基于MIKE21的渤海湾海水淡化浓盐水排海盐度场分布研究

张拂坤，刘淑静，阮国岭

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

渤海湾位于渤海西部，其沿岸的河北、天津和山东省人口密集，经济增长速度快，淡水资源短缺已成为制约其社会经济可持续发展的重要因素之一。海水淡化作为淡水资源的增量技术，日益受到环渤海湾地区的重视，截至目前，渤海湾周边已建海水淡化厂产水规模约36×104t/d，根据规划，未来发展规模还将不断增加。

海水淡化厂排放的浓盐水盐度比普通海水高一倍左右，浓盐水大规模排放进入受纳水体后随海水的流动扩散，会使受纳海域盐度上升。而渤海湾是一个半封闭海湾，海水交换能力较差，目前渤海湾沿岸海水淡化工程的浓盐水大多通过排入盐田、综合利用等方式进行处理，但随着环渤海湾海水淡化规模的不断扩大，浓盐水产生量可能超过其再利用的能力，将面临海水淡化浓盐水排海的问题。研究表明（Talavera et al，2001； Torquemada，2005），浓盐水对海洋环境的影响与其排放入海后形成的盐度场分布密切相关。数值模拟是海水淡化浓盐水排海盐度场分布研究的一个重要手段，国内外常用的模型包括CORMIX、 CAMERI 3D、 POM、COHERENS 等，这些模型在海水淡化工程浓盐水排海盐度场模拟中得到应用（Alameddine et al，2007；Safrai et al，2007；王晓萌等，2009；武雅洁等，2008），应用地区包括胶州湾、地中海和阿拉伯湾等。随着大型可视化模拟软件的发展，用于浅海、河口水动力模拟的二维数值模拟软件MIKE21 逐渐应用于浓盐水排海盐度场的研究。如西班牙采用MIKE21 对某海水淡化厂浓盐水排放的环境影响范围进行了研究。印度的Kankara（2007） 采用MIKE21 模型对Kachchh 湾某淡化厂浓盐水排放后的扩散规律进行了研究。我国目前MIKE21 软件在温排水、化学需氧量（COD） 等排放研究中均有应用，如谢亚力等（2005）、张舒羽等（2009） 分别运用MIKE21 模型对浙江宁海电厂和苍南电厂温排水排放进行了数值模拟。李娜等（2011） 运用MIKE21 对三峡库区涪陵段排污口COD 扩散进行了模拟，国内还未见运用MIKE21对渤海湾海水淡化浓盐水排海的盐度场模拟。

本文运用MIKE 21 数值模拟软件，针对渤海湾地区建设大规模海水淡化工程的发展趋势及其浓盐水排海盐度场分布的环境问题，建立渤海湾海洋水动力模型，模拟不同位置、不同规模海水淡化工程浓盐水排放后的输移扩散情况，初步计算了不同排放情况的盐度升高面积，并进行了对比分析，提出了预防渤海湾地区浓盐水排海环境影响的建议。

1 渤海湾海水淡化工程浓盐水排海模型的建立

1.1 基本方程及求解

MIKE21 水动力模型的控制方程为基于Boussinesq 假定和流体静压假定的二维不可压雷诺平均N-S 方程，即浅水方程。

在二维水动力模型的基础上，利用对流扩散模型输运过程。MIKE 21 求解盐度输运过程的对流扩散方程（1） 和（2）：

MIKE 21 模型采用的计算方法为有限体积法，计算网格采用非结构（FM） 网格，动量方程和连续性方程采用交替隐式离散法（ADI） 进行离散求解。

1.2 网格搭建

本文研究范围为黄河口和大清河口以西的渤海湾海域，为使模拟结果准确，将模型边界选在深水区域，建立渤海海域范围的大模型；并对渤海湾海域和工程附近海域进行网格加密的方法，采用非结构网格，工程区域网格单元边长约为100 m，渤海湾内其他区域网格边长约2 000 m。该海域地形采用MIKE C-MAP 地形资料，地球球面坐标投影采用UTM50 的投影坐标系，UTM50 坐标系下渤海湾模型网格的划分如图1 所示。

1.3 参数设置和率定

通过比较不同边界条件的计算结果，模型边界如图1 所示，边界水位由DHI 全球潮汐数据库提取，采用MIKE 全球潮汐预测模型中的潮汐调和常数，用调和分析模型预报出10 个潮汐站点的潮汐过程。对这10 个潮汐站点做空间线性插值后作为模型的边界条件。模型研究中主要考虑潮流作用、淡水输入等条件，不考虑风、大气沉降和蒸发等影响。

