天津南港污水排海工程對(duì)海域環(huán)境影響的數(shù)值模擬

陳瑤泓伶，袁洪濤

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456；2.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津300457）

天津南港污水排海工程對(duì)海域環(huán)境影響的數(shù)值模擬

陳瑤泓伶1，袁洪濤2

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456；2.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津300457）

摘要：采用MIKE3三維數(shù)學(xué)模型對(duì)深海排放污水的海域進(jìn)行潮流數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)排放的污水中揮發(fā)酚、COD污染物對(duì)水環(huán)境的影響程度。結(jié)果表明：由于采用深水排放，使得各水層出現(xiàn)了污染物含量的差異。深海排污對(duì)底層水質(zhì)影響最大，從底層到表層影響逐漸減小，這說明了采用深海排放有利于控制表層水體污染物含量的增量。

關(guān)鍵詞：MIKE3；三維數(shù)值模擬；污水排海工程

隨著南港工業(yè)區(qū)內(nèi)諸如石油、化工等核心產(chǎn)業(yè)的進(jìn)駐，將會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，根據(jù)天津南港工業(yè)區(qū)的實(shí)際情況，附近水系稀釋自凈能力不強(qiáng)，近岸及內(nèi)河排污將會(huì)給當(dāng)?shù)厮翟斐纱竺娣e污染，因此，規(guī)劃采用離岸的水下深海排放方式經(jīng)排污擴(kuò)散器排出，再在深海強(qiáng)大的水動(dòng)力條件下充分稀釋擴(kuò)散。國(guó)峰等［1］計(jì)算和分析了上海市金山區(qū)水域無污水排放、放流管深海正常排放、岸邊緊急排放和污水未經(jīng)處理直接排放4種不同排放方式對(duì)納污海域水質(zhì)的影響。宋強(qiáng)等［2］采用數(shù)值模擬的方法，研究了深圳市政污水排海工程對(duì)海域環(huán)境影響。趙俊杰等［3］以南通市工業(yè)達(dá)標(biāo)尾水排海工程為例，研究了不同水深條件下水動(dòng)力對(duì)污染物的擴(kuò)散影響程度。由于污染物的擴(kuò)散有垂直分層分布的特征，三維數(shù)學(xué)模型能夠很好地反映出由于采用深水排放引起的各水層污染物含量的差異，論證深水排放的效果［4］。因此，本文采用MIKE3三維數(shù)學(xué)模型對(duì)污水深海排放的海域進(jìn)行潮流數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)擴(kuò)散器排放的污水中揮發(fā)酚、COD污染物質(zhì)對(duì)水環(huán)境的影響程度，從污染物與海水充分混合的角度來分析深海排放的可行性，為水域的污水、尾水處置提供科學(xué)依據(jù)。

1　水動(dòng)力數(shù)值模擬

1.1模型控制方程

三維水動(dòng)力模型采用丹麥水力學(xué)研究所（DHI）研制的商業(yè)軟件MIKE3［5］。

基本運(yùn)動(dòng)方程

式中：h=η+d為總水深；η為表面水位；d為靜水面；u為x方向（東方向）流速；v為y方向（北方向）流速；w為σ坐標(biāo)系流速，方向?yàn)榈圈揖€的法線方向，它與三維直角坐標(biāo)系下垂向流速W的關(guān)系為

式中：f為科氏力參數(shù)；A為水平湍流粘滯系數(shù)；ρ0為參考密度；us、vs為點(diǎn)源流速的東、北分量；S為點(diǎn)源源強(qiáng)。

1.2邊界條件

側(cè)邊界條件：在固邊界上，流的法向分量恒為零，V?(x,y,z,t)=0，無熱、鹽交換。

開邊界條件：采用大區(qū)嵌套的方式給小區(qū)邊界，大區(qū)模擬區(qū)域?yàn)?17°32′25″E～122°17′3″E，37°6′1″N～40°58′10″N，大區(qū)外海開邊界采用潮位過程線Z=Z（t），由中國(guó)潮汐表提供，并根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行調(diào)試。小區(qū)的邊界是由上一層模型的計(jì)算結(jié)果提供，小區(qū)模擬區(qū)域?yàn)?17°32′2″E～118°34′38″E，38°1′37″N～39°13′14″N。1.3計(jì)算范圍與網(wǎng)格設(shè)置

排污口位于渤西油氣平臺(tái)臨近區(qū)域，與陸域距離21.1 km，水深9.3 m。模型計(jì)算范圍東邊界到118°34′38″E，南北距離約111 km。采用無結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格系統(tǒng)，垂向分為6個(gè)σ層（表層、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底層），對(duì)排污口區(qū)域進(jìn)行局部加密，模擬區(qū)域共有三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)11 955個(gè)，三角形單元23 231個(gè)，計(jì)算網(wǎng)格圖如圖1所示。

