第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国作为发展中的海洋大国，拥有长达1.8万km的大陆海岸线。沿海人口集中、工业密集，依靠海洋的区域和资源优势，经济一直呈现高速发展的态势，但随之而来的环境生态影响问题也日益严峻。国家海洋局2014年公布的中国海洋环境公报指出，我国入海排污口邻近海域环境质量状况总体较差，80%以上无法满足所在海域海洋功能区的环境保护要求［1］。海洋是潜力巨大的资源宝库，也是支撑未来发展的战略空间。随着今后海洋开发利用程度的不断提高，海洋的环境生态保护将面临更大挑战。
海洋环境污染的主要来源包括工业废水与电厂温排水。根据环境保护部发布的统计数据［2］，2013年我国沿海地区年工业废水排放量36.1亿t，主要集中在纺织业、造纸业、石油化工、电力等行业。与工业废水相比，电厂温排水的排放量更加可观。温排水一般高于环境水温6～11℃，单台百万千瓦直流冷却机组的温排水流量约35～60m3/s［3］，一年的排水量可达11亿～19亿t。2013年我国火电与核电的发电装机容量分别为87009万kW与1466万kW［4］，其中约13%的火电机组以及全部核电机组布局在河口及沿海地区。据此估算每年至少有上千亿吨的热水排入环境海域。火电厂、核电厂为防止海生物阻塞循环水管道，通常采用在循环水中加氯的处理方法，由此产生的余氯也随温排水一起排出。对于核电厂，温排水排放还伴有一定浓度的放射性核素。海洋生态系统常年受到工业废水与温排水的影响，不仅水体理化特性会发生改变，富营养化加重、自净能力降低，而且生态结构和功能还可能受到损害，甚至造成鱼类畸形、保护物种消失。因此，科学有效地控制工业废水及温排水对海域环境的影响对于海洋经济发展至关重要。
沿海地区的工业废水与电厂温排水，往往从排放口以一定速度排入海域，并且排水密度通常小于环境水体，表现为浮射流的运动形式，即射流受到初始动量和浮力的共同作用。排放口污染物浓度或排水温度通常超过环保标准限值。为将超标区域控制在较小范围，环境部门在排放口局部区域设置了“监管混合区”。浮射流在海域中的稀释扩散大致经历初始稀释和后续稀释两个阶段［5］。初始稀释效果决定了废水或温排水能否在“监管混合区”范围内高度稀释，尽快达标。因此，浮射流的初始掺混能力成为决定排放口设计成功与否的关键因素。开展浮射流稀释特性研究对于科学合理地设计排放口及其他环境保护工程措施具有重要的指导意义。
浮射流作为排污、排热过程中常见的物理现象，是环境水力学研究领域的重要问题，也一直是关注的热点问题。迄今为止，关于静止水体或恒定流中浮射流的研究成果已经非常丰富，并被广泛用于环境工程实践。海洋中的浮射流受波浪、潮汐影响，属于三维非恒定紊动射流，其紊动机理与稀释扩散规律比静水条件和恒定流条件更加复杂。波浪条件下的射流在近些年得到广泛关注，研究成果普遍认为波浪有利于促进射流与环境水体的掺混稀释。潮流是河口及海洋中水流最为普遍的运动形式，也是物质输运的主要载体，对污染物的稀释扩散具有重要作用。与波浪相比，潮流周期较长，模拟与控制有难度，相关研究成果很少，浮射流随潮演变过程与掺混稀释规律、紊动扩散特性缺乏深入研究。随着海洋开发利用程度逐渐提高，环境生态保护除了关注排污、排热短期局部影响外，必须关注潮流这种长周期、大尺度水流条件下污染物的输运规律。开展潮流环境下垂直浮射流研究，不仅可以丰富对潮汐水域紊流、射流的认识，有助于促进环境水力学中射流理论及海洋相关学科发展，而且通过深入揭示垂直紊动浮射流的随潮演变规律和掺混稀释特性，可为潮汐水域污水处置工程的设计与生态环境影响评估提供技术支撑。