图1 模型中渤海湾模型计算网格（图中▲代表验潮站）

模型的干湿边界：当计算区域水深小于0.005 m 时，计算区域为“干”，不参加计算；当水深大于0.1 m 时，该计算区域记为“湿”，重新参与计算。

涡粘系数：运动方程的涡粘性系数是重要的模型参数，本质上不同分子粘性系数，不是单纯的物理常数，而是由湍运动自身确定的，是因Boussinesq 似粘性假定而引进的一个变量（孙文心等，2004）。本研究中水平涡粘系数采用Smagorinsky 公式（Smagorinsky，1963），在模型范围内设定其系数为0.25。

曼宁系数：是反映底床粗糙情况对水流影响的系数，通常为经验值，这里选取0.014 3 s/m1/3。

模拟时间：选取2007-2012年潮差最大的大潮和小潮时刻，模拟时间步长为3600 s。

选择塘沽、秦皇岛、黄骅港、京唐港4 个站位（如图1 所示） 进行模型率定，将模型计算潮位与国家海洋信息中心潮汐表潮位进行比较，结果见图2。通过比较发现，该模型的模拟结果比较理想，振幅误差大多在10 cm 以内。

图2 水位比较图（—为模拟结果；○为潮汐表数据）

采用2007年5月19日～20日天津塘沽附近海域站位连续25 小时实测海流数据对模型进行率定和验证，如图3 所示。由图可以看出，流速计算值与实测值变化规律一致，误差大多在10 cm 以内，流向计算结果与实测结果相吻合，能够真实表征渤海湾的海流特征。

1.4 盐度场模拟参数设置

以30 为渤海湾盐度计算初始值，海水淡化工程所在地区为环渤海海水淡化重点规划的缺水城市，根据《全国海水利用专项规划》、《天津市海水淡化产业发展规划》和《河北省海水利用中长期规划》，结合不同海区水动力特点，文中取河北曹妃甸、天津大港和河北黄骅，并设定每个位置的海水淡化工程规模分别为10×104t/d、50×104t/d 和100×104t/d 三种情况。选取2007年以来潮差最大的大、小潮期，进行浓盐水排海后盐度场分布的计算。经模型试运算，海水淡化浓盐水排海后，盐度场呈周期性往复运动，经一段时间达到稳定。有关文献（武雅洁等，2008） 也提出，海湾内水体不断地与外海海水进行水体交换，湾内各点的温度和盐度不会无限制地升高，而是随着潮流作周期性的变化。因此，模型运行时间分别选择为2008年12月7日～12月16日和2008年2月25日～3月5日，前8 天计算用于模型稳定。

图3 流速、流向计算值与实测值对比（—为模拟结果；○为实测数据）

选取的海水淡化工程浓盐水排放口海域盐度受附近河流淡水注入的影响，根据《1998-2010年海河流域水资源公报》 （水利部海河水利委员会） 和《1998-2010年黄河水资源公报》 （水利部黄河水利委员会），选取海河、徒骇马颊河、黄河和滦河近13年的平均入海径流量作为淡水河流的排放量，分别为13.65×108m3/a、10.64×108m3/a、135.22×108m3/a 和2.95×108m3/a。海水淡化浓盐水排放口及入海河流的位置如图4 所示。

图4 海水淡化浓盐水排放口及入海河流的位置

2 计算结果及分析

2.1 渤海湾潮流场模拟结果

通过模型计算，渤海湾潮流场模拟结果如图5所示。可以看出，涨潮时大量的海水由外海通过湾口进入，北部有两小股潮流分别沿北部和南部沿岸进入天津近海北部区域和南部区域，大部分向东进入宽阔的渤海湾，而落潮过程中海水基本顺原路从湾内流向外海。本文的潮流场计算结果与文献（张越美 等，2002；孙长青 等，2004；刘浩 等，2011） 的结论基本一致，由此可见，数值模拟结果能较好地再现渤海湾的潮汐流场模式。

图5 渤海湾潮流场

2.2 海水淡化浓盐水排海盐度场模拟结果

对渤海湾各潮时，不同海水淡化工程浓盐水排放的盐度场分布计算结果如图6-图8 所示。可以看出，不同规模海水淡化工程的浓盐水排放，对附近海区盐度升高的影响绝大部分在0.5 个单位以下。随着排放量的增加，浓盐水排放口附近海域的盐度升高较为明显，但由于渤海湾与外界的水交换作用，随着时间的变化，影响范围内的盐度未见明显升高。

