天津南港污水排海工程對海域環境影響的數值模擬

陳瑤泓伶，袁洪濤

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，天津300457）

天津南港污水排海工程對海域環境影響的數值模擬

陳瑤泓伶1，袁洪濤2

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，天津300457）

摘要：采用MIKE3三維數學模型對深海排放污水的海域進行潮流數值模擬，預測排放的污水中揮發酚、COD污染物對水環境的影響程度。結果表明：由于采用深水排放，使得各水層出現了污染物含量的差異。深海排污對底層水質影響最大，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。

關鍵詞：MIKE3；三維數值模擬；污水排海工程

隨著南港工業區內諸如石油、化工等核心產業的進駐，將會產生大量的工業廢水，根據天津南港工業區的實際情況，附近水系稀釋自凈能力不強，近岸及內河排污將會給當地水系造成大面積污染，因此，規劃采用離岸的水下深海排放方式經排污擴散器排出，再在深海強大的水動力條件下充分稀釋擴散。國峰等［1］計算和分析了上海市金山區水域無污水排放、放流管深海正常排放、岸邊緊急排放和污水未經處理直接排放4種不同排放方式對納污海域水質的影響。宋強等［2］采用數值模擬的方法，研究了深圳市政污水排海工程對海域環境影響。趙俊杰等［3］以南通市工業達標尾水排海工程為例，研究了不同水深條件下水動力對污染物的擴散影響程度。由于污染物的擴散有垂直分層分布的特征，三維數學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MIKE3三維數學模型對污水深海排放的海域進行潮流數值模擬，預測擴散器排放的污水中揮發酚、COD污染物質對水環境的影響程度，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、尾水處置提供科學依據。

1　水動力數值模擬

1.1模型控制方程

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

基本運動方程

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坐標系流速，方向為等σ線的法線方向，它與三維直角坐標系下垂向流速W的關系為

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

1.2邊界條件

側邊界條件：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：采用大區嵌套的方式給小區邊界，大區模擬區域為117°32′25″E～122°17′3″E，37°6′1″N～40°58′10″N，大區外海開邊界采用潮位過程線Z=Z（t），由中國潮汐表提供，并根據實測水文資料進行調試。小區的邊界是由上一層模型的計算結果提供，小區模擬區域為117°32′2″E～118°34′38″E，38°1′37″N～39°13′14″N。1.3計算范圍與網格設置

排污口位于渤西油氣平臺臨近區域，與陸域距離21.1 km，水深9.3 m。模型計算范圍東邊界到118°34′38″E，南北距離約111 km。采用無結構的三角網格系統，垂向分為6個σ層（表層、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底層），對排污口區域進行局部加密，模擬區域共有三角形網格節點11 955個，三角形單元23 231個，計算網格圖如圖1所示。

圖1　計算網格圖Fig.1Computational grid

圖2　驗證點位置Fig.2Verification point location

1.4模擬結果驗證及分析

采用2008年7月大、小潮的現場實測資料，對潮位、流速和流向進行驗證。其中共有6個潮流站（1#～6#）和一個潮位站（大港）。驗證點位置如圖2所示。潮位及流速、流向（表層、0.6 H層、底層）實測值與計算值的驗證曲線圖見圖3～圖5，其中黑線代表模擬計算結果，黑色叉號代表觀測數據。從驗證情況看，各測站計算值與實測值二者總體趨勢差異不大，計算的潮位過程及各層的流速、流向過程與實測資料基本吻合，可見該模型所模擬的潮流運動基本能夠反映出天津海域的水流狀況，可以作為進一步分析計算的基礎資料。

圖3　大港測站潮位驗證Fig.3Tidal level verification at Dagang tidal station

圖42　#測站小潮流速流向驗證Fig.4Verification of flow velocity and flow direction of neap tide at 2#station

圖55　#測站大潮流速流向驗證Fig.5Verification of flow velocity and flow direction of spring tide at 5#station

2　污染物擴散影響預測

2.1模型控制方程

本文采用丹麥水動力研究所研制的MIKE3數學模型的對流擴散模塊（AD）進行污染物輸移擴散數值模擬。

擴散方程如下所示

式中：C為污染物濃度；Cs為源強；Dv為垂向擴散系數；Dh為水平擴散系數。其他參數與水動力參數含義相同。

2.2污染物的影響范圍預測

天津南港排海工程設計排污量為6萬m3/d，污水中揮發酚排放濃度為0.5 mg/L，據此計算源強為0.347 g/s，COD排放濃度為50 mg/L，源強為34.7 g/s，預測計算模式運用前述的污染物擴散方程，采用240 h背景流場，模擬污染物擴散的情況，輸出每2 min的濃度場，統計各計算網格點在模擬時期間的污染物濃度增量最大值，疊加所在海區各污染物現狀濃度，繪制污染物表層、0.6 H層、底層最大濃度包絡線圖（見圖6～圖11），最大影響范圍面積見表1～表2。

