天津南港污水排海工程对海域环境影响的数值模拟

陈瑶泓伶，袁洪涛

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津300457）

天津南港污水排海工程对海域环境影响的数值模拟

陈瑶泓伶1，袁洪涛2

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津300457）

摘要：采用MIKE3三维数学模型对深海排放污水的海域进行潮流数值模拟，预测排放的污水中挥发酚、COD污染物对水环境的影响程度。结果表明：由于采用深水排放，使得各水层出现了污染物含量的差异。深海排污对底层水质影响最大，从底层到表层影响逐渐减小，这说明了采用深海排放有利于控制表层水体污染物含量的增量。

关键词：MIKE3；三维数值模拟；污水排海工程

随着南港工业区内诸如石油、化工等核心产业的进驻，将会产生大量的工业废水，根据天津南港工业区的实际情况，附近水系稀释自净能力不强，近岸及内河排污将会给当地水系造成大面积污染，因此，规划采用离岸的水下深海排放方式经排污扩散器排出，再在深海强大的水动力条件下充分稀释扩散。国峰等［1］计算和分析了上海市金山区水域无污水排放、放流管深海正常排放、岸边紧急排放和污水未经处理直接排放4种不同排放方式对纳污海域水质的影响。宋强等［2］采用数值模拟的方法，研究了深圳市政污水排海工程对海域环境影响。赵俊杰等［3］以南通市工业达标尾水排海工程为例，研究了不同水深条件下水动力对污染物的扩散影响程度。由于污染物的扩散有垂直分层分布的特征，三维数学模型能够很好地反映出由于采用深水排放引起的各水层污染物含量的差异，论证深水排放的效果［4］。因此，本文采用MIKE3三维数学模型对污水深海排放的海域进行潮流数值模拟，预测扩散器排放的污水中挥发酚、COD污染物质对水环境的影响程度，从污染物与海水充分混合的角度来分析深海排放的可行性，为水域的污水、尾水处置提供科学依据。

1　水动力数值模拟

1.1模型控制方程

三维水动力模型采用丹麦水力学研究所（DHI）研制的商业软件MIKE3［5］。

基本运动方程

式中：h=η+d为总水深；η为表面水位；d为静水面；u为x方向（东方向）流速；v为y方向（北方向）流速；w为σ坐标系流速，方向为等σ线的法线方向，它与三维直角坐标系下垂向流速W的关系为

式中：f为科氏力参数；A为水平湍流粘滞系数；ρ0为参考密度；us、vs为点源流速的东、北分量；S为点源源强。

1.2边界条件

侧边界条件：在固边界上，流的法向分量恒为零，V⇀(x,y,z,t)=0，无热、盐交换。

开边界条件：采用大区嵌套的方式给小区边界，大区模拟区域为117°32′25″E～122°17′3″E，37°6′1″N～40°58′10″N，大区外海开边界采用潮位过程线Z=Z（t），由中国潮汐表提供，并根据实测水文资料进行调试。小区的边界是由上一层模型的计算结果提供，小区模拟区域为117°32′2″E～118°34′38″E，38°1′37″N～39°13′14″N。1.3计算范围与网格设置

排污口位于渤西油气平台临近区域，与陆域距离21.1 km，水深9.3 m。模型计算范围东边界到118°34′38″E，南北距离约111 km。采用无结构的三角网格系统，垂向分为6个σ层（表层、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底层），对排污口区域进行局部加密，模拟区域共有三角形网格节点11 955个，三角形单元23 231个，计算网格图如图1所示。

图1　计算网格图Fig.1Computational grid

图2　验证点位置Fig.2Verification point location

1.4模拟结果验证及分析

采用2008年7月大、小潮的现场实测资料，对潮位、流速和流向进行验证。其中共有6个潮流站（1#～6#）和一个潮位站（大港）。验证点位置如图2所示。潮位及流速、流向（表层、0.6 H层、底层）实测值与计算值的验证曲线图见图3～图5，其中黑线代表模拟计算结果，黑色叉号代表观测数据。从验证情况看，各测站计算值与实测值二者总体趋势差异不大，计算的潮位过程及各层的流速、流向过程与实测资料基本吻合，可见该模型所模拟的潮流运动基本能够反映出天津海域的水流状况，可以作为进一步分析计算的基础资料。

