自然地理和气候气象特点，结合天津滨海地区水库水质咸化的实际情况，全面地分析了天津滨海地区水库水质咸化的影响因素有盐碱土、咸化浅层地下水、气候气象条件(，包括风、蒸发、气温等)、大气沉降、海水入侵、库内底咸水的水质水量及水库水深(水位)等，其中主要的水质咸化机理是盐碱土和咸化浅层地下水的传质作用、蒸发量大于降雨量的蒸发浓缩作用、风的搅拌加快水质咸化速度的作用以及与水库水深相关的下渗压咸作用等。进行了盐碱土、咸化浅层地下水、水深、风、温度等主要因素对水库水质咸化影响的半定量的室内试验研究，探讨了它们对水库水质咸化影响的规律，得出如下结论：1)盐碱土和咸化浅层地下水的含盐量越高，上覆水体水质咸化速度越快；2)水深增加，水体水质咸化速度减慢；3)风的存在将加快水体水质咸化速度；4)温度越高，水体水质咸化速度越快。采用现场水质咸化模拟试验与实际数据的物料平衡相结合的方法，研究了天津滨海地区的北大港水库水质咸化机理与数学模型，并研究了北大港水库水质咸化防治措施，得出如下结论：1)由于风的扰动作用，北大港水库水质咸化模型为完全混合零维模型，即水质咸化程度只与时间有关，与空间点位无关；2)北大港水库库底盐碱土的传质作用是水质咸化的最主要因素，蒸发浓缩作用是次要因素；3)在研究期间，北大港水库水质咸化模型的数学表达式为零维线性模型，即水质咸化程度与时间成正比；4)防治北大港水库水质咸化主要的工程措施是加高围堤(库底高程不变，加大水深)、缩小水库面积(保证调蓄库容不变)，管理措施是蓄淡水前尽量排尽库内原存底咸水。采用对比的方法研究了天津滨海地区的北塘水库与北大港水库的水质咸化特点，用简化条件的理论推导方法研究了在传质与渗漏压咸共同作用下北塘水库水质咸化的数学模型，再结合北塘水库的实际情况研究讨论了各种因素对水库水质咸化的影响规律，最后研究了北塘水库水质咸化防治措施，得出如下结论：1)简化条件后推导出的在传质与渗漏压咸共同作用下的北塘水库水质咸化的数学模型，基本上符合北塘水库水质咸化的实测数据反映的趋势，即蓄水的前期水质咸化速度快，经过一段时间后，水的含盐量大体上保持不变；2)在前述理论模型的基础上，讨论了调蓄水深、非稳定渗流、围堤侧渗流、传质通量、初始盐度、蓄水过程及蒸发和降雨等因素对北塘水库水质咸化影响的规律；3)在上述研究和讨论的基础上，提出了北塘水库水质咸化防治的工程措施和管理措施，其中最有效的措施是采用加高围堤的方式增加北塘水库的库容，即库底高程不变，底面积不变，加大水深。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 导论
• 第一节 研究背景
• 1.1.1 水资源现状与水危机
• 1.1.2 引黄济津工程简介
• 1.1.3 南水北调工程简介
• 1.1.4 天津滨海地区水库水质咸化问题
• 1.1.5 研究任务的来源
• 第二节 研究意义、研究内容和技术路线
• 1.2.1 研究的意义
• 1.2.2 研究的内容
• 1.2.3 研究的技术路线
• 1.2.4 主要测试指标和测定方法
• 第三节 研究的理论基础-传质理论
• 1.3.1 质量传递
• 1.3.2 动量传递
• 1.3.3 扩散系数
• 1.3.4 传质理论研究进展
• 第四节 国内外地表水体水质咸化问题研究进展
• 1.4.1 湖泊水质咸化问题研究进展
• 1.4.2 河流水质咸化问题研究进展
• 1.4.3 水库水质咸化问题研究进展
• 第二章 天津滨海地区水库水质咸化机理定性分析
• 第一节 天津滨海地区自然地理和气候气象特点
• 2.1.1 地貌特征
• 2.1.2 气候特性
• 2.1.3 土壤质地
• 2.1.4 水文特点
• 第二节 天津滨海地区水库概况
• 2.2.1 区域水库总体概况
• 2.2.2 北大港水库概况
• 2.2.3 北塘水库概况
• 第三节 天津滨海地区水库水质咸化机理定性分析
• 2.3.1 水质咸化影响因素概述
• 2.3.2 盐碱土的影响
