海水淡化廠(chǎng)外排濃鹽水鹽度模擬分析

海水淡化廠(chǎng)外排濃鹽水鹽度模擬分析

目前，由于缺乏淡水資源，世界主要社會(huì)問(wèn)題之一。海水處理技術(shù)是解決全球水資源危機(jī)的重要手段。通過(guò)海水淡化來(lái)獲取淡水資源已成為國(guó)際上一種比較先進(jìn)和成熟的淡水獲取方式,我國(guó)的海水淡化技術(shù)發(fā)展較早,現(xiàn)階段海水淡化技術(shù)較為成熟,但規(guī)模較小。海水淡化雖能有效解決缺水問(wèn)題,但淡化過(guò)程也將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一些不利影響。其中,海水淡化后濃鹽水的去向是目前亟待解決的問(wèn)題。濃鹽水最好的去向是制鹽、鹽化工等,以達(dá)到綜合利用的目的,但在某些情況下,如制鹽規(guī)模不大、鹽化工配套尚待運(yùn)行等,濃鹽水不得不臨時(shí)排入鄰近水域,從而使得附近水體鹽度升高,對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響,同時(shí)對(duì)海水淡化廠(chǎng)的取水水質(zhì)及運(yùn)行工況也造成一定影響。因此,對(duì)海水淡化廠(chǎng)的外排濃鹽水輸移擴(kuò)散的模擬和預(yù)測(cè),不僅對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)非常重要,對(duì)海水淡化廠(chǎng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)及管理也很重要。筆者采用數(shù)值模擬的方法,研究了我國(guó)一個(gè)尚待投產(chǎn)、規(guī)模較大的海水淡化廠(chǎng)外排濃鹽水在水環(huán)境中的輸運(yùn)情況,用以確定其對(duì)環(huán)境和淡化廠(chǎng)自身運(yùn)營(yíng)情況的影響。1循環(huán)渠水體的去除和排水系統(tǒng)海水淡化廠(chǎng)選址情況如圖1所示。淡化廠(chǎng)位于一電廠(chǎng)循環(huán)渠沿岸。循環(huán)渠由排水渠和回水渠組成,兩渠平行,水流方向如圖1中箭頭所示。排水渠長(zhǎng)約6km、寬約100m、深約2m;回水渠由兩條渠道組成,每條渠道均長(zhǎng)約6km、寬約250m、深約2m。排水渠和回水渠之間:在東側(cè)由一約20m寬的連通渠相連;在西側(cè)由電廠(chǎng)取、排水管道相連,其中⑦為電廠(chǎng)取水口位置、①為電廠(chǎng)排水口位置。電廠(chǎng)在發(fā)電過(guò)程中利用循環(huán)渠中的渠水作為冷卻水,平均取、排水量為45m3/s,其取、排水形成的壓力梯度是循環(huán)渠中水體流動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力。循環(huán)渠東側(cè)鄰近海域,⑤處閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)將循環(huán)渠內(nèi)的水排入海域,⑥處泵站將海水(經(jīng)沉淀后)泵入循環(huán)渠,即循環(huán)渠通過(guò)閘門(mén)⑤和泵站⑥與鄰近海域進(jìn)行水體交換(循環(huán)渠日取水量如圖2所示)。因此,循環(huán)渠中的水體實(shí)質(zhì)上是海水,鄰近海域的平均鹽度為32。另外,在④處為一鹽田取水口。海水淡化廠(chǎng)取、排水口②和③即位于電廠(chǎng)排水口下游和鹽田取水口上游。淡化廠(chǎng)日產(chǎn)水量為10×104m3,取、排水的鹽度比為3∶5,即排出濃鹽水相對(duì)于取水的鹽度濃縮倍數(shù)為1.667。電廠(chǎng)和淡化廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)期要求循環(huán)渠內(nèi)鹽度不超過(guò)背景鹽度的110%,即鹽度為35.2。