图3　大港测站潮位验证Fig.3Tidal level verification at Dagang tidal station

图42　#测站小潮流速流向验证Fig.4Verification of flow velocity and flow direction of neap tide at 2#station

图55　#测站大潮流速流向验证Fig.5Verification of flow velocity and flow direction of spring tide at 5#station

2　污染物扩散影响预测

2.1模型控制方程

本文采用丹麦水动力研究所研制的MIKE3数学模型的对流扩散模块（AD）进行污染物输移扩散数值模拟。

扩散方程如下所示

式中：C为污染物浓度；Cs为源强；Dv为垂向扩散系数；Dh为水平扩散系数。其他参数与水动力参数含义相同。

2.2污染物的影响范围预测

天津南港排海工程设计排污量为6万m3/d，污水中挥发酚排放浓度为0.5 mg/L，据此计算源强为0.347 g/s，COD排放浓度为50 mg/L，源强为34.7 g/s，预测计算模式运用前述的污染物扩散方程，采用240 h背景流场，模拟污染物扩散的情况，输出每2 min的浓度场，统计各计算网格点在模拟时期间的污染物浓度增量最大值，叠加所在海区各污染物现状浓度，绘制污染物表层、0.6 H层、底层最大浓度包络线图（见图6～图11），最大影响范围面积见表1～表2。

表1　挥发酚浓度等值线包络线面积Tab.1Envelope area of volatile phenol concentration contour m2

m2

表2COD浓度等值线包络线面积Tab.2Envelope area of COD concentration contour

图6　表层挥发酚浓度值包络线Fig.6Surface concentration of volatile phenols

图70　.6H层挥发酚浓度值包络线Fig.70.6H concentration of volatile phenols

图8　底层挥发酚浓度值包络线Fig.8Bottom concentration of volatile phenols

图9　表层COD浓度值包络线Fig.9Surface concentration of COD

图100　.6H层COD浓度值包络线Fig.100.6H concentration of volatile phenols

图11　底层COD浓度值包络线Fig.11Bottom concentration of COD

通过数值模拟挥发酚污染物扩散情况可知：挥发酚在各层均出现超一二三类水质标准的区域，浓度值超一二类水质标准0.005 mg/L的水域面积从底层到表层分别为14400m2、8800m2、8400m2。浓度值超三类水质标准0.01 mg/L的各层水域面积分别5600m2、3200m2、1200m2。排污对底层水质影响最大，超标面积从底层到表层逐渐减小。这是由于采用深海排放，引起各水层污染物含量的差异。

根据COD污染物扩散情况可知：COD在底层、0.6 H层、表层均出现超一类水质标准的区域，超标面积分别为12800m2、8800m2、7200m2。COD仅在底层出现超二类水质标准的区域，超标面积为2000m2，在中层、表层该区域消失。这说明了采用深海排放有利于控制表层水体污染物含量的增量。

3　结论

采用三维数值模拟的方法，对挥发酚、COD污染物输运扩散情况进行了模拟分析，研究了天津南港污水排海工程对纳污海域水质的影响。按照排污水域各类污染物二类水质浓度标准分析，对水域环境影响最大的污染物是挥发酚，其次是COD。由于采用深水排放，使得各水层出现了污染物含量的差异。排污对底层水质影响最大，从底层到表层影响逐渐减小，这说明了采用深海排放有利于控制表层水体污染物含量的增量。

污染物超二类水质面积远低于排污口混合区面积小于3 km2的标准及排污口混合区半径小于1000m的标准，说明南港污水排海工程对纳污海域环境影响较小。由于挥发酚污染物的浓度在各层均超过三类水质标准，但是超标面积都较小，因此应注意排放的挥发酚浓度不要偏高、排污量不要超量。

参考文献：

［1］国峰，张海平，李阳，等.金山污水排海对纳污海域水质影响的数学模拟［J］.海洋学研究，2007，25（4）:81-85. GUO F，ZHANG H P，LI Y，et al.Modeling study on effect of marine disposal on water quality in Jinshan sea area［J］.Journal of marine sciences，2007，25（4）:81-85.