由图6-图8 可以看出，位于曹妃甸的海水淡化浓盐水排放口附近海区未受到淡水河流注入等影响，盐度场呈扇形分布。位于大港和黄骅的海水淡化浓盐水排放口受潮汐作用和附近淡水河流注入的影响，浓盐水排放盐度升高区域分别向南和北方向输移，并且在大港和黄骅排放口分别有部分盐度升高的水团向东北和东南方向输移扩散，河口附近海区的盐度未受到浓盐水排海的影响，盐度场呈不规则分布。大潮时期与小潮时期相比，对盐度较高的海水水团扩散作用较强，水团扩散的距离较远。高潮时期盐度较高的海水水团外延靠近近岸，低潮时边缘离岸较远。

在排放量增大的情况下，由于曹妃甸附近海域水动力条件较好，附近海区盐度升高区域分布无明显变化，而大港和黄骅附近海区排放口区域盐度升高5%以上的面积有较为明显的增加，在同一潮时整体分布趋势相似。

表1 列出了当排放口采取不同方案时在不同潮时盐度升高5%、10%和15%的海区面积。通过对三种方案盐度升高面积，可以看出位于曹妃甸的海水淡化工程在各种排放规模和排放条件下附近海区盐度都没有明显升高，这可能是由于曹妃甸靠近渤海湾湾口，水动力交换良好，利于盐分的稀释扩散。位于大港和黄骅的10×104t/d 海水淡化工程浓盐水排海后附近海区盐度基本未受影响，但由于海区水动力交换条件相对较差，在浓盐水排放量50×104t/d 以上时，大港排放口和黄骅排放口附近盐度升高海区面积最大的时期出现在小潮低潮；其他潮时盐度升高面积明显减少，大潮高潮时盐度升高面积最小。由此可以看出，浓盐水的稀释扩散受不同潮期海流的影响，总体来讲影响从大到小依次为：小潮低潮＞大潮低潮＞小潮高潮＞大潮高潮。并且同等规模浓盐水排放情况下，受浓盐水排放影响由大到小依次为：大港附近海区＞黄骅附近海区＞曹妃甸附近海区。

图6 规模10×104 t/d 海水淡化工程浓盐水排海后盐度场分布

图7 规模50×104 t/d 海水淡化工程浓盐水排海后盐度场分布

表1 不同规模海水淡化工程浓盐水排放的盐度升高面积(km2）

3 结论与建议

（1） 水动力条件是影响盐度场分布的主要因素，曹妃甸位于渤海湾湾口，海洋水动力条件较好，规模100×104t/d 海水淡化工程排放浓盐水对附近海区海水盐度影响不显著，在该区域建设大型、超大型海水淡化工程，浓盐水稀释速度较快，不会对周围海区的盐度产生影响。大港和黄骅位于渤海湾内部，建设10×104t/d 以下的海水淡化工程排放浓盐水对周围海区的影响不显著。同时，受潮汐作用影响，大港和黄骅50×104t/d 以上海水淡化工程浓盐水排放，与低潮时期相比，高潮时期排放影响相对较小。

（2） 模拟结果显示，位于曹妃甸的海水淡化浓盐水排放口附近海区盐度场呈扇形分布。受潮汐作用和淡水河流注入影响，位于大港和黄骅的海水淡化浓盐水排放口附近海区盐度场分别向南和北方向输移，部分盐度升高水团分别向东北和东南输移扩散，河口附近海区未受到盐度升高的影响。

图8 规模100×104 t/d 海水淡化工程浓盐水排海后盐度场分布

（3） 浓盐水的稀释扩散受不同潮期海流的影响，总体来讲影响从大到小依次为：小潮低潮＞大潮低潮＞小潮高潮＞大潮高潮。因此，除合理地选择浓盐水排放口位置外，如有可能，海水淡化工程浓盐水排放还应结合潮位优化排放时刻来减少环境影响。

（4） 考虑渤海湾不同位置的水动力情况，对位于天津大港附近海水淡化工程应尽可能利用海水自净能力，并综合考虑其最近的大港滨海保护区，在排污方案上如有可能，可考虑采用“落潮排污”方案，利用落潮时刻潮流流向湾外，促进浓盐水向湾外扩散。河北黄骅海域海流流向主要为垂岸方向，海水淡化排水可考虑采用与岸线垂直的多端口扩散器排放入海。

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