梅生成
(上??睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335)
徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源工程地理位置臨近黃海海岸,成陸時(shí)間較短,受海潮和海水型地下水的雙重影響,該區(qū)域土質(zhì)鹽分高,其中尤其是氯離子含量高[1-2]。前期地勘資料顯示,工程所在位置庫(kù)底深度土層土壤含鹽量大于1.5%,為鹽化土壤,高鹽土壤鹽分釋放將導(dǎo)致徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源水體氯離子濃度超標(biāo),引起飲用水口感偏咸,并影響市政供水管網(wǎng)的穩(wěn)定,也增加了大部分企業(yè)工業(yè)用水的前處理成本[3]。
同時(shí),土壤高鹽與水環(huán)境高鹽是本工程生態(tài)凈化系統(tǒng)構(gòu)建的最重要限制因素[4-5]。地勘結(jié)果表明,工程區(qū)域地下水水位、庫(kù)區(qū)設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度的土層及地下水鹽度含量較高,Cl-濃度達(dá)到1500~4500 mg/L左右。高鹽生環(huán)境會(huì)抑制水生植物的光合作用,還會(huì)對(duì)水生生物造成影響,從而對(duì)生態(tài)凈化工藝中水生動(dòng)、植物的群落構(gòu)建造成較大的脅迫[6-9]。
關(guān)于濱海灘涂鹽土修復(fù),目前國(guó)內(nèi)外已有較多的研究,并提出了物理、化學(xué)和生物改良等修復(fù)措施[10-11]。但這些研究均是基于灘涂鹽土耕作種植的改良目標(biāo)需求,以耕作層土壤改良和提高農(nóng)作物耐鹽性為主要研究對(duì)象,而對(duì)于濱海高鹽地區(qū)湖庫(kù)底部高鹽土壤本底生境修復(fù),特別是以濱海鹽堿地湖庫(kù)水體淡化為關(guān)注點(diǎn)的研究尚不多見(jiàn)。
因此,在資料查閱、現(xiàn)場(chǎng)小試的基礎(chǔ)上,進(jìn)行原位中試示范工程,深入分析土壤脫鹽的關(guān)鍵控制參數(shù),提出本試驗(yàn)方案,指導(dǎo)徐圩新區(qū)應(yīng)急備用水源地庫(kù)區(qū)建設(shè)過(guò)程中及建成后的脫鹽工作,同時(shí)也為區(qū)域內(nèi)其它湖庫(kù)的脫鹽提供技術(shù)支撐。
在室內(nèi)模擬試驗(yàn)獲取的脫鹽關(guān)鍵參數(shù)基礎(chǔ)上,通過(guò)控制變量等試驗(yàn)方法,進(jìn)行野外原位的小規(guī)模小試及大規(guī)模中試研究,進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果參數(shù),為徐圩庫(kù)區(qū)脫鹽提供更加科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支撐。
原位中試池平面布置在徐圩庫(kù)區(qū)工程平面布置的基礎(chǔ)上,按照1∶25的比例進(jìn)行縮放,確定單個(gè)示范試驗(yàn)池的面積大致在3.5畝左右,示范工程試驗(yàn)池的形狀、進(jìn)出水口位置均與庫(kù)區(qū)相同,且?guī)斓淄ㄟ^(guò)土壤換填,平鋪50cm徐圩庫(kù)區(qū)庫(kù)底原位土層,增加示范工程中試試驗(yàn)研究的可參考性,原位中試試驗(yàn)池設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣的方式,監(jiān)測(cè)分析各點(diǎn)位水質(zhì)和底泥理化性質(zhì)指標(biāo),同時(shí)觀察記錄周邊水生植物和水生動(dòng)物等生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。底泥樣品的分析指標(biāo)包括土壤全鹽量、Cl-、土壤電導(dǎo)率、pH值、含水率、粒度共六項(xiàng)指標(biāo)。水質(zhì)的分析指標(biāo)包括水溫、CODMn、氮磷指標(biāo)、全鹽量、Cl、pH值共9項(xiàng)指標(biāo),底泥及水體監(jiān)測(cè)方法見(jiàn)表1。
圖1 原位中試試驗(yàn)池設(shè)計(jì)斷面圖
表1 底泥及水體監(jiān)測(cè)方法
原位中試庫(kù)底換填厚度50cm含鹽量2%左右的庫(kù)底原位土,采用手扶式拖拉機(jī)進(jìn)行旋耕,翻耕深度15cm,脫鹽水深30cm。原位中試池面積大約3.5畝,共進(jìn)行10輪攪拌換水脫鹽,總用水量 6174m3。
