長興島某電廠溫排水數值模擬研究

陳雪峰，劉 松

（大連大學土木工程技術研究與開發中心，大連116622）

長興島某電廠溫排水數值模擬研究

陳雪峰，劉 松

（大連大學土木工程技術研究與開發中心，大連116622）

在沿海水域冷卻水工程中需滿足機組對冷卻水水量和水質的要求，并且對水域水環境影響做出評價。文章依托大連長興島某電廠為背景資料，建立平面二維潮流數學模型，根據實測資料對模型進行驗證。在水動力模型的基礎上，選取四種典型工況，對潮汐潮流作用下的電廠排水口溫排水熱擴散特性進行數值模擬。根據計算結果探究溫排水在水域內輸運、擴散規律并預測溫度場最大溫升包絡線分布及取水口溫升，分析取排水口布置方案的合理性。

溫排水；溫升分布；取水口溫升

電廠排水溫度比周圍環境水域水溫高，大量溫水排放對局部地區造成熱富集，降低水體自凈能力［1］，同時會引起受納水體多種理化性質變化，對魚類、浮游生物、底棲生物等造成不同程度影響。取水口附近的冷卻水水溫直接關系到機組運行效率，當水溫超過一定限度，還會形成水循環的短路，影響機組安全［2］。

數學模型理論發展已經較為成熟，成為研究水流運動規律的重要手段，而且數值模擬具有研究費用低、速度快、不受試驗場地影響、周期短等優點成為研究溫排水方面的主要途徑。國家海洋局第三海洋研究所李燕初等［3］用二維淺水方程，采用交替方向隱式差分（ADI）方法，對廈門港和汕頭港潮汝潮流及污染物擴散進行了數值模擬；郝瑞霞等［4］采用浮力修正的k?ε瑞流模型，三維離散型邊界擬合坐標變換下的控制體積法，進行了濱海電廠冷卻水工程的潮沒水流和熱傳輸的三維數值模擬研究；孫艷濤等［5］采用平面二維水流溫度場數學模型，對池州電廠二期工程的溫排水排放進行了數值模擬，在流速吻合良好的基礎上對溫排水的影響進行了預測；McGuirk和Rodi［6］采用深度平均形式k?ε的紊流模型計算冷卻水岸邊排放近區的溫度分布。

丹麥水力學研究所（DHI）研制的Mike21流體運動模塊在國內外水環境研究領域得到廣泛的應用。例如劉海成等［7］和王慶改等［8］分別采用Mike21 FM模型的三角形網格和混合網格對溫排水問題進行研究；秦曉［9］通過對溫排水計算領域重要影響參數的研究，提出更加適宜的模型邊界處理與參數取值方法、范圍，對電廠溫排水排放環境影響進行預報。上述文獻均是利用Mike21的FM模塊對某海域進行溫排水計算，并給出較為理想的預報結果，所以本文擬采用Mike21 FM無結構三角形網格，基于潮流場實測數據驗證較好的基礎上，模擬大連長興島某電廠附近海域水流規律及溫排水輸運、擴散規律。

1 Mike21 FM數學模型

控制方程

式中：t為時間；x、y為笛卡爾坐標的坐標軸；h為水面高程；總水深為h=h+d；d為水深；為總水深對應于x、y的垂線平均速度分量；f為柯氏力參數；γ為密度；γ0為相對密度；pa為大氣壓力；tsx、tsy為x、y方向的風應力；tbx、tby為底部切應力；sxx、sxy為x方向的底坡及能坡；syx、syy為y方向的底坡及能坡；Txx、Txy、Tyx、Tyy為側向應力；g為重力加速度；S為源匯項流量（us、vs為源匯項對應的速度分量）；Tˉ為沿垂向平均的溫度；FT為溫度擴散系數；為大氣熱量交換源項；Ts為源項的溫度。

2 水動力模型

2.1 工程背景及工程區域自然條件

大連長興島位于渤海中部東海岸，包括葫蘆山灣和長興島西北海岸。葫蘆山灣灣口向西，寬約10 km，水深約20 m，南北兩岸分別為西中島和長興島。長興島西北海岸從馬家咀到高腦山一帶沿岸水深在-10 m 到-20 m左右，為開敞水域（如圖1）。

