高浓热盐水排海输移扩散规律研究

论文摘要

海水淡化在有效解决缺水问题的同时,对周围环境产生了一些不利影响,其中淡化过程中产生的高浓热盐水直接排海对海洋环境的影响已经引起了环境专家和渔业界的关注。但是我国目前还没有完善的制度来规范限制高浓热盐水的不当排放,因此十分有必要探索研究其直接排放对环境的影响程度,以便采取合理的技术来保护环境,这就提出了用何种模型才能较准确地模拟高浓热盐水排入大水体中的输移扩散情况。现有的国内外关于流体排海问题的研究主要涉及污染物排放以及热电站或核电站的冷却水排放,而温度差和浓度差同时存在的废水排海问题的研究还不多见。对高浓热盐水排放而言,能量和物质的传递与单独由温差或者盐度差驱动的自然对流会有很大的不同,必须同时考虑温度、浓度和速度场之间的耦合相互作用以及温度梯度和浓度梯度产生的浮升力对其对流扩散过程的影响。本文在前人研究的基础上,建立了波流联合作用下的高浓热盐水输移扩散三维数学模型,通过对实际海湾的潮流场和高浓热盐水进入海洋水体后经湍动混合与输移扩散后的时空分布特性进行数值模拟,揭示了高浓热盐水在海洋复杂条件下的运动及演变规律,研究各种海洋环境特征对它的作用机理和规律,进而对排放影响作出分析判断。准确掌握近岸海域高浓热盐水的输移扩散规律,特别是潮流和波浪在其中的作用,不仅为合理布置水电联产设备的取水口和排放口位置、尽量减小浓盐水排放对海洋环境造成的负面影响提供了有效途径,而且对提高电厂运行效率、海水淡化效率、以及排放设计具有一定的实际意义和理论价值。本文的研究工作及主要研究成果:1.在陆架区三维多功能水动力学模型COHERENS和波浪模型SWAN的基础上,针对研究问题的具体需要,建立了波流联合作用下的高浓热盐水输移扩散三维数学模型,该模型在流温盐的垂向混合系数的计算中考虑波浪的影响,将COHERENS模式的垂向湍流混合计算方案与波浪产生的垂向湍流混合相结合,建立了直接含波浪影响的垂向混合作用计算方案。2.针对胶州湾近岸海域的地形特征以及重点研究区域内计算精度的要求,潮流数值模拟中采用网格嵌套技术,分成渤、黄海大尺度、胶州湾及其周围海域中尺度以及胶州湾近岸海域小尺度三重网格嵌套方式进行,模型的数值模拟结果与实测资料基本相符,单站潮位、垂向平均的流速和流向模拟结果令人满意,水动力模式结果基本反映了胶州湾的水动力特征。3.以胶州湾西岸的某电厂高浓热盐水排放为例,在水动力特性研究的基础上研究了高浓热盐水自排放口流出后分别在单纯潮流以及波流共同作用下的流动速度分布和相应的温、盐时空分布特性,分析了潮周期平均的温度场和盐度场、深度平均的温度场和盐度场、潮周期平均的温度和盐度垂向分布等。结果表明:规则半日潮流对高浓热盐水的输移扩散起着决定性作用,同时波浪对近岸缓坡区域物质输运也起着重要影响;等温线和等盐度线的分布基本相似,高浓热盐水输移扩散过程中受温度和盐度的分子扩散速率差异的影响很小,没有出现因分子扩散速率差异而形成的双扩散流动特征和异质扩散现象。4.对温度和盐度之间的非线性耦合关系分析发现,盐度增加1PSU使海水密度的增加值比温度增加1℃使海水密度的减小值要大一些,因此在处理高浓热盐水的排放时必须要考虑温度和盐度对密度的这种非线性作用。5.通过对三种排放口温度和盐度的不同组合模拟研究温度和盐度对密度的非线性作用,研究表明如果排放流体只有盐度升高而没有温度升高,反而比高浓热盐水对环境的影响大,因此我们在处理海水淡化后排出的浓盐水时,在使周围环境温升达标的前提下适当地使排放浓盐水和环境水体存在温升,反而有利于浓盐水的输移扩散。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 相关工作的回顾与研究现状
• 1.2.1 热电厂（核电站）冷却水排海的国内外研究现状
• 1.2.2 湍流模型的国内外研究现状
• 1.2.3 近海潮流模拟的国内外研究现状
