复杂地形海域中海上废水污染物排放的数值模拟

潘华辰

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)



复杂地形海域中海上废水污染物排放的数值模拟

潘华辰

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)

摘要：对海上排放的污水在海中的扩散和漂移进行了数值模拟。提出一种对复杂海岸线的海域进行数值模拟的简便方法，可以对有众多岛屿的复杂海域形状的海水污水扩散的预测。针对芬兰湾北部一块近300 km2群岛海域，通过数值计算对3种不同位置的污水排水口，在不同的季节的气象条件下，对海洋污染的不同结果做了评估。

关键词：数值模拟；海洋；污水污染物

0前言

沿海城市的污水经过处理后仍然含有一定浓度的有害物质，最终排放到大海。如何选择海上排放口的位置对海洋中排放物的溶度分布有很大的影响。排放口离岸距离、排放口海水深度、排放口附近海岸线及岛屿的地貌以及海流风力风向等因素对污染物的漂流扩散都有很大影响。

基于计算流体力学的数值手段是预测污染物漂流扩散的有效手段。但是传统的河流海岸数值计算方法需要按照海岸线建立海域计算域[1]。如果海岸线相对简单，计算建模和网格生成的工作量是可以承受的。如果计算域岛屿比较多，海岸线极其复杂，用传统的方法建立计算域网格将变得极其耗时，工作量大到不可承受。为此，本文提出一种方法，可以非常便捷地对复杂海岸线的海域进行数值模拟。

1计算方法

1.1　CFD方法

计算方法基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)。对三维N-S方程，连续方程和废水浓度方程联合求解得出废水在海水中的浓度分布。具体的CFD方法见文献[1-3]。由于该地区海域岛屿纵多，海岸线特别复杂，用传统的CFD网格结构建立纯海域计算域的工作量会大到无法承受的地步。因此使用了简单的常规正交网格，部分陆地和海洋，覆盖了全部地形。只是在海洋区域，三维网格覆盖了真实的水体，而在陆地区域，三维网格变成了一层地面1 mm的水膜。根据计算域的厚度可以让计算程序识别陆地和海洋，自动在陆地区域停止计算，并设置流体速度为零。这种处理方法实际上也是一种自动识别干湿技术。

1.2　风的作用

风对海洋水体计算的作用体现在剪应力上。采用了文献[4]提出的公式：

(1)

(2)

1.3　海水密度、温度和浮力

由于大尺度范围内污水浓度非常低，假设它对海水密度和温度的影响忽略不计，所以海水的密度基本由温度和盐度决定[5]。本计算中，假定盐度为6，是波罗的海盐度的一个典型值。

浮力项加在Navier-Stokes方程的垂直方向的分量上，以计算密度变化造成的水体垂直运动。

2计算案例

2.1　计算域及计算网格

具体应用案例是一个芬兰南部海港城市Taalintehas附近海域污水排放问题。图1显示的是该海域的地形图，整个计算域的面积连陆地带海洋大约300 km2，灰度表示海域的深度，白色表示陆地或岛屿。由图1可见，该海域海岸线极其复杂，大小岛屿众多，计算海域被分割成支离破碎的区域。

图1　计算海域水深及污水排放口地点的3个选项

废水排放口有3个选项，在图1中用符号“•”标识，并分别用数字1、2、3代表3个排放口选项。排放口选项 1 比较接近大陆海岸，深度小于10 m。排放口选项2在选项1南部大约1.5 km处，水深超过20 m。选项 3 则选在较东边位置，水深大约20 m。

计算域南北长12 km，东西方向18 km，由40 m×40 m正方形网格覆盖。深度方向安排16层网格等距分布。所以总网格数为300×450×16。

2.2　边界条件

海底作为固壁边界处理。水面假设为平面，忽略潮汐作用，水面的剪切力由式1、式2描述的风力剪切力决定。

污水出口假设在海底。排水量为2 500 m3/d。排水温度比周边海水背景温度高4 ℃。

2.3　海流和岸上径流的边界条件

有一个小溪(Galtar Ditch)从北部流入大海，没有水文资料。对当地雨量和溪流接雨面积的估算得出溪流量仅为0.4 m3/s左右。2013-09-05对小溪实地考察测出当天实际径流约为0.1 m3/s，和预估值一个数量级。显然这么小的径流量对本海域计算的影响可以忽略。

2.4　风力风向的选取

风力统计数据从windfinder.com网站获取。 最近的测点位于计算海域以西约30 km，足以代表该海域的风力风向数据。图2为该海域近两年的风力风行统计值 (http://www.windfinder.com/windstats/windstatistic_groto.htm)。

基于该统计数据，选定6月份，9月份，10月份和12月份作为有风月份的代表。另外取1月份为无风月份的代表(因为有冰封，风力对水作用为零)。对有风月份，选取风力风向的平均值，并另外选取最大值(假设平均值的一倍为最大值)作为计算条件。

