基于MIKE21的渤海灣海水淡化濃鹽水排海鹽度場分布研究

張拂坤，劉淑靜，阮國嶺

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

渤海灣位于渤海西部，其沿岸的河北、天津和山東省人口密集，經濟增長速度快，淡水資源短缺已成為制約其社會經濟可持續發展的重要因素之一。海水淡化作為淡水資源的增量技術，日益受到環渤海灣地區的重視，截至目前，渤海灣周邊已建海水淡化廠產水規模約36×104t/d，根據規劃，未來發展規模還將不斷增加。

海水淡化廠排放的濃鹽水鹽度比普通海水高一倍左右，濃鹽水大規模排放進入受納水體后隨海水的流動擴散，會使受納海域鹽度上升。而渤海灣是一個半封閉海灣，海水交換能力較差，目前渤海灣沿岸海水淡化工程的濃鹽水大多通過排入鹽田、綜合利用等方式進行處理，但隨著環渤海灣海水淡化規模的不斷擴大，濃鹽水產生量可能超過其再利用的能力，將面臨海水淡化濃鹽水排海的問題。研究表明（Talavera et al，2001； Torquemada，2005），濃鹽水對海洋環境的影響與其排放入海后形成的鹽度場分布密切相關。數值模擬是海水淡化濃鹽水排海鹽度場分布研究的一個重要手段，國內外常用的模型包括CORMIX、 CAMERI 3D、 POM、COHERENS 等，這些模型在海水淡化工程濃鹽水排海鹽度場模擬中得到應用（Alameddine et al，2007；Safrai et al，2007；王曉萌等，2009；武雅潔等，2008），應用地區包括膠州灣、地中海和阿拉伯灣等。隨著大型可視化模擬軟件的發展，用于淺海、河口水動力模擬的二維數值模擬軟件MIKE21 逐漸應用于濃鹽水排海鹽度場的研究。如西班牙采用MIKE21 對某海水淡化廠濃鹽水排放的環境影響范圍進行了研究。印度的Kankara（2007） 采用MIKE21 模型對Kachchh 灣某淡化廠濃鹽水排放后的擴散規律進行了研究。我國目前MIKE21 軟件在溫排水、化學需氧量（COD） 等排放研究中均有應用，如謝亞力等（2005）、張舒羽等（2009） 分別運用MIKE21 模型對浙江寧海電廠和蒼南電廠溫排水排放進行了數值模擬。李娜等（2011） 運用MIKE21 對三峽庫區涪陵段排污口COD 擴散進行了模擬，國內還未見運用MIKE21對渤海灣海水淡化濃鹽水排海的鹽度場模擬。

本文運用MIKE 21 數值模擬軟件，針對渤海灣地區建設大規模海水淡化工程的發展趨勢及其濃鹽水排海鹽度場分布的環境問題，建立渤海灣海洋水動力模型，模擬不同位置、不同規模海水淡化工程濃鹽水排放后的輸移擴散情況，初步計算了不同排放情況的鹽度升高面積，并進行了對比分析，提出了預防渤海灣地區濃鹽水排海環境影響的建議。

1 渤海灣海水淡化工程濃鹽水排海模型的建立

1.1 基本方程及求解

MIKE21 水動力模型的控制方程為基于Boussinesq 假定和流體靜壓假定的二維不可壓雷諾平均N-S 方程，即淺水方程。

在二維水動力模型的基礎上，利用對流擴散模型輸運過程。MIKE 21 求解鹽度輸運過程的對流擴散方程（1） 和（2）：

MIKE 21 模型采用的計算方法為有限體積法，計算網格采用非結構（FM） 網格，動量方程和連續性方程采用交替隱式離散法（ADI） 進行離散求解。

1.2 網格搭建

本文研究范圍為黃河口和大清河口以西的渤海灣海域，為使模擬結果準確，將模型邊界選在深水區域，建立渤海海域范圍的大模型；并對渤海灣海域和工程附近海域進行網格加密的方法，采用非結構網格，工程區域網格單元邊長約為100 m，渤海灣內其他區域網格邊長約2 000 m。該海域地形采用MIKE C-MAP 地形資料，地球球面坐標投影采用UTM50 的投影坐標系，UTM50 坐標系下渤海灣模型網格的劃分如圖1 所示。

1.3 參數設置和率定

通過比較不同邊界條件的計算結果，模型邊界如圖1 所示，邊界水位由DHI 全球潮汐數據庫提取，采用MIKE 全球潮汐預測模型中的潮汐調和常數，用調和分析模型預報出10 個潮汐站點的潮汐過程。對這10 個潮汐站點做空間線性插值后作為模型的邊界條件。模型研究中主要考慮潮流作用、淡水輸入等條件，不考慮風、大氣沉降和蒸發等影響。