• 2.3.3 咸化浅层地下水的影响
• 2.3.4 气候气象条件的影响
• 2.3.5 大气沉降的影响
• 2.3.6 海水入侵的影响
• 2.3.7 库内底碱水水质水量的影响
• 2.3.8 水库水深（水位）的影响
• 第四节 天津滨海地区水库水质咸化机理综合分析
• 第三章 天津滨海地区水库水质咸化的室内试验研究
• 第一节 盐碱土对水库水质咸化影响的室内试验研究
• 3.1.1 天津滨海地区盐碱土特性及成因
• 3.1.2 土壤对地表水体水质影响的研究进展
• 3.1.3 试验装置和试验准备工作
• 3.1.4 试验方案及试验结果分析
• 3.1.5 小结
• 第二节 咸化浅层地下水对水库水质咸化影响的室内试验研究
• 3.2.1 天津滨海地区咸化浅层地下水特性及成因
• 3.2.2 浅层地下水水质与地表水体水质关系研究进展
• 3.2.3 试验装置和试验准备工作
• 3.2.4 试验方案及试验结果分析
• 3.2.5 小结
• 第三节 风对水库水质咸化影响的室内试验研究
• 3.3.1 风的扰动对地表水体水质影响的研究进展
• 3.3.2 风对水质咸化影响的理论分析
• 3.3.3 试验方案
• 3.3.4 试验结果与分析
• 3.3.5 小结
• 第四节 风对水库水质咸化影响的室内试验研究
• 3.4.1 概况
• 3.4.2 试验方案
• 3.4.3 试验结果与分析
• 3.4.4 小结
• 第四章 天津滨海地区的北大港水库水质咸化研究
• 第一节 北大港水库现场水质咸化模拟试验研究
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 模拟试验水池设计与试验方案
• 4.1.3 试验结果与讨论
• 4.1.4 小结
• 第二节 北大港水库实际水质咸化研究
• 4.2.1 北大港水库水质咸化数学模型的简化
• 4.2.2 北大港水库的水量衡算
• 4.2.3 北大港水库水质变化趋势分析
• 4.2.4 北大港水库水体中氯离子总量衡算
• 4.2.5 北大港水库水质咸化模型数学表达式
• 4.2.6 北大港水库库底盐碱土的氯离子平均传质通量
• 4.2.7 小结
• 第三节 北大港水库实际水质咸化与现场模拟试验研究结果对比
• 第四节 北大港水库水质咸化防治措施研究
• 4.4.1 北大港水库中必须进行改造的原因
• 4.4.2 北大港调蓄水库改造方案的提出
• 4.4.3 北大港调蓄水库改造方案的确定
• 4.4.4 改造后北大港调蓄水库水质咸化模型数学表达式
• 4.4.5 小结
• 第五章 天津滨海地区的北塘水库水质咸化研究
• 第一节 研究背景及研究任务
• 第二节 北塘水库与北大港水库水质咸化情况对比
• 5.2.1 北塘水库与北大港水库基本情况对比
• 5.2.2 北塘水库与北大港水库水质咸化特点对比
• 第三节 北塘水库水质咸化问题研究方法的选定
• 第四节 传质与下渗压咸共同作用下北塘水库水质咸化数学模型
• 5.4.1 传质与下渗压咸共同作用下北塘水库水质咸化的物理模型
• 5.4.2 传质与下渗压咸共同作用下北塘水库水质咸化的理论分析
• 5.4.3 传质与下渗压咸共同作用下北塘水库水质咸化的数学模型的建立
• 5.4.4 传质与下渗压咸共同作用下北塘水库水质咸化的数学模型的讨论
• 第五节 北塘水库水质咸化防治措施研究
• 5.5.1 北塘水库增加库容的工程措施
• 5.5.2 消除渗流对北塘水库水质咸化影响的工程措施和管理措施
• 5.5.3 降低氯离子传质通量对水质咸化影响的管理措施
• 5.5.4 消除初始盐度对北塘加水质咸化影响的工程措施和管理措施
• 5.5.5 消除蒸发和降水对北塘水库水质咸化影响的管理措施
• 5.5.6 采用水质咸化防治措施后北塘水库氯离子浓度估算
• 第六章 结论和建议
• 1. 研究结论
• 2. 建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果