圖1工程概況Fig.1 General situation of project

據海洋站某年氣溫資料統計該區域月平均氣溫最高為23.7°C（8月）、最低為-3°C（1月），全年中以12月～翌年2月為月平均氣溫較低月份，以6～8月為月平均氣溫較高的月份。太平洋潮波由北黃海經渤海海峽口傳入灣內，分別向渤海灣、遼東灣、萊州灣推進。本海域位于渤海灣灣口北側。潮汐性質屬于不正規半日混合潮型，即一潮汐日內出現二次高潮和二次低潮，潮差相差比較大，時間不等。海域潮流屬于不規則半日淺海潮流性質，且漲、落潮流具有往復流的性質。在流速變化上該海域呈現有大潮流速大、小潮流速小、表層流速大、底層流速小的變化規律。漲、落潮平均歷時隨季節、位置的變化略有不同。

2.2 計算區域網格劃分

本研究采用無結構三角形網格對模型進行劃分，使用三級嵌套網格，對工程區域附近進行重點加密，保證了計算結果的準確性（如圖2）。整個模型共包括52 235個節點和103 071個單元，其中在工程區域內三角形最小邊長為60 m，在工程區域外適當增大網格尺寸，可以節省模型計算時間，并且滿足工程需要。

2.3 參數設置

式中：u0、v0、η0分別為初始流速和初始潮位。在本研究中，初始流速為0 m/s，初始潮位為0 m。

邊界條件：開邊界采用潮位邊界條件，固邊界采用干濕邊界條件。

計算參數：柯氏力系數根據地形文件及柯氏力計算公式由Mike21 FM自動計算出計算域不同位置處的柯氏力系數，并應用到模型的計算中。水平渦粘系數采用Smagorinsky方程計算，模型中采用推薦值0.3。底摩阻由曼寧系數確定，采用推薦值32 m1/3/s。

圖2 模擬海域網格劃分Fig.2 Computing grid of simulation section

圖3 臨時潮位站、潮流站工程布置圖Fig.3 Engineering plan of temporary tide level station and tide station

圖4 馬家咀測站潮位驗證Fig.4 Validation results of tide level in Majiaju

2.4 模型驗證

根據大連海洋環境監測中心某年夏季及冬季測驗資料，有4個潮位測站可驗證計算域內夏季（大潮、小潮）和冬季（大潮、小潮）潮位過程，潮流驗證有8個測流點的垂向平均流速及流向進行驗證（見圖3）。潮位測站和潮流點的分布表明此模型可以很好地反映出該海域內的潮流特性。為節省篇幅，圖4僅給出位于工程附近的馬家咀潮位站（39°33′0.6″N，121°14′52.5″E）夏季小潮潮位實測值與計算值的對比驗證結果，數值計算結果與實測結果吻和較好。圖5給出了6#潮流點（39°35′25″N，121°15′10″E）、8#潮流點（39°30′28″N，121°12′16″E）的流速、流向驗證結果，從圖中可以看出，流速的計算結果與實測值吻合較好。綜上所述，溫排水數值模擬可以在此水動力模型的基礎上進行計算。

圖5 6#、8#潮流流速、流向驗證結果（夏季小潮）Fig.5 Validation results of 6#、8#current velocity and current direction

3 溫排水數值模擬

3.1 計算工況及參數

基于潮流場潮位和流速吻合較好的基礎上，對長興島某電廠沿岸溫排放進行數值計算，計算工況分別為：夏季（大潮、小潮）和冬季（大潮、小潮）四種典型工況條件。

定解條件：在Mik21 FM模型中采取相對溫度場預測模式對溫度場進行數值模擬，初始溫升及邊界溫升設為0，排水口附近溫升采用溫度升高值，即排放口水溫與自然水溫之差。溫排水水溫冬季低，夏季高，與受納水體的溫差夏季小、冬季大，在本研究中夏季排水口設計溫升為10℃，冬季排水口設計溫升為15℃。

擴散系數：擴散過程主要包括水流流速梯度引起的剪切流動、分子運動和紊動引起的物質擴散。在溫度場模型中由于缺少溫度擴散系數率定，此處采用比例系數，即模型軟件中的Scaled eddy viscosity formulation選項下Scaling factor采用推薦值1.1［10］。

熱交換項：根據系統默認參數進行設置。

本研究根據排水口位置不同，采用兩種方案。方案一采取1#排水口（39°34′45″N，121°15′36″E）單口排放方式，方案二在方案一的基礎上增加了2#排水口（39°33′38″N，121°14′22.56″E），取水口（39°34′21.36″N，121°15′12.96″E）位置保持不變，取、排水口工程平面位置如圖6所示。表1分別給出了各方案下不同排水口排水量。

表1 排水口方案Tab.1 Scheme for water outfall

3.2 溫升分布及取水口溫升

溫排水主要是研究電廠在不同季節、不同潮型條件作用下溫排水排放對工程區域及鄰近海域影響范圍及取水口影響。沿海電廠溫排水輸運擴散規律除受電廠排水口尺寸、排放方式、排水口附近地形條件影響外，還取決于潮汐動力等因素的影響。

