利用仿真技術(shù)推演研究區(qū)域的水質(zhì)情況
是環(huán)境仿真技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域
本周為大家?guī)?/span>
專題的第五個案例
對海洋環(huán)境而言，發(fā)電廠冷卻水排放造成的影響可通過與其他環(huán)境因素的相互作用而產(chǎn)生綜合效應(yīng)，對附近的水域造成影響。
發(fā)電廠排放冷卻水的溫度或鹽度與排水口附近的水域如果存在差別，就會很容易影響周邊生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)。比如溫排導(dǎo)致的水溫改變會影響溶解氧含量等水體理化指標，從而引起水域內(nèi)浮游生物的種類和數(shù)量波動、影響魚類的繁殖和發(fā)育等等。因此需要制定管理措施，限制發(fā)電廠冷卻水的排放量。
數(shù)值模擬可以實現(xiàn)在短時間內(nèi)預(yù)測冷卻水排放對相關(guān)水域的水體理化指標的影響，直觀地體現(xiàn)不同管理措施的效果，從而輔助制定適合的管理措施。
TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環(huán)境實驗室開發(fā)的一款研究水動力學(xué)和水文學(xué)領(lǐng)域的高性能數(shù)值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規(guī)則三角網(wǎng)格，讓復(fù)雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構(gòu)建1D，2D和3D水動力學(xué)模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質(zhì)污染，泥沙輸運和海床形態(tài)變化等問題，擁有豐富的用戶技術(shù)支持和廣泛的工業(yè)應(yīng)用及驗證。
貝爾瀉湖位于法國的東南部，是最大的地中海瀉湖之一，僅通過西南方的一條水渠與地中海相連。它從兩條自然支流和一個水力發(fā)電站的排水口獲得淡水和營養(yǎng)物質(zhì)。自1966到1993年，發(fā)電站平均每年排出3.4倍湖水體積的淡水及52.5萬噸的懸浮物，鹽度和富營養(yǎng)化的劇烈變化破壞了瀉湖的生態(tài)系統(tǒng)平衡。自2004年起，法國相關(guān)部門開始制定冷卻水排放的管理措施。
本案例旨在通過模擬的方法了解瀉湖鹽度與淡水排放，潮汐等因素之間的關(guān)系；評估電廠排水對瀉湖富營養(yǎng)化的影響。
貝爾瀉湖地理形貌，H08，H12為兩個水質(zhì)檢測點
建立Telemac3d三維的瀉湖與外海的水動力學(xué)模型，水平網(wǎng)格約4000個，縱向分層11層。邊界條件設(shè)置為3個進水口（2條支流和1個排水口），1個出水口（地中海入口）。進出水口的溫度和鹽度設(shè)為給定的邊界條件，流量或水位隨時間變化。同時考慮風(fēng)和氣溫的影響，數(shù)據(jù)源采用當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)庫。
在進行預(yù)測之前，首先使用2006年9-10月的鹽度/溫度檢測數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進行了校準。
DelWAQ模型具備模擬氧、氮、磷、硝酸鹽、氨、正磷酸和硅酸鹽的含量，同時可以模擬三種浮游植物(硅藻、鞭毛蟲和甲藻)和兩種大型藻類的生物地球化學(xué)過程，如藻類生長、藻類死亡、呼吸作用、有機物分解、硝化作用、反硝化作用等。
本研究通過Telemac3d水動力學(xué)模型
耦
合DelWAQ生物
地球化
學(xué)模型，來研究瀉湖的生態(tài)系統(tǒng)演變過程，如溶解氧，氨氮含量，藻類生物質(zhì)等。
2006年9月-2007年3月鹽度變化和在H12處的模擬與測量曲線
經(jīng)過校準的三維水動力學(xué)模型模擬了瀉湖從2006年9月到2007年3月共7個月的鹽分變化，通過對比模擬與現(xiàn)場測量的結(jié)果，驗證了該模型的可靠性。
具體地，2007年2月份發(fā)電廠開始排水，H12監(jiān)測到了表層湖水鹽度下降，從模擬的結(jié)果也能看到這一現(xiàn)象的發(fā)生。此外，模擬的結(jié)果再現(xiàn)了因淡水入水口位于表層而海水入口位于底層造成的湖體鹽度分層現(xiàn)象，以及當(dāng)風(fēng)力影響較為顯著時表層和深層水體混合導(dǎo)致的鹽度均勻現(xiàn)象（如3月的某幾天表層和深層鹽度變化重疊）。
2005/01-2006/12在H08處的DelWAQ水質(zhì)模擬結(jié)果與檢測結(jié)果對比
如上圖所示，DelWAQ水質(zhì)模型耦合水動力學(xué)模型進行了為期24個月的模擬，可以看出水體中溶解氧和硝酸鹽的季節(jié)性變化。另外本模型還能夠準確的重現(xiàn)H08檢測站在夏季期間檢測到的溶解氧分層現(xiàn)象。
環(huán)境仿真是研究貝爾瀉湖的物理和生物地球化學(xué)變量的唯一手段。本研究使用Telemac3d三維模型模擬流體動力學(xué)、鹽度和溫度，耦合水質(zhì)模型DelWAQ模擬生物地球化學(xué)循環(huán)，結(jié)合多個站點的連續(xù)實時監(jiān)測以實現(xiàn)模型的參數(shù)設(shè)置和驗證。
本案例是將環(huán)境仿真技術(shù)應(yīng)用于研究發(fā)電廠冷卻水排放對湖水質(zhì)及生態(tài)的影響，模擬結(jié)果表示TELEMAC-MASCARET構(gòu)建的模型可以評估瀉湖營養(yǎng)循環(huán)的高度復(fù)雜性。從發(fā)電廠運營的角度，環(huán)境仿真能夠預(yù)演并評估排水管理方案的效果，判斷方案是否符合相關(guān)政策的要求，輔助制定電站排水量的限制政策，湖體養(yǎng)護策略。
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