圖1 模型中渤海灣模型計算網格（圖中▲代表驗潮站）

模型的干濕邊界：當計算區域水深小于0.005 m 時，計算區域為“干”，不參加計算；當水深大于0.1 m 時，該計算區域記為“濕”，重新參與計算。

渦粘系數：運動方程的渦粘性系數是重要的模型參數，本質上不同分子粘性系數，不是單純的物理常數，而是由湍運動自身確定的，是因Boussinesq 似粘性假定而引進的一個變量（孫文心等，2004）。本研究中水平渦粘系數采用Smagorinsky 公式（Smagorinsky，1963），在模型范圍內設定其系數為0.25。

曼寧系數：是反映底床粗糙情況對水流影響的系數，通常為經驗值，這里選取0.014 3 s/m1/3。

模擬時間：選取2007-2012年潮差最大的大潮和小潮時刻，模擬時間步長為3600 s。

選擇塘沽、秦皇島、黃驊港、京唐港4 個站位（如圖1 所示） 進行模型率定，將模型計算潮位與國家海洋信息中心潮汐表潮位進行比較，結果見圖2。通過比較發現，該模型的模擬結果比較理想，振幅誤差大多在10 cm 以內。

圖2 水位比較圖（—為模擬結果；○為潮汐表數據）

采用2007年5月19日～20日天津塘沽附近海域站位連續25 小時實測海流數據對模型進行率定和驗證，如圖3 所示。由圖可以看出，流速計算值與實測值變化規律一致，誤差大多在10 cm 以內，流向計算結果與實測結果相吻合，能夠真實表征渤海灣的海流特征。

1.4 鹽度場模擬參數設置

以30 為渤海灣鹽度計算初始值，海水淡化工程所在地區為環渤海海水淡化重點規劃的缺水城市，根據《全國海水利用專項規劃》、《天津市海水淡化產業發展規劃》和《河北省海水利用中長期規劃》，結合不同海區水動力特點，文中取河北曹妃甸、天津大港和河北黃驊，并設定每個位置的海水淡化工程規模分別為10×104t/d、50×104t/d 和100×104t/d 三種情況。選取2007年以來潮差最大的大、小潮期，進行濃鹽水排海后鹽度場分布的計算。經模型試運算，海水淡化濃鹽水排海后，鹽度場呈周期性往復運動，經一段時間達到穩定。有關文獻（武雅潔等，2008） 也提出，海灣內水體不斷地與外海海水進行水體交換，灣內各點的溫度和鹽度不會無限制地升高，而是隨著潮流作周期性的變化。因此，模型運行時間分別選擇為2008年12月7日～12月16日和2008年2月25日～3月5日，前8 天計算用于模型穩定。

圖3 流速、流向計算值與實測值對比（—為模擬結果；○為實測數據）

選取的海水淡化工程濃鹽水排放口海域鹽度受附近河流淡水注入的影響，根據《1998-2010年海河流域水資源公報》 （水利部海河水利委員會） 和《1998-2010年黃河水資源公報》 （水利部黃河水利委員會），選取海河、徒駭馬頰河、黃河和灤河近13年的平均入海徑流量作為淡水河流的排放量，分別為13.65×108m3/a、10.64×108m3/a、135.22×108m3/a 和2.95×108m3/a。海水淡化濃鹽水排放口及入海河流的位置如圖4 所示。

圖4 海水淡化濃鹽水排放口及入海河流的位置

2 計算結果及分析

2.1 渤海灣潮流場模擬結果

通過模型計算，渤海灣潮流場模擬結果如圖5所示。可以看出，漲潮時大量的海水由外海通過灣口進入，北部有兩小股潮流分別沿北部和南部沿岸進入天津近海北部區域和南部區域，大部分向東進入寬闊的渤海灣，而落潮過程中海水基本順原路從灣內流向外海。本文的潮流場計算結果與文獻（張越美 等，2002；孫長青 等，2004；劉浩 等，2011） 的結論基本一致，由此可見，數值模擬結果能較好地再現渤海灣的潮汐流場模式。

圖5 渤海灣潮流場

2.2 海水淡化濃鹽水排海鹽度場模擬結果

對渤海灣各潮時，不同海水淡化工程濃鹽水排放的鹽度場分布計算結果如圖6-圖8 所示。可以看出，不同規模海水淡化工程的濃鹽水排放，對附近海區鹽度升高的影響絕大部分在0.5 個單位以下。隨著排放量的增加，濃鹽水排放口附近海域的鹽度升高較為明顯，但由于渤海灣與外界的水交換作用，隨著時間的變化，影響范圍內的鹽度未見明顯升高。

