海水淡化工程浓盐水排海扩散器方案研究_张拂坤.pdf

Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.013海水淡化工程浓盐水排海扩散器方案研究张拂坤，陈爱慧，刘淑静（自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津300192）摘要：本文以渤海湾为例，运用 MIKE3 FM 数值模拟软件，建立了天津港附近海域浓盐水排海三维盐度扩散模型，模拟了无扩散器、有扩散器（一字型、Y 型、T 型），以及不同端口间距和出口流速扩散器条件下浓盐水排海后盐升扩散分布情况。研究结果表明：扩散器能够显著增强浓盐水扩散稀释效果，对于研究海域 3 种形状扩散器扩散稀释效果相近；适宜的端口间距和出口流速设计将提升扩散器的扩散稀释效果。相关研究结论可为科学优化海水淡化浓盐水排海方式，推动海水淡化与海洋环境和谐可持续发展提供技术支撑。关键词：海水淡化；浓盐水；排海；扩散器；方案中图分类号：P747文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0116-09收稿日期：2022-07-27基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（K-JBYWF-2021-ZD01，K-JBYWF-2022-QR-04）作者简介：张拂坤（1981），女，硕士，高级工程师，主要从事海水淡化排海环境模拟研究。E-mail：作为实现水资源可持续利用的开源增量技术，海水淡化技术在解决全球范围内淡水短缺问题上发挥着越来越重要的作用。截至 2020 年底，全球已建海水淡化工程规模约 58 210 000 t/d，我国已建海水淡化工程规模 1 651 000 t/d1。但随着海水淡化工程规模化发展，其浓盐水排海环境问题引起了国内外的广泛关注2-9。海水淡化厂产生的浓盐水盐度比普通海水高一倍左右，目前，国内外海水淡化工程通常采取排入海洋的方式处理浓盐水。为增加浓盐水排海后的稀释扩散速率，保障海水淡化浓盐水排海与受纳海域环境协调发展，一些海水淡化工程排放口设计了扩散器结构10，如澳大利亚 Perth 150 000 t/d反渗透海水淡化工程浓盐水通过离岸 300500 m、长度 160 m 的扩散器排出，在扩散器半径 50 m 范围内控制盐升不超过0.8；塞浦路斯LARNACA54000 t/d反渗透海水淡化工程浓盐水通过离岸 1 500 m 的扩散器排出，以增加浓盐水的稀释扩散，运行 5 年后监测显示，影响局限在排水点周围 200 m 范围内。相关海水淡化工程实践证明，在排放口末端安装扩散器后，能够显著增强浓盐水的稀释扩散效果。国外一些研究人员针对海水淡化使用扩散器的稀释扩散效果进行了分析和研究，运用数值模拟的方法对浓盐水排海扩散器端口数、水深、排放速度、角度等进行了模拟对比，相关研究结论为优化海水淡化浓盐水排海方案、减少海洋生态环境影响提供了技术支撑11-14。我国扩散器排海扩散规律的研究主要集中在污水排海领域15-16，通过数值模拟分析不同工况下扩散器喷口出口流速、流量，为污水排海扩散器设计提供可行方案。本文针对海水淡化工程浓盐水密度大、趋于下沉等特点，运用 MIKE3 FM 数值模拟软件，以渤海湾天津海域为例，建立了海水淡化浓盐水排海三维盐度扩散数值模型。针对无扩散器和一字型、Y型、T 型等几种扩散器模式，开展海水淡化工程浓盐水排海扩散器方案对比分析研究，通过对直接排海、排放口末端安装扩散器排海，以及不同设计形式扩散器排海的盐度场分布模拟，对不同扩散器方案的盐度扩散范围进行对比研究，提出浓盐水排海方案优化建议，为保障海水淡化工程与海洋生态环境协调可持续发展提供理论和技术支撑。第1期1数学模型建立1.1模型基本方程MIKE3FM 模型基于 Boussinesq 假定和流体静压假定的三维不可压缩雷诺平均 N-S（Navier-Stokes）方程的数值解决方案。它由连续性方程、动量方程、温度、盐度和密度方程组成，并通过湍流理论使方程组闭合。连续性方程如下。ux+vy+w=S（1）动量方程如下。ut+u2x+uvy+wuz=f-gx-10pax-g0zxdz-10h(sxxx+sxyy)+Fu+z(vtuz)+uSS（2）vx+v2y+uvx+wuz=-fu-gy-10pay-g0zydz-10h(syxx+syyy)+Fv+z(vtvz)+vSS（2）式中，水平应力项可用压力梯度相关理论来描述，可简化为如下。Fu=x(2Auy)+y(A(uy+vx)（4）Fv=y(2Avy)+x(A(uy+vx)（5）式中，t 为时间；x、y 和 z 为笛卡尔坐标；为表面水位；d 为静水深；h=+d 为总水深；u、v 和 w 为 x、y 和 z 方向上的速度分量；f=2sin为科里奥利参数（为旋转角速度，为纬度）；g为重力加速度；为水密度；sxx、sxy、syx和 syy为辐射应力张量的分量；vt为垂向湍动粘度；pa为大气压强；0为水的参考密度；S 为点源源强；us、vs为点源流速在 x、y 方向上的分量；Fu和 Fv分别为 u、v 方向上的水平应力；A 为水平涡粘系数。温盐对流扩散方程如下。Tt+uTx+vTy+wTz=FT+z(DvTz)+H?+TSS（6）st+usx+vsy+wsz=FS+z(Dvsz)+sSS（7）（FT，FS）=x(Dhx)+y(Dhy)（T，s）（8）式中，Dv为垂向的扩散系数；H?为自由表面输入的热量引起的温升；Ts和 sS分别为排放源的温度和盐度；FT和 FS分别为温度和盐度的水平扩散项；Dh为水平扩散系数。模型采用的计算方法为有限体积法，水平面采用非结构（Flexible Model，FM）网格，垂直方向采用结构化网格，动量方程和连续性方程采用交替隐式离散法（Altemating Direction Implicit，ADI）进行离散求解。1.2计算范围与网格设置本文海水淡化浓盐水排放口位置设定在天津港附近海域，为保证模型的准确性，将计算范围扩大为渤海湾，网格步长 2 000 m。