群岛峡道浓盐水排放扩散的三维数值模拟

李春辉，李瑞杰，肖千璐，傅小燕，张海春

(1.南京信息工程大学 海洋数值模拟与观测实验室，江苏 南京 210044； 2.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 3.浙江省海洋开发研究院，浙江 舟山 316100)



群岛峡道浓盐水排放扩散的三维数值模拟

李春辉1，李瑞杰2，肖千璐2，傅小燕2，张海春3

(1.南京信息工程大学 海洋数值模拟与观测实验室，江苏 南京 210044； 2.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098； 3.浙江省海洋开发研究院，浙江 舟山 316100)

采用三维潮流温盐数学模型对六横岛附近海域的水动力环境及盐度场分布进行数值模拟，并以实测资料进行验证，所建立模型可以较好地反映该海域潮流动力特征及盐度场的分布情况。利用验证后的三维数学模型，对海水淡化工程浓盐水排放后盐度场分布进行计算，将排放后的盐度分布与工程前进行对比分析，并推算盐升面积及垂向盐度增量。结果表明，海水淡化工程排放的浓盐水对六横岛海域盐度分布的影响主要集中在排水口附近的底层，影响区域呈带状分布，最大盐度增量为1.2左右，且排水口附近海域出现盐度垂向分层。

浓盐水；海水淡化；数值模拟；六横岛

0 引言

淡水资源的日益短缺已经成为制约各地经济、社会发展的关键问题，尤其对于海岛地区而言，与大陆分离，径流短促，淡水资源供需矛盾更为突出。为缓解用水矛盾，近年来海岛海水淡化厂迅速兴起，海水淡化产生的大量浓盐水被排入周边海域导致盐度场输运发生改变，进一步影响到海洋生物活动及生态平衡[1]。因此，利用数值模式对岛屿附近浓盐水排海后工程附近海域盐度场的分布变化及输移规律进行模拟和预测，对于海水淡化工程的排量控制及海洋环境影响评价具有重要的指导意义。

利用数学模型等定量化手段，研究浓盐水对水环境及盐度分布的影响，在国内外已取得一定成果[2-8]，如：罗锋 等[2]通过数值试验计算，对不同水文气象环境因子作用对长江口盐水入侵的影响进行了研究；ANTON et al[3]运用二维对流扩散方程建立数学模型讨论了阿曼沿岸排海浓盐水对潮汐振荡水流产生的影响；王晓萌 等[4]建立了胶州湾盐度扩散模型，以规划海水淡化量为输入条件，模拟计算了胶州湾盐度的分布和变化等等。本文针对岸线曲折的群岛海域，采用精度更高、对岸线概化程度更优的非结构三角形网格剖分计算区域，以六横岛海水淡化工程为例，在充分搜集岛屿附近海域水文地形资料的基础上，建立三维盐度数学模型，对排水口附近海域进行潮流动力及盐度的模拟，并根据实际工程设计方案，计算高浓度盐水排放对周围海域水动力特性及盐度分布的影响，作出盐度增量预测与分析。以此评价该工程排海浓盐水对海洋环境的影响，为岛屿海水淡化厂浓盐水排海方式及排海量等提供合理化建议。

1 三维潮流温盐数学模型

本研究采用FVCOM三维数学模型，吴伦宇 等[9]曾利用它成功地模拟了海阳海水淡化厂夏季高盐废水排放的扩散情况，从模拟结果及验证来看模型是较为精确的。三维潮流温盐数学模型采用外模与内模结合的方式进行计算，外模采用改进的四阶龙格-库塔格式进行数值积分迭代，具有二阶精度；内模采用RK格式进行积分迭代。选用干湿判断法进行计算区域的动边界处理。

模型控制方程由连续方程式(1)、运动方程式(2)和式(3)、温度方程式(4)、盐度方程式(5)及状态方程式(6)组成：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ρ=ρ(T,S)

(6)

以上各式中：H为静水深；t为时间；σ为垂向坐标，即海底z=-H处其值为-1，海表面z=ζ处其值为0；D=H+ζ，D为总水深，ζ为海表面波动；u、v和w分别是σ坐标系下水平向和垂向速度分量；g为重力加速度；f为科氏力参数；T、S和ρ为温度、盐度和密度；ρ0为参考密度；Km为垂向涡动黏滞系数；Kh为热力垂向涡动扩散系数；Fx、Fy、FT和FS分别为水平动量、热量、温度、盐度扩散项。垂向k-ε湍封闭模型，其涡黏系数是由湍流参数k和ε导出的：

(7)

