Impact prediction of the concentrated saltwater discharged from desalination plant on the distribution of the salinity in Bohai bay
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摘要:
利用MIKE21模型进行浓海水排放对渤海湾海水盐度分布影响的研究,分别以天津大港和河北黄骅两地建设海水淡化工程所排放的浓海水量为输入条件,模拟预测了渤海湾不同潮期和工程规模浓海水排放的扩散状况。结果显示,浓海水的稀释扩散受潮流的影响较大,总体来讲小潮低潮时排海的浓海水稀释扩散效果最差,大潮低潮和小潮高潮时次之,大潮高潮时扩散效果最好;建设10×104 t/d以下的海水淡化工程浓海水排海对周围海区的盐度影响不显著,建设50×104 t/d以上的大型海水淡化工程时,小潮低潮时盐度升高波及面积最大,高于背景值1.5 PSU的面积为31 km2,最远离岸距离为6.74 km,所以大规模海水淡化工程的选址、浓海水排海方式均要进行合理规划、选择,尽可能降低其对海洋环境的不利影响。
Abstract:The effects of the discharge of the concentrated seawater on the distribution of seawater salinity were investigated using MIKE21 model.With the discharge amounts of the concentrated seawater from Tianjin Dagang and Hebei Huanghua desalination projects as the input conditions, the diffusion of the discharged concentrated seawater in Bohai bay from the desalination projects with different scales during different tide periods was simulated and predicted.The results demonstrated that the dilution of the concentrated seawater was mainly influenced by the ocean currents during different tide periods.Overall, the high water spring tide showed the best dilution and diffusion effects, followed by high water neap tide, the low water neap tide was the worst.The concentrated seawater from the seawater desalination project with the output scale no greater than 10×104 t/d had no significant effect on the sea salinity of the surrounding sea areas.However, the concentrated seawater from the desalination projects with the scales greater than 50×104 t/d could lead to the largest sea area with the increased salinity during low water neat tides.In addition, the sea area with the salinity 1.5 PSU higher than background value and the maximum offshore distance were 31 km2 and 6.48 km, respectively.Therefore, the site selection of large-scale desalination project and the discharge of the concentrated seawater should be properly planed to minimize their detrimental effects on the marine environment.
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Keywords:
- Bohai bay /
- seawater desalination /
- numerical model /
- concentrated seawater discharge