为提高扩散海域面积的计算精度，对天津港和排放口附近海域分别进行 100 m 和 15 m 局部网格加密处理，如图 1 所示，垂向上分为 9 层。海域地形采用 MIKE C-MAP 地形资料，近岸海域地形根据海图进行更新和细化，地球球面坐标投影采用 UTM-50（Universal TransverseMercator-50）投影坐标系，模型计算区域地形如图2 所示。1.3边界条件和参数设定模型边界水位由丹麦水利研究所（Danish Hydr-图 1模型计算网格及率定点张拂坤，等：海水淡化工程浓盐水排海扩散器方案研究117海洋技术学报第42卷aulic Institute，DHI）全球潮汐数据模型提取，采用DHI MIKE 全球潮汐预测模型中的潮汐调和常数，用调和分析预报出 100 个潮汐点的潮汐过程，作为模型边界条件。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；水深介于 0.005 m 和 0.1 m 之间，计算区域为“半干半湿”，动量通量设定为 0，只有质量通量被计算。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17。水平涡粘系数采用 Smagorinsky 公式18，在模型范围内设定其系数为 0.25。曼宁系数：反映底床粗糙情况对水流影响的系数，这里选取用粗糙高度表征曼宁系数，根据水深采用经验值。模拟时间：选取夏季一个完整大潮和小潮周期进行模拟，时间步长为 3 600 s。风速风向：采用天津滨海国际机场附近风场历史数据。海水初始条件：初始温度为 18，初始盐度为 31。浓盐水排放参数：排放规模 50 000 t/d，盐升 1倍，放流管长度为 200 m，底层排放。1.4模型验证选择实测调查站位（图 1）作为水位、流速、流向率定点，其中 A、B、C 为水位率定点，14 点位为流速、流向率定点。模型水位、流速、流向计算结果与实测结果一致（图 3 和图 4），总体来讲，图 2模型计算区域地形A-计算/mA-实测/m2.0000 002021-04-2800 0005-0200 0005-0400 0004-30B-计算/mB-实测/m2.0000 002021-04-2800 0005-0200 0005-0400 0004-30C-计算/mC-实测/m000 002021-04-2400 0004-2800 0004-3000 0004-26图 3水位率定图1.0-1.0118第1期潮位差小于等于 10%，潮流流速差小于等于 20%；流向差小于等于 15，模型模拟精度符合模拟要求，能够真实表征渤海湾的潮流特征。2海水淡化浓盐水排海不同扩散器形状对比2.1扩散器形状设置目前排海工程多采取底层排放，最常见的方式是排放管末端安装多端口扩散器。扩散器在本质上是一系列的喷嘴，浓盐水通过多个喷嘴均匀排放到受纳海域中，可加快与海水的混合，防止和减少盐度等在海床上积水体中的累积作用。图 5 为一些典型的具有多个端口的海洋排放扩散器，包括一字型扩散器、Y 型扩散器和 T 型扩散器。本文对 3 种形状扩散器开展浓盐水排海三维扩散模拟研究，以盐升为特征因子分析扩散稀释的效果，离岸 800 m排放，其中扩散器长度 200 m，端口数量设定为1：流速-计算/（m s-1）1：流速-实测/（m s-1）0.50012 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 002：流速-计算/（m s-1）2：流速-实测/（m s-1）0.70012 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 003：流速-计算/（m s-1）3：流速-实测/（m s-1）0.50012 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 004：流速-计算/（m s-1）4：流速-实测/（m s-1）0.50012 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 001：流向-计算/（）1：流向-实测/（）334412 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 002：流向-计算/（）2：流向-实测/（）321412 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 003：流向-计算/（）3：流向-实测/（）352412 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 004：流向-计算/（）4：流向-实测/（）352412 002021-04-2900 0004-3012 0018 0006 00图 4流速流向率定图张拂坤，等：海水淡化工程浓盐水排海扩散器方案研究119海洋技术学报第42卷10 个，并与无扩散器的单孔直接排放作对比。2.2不同形状扩散器浓盐水排海盐升模拟结果根据模型模拟结果，无扩散器直接排放和采用3 种不同形状扩散器排放后盐升分布包络图如图 6所示。由图 6 可以看出，浓盐水排海后，排放口附近海域盐度有一定程度升高，采用扩散器后，盐升分布范围的形状及面积发生了变化，总体上盐升范围有所减小，其中较高盐升的分布形状与扩散器形状一致。进一步计算不同盐升的包络面积，如表 1 所示，总体上讲，50 000 t/d 海水淡化工程浓盐水排海后盐度升高的海域面积较小，盐升超过 1 和盐升图 5海水淡化浓盐水排海模拟扩散器示意图（a）一字型扩散器（b）Y 型扩散器（c）T 型扩散器（a）无扩散器（b）一字型扩散器（c）Y 型扩散器（d）T 型扩散器图 6采用不同形状扩散器的浓盐水排海盐升分布包络图超过 5 的海域包络面积分别在 0.390.54 km2和0.0110.019 km2。采用一字型、Y 型、T 型扩散器后盐升 1