表1　揮發酚濃度等值線包絡線面積Tab.1Envelope area of volatile phenol concentration contour m2

m2

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

圖6　表層揮發酚濃度值包絡線Fig.6Surface concentration of volatile phenols

圖70　.6H層揮發酚濃度值包絡線Fig.70.6H concentration of volatile phenols

圖8　底層揮發酚濃度值包絡線Fig.8Bottom concentration of volatile phenols

圖9　表層COD濃度值包絡線Fig.9Surface concentration of COD

圖100　.6H層COD濃度值包絡線Fig.100.6H concentration of volatile phenols

圖11　底層COD濃度值包絡線Fig.11Bottom concentration of COD

通過數值模擬揮發酚污染物擴散情況可知：揮發酚在各層均出現超一二三類水質標準的區域，濃度值超一二類水質標準0.005 mg/L的水域面積從底層到表層分別為14400m2、8800m2、8400m2。濃度值超三類水質標準0.01 mg/L的各層水域面積分別5600m2、3200m2、1200m2。排污對底層水質影響最大，超標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COD污染物擴散情況可知：COD在底層、0.6 H層、表層均出現超一類水質標準的區域，超標面積分別為12800m2、8800m2、7200m2。COD僅在底層出現超二類水質標準的區域，超標面積為2000m2，在中層、表層該區域消失。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　結論

采用三維數值模擬的方法，對揮發酚、COD污染物輸運擴散情況進行了模擬分析，研究了天津南港污水排海工程對納污海域水質的影響。按照排污水域各類污染物二類水質濃度標準分析，對水域環境影響最大的污染物是揮發酚，其次是COD。由于采用深水排放，使得各水層出現了污染物含量的差異。排污對底層水質影響最大，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。

污染物超二類水質面積遠低于排污口混合區面積小于3 km2的標準及排污口混合區半徑小于1000m的標準，說明南港污水排海工程對納污海域環境影響較小。由于揮發酚污染物的濃度在各層均超過三類水質標準，但是超標面積都較小，因此應注意排放的揮發酚濃度不要偏高、排污量不要超量。

參考文獻：

［1］國峰，張海平，李陽，等.金山污水排海對納污海域水質影響的數學模擬［J］.海洋學研究，2007，25（4）:81-85. GUO F，ZHANG H P，LI Y，et al.Modeling study on effect of marine disposal on water quality in Jinshan sea area［J］.Journal of marine sciences，2007，25（4）:81-85.

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［3］趙俊杰，白靜，康蘇海.南通污水排海工程排放點比選的數值模擬［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.港灣三維水動力和污染物擴散數值模型［J］.臺灣海峽，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.

風暴潮浪與離岸深水結構相互作用研究成果達到國際先進水平

本刊從交通運輸部天津水運工程科學研究院獲悉，2014年8月26日，中國航海學會在天津主持召開了以交通運輸部天津水運工程科學研究院為主要承擔單位完成的《風暴潮浪與離岸深水結構相互作用研究》研究成果鑒定評審會。該項目針對離岸深水波浪強和地基土軟弱等關鍵技術問題，通過數值模擬、物理模型試驗、原型實驗驗證等技術手段和方法，開展了風暴潮浪與離岸深水結構相互作用研究，解析了考慮流固耦合作用的風暴潮浪荷載特性，揭示了離岸深水全直樁碼頭承載特性及破壞模式，創立了穩定性靜力、動力簡化計算方法，開發出新型倒T型導管墻樁基防波堤結構。取得了發明專利兩項，部分研究成果被行業規范采納。目前，項目成果已在秦皇島港、煙臺港、大連港及天津港工程中應用，社會及經濟效益顯著，具有較強的推廣應用前景。經評審，鑒定委員一致認為該項目研究成果總體上均達到了國際先進水平，其“在風暴潮浪作用下離岸全直樁碼頭動力簡化計算方法”方面達到國際領先水平。（殷缶，梅深）

天津港將投600億建島

本刊從天津港集團獲悉，隨著天津港口岸新一輪擴大對外開放計劃獲批，天津港計劃投資600億建設一個規劃面積42 km2的世界級人工港島——東疆二島。據悉，天津港投資建設的東疆港區，是當前天津市申報自貿區的主要陣地。已經建設成陸的東疆一期30 km2的人工島，是北方國際航運中心的核心功能區，具備國際中轉、國際配送、國際采購、國際轉口貿易和出口加工等功能。其中，占地面積10 km2的東疆保稅港區是目前我國最大的保稅港區。此外，位于東疆港區南端的天津國際郵輪母港設計水深-11.5 m，能夠停靠目前世界最大的22萬t級國際郵輪。東疆二島由北部島、中部島、南部島組成，位于現有東疆港區東側。目前，東疆二島已完成了總體開發戰略咨詢研究、東疆二島總體規劃、區域建設用海總體規劃等總體規劃層次的研究，正處于外圍防波堤前期建設階段。（殷缶，梅深）

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

中圖分類號：X 52

文獻標識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0539-06

收稿日期：2013-09-22；修回日期：2014-04-02

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

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