式中：k和ε分别为单位体积的湍流动能及其扩散系数；cμ为经验系数，经验取值为0.09。

2 六横海域潮流及盐度数值模拟

工程海域位于浙江省舟山市六横岛东面，周边岛屿众多，岸线曲折(图1)。由于岸线及地形对水动力环境的影响，为确保工程海域水流及盐度的计算精度，采用大、小范围嵌套的方式计算，大范围为小范围模型提供潮位及盐度边界条件[10]。大范围模型开边界采用水位控制，外海水位边界资料由东中国海潮波模型提供(图2)。计算开始时参考实测数据给定盐度的初值为月平均盐度25，海水温度初值为月平均温度9 ℃。根据Oey理论，在盐度数值计算中，对盐度场模拟达到一定时间后，可以认为盐度场已经基本达到稳定，其结果己经不受盐度初始条件的影响，因此，小范围盐度、温度边界可以采用大范围模型计算稳定后的盐度、温度值。小范围模型的计算区域以六横岛东侧为西边界，以虾峙岛为东边界，北侧及东南侧设为开边界，南侧涵盖元山岛北部(图3)。采用非结构三角形网格剖分计算区域，同时在工程取、排水口附近海域进行网格局部加密，计算空间步长40～180 m，网格单元15 838个，网格节点8 321个(图4)。

图1 工程位置示意图Fig.1 The location of the project

图2 大范围计算区域示意图Fig.2 The large-scale calculation area

图3 小范围计算区域及验证站位位置示意图Fig.3 The small scale calculation area and the distribution of verification stations

图4 计算区域网格剖分图Fig.4 The grid of the calculation area

模拟中垂向均匀分为6层，模拟时间为2013年1月11日00:00时—2013年1月19日23:00时，采用2013年1月同步观测资料对模型进行验证，潮位验证如图5所示。限于篇幅，流速和盐度选取大潮期间S1号站位进行说明，比较表层、0.6层及底层流速流向的实测值与计算值，如图6～图8所示。由图可知，各潮时的潮位计算值与实测资料吻合较好，各层流速、流向及盐度的计算结果与实测资料基本吻合，即所建立模型能较好地反映六横岛附近海域的潮流和盐度分布特征。

图5 潮位实测值与计算值比较图Fig.5 Water level comparison of field data with calculation values

图6 流速实测值与计算值比较图Fig.6 Flow velocity comparison of field data with calculation values

图7 流向实测值与计算值比较图Fig.7 Flow direction comparison of field data with calculation values

图8 盐度实测值与计算值比较图Fig.8 Salinity comparison of field data with calculation values

由数值模拟结果可知，整个计算区域内盐度变化不大，大潮期间盐度值集中在24.6～25.8，小潮期间盐度值集中在26.1～26.9。以大潮涨急和落急时底层盐度等值线分布图为例进行说明(图9)。由于计算区域北部经由螺头水道与杭州湾相接，受到长江口、杭州湾径流的影响，北部水域盐度低于南部，呈现出盐度由NW向至SE向逐渐增大的趋势。涨潮时受涨潮水流影响，东南部水流盐度减小并向西北向扩散，盐度等值线向西北向凸出；落潮期间西北边界水流盐度进一步被冲淡，盐度等值线向东南方向凸出。受地形影响，取、排水口附近及六横岛与元山岛之间的水道流速较大，盐度值较高。表层及中层盐度分布与底层类似，盐度场与流速场的分布响应关系一致，工程前水流盐度在垂向上无明显分层。

图9 工程前涨急(a)、落急(b)盐度等值线图(大潮底层)Fig.9 The salinity contour at flood fast tide(a) and ebb fast tide(b) (at the bottom of the spring tide)

3 浓盐水排放对工程海域的影响

根据海水淡化项目的工程需求，其取水量及排水量如表1所示，排、取水口位置见图10。采用经过实测资料验证的三维潮流温盐数学模型，将取水口和排水口作为点源源项进行计算，预测浓盐水排放对周围海域水动力环境及盐度分布的影响。

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

由于排放的高浓度盐水密度较大，随着涨、落潮水体在底层运动，盐度增量产生了明显的垂向分层现象。底层受到浓盐水排放的影响最大，由下向上影响逐渐减小，至表层的影响已经很小。由于大潮时潮流流速比小潮大，对排出的高浓度盐水的冲淡作用较明显，大潮时最大盐升面积小于小潮。平面上，由于排水口所处海域的潮流类型为往复流，且流速较大，高浓度盐水由排水口排出后随涨、落潮水体沿六横岛岸线运动并逐渐扩散，仅近岸海域出现了盐度升高的现象，远离岸边的海域几乎没有受到影响。涨、落潮流趋势与工程前基本相同，即涨潮时高浓度盐水随涨潮水体沿岸线向NW方向运动，落潮向SE方向运动。从计算结果来看，高浓盐水的排放对计算海域的潮位、流速和流向的影响甚微，完全没有改变该海域的水动力条件，下面将重点关注浓盐水在水动力作用下的输移扩散规律。