• 1.2.4 波浪对近岸海域污染物输移扩散影响的国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 高浓热盐水输移扩散三维数学模型的建立
• 2.1 三维水动力方程组
• 2.1.1 COHERENS模式在高浓热盐水输移扩散数值模拟中的应用分析
• 2.1.2 笛卡尔坐标系下的三维斜压模式控制方程组
• 2.1.3 垂向采用σ坐标变换的三维斜压模式控制方程组
• 2.1.4 笛卡尔坐标系下的二维正压模式控制方程组
• 2.1.5 球形坐标系下的斜压、正压模式控制方程组
• 2.2 波流联合作用下的控制方程组
• 2.2.1 波浪模型SWAN在高浓热盐水输移扩散数值模拟中的应用分析
• 2.2.2 辐射应力影响下的控制方程组
• 2.3 边界条件和初始条件
• 2.3.1 表面边界条件
• 2.3.2 底面边界条件
• 2.3.3 开边界条件
• 2.3.4 闭边界条件
• 2.3.5 初始条件
• 2.4 数值离散方法
• 2.5 波流联合作用的数学模型结构
• 2.6 内外模式的衔接
• 2.7 稳定性分析
• 2.8 本章小结
• 3 高浓热盐水输移扩散数学模型中的参数确定及模型验证
• 3.1 数学模型中对流项的离散格式
• 3.2 数学模型中水平扩散系数的确定
• 3.3 波浪影响下的表面风应力
• 3.3.1 表面拖曳力系数的研究现状
• 3.3.2 考虑波浪影响的表面风应力计算方法
• 3.4 垂向涡粘、涡扩散系数的确定
• 3.4.1 代数公式理论
• 3.4.2 湍流封闭模式
• 3.4.3 涡粘系数和垂直扩散系数的限制条件
• 3.4.4 依赖于Richardson数的背景扩散系数的引入
• 3.4.5 湍流边界条件和初始条件
• 3.4.6 波浪作用下的流温盐垂向混合系数
• 3.5 模型验证
• 3.5.1 问题描述及模型建立
• 3.5.2 问题的解析解
• 3.5.3 模拟结果及分析
• 3.6 本章小结
• 4 理想水槽的高浓热盐水排放的数值模拟
• 4.1 问题描述
• 4.2 边界条件和初始条件
• 4.2.1 开边界条件
• 4.2.2 排放口边界条件
• 4.2.3 初始条件
• 4.3 模拟结果与讨论
• 4.3.1 波浪场计算结果
• 4.3.2 波流联合作用下的温度场和盐度场平面形态演变
• 4.3.3 高浓热盐水输移扩散的特征分析
• 4.4 本章小结
• 5 高浓热盐水输移扩散数学模型在胶州湾的应用
• 5.1 胶州湾自然地理概况
• 5.2 数值计算和求解方法
• 5.3 胶州湾近岸海域三维水动力数值模拟
• 5.3.1 三维水动力数值模拟时空步长设置
• 5.3.2 初始条件设置
• 5.3.3 网格嵌套技术获得开边界条件
• 5.3.4 三维水动力模型率定及验证
• 5.3.5 潮流场特征分析
• 5.4 单纯潮流作用下的高浓热盐水输移扩散三维数值模拟
• 5.4.1 深度平均的温度和盐度分布
• 5.4.2 深度平均的温度等值线和盐度等值线包络面积
• 5.4.3 潮周期平均的温度场和盐度场
• 5.4.4 流温盐的垂向分布
• 5.5 波流联合作用下的高浓热盐水输移扩散三维数值模拟
• 5.5.1 波浪场计算结果
• 5.5.2 单纯潮流和波流联合作用下的垂向涡扩散系数分布特征
• 5.5.3 单纯潮流和波流联合作用下的流速和流向比较
• 5.5.4 波流联合作用下的深度平均的温度和盐度分布
• 5.6 本章小结
• 6 温度和盐度对密度的非线性耦合关系
• 6.1 模型中密度的计算方案
• 6.2 盐度变化对密度的影响分析
• 6.3 温度变化对密度的影响分析
• 6.4 排放口温度和盐度不同组合的垂向分布
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历在学期间发表的学术论文