圖1　計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.1Computational grid

圖2　驗(yàn)證點(diǎn)位置Fig.2Verification point location

1.4模擬結(jié)果驗(yàn)證及分析

采用2008年7月大、小潮的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，對(duì)潮位、流速和流向進(jìn)行驗(yàn)證。其中共有6個(gè)潮流站（1#～6#）和一個(gè)潮位站（大港）。驗(yàn)證點(diǎn)位置如圖2所示。潮位及流速、流向（表層、0.6 H層、底層）實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的驗(yàn)證曲線圖見圖3～圖5，其中黑線代表模擬計(jì)算結(jié)果，黑色叉號(hào)代表觀測(cè)數(shù)據(jù)。從驗(yàn)證情況看，各測(cè)站計(jì)算值與實(shí)測(cè)值二者總體趨勢(shì)差異不大，計(jì)算的潮位過程及各層的流速、流向過程與實(shí)測(cè)資料基本吻合，可見該模型所模擬的潮流運(yùn)動(dòng)基本能夠反映出天津海域的水流狀況，可以作為進(jìn)一步分析計(jì)算的基礎(chǔ)資料。

圖3　大港測(cè)站潮位驗(yàn)證Fig.3Tidal level verification at Dagang tidal station

圖42　#測(cè)站小潮流速流向驗(yàn)證Fig.4Verification of flow velocity and flow direction of neap tide at 2#station

圖55　#測(cè)站大潮流速流向驗(yàn)證Fig.5Verification of flow velocity and flow direction of spring tide at 5#station

2　污染物擴(kuò)散影響預(yù)測(cè)

2.1模型控制方程

本文采用丹麥水動(dòng)力研究所研制的MIKE3數(shù)學(xué)模型的對(duì)流擴(kuò)散模塊（AD）進(jìn)行污染物輸移擴(kuò)散數(shù)值模擬。

擴(kuò)散方程如下所示

式中：C為污染物濃度；Cs為源強(qiáng)；Dv為垂向擴(kuò)散系數(shù)；Dh為水平擴(kuò)散系數(shù)。其他參數(shù)與水動(dòng)力參數(shù)含義相同。

2.2污染物的影響范圍預(yù)測(cè)

天津南港排海工程設(shè)計(jì)排污量為6萬m3/d，污水中揮發(fā)酚排放濃度為0.5 mg/L，據(jù)此計(jì)算源強(qiáng)為0.347 g/s，COD排放濃度為50 mg/L，源強(qiáng)為34.7 g/s，預(yù)測(cè)計(jì)算模式運(yùn)用前述的污染物擴(kuò)散方程，采用240 h背景流場(chǎng)，模擬污染物擴(kuò)散的情況，輸出每2 min的濃度場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)各計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)在模擬時(shí)期間的污染物濃度增量最大值，疊加所在海區(qū)各污染物現(xiàn)狀濃度，繪制污染物表層、0.6 H層、底層最大濃度包絡(luò)線圖（見圖6～圖11），最大影響范圍面積見表1～表2。

表1　揮發(fā)酚濃度等值線包絡(luò)線面積Tab.1Envelope area of volatile phenol concentration contour m2

m2

表2COD濃度等值線包絡(luò)線面積Tab.2Envelope area of COD concentration contour

圖6　表層揮發(fā)酚濃度值包絡(luò)線Fig.6Surface concentration of volatile phenols

圖70　.6H層揮發(fā)酚濃度值包絡(luò)線Fig.70.6H concentration of volatile phenols

圖8　底層揮發(fā)酚濃度值包絡(luò)線Fig.8Bottom concentration of volatile phenols

圖9　表層COD濃度值包絡(luò)線Fig.9Surface concentration of COD

圖100　.6H層COD濃度值包絡(luò)線Fig.100.6H concentration of volatile phenols

圖11　底層COD濃度值包絡(luò)線Fig.11Bottom concentration of COD

通過數(shù)值模擬揮發(fā)酚污染物擴(kuò)散情況可知：揮發(fā)酚在各層均出現(xiàn)超一二三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，濃度值超一二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.005 mg/L的水域面積從底層到表層分別為14400m2、8800m2、8400m2。濃度值超三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.01 mg/L的各層水域面積分別5600m2、3200m2、1200m2。排污對(duì)底層水質(zhì)影響最大，超標(biāo)面積從底層到表層逐漸減小。這是由于采用深海排放，引起各水層污染物含量的差異。

根據(jù)COD污染物擴(kuò)散情況可知：COD在底層、0.6 H層、表層均出現(xiàn)超一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，超標(biāo)面積分別為12800m2、8800m2、7200m2。COD僅在底層出現(xiàn)超二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，超標(biāo)面積為2000m2，在中層、表層該區(qū)域消失。這說明了采用深海排放有利于控制表層水體污染物含量的增量。

