【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 HW（ UDKHDEN 的升級(jí)版本）、 PDSW、 NRFIELD（ RSB）、 PDS、 DOS PLUMES 等模型。 此外還有 DKHEN模型及基于拉格朗日方法的 OUTPLM模型。 1993年康奈爾大學(xué)更開發(fā)了一個(gè)專家系統(tǒng) CORMIX，它把水流的各種水動(dòng)力條件，如射流與水體表面和水底的動(dòng)力相互作用都考慮在內(nèi)，采用特征長(zhǎng)度綜合 了大量的實(shí)驗(yàn)資料，因而該專家系統(tǒng)可以掃描各種可能的初始混合情景。 Lee 開發(fā)的 Jetlag模型 [10]對(duì)環(huán)境水流成任意夾角的圓形浮射流進(jìn)行全場(chǎng)模擬，并可應(yīng)用于在同一噴頭上有多個(gè)噴孔的情形。槐文信等也采 用數(shù)學(xué)模型對(duì)射流進(jìn)行了一系列研究。 遠(yuǎn)區(qū)模型研究現(xiàn)狀 近區(qū)研究側(cè)重根據(jù)污水的初始動(dòng)量、浮力、環(huán)境水體的分層情況以及水流的作用，遠(yuǎn)區(qū)研究的重點(diǎn)是污水進(jìn)入海洋水體，污染物經(jīng)紊動(dòng)混合與輸運(yùn)擴(kuò)散后時(shí)空分布特性。近岸海域是陸地、海洋和大氣之間各種過程最活躍的界面，該水域的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)受到來自陸地和海洋的雙重作用的影響， 對(duì)大范圍內(nèi)各種自然過程變化所引起的波動(dòng)和人類活動(dòng)的影響十分敏感，生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)脆弱。因此，近海水域環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理一直是環(huán)境科學(xué)的熱門課題。污染物經(jīng)過海流不斷的紊動(dòng)混合與輸運(yùn)擴(kuò)散過程逐漸形成光滑變化的濃度場(chǎng)，稱其為平衡濃度場(chǎng)，平衡濃度場(chǎng)是污染物時(shí)空分布特性表征，其理論基礎(chǔ)就是污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)模型。近海水域的水質(zhì)預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和管理中，最為實(shí)用的流場(chǎng)模型為 2D淺水環(huán)流模型和二維輸運(yùn)模型。這些模型的應(yīng)用中，由于控制方程和邊界條件的復(fù)雜性，其求解過程仍需借助于數(shù)值方法，應(yīng)用最多的如 FDM， FEM， FVM， FAM 等。 Geetal（ 2021）則將二維水動(dòng)力模型與生態(tài)模型偶合，進(jìn)行了復(fù)合模型研究； Tsanisetal 及張行南等（ 2021， 2021）分別將二維 7 水質(zhì)模型與 GIS 技術(shù)相結(jié)合；劉成等（ 2021）應(yīng)用二維模型分別對(duì)尾水排入長(zhǎng)江口工程的污染物運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬；婁安剛、王學(xué)昌等（ 1993～ 2021）分別對(duì)渤海海峽、膠州灣等海域應(yīng)用二維數(shù)值模型進(jìn)行水質(zhì)分析。 近年來三維水質(zhì)模型得到了應(yīng)用，如沈永明（ 2021～ 2021）就將三維模型應(yīng)用于香港維多利亞港、日本九州島博多灣等地污染預(yù)報(bào)中；陳祖軍等（ 2021）應(yīng)用三維 模型對(duì)長(zhǎng)江口水質(zhì)模擬研究；林衛(wèi)強(qiáng)、逄勇等（ 2021）在珠江口海域三維水質(zhì)模型的應(yīng)用；閆菊等（ 2021）將三維模型在膠州灣水質(zhì)模擬中的應(yīng)用。美國(guó)普林斯頓大學(xué)三維海洋模式（ POM）及河口陸架海洋模式（ ECOMSI）因國(guó)際海洋界的認(rèn)可而得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)經(jīng)過吸收改進(jìn)，成功將這兩個(gè)模式用在我國(guó)的河口海灣的數(shù)值模擬中。另外，還有不少三維模型與生態(tài)或富營(yíng)養(yǎng)模型等混合模型。近年還出現(xiàn)有超標(biāo)概率場(chǎng)模型、概率分析法模型等模型的應(yīng)用。 目前文獻(xiàn)中常見的三維水質(zhì)模型系統(tǒng)還有 WASP， CEQUALICM， EFDC/HEM3D，MIKE3， Delft3D 和 RMA10 等，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫(kù)、河口和沿海水域等一系列水質(zhì)問題的模擬 [11]。 水動(dòng)力學(xué)參數(shù) 排入海域后濃海水濃度的分布除受海洋生物、化學(xué)過程影響外，主要受海洋物理過程的控制，其中海洋水動(dòng)力學(xué)是支配海洋中濃海水濃度分布的最主要因子。因此，掌握濃海水排放海域的水動(dòng)力學(xué)狀況是了解濃海水濃度分布和變化的關(guān)鍵。 