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海水淡化作为解决沿海地区淡水缺乏问题最有效措施之一，在有效解决沿海城镇淡水资源缺乏问题的同时，对周围环境也可能产生一些不利影响。海水淡化厂排放的浓海水盐度一般比原海水的盐度高一倍左右,大量排海不仅导致海域盐度升高,海域盐度分布发生变化,同时一些化学药剂及重金属会导致浊度增加,破坏海洋生物的光合作用[1]，或对海洋生物产生毒性作用，影响其生长繁殖[2]。如果浓海水不经处理、没有节制地排放到近海的话，势必会对海洋生态系统造成不利影响。Torquemada[3]研究表明，浓海水排海对海洋生态环境的影响与其在排海后形成的盐度分布关系密切。
近年来，国内外关于浓海水排海对海域水质的影响研究逾来逾受到重视，利用数值模拟技术预测盐度分布也得到逐步应用。Pumama等[4-5]人认为淡化厂浓海水的持续排放会引起沿岸海域盐度增加，并引起地下淡水的污染，因此他建议排水口应尽量往深海区延伸，利用一个二维模式研究了阿曼海水淡化厂浓海水排海后其在阿曼湾的扩散对受纳水体的影响；TSIOURTIS等[6]人对加利纳群岛某海水淡化厂浓海水排海研究表明，浓海水在表层能够充分扩散稀释，但是在水底深度断面会形成羽状分布。国内学者李易、赵骞等[7-9]人也利用数学模型研究了浓海水排海对锦州湾、胶州湾等海域盐度分布的影响。因此，监测浓海水对海洋生态环境的影响，预测浓海水排海时所在海域盐度分布和扩散规律，对环境影响评价、产业布局，优化生产工艺、制定相关标准、法规等具有重要意义。
渤海湾是海水交换能力较差的海域，沿岸地区也是我国淡水资源最缺乏的地区之一。本文利用数值模拟模型建立渤海湾盐度扩散模型,进行渤海湾浓海水盐度场二维分布研究，在考虑淡水输入等条件下，预测浓海水排海对海域盐度的影响，为海水淡化厂厂址选择、海水淡化工程规模以及浓海水排海方式等提供支持和建议。
1 水动力模型
1.1 模型建立
根据海洋工程环境影响评价技术导则，本评价海域属于浅水海湾，其水平尺度远远大于其深度尺度，海水的垂向混合比较充分，可以采用二维数值模拟模型进行预测研究。本文采用MIKE 21 数值模拟软件进行渤海湾浓海水排放盐度的稀释扩散问题模拟研究[10]，模型网格如图1所示。
1.2 输入条件
模型构建过程中主要考虑淡水输入和潮流作用等条件。入海河流主要考虑黄河、滦河、徒骇马颊河水系和海河水系，见图2。
选取海河、徒骇马颊河、黄河和滦河近年的平均入海径流量作为河流水量的入海流量，详见表1所示。
表 1 渤海湾附近河流径流量Tab. 1 The streamflow of rivers around Bohai Bay黄河 滦河 徒骇马 颊河 海河 北系 海河 南系 平均值/m3·s-1 428.7798 9.35 33.7392 19.5967 23.6872 注：数据来源《1998-2010年海河流域水资源公报》、《1998-2011黄河水资源公报》 1.3 模型率定
选择塘沽、黄骅港2个海洋监测站的数据进行模型率定，其中，2009年12月01日至2009年12月15日期间模型计算潮位与实测潮位的比对结果见图3。
塘沽站附近2007年5月19日10时至2007年5月20日11时实测海流数据与模型计算值的比对验证结果如图4所示。
潮流模型的验证，根据海洋工程环境影响评价技术导则,潮位差的不确定度应小于(或等于)10%；潮流流速差应小于(或等于)20%；流向差应小于(或等于)15°，最大不能超过20°。从图3的验证潮位曲线可知，模拟潮位数据在相位上和量值上均与预报潮位数据大致符合，模型模拟结果比较理想，振幅误差大多在10 cm以内；从图4可以看到，流速计算值与实测值变化规律拟合较好，误差大多在5 cm/s以内，流向计算结果与实测值变化趋势基本一致，能够真实描述渤海湾的海流特征。综上所述，计算结果较好地描述了研究海域潮流的运动过程及特征，可以为海水淡化工程模拟研究提供基本的海流背景场，并在此进行环境影响的模拟预测研究。
2 浓海水排海影响预测结果与讨论
在水动力模型的基础上，对渤海湾海水淡化浓海水排放的盐度影响进行预测。假设海水淡化厂规模分别为淡水产量10×104 t/d、50×104 t/d，浓海水排放量按海水淡化淡水回收率50%计算，初始盐度设30。天津大港和河北黄骅靠近渤海湾顶部，海域水深较浅，海水交换能力较弱，污染物不易扩散，两地又是海水淡化重点规划的沿海缺水城市，故选择大港和黄骅两地作为本研究的模拟海域进行研究，排放地坐标选为黄骅(117°54′，38°18′)，大港(117°36′，38°50′)；运行时间分别选择为2008年12月10日至2008年12月16日和2008年02月25日至2008年03月05日。不同规模海水淡化工程，在渤海湾的各潮时段排放浓海水对盐度影响模拟结果如图5、图6所示。
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图 5 10×104 t/d浓海水排海后盐度分布Fig. 5 Salinity distribution after the discharge of concentrated saltwater from desalination plant (10×104 t/d)![]()