在原位中試旋耕攪拌脫鹽中,原水的氯離子濃度較高,達(dá)到2200mg/L以上,脫鹽初期的前5輪攪拌換水,氯離子濃度快速下降,隨后土壤鹽分釋放緩慢,水體氯離子濃度和旋耕脫鹽次數(shù)呈冪指數(shù)關(guān)系,。至完成10輪攪拌換水脫鹽后,上覆水氯離子濃度低于250mg/L標(biāo)準(zhǔn)限值,基本完成原位中試池土壤脫鹽,完成脫鹽的單位面積用水量3.36t/m2。
計(jì)算每次攪拌換水外排的脫鹽量,其變化趨勢(shì)與上覆水氯離子濃度變化情況一致,初期前5輪脫鹽排水的脫鹽量較大,當(dāng)土壤鹽分降低到一定程度后,每次換水的脫鹽量均相對(duì)較小,原位中試歷次換水脫鹽量見(jiàn)圖2。
圖2 原位中試歷次換水脫鹽量
通過(guò)多點(diǎn)取樣監(jiān)測(cè)原位中試脫鹽的土壤鹽度變化趨勢(shì),監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,攪拌換水脫鹽前,原位中試池底換填的庫(kù)底土壤鹽分在2.0%左右,與庫(kù)底表層土壤鹽度的監(jiān)測(cè)值保持一致,其中表層10cm土壤鹽度1.95%,10~20cm土壤鹽度1.99%,20~30cm土層鹽度2.06%;脫鹽后,表層0~20cm土層的鹽度降低顯著,其中表層10cm土層的鹽度降低至0.43%,10~20cm土壤鹽度降低至0.64%,受攪拌設(shè)備的旋耕深度限制,20~30cm土層的鹽度降低量較小,脫鹽后的土壤鹽度平均值在1.13%左右。
從不同取樣位置土壤鹽度的變化情況(表2)可以看出,在完成10輪的攪拌換水脫鹽后,東側(cè)Z1取樣點(diǎn)土壤鹽度在各取樣點(diǎn)中,自表層10cm至30cm不同深度土層的鹽度均達(dá)到最低,表層0~10cm土壤鹽度僅 0.27%,而該取樣點(diǎn)位于攪拌脫鹽換水的進(jìn)水口,進(jìn)水期間低鹽度的原水沖刷是該點(diǎn)位土壤脫鹽徹底的主要原因;而距離進(jìn)水口最遠(yuǎn)的Z3取樣點(diǎn),脫鹽后的土壤鹽度相較其他幾個(gè)取樣點(diǎn)最高。因此,庫(kù)區(qū)脫鹽工程實(shí)施過(guò)程中,要綜合考慮進(jìn)出水位置[12]。
表2 原位中試脫鹽前后土壤鹽度變化
表2(續(xù))
原位中試經(jīng)10輪攪拌換水脫鹽后,自10月28日起蓄高水位至深度為1.0m,模擬庫(kù)區(qū)脫鹽完成后蓄水期階段水體中的氯離子含量變化情況。在經(jīng)持續(xù)30天的跟蹤監(jiān)測(cè)后,原位中試脫鹽后蓄水期水體氯離子濃度變化情況見(jiàn)圖5。
持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,在蓄水水深1.0m的條件下,善后河原水在脫鹽覆蓋后的原位中試池內(nèi)停留30天左右的時(shí)間里,水體氯離子含量從184 mg/L升高至220 mg/L,未超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值的250 mg/L,除進(jìn)水蓄水時(shí)氯離子含量自初始的184 mg/L快速上升至202 mg/L后,氯離子含量上升緩慢,水質(zhì)維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)(見(jiàn)圖3)。
圖3 原位中試脫鹽后蓄水期水體氯離子濃度變化
從原位中試脫鹽后蓄水期鹽分釋放通量(圖4)來(lái)看,土壤鹽分的釋放通量極低,平均低于0.03g/(m2·h),按此釋放通量,排除初次進(jìn)水沖刷的影響,徐圩庫(kù)區(qū)常水位7m水深的條件下,庫(kù)區(qū)水體氯離子含量在一個(gè)月內(nèi)預(yù)計(jì)僅上升2~5mg/L左右,能夠達(dá)到庫(kù)區(qū)脫鹽目標(biāo)需求。
圖4 原位中試脫鹽后蓄水期鹽分釋放通量
原位中試脫鹽的關(guān)鍵參數(shù)如下:原位中試換水10次,用水量 6174m3,脫鹽量 12257kg,單位面積用水3.36 t/m2,表層土壤脫鹽率 73.1%,距庫(kù)區(qū)表層土壤脫鹽率 80%還有一點(diǎn)差距,建議增加攪拌換水次數(shù)。
(1)相較靜態(tài)釋放和流動(dòng)換水,攪拌換水脫鹽是最快速高效,且節(jié)約水資源的脫鹽方案,且土壤脫鹽較徹底,可達(dá)到庫(kù)區(qū)脫鹽目標(biāo)需求。
(2)原位中試經(jīng)10次攪拌換水后,上覆水氯離子濃度達(dá)到250mg/L以下,蓄水期氯離子濃度上升緩慢,具有較好的工程示范意義,可推廣應(yīng)用于徐圩庫(kù)區(qū)土壤脫鹽??紤]土壤脫鹽的徹底性,庫(kù)區(qū)脫鹽時(shí)建議增加攪拌換水次數(shù)。
(3)進(jìn)出水方式可一定程度上影響土壤的脫鹽效果,庫(kù)區(qū)脫鹽工程實(shí)施過(guò)程中,建議采用多點(diǎn)進(jìn)水的方式,提高庫(kù)區(qū)脫鹽效率。