Model simulation of desalination brine discharge in shallow coastal waters

Model simulation of desalination brine discharge in shallow coastal waters

مؤلف

AL-Kasbi, Ahmad Ali Hamed.

الناشر

Sultan Qaboos University

ميلادي

2016

اللغة

الأنجليزية

الموضوع

Fluid dynamics

Water

Saline water conversion

الملخص الإنجليزي

Seawater desalination is a reliable solution to the water shortages in the arid Middle East and North Africa countries. Due to prolonged drought conditions, and a rapid economic development with sharp growth of the population in the industrial coastal areas, limited underground water resources are being used faster than they can be replenished. For Oman, in particular, with the availability of desalination water, it is envisaged that groundwater abstracted from the wells be reduced, and it will also eventually resolve the critical problem of seawater intrusion into the coastal aquifer. However current desalination technology limits the efficiency of producing desalinated water, and up to 60% is lost via unwanted brine product, a concentrate stream (typically double seawater salinity) that must be continuously discharged back to the sea. Model simulations for the mixing and spreading of desalination brine discharged through outfalls into the sea from coastal seawater desalination plants will be carried out in two parts: i. in the far field region, where the brine effluent plumes are eventually dispersed in the ambient environment, analytical solutions for a two-dimensional advection-diffusion equation with a point source are obtained and used to investigate the long time effects of brine discharges in a tidally oscillating flow, an ii. ii. in the near field region, where the initial momentum of discharge and brine buoyancy dominate, commercial PC-based software packages CORMIX and VISJET are used to simulate and graphically visualize the evolution of three-dimensional effluents plume released from marine outfalls into the sea. Since the unwanted brine stream is primarily seawater but at more concentrated level, in Chapter 2, we will in the far field region ignore the effect of brine density, and a twodimensional advection diffusion equation in a tidally oscillating flow will be used to study the mixing and spreading of brine effluents continuously being discharged into the sea. The solutions are illustrated by plotting contours of concentration to replicate the motion of brine plumes discharged in shallow coastal water. The results will also be applied to assess the potential environmental impacts of brine discharges into environment. To investigate the effect of effluents discharged density in the near field region, we first run CORMIX model in Chapter 3 to simulate the behaviour of brine discharges from onshore surface open channel, offshore submerged single port and offshore submerged multiport diffusers. For single port and multiport diffusers, two scenarios are considered: heated brine discharges to represent a positively buoyant plume that will eventually rise towards the sea surface, and dense brine discharges to represent a negatively buoyant plume that will be sunk to the seabed. Beyond the near field region, CORMIX is also designed to analyze water quality criteria within regulatory mixing zones and widely used to demonstrate the compliance of marine outfall system with regulations for discharging effluents in marine environment. Finally, in Chapter 4, we run VISJET model to simulate the details of brine discharged plumes in the near field region. Unlike CORMIX model, VISJET can visually display the evolution of a group brine discharged plumes from multiport diffusers at different angles to the ambient current.

