群島峽道濃鹽水排放擴(kuò)散的三維數(shù)值模擬

李春輝，李瑞杰，肖千璐，傅小燕，張海春

(1.南京信息工程大學(xué) 海洋數(shù)值模擬與觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044； 2.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 3.浙江省海洋開發(fā)研究院，浙江 舟山 316100)

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群島峽道濃鹽水排放擴(kuò)散的三維數(shù)值模擬

李春輝1，李瑞杰2，肖千璐2，傅小燕2，張海春3

(1.南京信息工程大學(xué) 海洋數(shù)值模擬與觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044； 2.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 3.浙江省海洋開發(fā)研究院，浙江 舟山 316100)

采用三維潮流溫鹽數(shù)學(xué)模型對(duì)六橫島附近海域的水動(dòng)力環(huán)境及鹽度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并以實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，所建立模型可以較好地反映該海域潮流動(dòng)力特征及鹽度場(chǎng)的分布情況。利用驗(yàn)證后的三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)海水淡化工程濃鹽水排放后鹽度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，將排放后的鹽度分布與工程前進(jìn)行對(duì)比分析，并推算鹽升面積及垂向鹽度增量。結(jié)果表明，海水淡化工程排放的濃鹽水對(duì)六橫島海域鹽度分布的影響主要集中在排水口附近的底層，影響區(qū)域呈帶狀分布，最大鹽度增量為1.2左右，且排水口附近海域出現(xiàn)鹽度垂向分層。

濃鹽水；海水淡化；數(shù)值模擬；六橫島

0 引言

淡水資源的日益短缺已經(jīng)成為制約各地經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，尤其對(duì)于海島地區(qū)而言，與大陸分離，徑流短促，淡水資源供需矛盾更為突出。為緩解用水矛盾，近年來(lái)海島海水淡化廠迅速興起，海水淡化產(chǎn)生的大量濃鹽水被排入周邊海域?qū)е蔓}度場(chǎng)輸運(yùn)發(fā)生改變，進(jìn)一步影響到海洋生物活動(dòng)及生態(tài)平衡[1]。因此，利用數(shù)值模式對(duì)島嶼附近濃鹽水排海后工程附近海域鹽度場(chǎng)的分布變化及輸移規(guī)律進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，對(duì)于海水淡化工程的排量控制及海洋環(huán)境影響評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。

利用數(shù)學(xué)模型等定量化手段，研究濃鹽水對(duì)水環(huán)境及鹽度分布的影響，在國(guó)內(nèi)外已取得一定成果[2-8]，如：羅鋒 等[2]通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算，對(duì)不同水文氣象環(huán)境因子作用對(duì)長(zhǎng)江口鹽水入侵的影響進(jìn)行了研究；ANTON et al[3]運(yùn)用二維對(duì)流擴(kuò)散方程建立數(shù)學(xué)模型討論了阿曼沿岸排海濃鹽水對(duì)潮汐振蕩水流產(chǎn)生的影響；王曉萌 等[4]建立了膠州灣鹽度擴(kuò)散模型，以規(guī)劃海水淡化量為輸入條件，模擬計(jì)算了膠州灣鹽度的分布和變化等等。本文針對(duì)岸線曲折的群島海域，采用精度更高、對(duì)岸線概化程度更優(yōu)的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域，以六橫島海水淡化工程為例，在充分搜集島嶼附近海域水文地形資料的基礎(chǔ)上，建立三維鹽度數(shù)學(xué)模型，對(duì)排水口附近海域進(jìn)行潮流動(dòng)力及鹽度的模擬，并根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)方案，計(jì)算高濃度鹽水排放對(duì)周圍海域水動(dòng)力特性及鹽度分布的影響，作出鹽度增量預(yù)測(cè)與分析。以此評(píng)價(jià)該工程排海濃鹽水對(duì)海洋環(huán)境的影響，為島嶼海水淡化廠濃鹽水排海方式及排海量等提供合理化建議。

1 三維潮流溫鹽數(shù)學(xué)模型

本研究采用FVCOM三維數(shù)學(xué)模型，吳倫宇 等[9]曾利用它成功地模擬了海陽(yáng)海水淡化廠夏季高鹽廢水排放的擴(kuò)散情況，從模擬結(jié)果及驗(yàn)證來(lái)看模型是較為精確的。三維潮流溫鹽數(shù)學(xué)模型采用外模與內(nèi)模結(jié)合的方式進(jìn)行計(jì)算，外模采用改進(jìn)的四階龍格-庫(kù)塔格式進(jìn)行數(shù)值積分迭代，具有二階精度；內(nèi)模采用RK格式進(jìn)行積分迭代。選用干濕判斷法進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的動(dòng)邊界處理。