2.5　水温

水面和水底的温度数据依据文献[8]所得的测量统计值。

图2　计算海域风力风向的统计值

3结果和讨论

计算案例的汇总见表1。由于篇幅所限，本文仅给出一小部分有代表性的计算结果。

表1　计算案例汇总

3.1　污水在海水中的扩散和漂移

污水浓度定义为污水和海水的比例的百分数。由于该海域较大，海水也不是很深，水面和水底的浓度分布差别不大，所以海面浓度的2维分布图应该具有代表性。由于篇幅所限，本文只给出水面的污水浓度分布。

3.2　无风时污水浓度的分布

图3给出1月份冬季冰封条件(无风条件)下污水的浓度分布。由于水体基本不流动，污染物被集中在比较小的区域，维持比较高的浓度。3个选项出口1，2，3浓度最大值分别15% ，1.5%和 1.3%。

图3　1月份海水中污水浓度分布(无风)

3.3　典型有风月份的污水浓度分布

图4给出6月份在7.2 m/s南风主导条件下的污水浓度分布。图5给出10月份6.7 m/s偏北风条件下的污水浓度分布。可以看出北风条件下污染物被吹向南部；而在南风条件下污染物被吹向北部。在大风情况下污染物的区域较大，但是污染物的浓度大大降低。

图4　6月份海水中污水浓度分布(平均风向S，风力7.2 m/s)

值得注意的是海水流动方向不一定和风向一致。海面水流方向大致和风向接近，但也受岛屿地形的导向。海底的水流需要平衡海面流动，甚至会朝风向相反方向流动。比如图5表明对污水口3，北风条件下污染物也可能向海岸漂移。

图 5　10月份海水中污水浓度分布(平均风向NNW，风力 6.7 m/s)

污水浓度分布表明污水出水口选项1比较不利，同样条件下污水浓度较高。出水口选项2和3都相对好一些。原因是出水口1离岸近，水浅。而出水口2和3离岸远，水也深，有利污水的扩散。

3.4　讨论

污水浓度本身可以作为计算实际污染物浓度的基数。因为污水本身也经过处理，其中特定的污染物也只占污水本身的一小部分。比如，如果污水中磷的浓度为0.2 mgP/l，则在污水浓度为0.04%的海域，海水的磷浓度为0.000 08 mgP/l。

4结论

三维CFD方法，采用方块网格加上干湿自动识别技术，可以用来预测复杂地形海域的污染物的扩散和漂流。通过对芬兰南部特定海域的案例研究，得到如下结论：

1)该海域岛屿众多，海流平缓，在无风的条件下，可能造成污染物的局部集中；

2)大风有助于加剧污染物的扩散，从而降低海水中污染物的浓度；

3)总体来说污染物的漂流方向和风向一致。南风倾向于把污染物吹向岸边，北风则倾向于把污染物吹离岸边。但是在特定的地形条件下，水底的逆风流动也有可能将污染物向上风方向漂流。比如对污水口3，北风条件下污染物也可能向海岸漂移；

4)出水口2和3比出水口1更有利于污水的扩散，因为这两个点离岸较远而且水较深。

参考文献

[1]Pan H,Orava M.Modeling of the Sewage Water Distribution in the Sea Near Hanko City of Finland[M]//Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering.Springer Berlin Heidelberg,2009:667-673.

[2]Pan H，Eranti E.Applicability of Air Bubbler Lines for Ice Control in Harbours[J].China Ocean Engineering，2007，21(2)：215-224.

[3]Pan H，Eranti E.Flow and heat transfer simulations for the design of the Helsinki Vuosaari harbour ice control system[J].Cold regions science and technology，2009，55(3)：304-310.

[4]Niller P P，Kraus E B.One-dimensional models of the upper ocean[M].Corvallis：Oregon State University，School of Oceanography，1977：143-172.

[5]Sharqawy M H，Lienhard J H，Zubair S M.Thermophysical properties of seawater：a review of existing correlations and data[J].Desalination and Water Treatment，2010，16(1-3)：354-380.

[6]Andrejev O，Myrberg K，Alenius P，et al.Mean circulation and water exchange in the Gulf of Finland-a study based on three-dimensional modelling[J].Boreal Environment Research，2004，9(1)：1-16.

[7]Andrejev O，Myrberg K，Lundberg P A.Age and renewal time of water masses in a semi-enclosed basin-application to the Gulf of Finland[J].Tellus A，2004，56(5)：548-558.

[8]Alenius P，Myrberg K，Nekrasov A.The physical oceanography of the Gulf of Finland：a review[J].Boreal Environment Research，1998，3(2)：97-125.

第35卷第6期

Numerical Simulation of Sewage Pollution in the Sea with Complicated Coastlines

Pan Huachen

(SchoolofMechanicalEngineering，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract：Numerical simulations are performed to predict the sea pollution caused by sewage discharge.A simple “wet and dry” method is used to avoid generating coastline-fitted mesh over the sea area with numerous islands and peninsulas.A case study is done to evaluate the different pollution scenarios caused by sewage discharge from 3 assumed discharge locations，under different seasonal weather conditions，across a 300-square kilometer archipelago area in Southern Finland.

Key words：numerical simulation；sea；sewage pollution

中图分类号：X55

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2015)06-0001-07

作者简介：潘华辰(1956-)，男，江苏东台人，教授，海洋工程与技术.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51120195001)

收稿日期：2015-10-26

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2015.06.001