المجموعة

الرسائل والأطروحات

URL المصدر

https://hdl.handle.net/20.500.12408/569

الملخص العربي

تعتبر تحلية مياه البحر هي الحل العملي لمواجهة مشكلة نقص المياه العذبة في البلدان الجافة في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا نظرا لظروف الجفاف والتي تمتد لفترات طويلة، والنمو الاقتصادي السريع مع نمو حاد في عدد السكان في تلك المناطق، و بسبب الموارد المحدودة للمياه الجوفية و التي يتم استنزافها بشكل مطرد. سلطنة عمان على وجه الخصوص و مع توافر المياه العذبة التي يتم انتاجها من محطات التحلية فإنه من المتوقع أن يقل استنزاف المياه الجوفية المستخرجة من الآبار، كما سيساعد ذلك أيضا في نهاية المطاف على حل المشكلة الناتجة عن تسرب مياه البحر إلى المياه الجوفية من المناطق الساحلية قرب البحر. إن تقنية التحلية الحالية المستخدمة في إنتاج المياه العذبة تؤدي إلى خسارة ما يصل إلى 60٪ من الكمية المعالجة في محطة التحلية عن طريق محلول مائي شديد الملوحة (عادة ضعف ملوحة مياه البحر) والتي يجب تصريفها مرة أخرى إلى البحر.
تهدف هذه الدراسة إلى بناء نموذج رياضي لدراسة سلوك انتشار المياه المالحة المستخرجة من محطات تحلية المياه والتي يتم تصريفها باستمرار من خلال مصبات في مياه البحر. وتنقسم هذه الدراسة إلى جزأين:
اولا: منطقة بعيدة المدى ، حيث يكون سلوك المياه شديدة الملوحة في نهاية المطاف مقاربة لسلوك المياه في البيئة البحرية المحيطة بمنطقة التصريف، وتم استخدام الحلول الرياضية التحليلية في الأبعاد الثنائية المعادلة الحركة الأفقية الإنتشار المادة من نقطة المصدر وتوظيفها لدراسة الآثار طويلة المدى من تصريف المياه المالحة في مياه البحر ذات الطبيعة الموجية المتأرجحة.
ثانيا: منطقة قريبة المدى ، حيث يسيطر على حركة المياه - التي يتم تصريفها - الزخم الأولي لعملية الدفع و طبيعة الطفو لهذه المياه ، وتم استخدام برمجيات متخصصة للحاسب الآلي (كورمکس و فیزجت) و ذلك لبناء نموذج محاكاة لدراسة وتصور عملية تطور النفايات السائلة - مياه شديدة الملوحة - في الأبعاد الثلاثية و التي يتم تصريفها من خلال الأنابيب في البحر.
نظرا لأن المحلول الملحي الذي يتم تصريفه في المقام الأول عبارة عن مياه البحر ولكن على مستوى ملوحة أكثر تركيزة ؛ فإنه في الفصل الثاني قمنا بدراسة منطقة بعيدة المدى بحيث تم تجاهل تأثير كثافة الماء المالح واستخدام معادلة الحركة الأفقية ثنائية الأبعاد لدراسة إنتشار المياه شديدة الملوحة من نقطة المصدر للتحقق من تأثير الطبيعة الموجية المتأرجحة لمياه البحر على المياه المالحة التي يتم تصريفها إلى البحر. كما أنه تم استخدام التمثيل البياني للمسارات التقريبية للتركيز لدراسة مدى تأثير التركيز الملحي للمياه المالحة التي يتم تصريفها على المياه الساحلية الضحلة علي الشواطيء و توظيف تلك النتائج لتقييم الآثار البيئية المحتملة على البيئة البحرية.
و للتحقق في تأثير المياه التي يتم تصريفها في المنطقة قريبة المدى ، قمنا بعمل نموذج بإستخدام برنامج كورمكس في الفصل الثالث لمحاكاة سلوك تلك المياه المالحة والتي يتم تصريفها من خلال قناة مفتوحة تصب في سطح البحر ، او من منفذ واحد أو عدة منافذ مغموره تحت سطح البحر و على مسافة معينة من الشاطي . كما تم دراسة مسارين السلوك المياه المالحة التي يتم تصريفها من المنافذ المغمورة تحت سطح البحر ؛ المياه المالحة الساخنة والتي تميل إلى الارتفاع الايجابي نحو سطح البحر، أو المياه المالحة كثيفة الملوحة والتي تميل إلى النزول السلبي إلى قاع البحر. بالإضافة إلى أنه في منطقة قريبة المدى ، تم توظيف برنامج كورمكس لتحليل معايير جودة المياه المالحة التي يتم تصريفها في المناطق المحددة حسب اللوائح التنظيمية الموضوعة من قبل السلطات المختصة والتي تستخدم على نطاق واسع للحد من الآثار السلبية المحتملة لتلك المصبات البحرية على البيئة البحرية.
أخيرة في الفصل الرابع تم توظيف برنامج فيزجت لعمل نموذج لمحاكاة سلوك المحلول الملحي في منطقة قريبة المدی. وخلافا للنموذج الذي تم تصميمه بإستخدام برنامج كورمكس ، فإن برنامج فيزجت يقدم عرضة متحركة العملية تطور مسار المياه المالحة خلال تصريفها في مياه البحر عبر عدة منافذ و على زوايا مختلفة بالنسبة لمسار التيارات البحرية المحيطة.

قالب العنصر

الرسائل والأطروحات الجامعية