模型控制方程由連續(xù)方程式(1)、運(yùn)動(dòng)方程式(2)和式(3)、溫度方程式(4)、鹽度方程式(5)及狀態(tài)方程式(6)組成：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ρ=ρ(T,S)

(6)

以上各式中：H為靜水深；t為時(shí)間；σ為垂向坐標(biāo)，即海底z=-H處其值為-1，海表面z=ζ處其值為0；D=H+ζ，D為總水深，ζ為海表面波動(dòng)；u、v和w分別是σ坐標(biāo)系下水平向和垂向速度分量；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)；T、S和ρ為溫度、鹽度和密度；ρ0為參考密度；Km為垂向渦動(dòng)黏滯系數(shù)；Kh為熱力垂向渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；Fx、Fy、FT和FS分別為水平動(dòng)量、熱量、溫度、鹽度擴(kuò)散項(xiàng)。垂向k-ε湍封閉模型，其渦黏系數(shù)是由湍流參數(shù)k和ε導(dǎo)出的：

(7)

式中：k和ε分別為單位體積的湍流動(dòng)能及其擴(kuò)散系數(shù)；cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)取值為0.09。

2 六橫海域潮流及鹽度數(shù)值模擬

工程海域位于浙江省舟山市六橫島東面，周邊島嶼眾多，岸線曲折(圖1)。由于岸線及地形對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響，為確保工程海域水流及鹽度的計(jì)算精度，采用大、小范圍嵌套的方式計(jì)算，大范圍為小范圍模型提供潮位及鹽度邊界條件[10]。大范圍模型開邊界采用水位控制，外海水位邊界資料由東中國(guó)海潮波模型提供(圖2)。計(jì)算開始時(shí)參考實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給定鹽度的初值為月平均鹽度25，海水溫度初值為月平均溫度9 ℃。根據(jù)Oey理論，在鹽度數(shù)值計(jì)算中，對(duì)鹽度場(chǎng)模擬達(dá)到一定時(shí)間后，可以認(rèn)為鹽度場(chǎng)已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定，其結(jié)果己經(jīng)不受鹽度初始條件的影響，因此，小范圍鹽度、溫度邊界可以采用大范圍模型計(jì)算穩(wěn)定后的鹽度、溫度值。小范圍模型的計(jì)算區(qū)域以六橫島東側(cè)為西邊界，以蝦峙島為東邊界，北側(cè)及東南側(cè)設(shè)為開邊界，南側(cè)涵蓋元山島北部(圖3)。采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算區(qū)域，同時(shí)在工程取、排水口附近海域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，計(jì)算空間步長(zhǎng)40～180 m，網(wǎng)格單元15 838個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)8 321個(gè)(圖4)。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 The location of the project

圖2 大范圍計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.2 The large-scale calculation area

圖3 小范圍計(jì)算區(qū)域及驗(yàn)證站位位置示意圖Fig.3 The small scale calculation area and the distribution of verification stations

圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分圖Fig.4 The grid of the calculation area

模擬中垂向均勻分為6層，模擬時(shí)間為2013年1月11日00:00時(shí)—2013年1月19日23:00時(shí)，采用2013年1月同步觀測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，潮位驗(yàn)證如圖5所示。限于篇幅，流速和鹽度選取大潮期間S1號(hào)站位進(jìn)行說(shuō)明，比較表層、0.6層及底層流速流向的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，如圖6～圖8所示。由圖可知，各潮時(shí)的潮位計(jì)算值與實(shí)測(cè)資料吻合較好，各層流速、流向及鹽度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合，即所建立模型能較好地反映六橫島附近海域的潮流和鹽度分布特征。

圖5 潮位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較圖Fig.5 Water level comparison of field data with calculation values

圖6 流速實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較圖Fig.6 Flow velocity comparison of field data with calculation values

圖7 流向?qū)崪y(cè)值與計(jì)算值比較圖Fig.7 Flow direction comparison of field data with calculation values

圖8 鹽度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較圖Fig.8 Salinity comparison of field data with calculation values

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)鹽度變化不大，大潮期間鹽度值集中在24.6～25.8，小潮期間鹽度值集中在26.1～26.9。以大潮漲急和落急時(shí)底層鹽度等值線分布圖為例進(jìn)行說(shuō)明(圖9)。由于計(jì)算區(qū)域北部經(jīng)由螺頭水道與杭州灣相接，受到長(zhǎng)江口、杭州灣徑流的影響，北部水域鹽度低于南部，呈現(xiàn)出鹽度由NW向至SE向逐漸增大的趨勢(shì)。漲潮時(shí)受漲潮水流影響，東南部水流鹽度減小并向西北向擴(kuò)散，鹽度等值線向西北向凸出；落潮期間西北邊界水流鹽度進(jìn)一步被沖淡，鹽度等值線向東南方向凸出。受地形影響，取、排水口附近及六橫島與元山島之間的水道流速較大，鹽度值較高。表層及中層鹽度分布與底層類似，鹽度場(chǎng)與流速場(chǎng)的分布響應(yīng)關(guān)系一致，工程前水流鹽度在垂向上無(wú)明顯分層。