表1 工程取水口及排水口流量设计

图11为计算区域大潮全潮平均盐度增量等值线图，由图可见盐度增大区域沿岸滩成带状分布且高盐异常区面积较小，出现这种现象的原因是排水口位于群岛峡道，水流呈现往复流形态，且流速较大。而选址在其他位置的浓盐水排放后的盐度分布情况就有所不同。如选址于海湾的排水口外出现大面积的高盐异常区，呈扇形分布[4,11]；选址于岬角的排水口外出现小面积斑块状的高盐异常区[9]。

表2为工程实施后全潮平均盐升面积，表3为工程实施后全潮最大盐升面积，可以看出，排出的浓盐水引起了近岸水体盐度变化，并主要集中在底层，从表层到底层盐升面积逐渐增大。表层盐升均未超过0.5，中层的盐升不明显，盐升主要发生在底层。底层全潮平均盐升超过1的面积为0.005～0.009 km2，全潮最大盐升超过1的面积为0.098～0.137 km2；全潮平均盐升超过0.01的面积为5.944～7.379 km2，全潮最大盐升超过0.01的面积为11.337～14.334 km2。

图11 大潮全潮平均盐度增量等值线图Fig.11 The mean salinity incremental contours at the whole tidal of the spring tide

表3 全潮最大盐升面积

为了较好地反映浓盐水排放工程实施后对排水口附近海域盐度变化的影响，在排水口附近设置了14个特征站位对海域的盐度计算结果进行分析，站位布置如图12所示。

对工程实施后各特征站位盐度的变化情况进行分析。如表4所示，工程后，近底层(0.6层～1.0层)总体表现出距排水口越远的特征站位盐度增量越小，距离排水口越近的特征站位盐度增量越大的特征；在靠近表层的各层，盐度变化主要受扩散作用及垂线掺混的影响，A～D站表层盐度增量的分布特征相对近底层有相反的趋势。在大、小潮涨潮时期，处于排水口涨潮方向的A1(A2)～C1(C2)变化量比处于排水口落潮方向的G1(G2)～E1(E2)的变化量大，在落潮时期相反，说明浓盐水扩散受潮流运动影响较大。

图12 特征站位布置示意图Fig.12 The location of feature stations

分析各点的垂向特征可知，仅靠近排水口的C1～E1，C2～E2站点的盐度增量在垂向上表现出相对明显的分层现象，其余距排水口较远的站点垂向分层并不明显，从表层至底层基本呈线性增加。高浓度盐水排放之后，由于其密度比排放区域的海水大，排出水体集中在底层随潮流运动，随着距离的增加，水体的盐度逐渐减小直至与海域其他水体盐度值相同。在这个过程中盐度较高水体与其他水体的密度差也逐渐变小，水体在垂向上的扩散作用逐渐体现出来。随着扩散时间和距离的推移，各层水体盐度增量逐渐趋于平衡。

表4 各特征站位分层盐度增量平均值表(大潮涨潮)

4 结论

本文对位于群岛峡道的海水淡化工程浓盐水排放前后的海水盐度变化进行了数值模拟研究，具体结论与建议如下：

(1)工程实施后，排水口排放的高浓度盐水在往复流的作用下，沿六横岛岸线输移扩散，仅近岸的海域出现了明显的盐度升高现象，盐度升高区域面积较小,整体呈带状分布在沿岸海域，远离岸边的海域几乎没有受到影响。

(2)盐度增量主要集中在排水口附近很小的一块区域内，最大盐度增量为1.2左右，且小潮增量大于大潮。

(3)盐度增量在垂向上呈现出分层现象，即下层盐度增量大于上层，故浓盐水排放对工程研究区域的影响主要集中在底层，将加强该区域的悬沙沉降速度。

(4)浓盐水的稀释扩散主要受水动力影响，如有可能，应尽量选择在水动力较强的时刻排放来减少环境影响，例如选择在涨急、落急时刻附近的时间排放。

本文仅针对冬季盐度增量进行了研究，下一步可对该区域的年盐度变化情况分季节对浓盐水排海的盐度增量进行研究，得到工程对周边海域的影响程度，以评估由于盐度变化对周边海域生态环境所造成的影响。

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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

国家自然科学基金项目资助(41276017)；国家科技支撑计划项目资助(2009BAB47B08)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目资助(KYZZ15_0143)

李春辉(1988-)，男，江苏徐州市人，博士，主要从事河口海岸动力学、海洋物质输运方面的研究。E-mail:381266950@qq.com

P731.12

A

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

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

李春辉，李瑞杰，肖千璐，等. 群岛峡道浓盐水排放扩散的三维数值模拟[J]. 海洋学研究,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.