图 6 50×104 t/d浓海水排海后盐度分布Fig. 6 Salinity distribution after the discharge of concentrated saltwater from desalination plant (50×104 t/d)潮汐是渤海湾水动力的主要来源，在潮汐的驱动下，增量污染物通过对流输运以及稀释扩散与排放海域水体混合，与外海海水进行交换，降低其浓度，改善其水质。从图5和图6可以看到浓海水扩散随着潮汐运动的特点，高潮与低潮时的盐度分布状况存在一定的差别，涨潮时盐度等值线梯度变大，落潮时盐度等值线梯度变小。因为在涨潮时，海水由渤海湾外流向湾内，尽管低浓度海水涌入，使湾内高盐度的海水得以稀释，但由于其流速方向基本上都是由海湾外流向海湾内，并不利于盐分向外扩散迁移；而落潮时，潮流速度方向则是由渤海湾内流向湾外，使得盐度等值线梯度减小。天津大港和河北黄骅浓海水排放口受潮汐作用和附近入海河流的影响，盐度升高海域分别向南和向东扩散输移，盐度扩散呈不规则分布；河口附近海域基本未受到排海浓海水的盐度影响。大潮时期更利于盐度较高的海水水团扩散稀释，盐度增加不甚明显。高潮时期盐度较高的水团离岸较近，低潮时盐度升高影响范围边缘离岸较远。排放口近距离海域为高盐度区，随着距排放口距离的增加，盐度逐渐降低；随着浓海水排放量的增加，浓海水排放口附近海域的盐度升高较为明显，影响范围也在扩大。
海水淡化工程环境影响评价的研究中，浓盐水排放的影响范围一直是业内关注、研究的重点，也是海洋生态环境影响评估的关键因素。表2和表3列出了浓海水排海影响范围。
表 2 浓海水排海的盐度影响面积(km2)Tab. 2 The sea area with the salinity affected by the discharged concentrated saltwater项目地点 盐度 升高值 浓海水排放量/104 t·d-1 大潮高潮 大潮低潮 小潮高潮 小潮低潮 10 50 10 50 10 50 10 50 大港 1.5 0 0.97 0.02 1.51 0.18 6.83 0.73 31.54 3.0 0 0.07 0 0.42 0 2.45 0.03 14.38 黄骅 1.5 0 3.20 0.01 8.66 0.02 4.75 0.15 17.21 3.0 0 0.21 0 0.57 0 0.79 0.01 3.31 表 3 浓海水排海的盐度影响离岸距离Tab. 3 The offshore distance with the salinity affected by the discharged concentrated saltwater潮时 盐度升高值 影响距离 /km 海水淡化工程浓海水排放量/104 t·d-1 黄骅 大港 10 50 10 50 大潮高潮 1.5 垂岸距离 0 0.90 0 0.30 沿岸距离 0 1.41 0 1.55 3.0 垂岸距离 0 0.60 0 0.10 沿岸距离 0 0.42 0 0.22 大潮低潮 1.5 垂岸距离 0 1.91 0 1.08 沿岸距离 0 2.10 0 3.84 3.0 垂岸距离 0 0.78 0 1.00 沿岸距离 0 1.62 0 1.10 小潮高潮 1.5 垂岸距离 0 2.37 0.30 1.75 沿岸距离 0 1.36 0.51 5.44 3.0 垂岸距离 0 1.91 0 1.22 沿岸距离 0 0.42 0 3.65 小潮低潮 1.5 垂岸距离 0.22 4.05 1.58 6.74 沿岸距离 0.78 4.44 1.42 6.48 3.0 垂岸距离 0 1.63 0.05 4.74 沿岸距离 0 2.91 0.17 4.24 由表2和表3中可看出，海水淡化工程浓盐水排放量增加，排到海水中的盐分也增加，增量盐分的影响范围明显扩大，离岸距离延长。以大港日排放10万t浓海水为例，由于排出的盐分较少，增量盐分对海域的影响范围很小，在水力交换最差的小潮低潮时，盐度高于背景值1.5的受影响面积也仅为0.73 km2，离岸距离1.58 km；在浓海水排放量50×104 t/d以上时，盐度等值线所包含的面积较大，排放口附近海区盐度升高影响面积明显扩大，盐度高于背景之1.5的受影响面积升至31 km2，垂岸最远距离6.74 km，沿岸距离6.48 km。另外，浓海水排海受潮汐变化影响较大，以大港日排放50万t浓海水为例，盐度高于背景值1.5的影响范围，大潮高潮时盐度升高波及面积最小，为0.97 km2，离岸最远距离为0.3 km；大潮低潮和小潮高潮时盐度升高影响面积相对减少；小潮低潮时盐度升高波及面积最大，为31 km2，离岸最远距离为6.74 km。由此可以看出，浓海水的稀释扩散受潮流的影响较大，总体来讲小潮低潮期排海的浓海水稀释扩散效果最差。海水淡化工程浓海水排放的表面形态呈近似周期性变化，其变化周期与潮流的周期大致相同。大港和黄骅位于渤海湾的顶部，海域水交换能力比较差，盐分不易扩散。10×104 t/d以下的海水淡化厂所排放浓海水对周围海域的影响不显著，相应的高盐度海水扩散范围也很小；建设50×104 t/d以上的大型海水淡化工程时，项目选址、浓海水排海的地点和方式需要合理选择，统筹考虑，即要降低浓海水盐度和污染物浓度，又利于浓海水的扩散稀释，保护海洋环境。