3　結(jié)論

采用三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)揮發(fā)酚、COD污染物輸運(yùn)擴(kuò)散情況進(jìn)行了模擬分析，研究了天津南港污水排海工程對(duì)納污海域水質(zhì)的影響。按照排污水域各類污染物二類水質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)分析，對(duì)水域環(huán)境影響最大的污染物是揮發(fā)酚，其次是COD。由于采用深水排放，使得各水層出現(xiàn)了污染物含量的差異。排污對(duì)底層水質(zhì)影響最大，從底層到表層影響逐漸減小，這說明了采用深海排放有利于控制表層水體污染物含量的增量。

污染物超二類水質(zhì)面積遠(yuǎn)低于排污口混合區(qū)面積小于3 km2的標(biāo)準(zhǔn)及排污口混合區(qū)半徑小于1000m的標(biāo)準(zhǔn)，說明南港污水排海工程對(duì)納污海域環(huán)境影響較小。由于揮發(fā)酚污染物的濃度在各層均超過三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是超標(biāo)面積都較小，因此應(yīng)注意排放的揮發(fā)酚濃度不要偏高、排污量不要超量。

參考文獻(xiàn)：

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［2］宋強(qiáng)，吳航.深圳市政污水排海工程對(duì)海域環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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］趙俊杰，白靜，康蘇海.南通污水排海工程排放點(diǎn)比選的數(shù)值模擬［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］許金電，江毓武.港灣三維水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散數(shù)值模型［J］.臺(tái)灣海峽，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.

風(fēng)暴潮浪與離岸深水結(jié)構(gòu)相互作用研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平

本刊從交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院獲悉，2014年8月26日，中國(guó)航海學(xué)會(huì)在天津主持召開了以交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院為主要承擔(dān)單位完成的《風(fēng)暴潮浪與離岸深水結(jié)構(gòu)相互作用研究》研究成果鑒定評(píng)審會(huì)。該項(xiàng)目針對(duì)離岸深水波浪強(qiáng)和地基土軟弱等關(guān)鍵技術(shù)問題，通過數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)、原型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等技術(shù)手段和方法，開展了風(fēng)暴潮浪與離岸深水結(jié)構(gòu)相互作用研究，解析了考慮流固耦合作用的風(fēng)暴潮浪荷載特性，揭示了離岸深水全直樁碼頭承載特性及破壞模式，創(chuàng)立了穩(wěn)定性靜力、動(dòng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法，開發(fā)出新型倒T型導(dǎo)管墻樁基防波堤結(jié)構(gòu)。取得了發(fā)明專利兩項(xiàng)，部分研究成果被行業(yè)規(guī)范采納。目前，項(xiàng)目成果已在秦皇島港、煙臺(tái)港、大連港及天津港工程中應(yīng)用，社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景。經(jīng)評(píng)審，鑒定委員一致認(rèn)為該項(xiàng)目研究成果總體上均達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，其“在風(fēng)暴潮浪作用下離岸全直樁碼頭動(dòng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法”方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。（殷缶，梅深）

天津港將投600億建島

本刊從天津港集團(tuán)獲悉，隨著天津港口岸新一輪擴(kuò)大對(duì)外開放計(jì)劃獲批，天津港計(jì)劃投資600億建設(shè)一個(gè)規(guī)劃面積42 km2的世界級(jí)人工港島——東疆二島。據(jù)悉，天津港投資建設(shè)的東疆港區(qū)，是當(dāng)前天津市申報(bào)自貿(mào)區(qū)的主要陣地。已經(jīng)建設(shè)成陸的東疆一期30 km2的人工島，是北方國(guó)際航運(yùn)中心的核心功能區(qū)，具備國(guó)際中轉(zhuǎn)、國(guó)際配送、國(guó)際采購(gòu)、國(guó)際轉(zhuǎn)口貿(mào)易和出口加工等功能。其中，占地面積10 km2的東疆保稅港區(qū)是目前我國(guó)最大的保稅港區(qū)。此外，位于東疆港區(qū)南端的天津國(guó)際郵輪母港設(shè)計(jì)水深-11.5 m，能夠?？磕壳笆澜缱畲蟮?2萬t級(jí)國(guó)際郵輪。東疆二島由北部島、中部島、南部島組成，位于現(xiàn)有東疆港區(qū)東側(cè)。目前，東疆二島已完成了總體開發(fā)戰(zhàn)略咨詢研究、東疆二島總體規(guī)劃、區(qū)域建設(shè)用?？傮w規(guī)劃等總體規(guī)劃層次的研究，正處于外圍防波堤前期建設(shè)階段。（殷缶，梅深）

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

中圖分類號(hào)：X 52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-8443（2014）05-0539-06

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-04-02

作者簡(jiǎn)介：陳瑤泓伶（1986-），女，湖南省常德市人，助理研究員，主要從事水環(huán)境數(shù)值模擬研究。

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