由于電廠(chǎng)對(duì)鹽度沒(méi)有影響,故除淡化廠(chǎng)外,導(dǎo)致進(jìn)入循環(huán)渠中的海水鹽度產(chǎn)生變化的因素只有降雨量和蒸發(fā)量。圖3為該區(qū)域多年月平均降雨量和蒸發(fā)量,可知,該區(qū)域常年蒸發(fā)量大于降雨量,故文中應(yīng)用相對(duì)蒸發(fā)量(蒸發(fā)量-降雨量)進(jìn)行計(jì)算。淡化廠(chǎng)選址在循環(huán)渠沿岸并利用已有的循環(huán)渠進(jìn)行取、排水,可以減少因直接從海域取、排水所需的工程建設(shè)量,減少對(duì)環(huán)境的影響。更重要的是,淡化廠(chǎng)排出的高濃度鹽水首先和循環(huán)渠中的海水混合,然后再排入海域,從而可以降低高濃度鹽水對(duì)近岸水環(huán)境的直接影響。2模擬計(jì)算2.1模型建立及求解由循環(huán)渠的地形可知,該處水體的水平尺度(約為6km)較其垂向尺度(約為2m)大幾個(gè)量級(jí),故其垂向混合較充分,可采用沿垂向積分的水平二維水質(zhì)模型對(duì)循環(huán)渠內(nèi)的鹽度進(jìn)行數(shù)值模擬。該模型包括以二維水動(dòng)力學(xué)方程和二維對(duì)流擴(kuò)散方程為基礎(chǔ)建立起來(lái)的用于模擬和預(yù)報(bào)二維水流、水質(zhì)的水動(dòng)力學(xué)模型和對(duì)流擴(kuò)散模型。其控制方程為:?z?t+?p?x+?q?y=Sm(1)?p?t+?βpu?x+?βpv?y=fq?gH?z?x?gpp2+q2√H2C2+ε(?2p?x2+?2p?y2)(2)?q?t+?βqu?x+?βqv?y=?fp?gH?z?y?gqp2+q2√H2C2+ε(?2q?x2+?2q?y2)(3)?H??t+?p??x+?q??y=??x(DxxH???x)+??y(DyyH???y)+Sm?m(4)?z?t+?p?x+?q?y=Sm(1)?p?t+?βpu?x+?βpv?y=fq-gΗ?z?x-gpp2+q2Η2C2+ε(?2p?x2+?2p?y2)(2)?q?t+?βqu?x+?βqv?y=-fp-gΗ?z?y-gqp2+q2Η2C2+ε(?2q?x2+?2q?y2)(3)?Η??t+?p??x+?q??y=??x(DxxΗ???x)+??y(DyyΗ???y)+Sm?m(4)式中p、q——分別為x、y方向的單寬流量,p=uH、q=vHu、v——分別為x、y方向上的流速Sm——單位面積流量源項(xiàng)β——?jiǎng)恿糠匠绦拚禂?shù)z——自由水面水位H——水深f——科氏力系數(shù)C——謝才系數(shù)n——曼寧系數(shù)ε——渦粘系數(shù)?——水質(zhì)指標(biāo)?m——源項(xiàng)的水質(zhì)指標(biāo)Dxx、Dyy——分別為x、y方向的綜合擴(kuò)散系數(shù)將上述微分方程在空間交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)上進(jìn)行離散,采用ADI法進(jìn)行差分,可求其數(shù)值解。本模型已經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證,其具體驗(yàn)證過(guò)程以及求解方法見(jiàn)文獻(xiàn)。初始鹽度設(shè)為海水平均鹽度,即采用冷啟動(dòng)的方式,由下節(jié)內(nèi)容可知,初始鹽度對(duì)模擬結(jié)果的影響很快便會(huì)消除。2.2鹽度隨時(shí)間的變化規(guī)律圖4為數(shù)值模擬的結(jié)果。在模擬過(guò)程中,①、②、⑥、⑦處的鹽度相差甚微,④、⑤處的鹽度也較為一致,而③處的鹽度又和②處的相關(guān)聯(lián),故為了避免重復(fù),圖4僅給出了典型站點(diǎn)⑦、⑤兩處的鹽度模擬結(jié)果。