1） 潮汐 評(píng)價(jià)海域內(nèi)潮汐類型及潮汐特征值，包括平均海平面、深度基準(zhǔn)面、最高高潮高、最低低潮高、平均高潮高、平均低潮高、最大潮差、平均潮差、平均漲潮時(shí)間、平均落潮時(shí)間。 2） 潮流 日 平均流速、最大流速、最小流速。 3） 波浪 常波向、強(qiáng)浪向、最大波高、平均波高、波浪平均周期。 4） 海水密度 海水平均密度及排放口附近海水密度范圍和季節(jié)變化。 5） 非周期海流 非周期海流的基本特征和季節(jié)變化，包括表層流速、底層流速、海水交換量、近岸區(qū)和離岸區(qū)的紊流流速和流向。 6） 表面漂流 表面漂流的流速及流向。 海洋水動(dòng)力學(xué)狀況評(píng)價(jià)方法 為了預(yù)測(cè)污水在海流驅(qū)動(dòng)下的輸運(yùn)狀況，需要更深入地了解排海區(qū)域的海水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)狀。通過建立適合排污海區(qū)的潮波模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上建立水質(zhì)模型討論排污后對(duì)周圍海域的影響，同時(shí)還應(yīng)建立拉 格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤模型，模擬污水標(biāo)識(shí)質(zhì)點(diǎn)輸運(yùn)的軌跡，從而選擇出較佳的污水排放海域。 潮波數(shù)值模擬 8 根據(jù)排放海域的實(shí)際情況，選擇合適的潮波數(shù)值模型模擬該海域的潮流場(chǎng)，比較模擬和實(shí)測(cè)的潮位潮流結(jié)果，在計(jì)算潮流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，闡明歐拉余流場(chǎng)的特征。潮流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果可以作為進(jìn)一步模擬污染物濃度和軌跡的依據(jù)。 由于一般擬選海域的水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，海水混合比較強(qiáng)烈，鹽度、溫度等要素的垂直分布較均勻，可采用非線性二維潮波動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行海區(qū)的潮波數(shù)值模擬，其基本方程為： 22221 ( ) ( )abXXU U U A U UU V fV gt X Y X H X Y? ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 1） 22221 ( ) ( )abYYV V V A V VU V fV gt X Y X H X Y? ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 2） ( ) ( ) 0H U H Ut X Y?? ? ?? ? ?? ? ? （ 3） 式中： UV、 —— 分別為 x、 y 方向的平均流速分量； Hh???水體的深度， h 為從靜水面起算的水深； ? —— 自靜止水面起算的水位高度； ? —— 海水密度； t —— 時(shí)間坐標(biāo)； f —— 柯氏參量； aaxY??、 —— 海面風(fēng)應(yīng)力，如不考慮風(fēng)影響，則： ax? ＝ 0， aY? ＝ 0； A —— 側(cè)向湍粘性系數(shù)； bbxY??、 —— 海底摩擦力的 X、 Y 方向分量。采用二次律公式： ? ?1 / 2222( ) ( , )bbxYUVg U VC? ? ? ??、 （ 4） 式中： c—— chezy 系數(shù)，主要取決于海底粗糙度和 水深，一般采用美國(guó)水利學(xué)界普遍采用的 Manning公式： 1/? （ 5） 式中 ： n —— 表征海底粗糙度的 manning系數(shù)。 濃度預(yù)測(cè) 根據(jù)二維濃度模型公式： ( ) ( ) ( ) ( ) ( )H P H P U H P V P PH D x H D y ft x y x x y y? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? （ 6） 式中： P —— 垂直平均后的濃海水濃度； Dx Dy、 —— 污染擴(kuò)散系數(shù)在 xy、 方向的分量。按 Elder 的公式： 1 / 2 1( ) 5. 93 ( )gD x D y H C U??、 、 V （ 7） 式中： f—— 污染物質(zhì)的排放速度或者由于生物、化學(xué)、物理等因子引起的衰減速率。 確定定解條件和離散格式，利用不同時(shí)刻的流速作 為平流速度場(chǎng)，計(jì)算擬建排污口在不 9 同時(shí)刻 (包括落潮中間時(shí)、低潮時(shí)、漲潮中間時(shí)、高潮時(shí) )排放的 COD 濃度增量。 濃海水運(yùn)移軌跡 濃海水通過擴(kuò)散器進(jìn)入海水后，污染物大多處于溶解態(tài)或懸浮態(tài)，它們?cè)诤Ｑ笾械妮斠婆c海水質(zhì)點(diǎn)一樣，其輸運(yùn)途徑和去向可以用拉格朗日標(biāo)識(shí)質(zhì)點(diǎn)軌跡來描述。 假定： 1tt? 時(shí)刻在計(jì)算海域里投下一標(biāo)識(shí)海水微元，其坐標(biāo)位置為1()jXt， j 表示標(biāo)識(shí)微元編 號(hào)。當(dāng) 21t t t t? ? ?? 