圖9 工程前漲急(a)、落急(b)鹽度等值線圖(大潮底層)Fig.9 The salinity contour at flood fast tide(a) and ebb fast tide(b) (at the bottom of the spring tide)

3 濃鹽水排放對(duì)工程海域的影響

根據(jù)海水淡化項(xiàng)目的工程需求，其取水量及排水量如表1所示，排、取水口位置見圖10。采用經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證的三維潮流溫鹽數(shù)學(xué)模型，將取水口和排水口作為點(diǎn)源源項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)濃鹽水排放對(duì)周圍海域水動(dòng)力環(huán)境及鹽度分布的影響。

圖10 取、排水口位置示意圖Fig.10 The location of the water intake and outfall

由于排放的高濃度鹽水密度較大，隨著漲、落潮水體在底層運(yùn)動(dòng)，鹽度增量產(chǎn)生了明顯的垂向分層現(xiàn)象。底層受到濃鹽水排放的影響最大，由下向上影響逐漸減小，至表層的影響已經(jīng)很小。由于大潮時(shí)潮流流速比小潮大，對(duì)排出的高濃度鹽水的沖淡作用較明顯，大潮時(shí)最大鹽升面積小于小潮。平面上，由于排水口所處海域的潮流類型為往復(fù)流，且流速較大，高濃度鹽水由排水口排出后隨漲、落潮水體沿六橫島岸線運(yùn)動(dòng)并逐漸擴(kuò)散，僅近岸海域出現(xiàn)了鹽度升高的現(xiàn)象，遠(yuǎn)離岸邊的海域幾乎沒(méi)有受到影響。漲、落潮流趨勢(shì)與工程前基本相同，即漲潮時(shí)高濃度鹽水隨漲潮水體沿岸線向NW方向運(yùn)動(dòng)，落潮向SE方向運(yùn)動(dòng)。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，高濃鹽水的排放對(duì)計(jì)算海域的潮位、流速和流向的影響甚微，完全沒(méi)有改變?cè)摵Ｓ虻乃畡?dòng)力條件，下面將重點(diǎn)關(guān)注濃鹽水在水動(dòng)力作用下的輸移擴(kuò)散規(guī)律。

表1 工程取水口及排水口流量設(shè)計(jì)

圖11為計(jì)算區(qū)域大潮全潮平均鹽度增量等值線圖，由圖可見鹽度增大區(qū)域沿岸灘成帶狀分布且高鹽異常區(qū)面積較小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是排水口位于群島峽道，水流呈現(xiàn)往復(fù)流形態(tài)，且流速較大。而選址在其他位置的濃鹽水排放后的鹽度分布情況就有所不同。如選址于海灣的排水口外出現(xiàn)大面積的高鹽異常區(qū)，呈扇形分布[4,11]；選址于岬角的排水口外出現(xiàn)小面積斑塊狀的高鹽異常區(qū)[9]。

表2為工程實(shí)施后全潮平均鹽升面積，表3為工程實(shí)施后全潮最大鹽升面積，可以看出，排出的濃鹽水引起了近岸水體鹽度變化，并主要集中在底層，從表層到底層鹽升面積逐漸增大。表層鹽升均未超過(guò)0.5，中層的鹽升不明顯，鹽升主要發(fā)生在底層。底層全潮平均鹽升超過(guò)1的面積為0.005～0.009 km2，全潮最大鹽升超過(guò)1的面積為0.098～0.137 km2；全潮平均鹽升超過(guò)0.01的面積為5.944～7.379 km2，全潮最大鹽升超過(guò)0.01的面積為11.337～14.334 km2。

圖11 大潮全潮平均鹽度增量等值線圖Fig.11 The mean salinity incremental contours at the whole tidal of the spring tide

表3 全潮最大鹽升面積

為了較好地反映濃鹽水排放工程實(shí)施后對(duì)排水口附近海域鹽度變化的影響，在排水口附近設(shè)置了14個(gè)特征站位對(duì)海域的鹽度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，站位布置如圖12所示。

對(duì)工程實(shí)施后各特征站位鹽度的變化情況進(jìn)行分析。如表4所示，工程后，近底層(0.6層～1.0層)總體表現(xiàn)出距排水口越遠(yuǎn)的特征站位鹽度增量越小，距離排水口越近的特征站位鹽度增量越大的特征；在靠近表層的各層，鹽度變化主要受擴(kuò)散作用及垂線摻混的影響，A～D站表層鹽度增量的分布特征相對(duì)近底層有相反的趨勢(shì)。在大、小潮漲潮時(shí)期，處于排水口漲潮方向的A1(A2)～C1(C2)變化量比處于排水口落潮方向的G1(G2)～E1(E2)的變化量大，在落潮時(shí)期相反，說(shuō)明濃鹽水?dāng)U散受潮流運(yùn)動(dòng)影響較大。