［2］宋强，吴航.深圳市政污水排海工程对海域环境影响的数值模拟研究［J］.中山大学学报：自然科学版，2001，40（2）: 126-129. SONG Q，WU H.Research on the Marine Environmental Impact from Shenzhen Municipal Sewage Discharge by Numerical Simu⁃lation Analysis［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2001，40（2）:126-129.

［3］赵俊杰，白静，康苏海.南通污水排海工程排放点比选的数值模拟［J］.海岸工程，2012，31（2）:31-38. ZHAO J J，BAI J，KANG S H.A Modeling Study on the Effluent Discharge Points of the Nantong Sewage Discharging Project［J］. Coastal Engineering，2012，31（2）:31-38.

［4］许金电，江毓武.港湾三维水动力和污染物扩散数值模型［J］.台湾海峡，2003，22（1）:85-90. XU J D，JIANG Y W.A three dimensional coastal hydrodynamic and pollutant diffusion model［J］.Journal of Oceanography in Tai⁃wan Strait，2003，22（1）:85-90.

［5］DHI.MIKE21&MIKE3 Flow Model FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation［M］.Denmark:DHl Water＆Environment，2009.

风暴潮浪与离岸深水结构相互作用研究成果达到国际先进水平

本刊从交通运输部天津水运工程科学研究院获悉，2014年8月26日，中国航海学会在天津主持召开了以交通运输部天津水运工程科学研究院为主要承担单位完成的《风暴潮浪与离岸深水结构相互作用研究》研究成果鉴定评审会。该项目针对离岸深水波浪强和地基土软弱等关键技术问题，通过数值模拟、物理模型试验、原型实验验证等技术手段和方法，开展了风暴潮浪与离岸深水结构相互作用研究，解析了考虑流固耦合作用的风暴潮浪荷载特性，揭示了离岸深水全直桩码头承载特性及破坏模式，创立了稳定性静力、动力简化计算方法，开发出新型倒T型导管墙桩基防波堤结构。取得了发明专利两项，部分研究成果被行业规范采纳。目前，项目成果已在秦皇岛港、烟台港、大连港及天津港工程中应用，社会及经济效益显著，具有较强的推广应用前景。经评审，鉴定委员一致认为该项目研究成果总体上均达到了国际先进水平，其“在风暴潮浪作用下离岸全直桩码头动力简化计算方法”方面达到国际领先水平。（殷缶，梅深）

天津港将投600亿建岛

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Biography：CHEN Yao⁃hong⁃ling(1986-)，female，assistant professor.

中图分类号：X 52

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0539-06

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-04-02

作者简介：陈瑶泓伶（1986-），女，湖南省常德市人，助理研究员，主要从事水环境数值模拟研究。

Modeling study on effect of marine disposal on water environment in Tianjin Nangang

CHEN Yao⁃hong⁃ling1，YUAN Hong⁃tao2
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China；2.Tianjin Port Engineering Design＆Consulting Co.Ltd.,Tianjin 300457,China）

Abstract:Numerical simulation on tidal field of sewage marine disposal engineering area was carried out by using the MIKE3 numerical model.The impact of volatile phenol of wastewater,cyanide and COD on water environ⁃ment was predicted.Results show that great changes of pollutant content have taken place in each water layer be⁃cause of pollution discharge.The pollution discharge into deep water has the greatest effect on bottom water quality, and the impact decreases gradually from the bottom to the surface.It shows that pollution discharge into deep water is helpful to control the pollutant increment of surface water.

Key words:MIKE3；3D numerical simulation；sewage marine disposal engineering