Caracterización experimental del campo lejano de los vertidos de salmuera al mar

Abstract

Brine discharges are flows driven by the density difference between the environmental fluid, the seawater, and the discharge. They are generated by the rejected water of desalination plants, hence they are common in nature nowadays, and have a great impact on protected ecosystems. Two well-distinguished regions can be differentiated in the study of the behaviour of these discharges: the near field region, located in the vicinity of the discharge point and characterised by high dilution rates due to the turbulence effects; and the far field region, where the brine turns into a gravity current that flows down the seabed with low dilution rates. The behaviour of these gravity currents is dependent on the brine discharge characteristics, the bathymetry and the hydrodynamic conditions of the receiving water.

This work shows the experimental characterization of the far field region of brine discharges through advanced non-intrusive laser optical techniques PIV (Particle Image Velocimetry) and PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence), under controlled laboratory conditions. By means of synchronized PIV-PLIF techniques, high-quality accurate instantaneous measurements of velocity and concentration are obtained. The aim of these experiments is to study the quasi-steady flow properties of gravity currents generated by a constant flux release mimicking the far field of brine discharges. Different experimental set-upswith different initial conditions (flow rate, thickness, slope, salt concentration) were carried out in a 3 × 3 × 1 m tank. Through PIV-PLIF analysis, conclusions about the influence of these variables on the mixing at the interface between fluids have been obtained. As an example, keeping constant the rest of variables, steeper slopes and higher flow rates favour dilution, reaching stable entrainment values close to 5·10-2 against base case (with slope near zero and lower flow rate) values close to 2·10-2.

In addition, a high resolution and quality experimental database has been generated, which will allow to calibrate/validate both simplified tools, based on systems of integrated equations, and advanced hydrodynamic modelling tools.

Resumen

Los vertidos de salmuera son flujos cuya evolución depende fundamentalmente de la diferencia de densidad existente entre el propio vertido y el medio receptor, el mar. Estos vertidos, que habitualmente proceden de las aguas de rechazo de las plantas desaladoras, son muy comunes en la naturaleza y tienen gran impacto sobre algunos ecosistemas protegidos. Se distinguen 2 zonas bien diferenciadas en el estudio del comportamiento de estos vertidos: la región de campo cercano, localizada en las cercanías del punto de descarga y caracterizada por altas tasas de dilución debido a los efectos turbulentos, y la región de campo lejano, objeto de estudio de este trabajo, donde la salmuera se convierte en una corriente de gravedad que viaja por el fondo con muy bajas tasas de dilución. La evolución y el comportamiento de dicha corriente de fondo son dependientes de las características del propio vertido en esta región (espesor, concentración de sal y momento), la batimetría (pendiente e irregularidades) y las características intrínsecas (temperatura y salinidad) e hidrodinámicas del medio receptor.

Este trabajo muestra la caracterización experimental de corrientes de gravedad generadas por vertidos de salmuera bajo condiciones controladas de laboratorio. Para ello se han utilizado las avanzadas técnicas ópticas de laboratorio Particle Image Velocimetry (PIV) y Planar Laser Induced Fluorescense (PLIF). Mediante dichas técnicas se han obtenido mediciones instantáneas de alta precisión de velocidad y concentración que han sido debidamente procesadas para obtener información de las propiedades cuasi-estacionarias del cuerpo de la corriente de gravedad generada por un efluente hipersalino constante. Se llevaron a cabo diferentes experimentos variando sus condiciones iniciales (en función del caudal, espesor, pendiente en el fondo y concentración de sal) en el tanque de estudio, de dimensiones 3 × 3 × 1 m. A través del análisis de los resultados PIV-PLIF se han obtenido conclusiones importantes acerca de la influencia de estas variables en la mezcla con el medio receptor, como por ejemplo que la pendiente en el fondo y los mayores caudales iniciales favorecen la dilución, alcanzando tasas de dilución cerca de 6·10-2 frente a la tasa de 2·10-2 obtenida por el caso de comparación base (de pendiente casi nula y menor caudal).

Como producto de este trabajo se ha generado una base de datos experimental de alta resolución y calidad que permitirá calibrar y validar tanto herramientas numéricas simplificadas, basadas en la resolución de sistemas de ecuaciones integradas en vertical, como herramientas numéricas avanzadas (modelos hidrodinámicos) para la correcta predicción del comportamiento de estos vertidos.

Palabras clave:

• Medio ambiente
• Salmuera
• Campo lejano
• Corriente de gravedad
• Dilución
• PIV-PLIF

Key Words:

• Environment
• Brine
• Far field
• Gravity current
• Dilution
• PIV-PLIF