圖12 特征站位布置示意圖Fig.12 The location of feature stations

分析各點(diǎn)的垂向特征可知，僅靠近排水口的C1～E1，C2～E2站點(diǎn)的鹽度增量在垂向上表現(xiàn)出相對(duì)明顯的分層現(xiàn)象，其余距排水口較遠(yuǎn)的站點(diǎn)垂向分層并不明顯，從表層至底層基本呈線性增加。高濃度鹽水排放之后，由于其密度比排放區(qū)域的海水大，排出水體集中在底層隨潮流運(yùn)動(dòng)，隨著距離的增加，水體的鹽度逐漸減小直至與海域其他水體鹽度值相同。在這個(gè)過(guò)程中鹽度較高水體與其他水體的密度差也逐漸變小，水體在垂向上的擴(kuò)散作用逐漸體現(xiàn)出來(lái)。隨著擴(kuò)散時(shí)間和距離的推移，各層水體鹽度增量逐漸趨于平衡。

表4 各特征站位分層鹽度增量平均值表(大潮漲潮)

4 結(jié)論

本文對(duì)位于群島峽道的海水淡化工程濃鹽水排放前后的海水鹽度變化進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，具體結(jié)論與建議如下：

(1)工程實(shí)施后，排水口排放的高濃度鹽水在往復(fù)流的作用下，沿六橫島岸線輸移擴(kuò)散，僅近岸的海域出現(xiàn)了明顯的鹽度升高現(xiàn)象，鹽度升高區(qū)域面積較小,整體呈帶狀分布在沿岸海域，遠(yuǎn)離岸邊的海域幾乎沒(méi)有受到影響。

(2)鹽度增量主要集中在排水口附近很小的一塊區(qū)域內(nèi)，最大鹽度增量為1.2左右，且小潮增量大于大潮。

(3)鹽度增量在垂向上呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象，即下層鹽度增量大于上層，故濃鹽水排放對(duì)工程研究區(qū)域的影響主要集中在底層，將加強(qiáng)該區(qū)域的懸沙沉降速度。

(4)濃鹽水的稀釋擴(kuò)散主要受水動(dòng)力影響，如有可能，應(yīng)盡量選擇在水動(dòng)力較強(qiáng)的時(shí)刻排放來(lái)減少環(huán)境影響，例如選擇在漲急、落急時(shí)刻附近的時(shí)間排放。

本文僅針對(duì)冬季鹽度增量進(jìn)行了研究，下一步可對(duì)該區(qū)域的年鹽度變化情況分季節(jié)對(duì)濃鹽水排海的鹽度增量進(jìn)行研究，得到工程對(duì)周邊海域的影響程度，以評(píng)估由于鹽度變化對(duì)周邊海域生態(tài)環(huán)境所造成的影響。

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3D numerical simulation of strong brine discharging into archipelagic channel

LI Chun-hui1, LI Rui-jie2, XIAO Qian-lu2, FU Xiao-yan2, ZHANG Hai-chun3

(1.OceanicModelingandObservationLaboratory,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 2.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.ZhejiangMarineDevelopmentResearchInstitute,Zhoushan316100,China)

The hydrodynamic environment and the salinity field distribution around Liuheng Island are simulated with a 3D current-temperature-salt numerical model and the simulation results are verified with the field data, which shows the computation results are able to reflect the hydrodynamic characteristics and the salty-field objectively. Base on this 3D numerical model, the salinity field distribution after the discharge of the concentrated brine from seawater desalination is calculated and compared with the salinity field distribution before the discharge. The results show that the influence of concentrated brine discharge is mainly centralized at the bottom water layer in a zonation distribution near the outlet around where the salinity is stratified in vertical and the maximum increment of the salinity is about 1.2.

strong brine; seawater desalination; mathematic simulation; Liuheng Island

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.005.

2015-06-03

2016-07-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41276017)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(2009BAB47B08)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助(KYZZ15_0143)

李春輝(1988-)，男，江蘇徐州市人，博士，主要從事河口海岸動(dòng)力學(xué)、海洋物質(zhì)輸運(yùn)方面的研究。E-mail:381266950@qq.com

P731.12

A

1001-909X(2016)04-0039-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.005

李春輝，李瑞杰，肖千璐，等. 群島峽道濃鹽水排放擴(kuò)散的三維數(shù)值模擬[J]. 海洋學(xué)研究,2016,34(4):39-45,

LI Chun-hui, LI Rui-jie, XIAO Qian-lu, et al. 3D numerical simulation of strong brine discharging into archipelagic channel[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(4):39-45, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.005.