3 结论
基于MIKE数值模拟软件，进行渤海湾水动力数值模拟和浓盐水排放的扩散问题研究，以天津大港和河北黄骅为例，分析了不同潮期和工程规模的浓海水排放的扩散状况。大港和黄骅位于渤海湾顶部，海域水交换能力较弱，盐分扩散受潮汐变化和工程规模影响较大。1)、浓海水的稀释扩散受潮期海流的影响较大，总体来讲涨潮时盐度等值线梯度变大，落潮时盐度等值线梯度变小；小潮低潮时期排海的浓海水稀释扩散效果最差，大潮高潮时稀释效果最好；2)、建设10×104 t/d以下规模的海水淡化工程排放浓海水对周围海区的影响不显著，高盐海水扩散影响范围较小；建设50×104 t/d以上规模的大型海水淡化工程时，小潮低潮时盐度升高波及面积最大，高于背景值1.5的面积为31 km2，最远离岸距离为6.74 km，故大规模海水淡化工程选址和浓海水排海方式要进行合理规划、选择，尽可能降低对海洋环境的不利影响。
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图 5 10×104 t/d浓海水排海后盐度分布
Fig. 5. Salinity distribution after the discharge of concentrated saltwater from desalination plant (10×104 t/d)
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图 6 50×104 t/d浓海水排海后盐度分布
Fig. 6. Salinity distribution after the discharge of concentrated saltwater from desalination plant (50×104 t/d)
表 1 渤海湾附近河流径流量
Tab. 1 The streamflow of rivers around Bohai Bay
黄河 滦河 徒骇马 颊河 海河 北系 海河 南系 平均值/m3·s-1 428.7798 9.35 33.7392 19.5967 23.6872 注：数据来源《1998-2010年海河流域水资源公报》、《1998-2011黄河水资源公报》 
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表 2 浓海水排海的盐度影响面积(km2)
Tab. 2 The sea area with the salinity affected by the discharged concentrated saltwater
项目地点 盐度 升高值 浓海水排放量/104 t·d-1 大潮高潮 大潮低潮 小潮高潮 小潮低潮 10 50 10 50 10 50 10 50 大港 1.5 0 0.97 0.02 1.51 0.18 6.83 0.73 31.54 3.0 0 0.07 0 0.42 0 2.45 0.03 14.38 黄骅 1.5 0 3.20 0.01 8.66 0.02 4.75 0.15 17.21 3.0 0 0.21 0 0.57 0 0.79 0.01 3.31
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表 3 浓海水排海的盐度影响离岸距离
Tab. 3 The offshore distance with the salinity affected by the discharged concentrated saltwater
潮时 盐度升高值 影响距离 /km 海水淡化工程浓海水排放量/104 t·d-1 黄骅 大港 10 50 10 50 大潮高潮 1.5 垂岸距离 0 0.90 0 0.30 沿岸距离 0 1.41 0 1.55 3.0 垂岸距离 0 0.60 0 0.10 沿岸距离 0 0.42 0 0.22 大潮低潮 1.5 垂岸距离 0 1.91 0 1.08 沿岸距离 0 2.10 0 3.84 3.0 垂岸距离 0 0.78 0 1.00 沿岸距离 0 1.62 0 1.10 小潮高潮 1.5 垂岸距离 0 2.37 0.30 1.75 沿岸距离 0 1.36 0.51 5.44 3.0 垂岸距离 0 1.91 0 1.22 沿岸距离 0 0.42 0 3.65 小潮低潮 1.5 垂岸距离 0.22 4.05 1.58 6.74 沿岸距离 0.78 4.44 1.42 6.48 3.0 垂岸距离 0 1.63 0.05 4.74 沿岸距离 0 2.91 0.17 4.24
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