由海水淡化廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)前,即現(xiàn)狀工況下模擬得到的鹽度變化情況可知,⑦、⑤處鹽度變化曲線(xiàn)基本重合,這說(shuō)明鹽度空間分布比較均勻,但隨時(shí)間有一定的變化。鹽度最大值約為33.3,出現(xiàn)在4月;最小值為32.0,出現(xiàn)在10月。對(duì)比圖4和圖3可知,鹽度最大值沒(méi)有出現(xiàn)在相對(duì)蒸發(fā)量最大的5月,而是出現(xiàn)在相對(duì)蒸發(fā)量較大的4月。這是因?yàn)?循環(huán)渠泵站取水量在5月份最大,4月份不及5月份取水量的一半,即5月份取水量的增加使得循環(huán)渠中的鹽度有所降低。因此,海水淡化廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)前,鹽度主要隨相對(duì)蒸發(fā)量的變化而變化,并受循環(huán)渠泵站取水量的影響。海水淡化廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)后,即試算工況下的模擬結(jié)果表明,⑦、⑤處鹽度出現(xiàn)了一定的差別,⑤處的鹽度值普遍大于⑦處的,這說(shuō)明海水淡化廠(chǎng)的存在使循環(huán)渠中水體的鹽度出現(xiàn)了一定程度的空間分布特征,即由③到④再到⑤的各處為高鹽度區(qū),由⑥到⑦再到①、②的各處為低鹽度區(qū)。更重要的是,鹽度隨時(shí)間的變化幅度遠(yuǎn)大于其隨空間的變化幅度。對(duì)比圖2可知,鹽度的變化情況與循環(huán)渠泵站的取水量呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān),即取水量越大則鹽度越低。另外,該工況下多數(shù)時(shí)間內(nèi)鹽度超過(guò)35.2的限值,這說(shuō)明若海水淡化廠(chǎng)將濃鹽水排入循環(huán)渠而不采取其他措施的話(huà),循環(huán)渠中的水體鹽度將接近50,這不僅會(huì)給周邊環(huán)境造成較大影響,而且將影響電廠(chǎng)和淡化廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)。因此,下面的推薦算例就是在該算例的基礎(chǔ)上,通過(guò)增加循環(huán)渠泵站的取水量來(lái)避免鹽度超過(guò)限值。推薦工況下,循環(huán)渠泵站4、5月份的日取水量為130×104m3,其他月份取水量為120×104m3。模擬得到該工況下的鹽度變化情況表明:⑤處的鹽度未超過(guò)35.5(即超出限值的幅度很小),對(duì)環(huán)境影響較小;⑦處的鹽度均小于35.2的限值,可以滿(mǎn)足電廠(chǎng)和淡化廠(chǎng)的用水需求。3運(yùn)行時(shí)間和鹽度隨時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)海水淡化廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)前、后循環(huán)渠內(nèi)的鹽度進(jìn)行了數(shù)值模擬,確定了鹽度的時(shí)空分布規(guī)律,研究了其對(duì)周邊環(huán)境、電廠(chǎng)和海水淡化廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)的影響。由模擬結(jié)果可知,現(xiàn)狀工況下,鹽度變化主要由相對(duì)蒸發(fā)量引起,并受循環(huán)渠泵站取水量影響;鹽度空間分布比較均勻,但隨時(shí)間有一定幅度的變化,最大值出現(xiàn)在4月,約為33.3,最小值出現(xiàn)在10月,約為32.0。海水淡化廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)后,循環(huán)渠中水體的鹽度較高,且出現(xiàn)一定程度的空間分布不均勻