由圖6-圖8 可以看出，位于曹妃甸的海水淡化濃鹽水排放口附近海區未受到淡水河流注入等影響，鹽度場呈扇形分布。位于大港和黃驊的海水淡化濃鹽水排放口受潮汐作用和附近淡水河流注入的影響，濃鹽水排放鹽度升高區域分別向南和北方向輸移，并且在大港和黃驊排放口分別有部分鹽度升高的水團向東北和東南方向輸移擴散，河口附近海區的鹽度未受到濃鹽水排海的影響，鹽度場呈不規則分布。大潮時期與小潮時期相比，對鹽度較高的海水水團擴散作用較強，水團擴散的距離較遠。高潮時期鹽度較高的海水水團外延靠近近岸，低潮時邊緣離岸較遠。

在排放量增大的情況下，由于曹妃甸附近海域水動力條件較好，附近海區鹽度升高區域分布無明顯變化，而大港和黃驊附近海區排放口區域鹽度升高5%以上的面積有較為明顯的增加，在同一潮時整體分布趨勢相似。

表1 列出了當排放口采取不同方案時在不同潮時鹽度升高5%、10%和15%的海區面積。通過對三種方案鹽度升高面積，可以看出位于曹妃甸的海水淡化工程在各種排放規模和排放條件下附近海區鹽度都沒有明顯升高，這可能是由于曹妃甸靠近渤海灣灣口，水動力交換良好，利于鹽分的稀釋擴散。位于大港和黃驊的10×104t/d 海水淡化工程濃鹽水排海后附近海區鹽度基本未受影響，但由于海區水動力交換條件相對較差，在濃鹽水排放量50×104t/d 以上時，大港排放口和黃驊排放口附近鹽度升高海區面積最大的時期出現在小潮低潮；其他潮時鹽度升高面積明顯減少，大潮高潮時鹽度升高面積最小。由此可以看出，濃鹽水的稀釋擴散受不同潮期海流的影響，總體來講影響從大到小依次為：小潮低潮＞大潮低潮＞小潮高潮＞大潮高潮。并且同等規模濃鹽水排放情況下，受濃鹽水排放影響由大到小依次為：大港附近海區＞黃驊附近海區＞曹妃甸附近海區。

圖6 規模10×104 t/d 海水淡化工程濃鹽水排海后鹽度場分布

圖7 規模50×104 t/d 海水淡化工程濃鹽水排海后鹽度場分布

表1 不同規模海水淡化工程濃鹽水排放的鹽度升高面積(km2）

3 結論與建議

（1） 水動力條件是影響鹽度場分布的主要因素，曹妃甸位于渤海灣灣口，海洋水動力條件較好，規模100×104t/d 海水淡化工程排放濃鹽水對附近海區海水鹽度影響不顯著，在該區域建設大型、超大型海水淡化工程，濃鹽水稀釋速度較快，不會對周圍海區的鹽度產生影響。大港和黃驊位于渤海灣內部，建設10×104t/d 以下的海水淡化工程排放濃鹽水對周圍海區的影響不顯著。同時，受潮汐作用影響，大港和黃驊50×104t/d 以上海水淡化工程濃鹽水排放，與低潮時期相比，高潮時期排放影響相對較小。

（2） 模擬結果顯示，位于曹妃甸的海水淡化濃鹽水排放口附近海區鹽度場呈扇形分布。受潮汐作用和淡水河流注入影響，位于大港和黃驊的海水淡化濃鹽水排放口附近海區鹽度場分別向南和北方向輸移，部分鹽度升高水團分別向東北和東南輸移擴散，河口附近海區未受到鹽度升高的影響。

圖8 規模100×104 t/d 海水淡化工程濃鹽水排海后鹽度場分布

（3） 濃鹽水的稀釋擴散受不同潮期海流的影響，總體來講影響從大到小依次為：小潮低潮＞大潮低潮＞小潮高潮＞大潮高潮。因此，除合理地選擇濃鹽水排放口位置外，如有可能，海水淡化工程濃鹽水排放還應結合潮位優化排放時刻來減少環境影響。

（4） 考慮渤海灣不同位置的水動力情況，對位于天津大港附近海水淡化工程應盡可能利用海水自凈能力，并綜合考慮其最近的大港濱海保護區，在排污方案上如有可能，可考慮采用“落潮排污”方案，利用落潮時刻潮流流向灣外，促進濃鹽水向灣外擴散。河北黃驊海域海流流向主要為垂岸方向，海水淡化排水可考慮采用與岸線垂直的多端口擴散器排放入海。

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