時(shí)刻，該微元的位置為2()jXt，可表示為： 2121( ) ( ) ( ) ,tj j L jtX t X t U X t t d t???? ??? （ 8） 式中： ( ),LjU X t t????為微元的拉格朗日速度，它是微元的位置和時(shí)間的函數(shù)。由于潮流場(chǎng)變化的連續(xù)性，可以認(rèn)為 t? 足夠小時(shí)， 2t 時(shí)刻標(biāo)識(shí)微元的拉格朗日流速可用該微元 1()jXt位置上展開的歐拉流速的泰勒級(jí)數(shù)逼近： 2 2 1 2 1 2( ) , ( ) , ( ) ,L j L j L jU X t t U X t t X H U X t t? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 9） 若 略 去 2X? 以上的項(xiàng)并將 X? 近似地取為： 211( ),tLjtX U X t t dt???? ??? （ 10） 則該微元從 1nt? 到 nt 的位置改變可用下式確定： 111 1 1 1( ) , ( ) , { ( ) , ( ) , ( ) , }nnttj n j n L j n L j n L j nX t t X t t U X t t U X t t d t H U X t t d t??? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? （ 11） 由 此得到一個(gè)潮周期的拉格朗日漂移和拉格朗日漂移速度 (或拉格朗日 余流 )； 00( ) ( ) ( )Lj j m jX t X t X t?? （ 12） 00 ( ) ( )() j m jLj X t X tUt T?? （ 13） 式中： T—— 一個(gè)潮周期， 0mtt、 —— 一個(gè)周期的終了和開始的時(shí)間。 根據(jù)模型計(jì)其結(jié)果，可以預(yù)測(cè)濃海水經(jīng)過一個(gè)潮周期運(yùn)動(dòng)以后 的實(shí)際輸送方向和速度，并以此結(jié)果劃分出海域水交換的活躍區(qū)和滯緩區(qū)，評(píng)價(jià)海域的稀釋擴(kuò)散能力。 工程海域稀釋擴(kuò)散模擬實(shí)驗(yàn) 為了保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，使排?？谶x擇更科學(xué)合理，一般都需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行示蹤劑擴(kuò)散試驗(yàn)，用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校核理論計(jì)算結(jié)果，可更直觀地了解該海區(qū)的稀釋擴(kuò)散能力和規(guī)律。 目前國(guó)外在水中用作示蹤劑的熒光染料有 8— 9 種之多，國(guó)內(nèi)一般選用國(guó)產(chǎn)羅丹明 B 作為示蹤劑。結(jié)合工況方案，在選擇好的投放點(diǎn)以點(diǎn)派形式投放到海水表面，間隔一定時(shí)間跟蹤取樣。通過實(shí)驗(yàn)室分析，確定羅丹明 B 濃度與時(shí) 間的函數(shù)關(guān)系，測(cè)定羅丹明 B 在不同潮時(shí)的運(yùn)移軌跡，計(jì)算稀釋因子和海水?dāng)U散系數(shù)。 1）稀釋因子 污染物質(zhì)進(jìn)入水體之后，隨時(shí)間過程被逐漸稀釋的 倍數(shù)，即稱為稀釋因子 (diffusion factor，DF)。 mg mgDF ? 原 始 污 染 物 質(zhì) 的 濃 度 （ /L ）不 同 時(shí) 間 海 水 中 污 染 物 濃 度 （ /L ） （ 19） 10 DF 值愈大，表示污染物濃度愈低。在相同時(shí)間內(nèi)， DF 值愈大，表示稀釋愈快，反之亦然。 2）擴(kuò)散系數(shù) K 對(duì)海區(qū)的表層平流擴(kuò)散系數(shù)可采用下列公式計(jì)算： ? ? 2 2e xp44X U t YMKtc t??????????? （ 20） 式中： M —— 投放羅丹明 B 的用量 (g)； t —— 時(shí)間 (s)； c —— 測(cè)定的羅丹明 B 的濃度 (mg/L)。 根據(jù)對(duì)污染物濃度增量的預(yù)測(cè)和擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以初步確定排污口離岸的距離范圍，結(jié)合進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)參數(shù)的研究，可以確定出更適宜的距離。 11 4 排海擴(kuò)散器的設(shè)計(jì) 濃海水排海工程是濃海水處理和處置的一種常用方法。在濃海水排海中，需要合理利用海洋的稀釋和凈化容量，否則會(huì)造成海洋污染和海洋的生態(tài)破壞。擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)直接影響濃海水排放后在近區(qū)的濃海水場(chǎng)的形成，不同的環(huán)境保護(hù)需求所要求的水質(zhì)不同，對(duì)擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的要求可能也不一樣。以前的工程多采用線源模 型指導(dǎo)擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這與實(shí)際工程中的導(dǎo)流管型擴(kuò)散器不相吻合。近年來海洋排放近區(qū)模型研究取得很大進(jìn)展，出現(xiàn)了一些三維模型。運(yùn)用這些模