根據模型計算潮流分布結果可以看出，漲、落潮憩流一般發生在高、低潮前后，最大流速一般發生在半潮；復州灣漲、落潮流向呈東北—西南向，基本沿灣岸流動；葫蘆灣漲、落潮流向除灣頂也呈東北—西南向外，灣口水域流向基本呈北—南向。

圖6 取排水口位置Fig.6 Location of water intake and outfall

圖7 方案一溫升包絡線Fig.7 Envelope diagram for temperature rise in scheme 1

圖8 方案二溫升包絡線Fig.8 Envelope diagram for temperature rise in scheme 2

圖7、圖8分別給出了夏季小潮期不同方案下的溫升分布，可以看出，漲潮時溫水受潮汐潮流作用緊貼岸線進入復州灣，在高潮位時范圍達到最大，落潮時溫水向相反的方向進入葫蘆山灣，由于受葫蘆山灣落潮流影響，溫水并未完全進入葫蘆山灣，一部分繼續向南移動，在低潮位時溫水范圍最大，溫水在潮周期內沿岸線作往復運動，符合本地潮流性質。

表2 方案一各工況條件下最大溫升包絡面積Tab.2 Envelope area for the maximum temperature rise under several operation conditions in scheme 1km2

葫蘆山灣地處工程海域附近，灣口向西偏南，灣口以內呈葫蘆形，水深較淺。在落潮期，受潮汐潮流的影響，溫水會向葫蘆山灣附近聚集。《海水水質標準GB 3097-19976》按照海域的使用功能和保護目標，海水水質分為四類，規定在一、二類地區人為造成的海水溫升夏季不超過1℃，其它季節不超過2℃，在三、四類地區人為造成的海水溫升不超過4℃［11］。根據最大溫升包絡線可以看出，夏季小潮期1℃最大溫升包絡線只到達灣口而并未進入灣里，因此這兩種方案都沒有對葫蘆山灣海域水環境產生較大影響，滿足水質要求。

表3 方案二各工況條件下最大溫升包絡面積Tab.3 Envelope area for the maximum temperature rise under several operation conditions in scheme 2km2

表4 方案一取水口溫升Tab.4 Temperature rise for water intake of scheme 1℃

表5 方案二取水口溫升Tab.5 Temperature rise for water intake of scheme 2℃

研究溫升場最大溫升包絡面積有利于對取排水口優化布置及對環境影響作出評價，最大溫升包絡面積與水深、流速關系密切。表2、表3給出了各典型工況條件下兩種方案的溫排水最大溫升包絡面積。由表2、表3可以看出，在小潮潮型條件下，夏季最大溫升包絡面積均比冬季大；大潮潮型條件下，夏季最大溫升包絡面積比冬季要小。在各潮型期夏季均比冬季取水口平均溫升高，主要原因在于夏季溫排水水溫高，冬季溫排水水溫低的原因。

隨潮位過程的變化，取水口溫升在不同時刻變化明顯。溫升進入海域后，先經歷初始摻混，溫升高低取決于水量的大小。由于取水口在排水口上游，溫水會進入到取水口。漲潮初期階段，溫水主要向東北方向移動，同時在排水口周圍進行擴散。隨著潮流流速增大，溫水大部分流向取水口，在潮流達到高潮位時，取水口溫升達到最大。漲潮轉化為落潮階段，溫水流向排水口附近，并繼續沿岸線向南移動。落潮流速逐漸增大，溫水遠離取水口，進入葫蘆山灣海域，此時取水口溫升最小。表4、表5分別給出了方案一、方案二在不同工況條件下取水口平均溫升和最大溫升，兩種方案都符合電廠設計。

4 結論

應用Mike21 FM建立水深平均二維水動力和溫度場模型模擬了長興島某電廠溫排水附近水域水流規律及溫排水的輸運、擴散，通過對各典型工況條件下溫排水最大溫升包絡面積及取水口溫升分析，模型模擬結果較好地反應了該海域水力熱力特性，并對工程區域附近環境影響作出了正確評價。

（1）模型采用無結構化三角形網格，很好地擬合邊界地形，并且對工程區域進行局部加密，水動力模型驗證結果表明此模型良好地反映了工程區域附近水力特性。

（2）分析、比較電廠溫排水輸運、擴散規律，得出各典型工況條件下的溫升包絡線分布。夏季小潮期最大溫升包絡面積均比冬季大，冬季大潮期最大溫升包絡面積比夏季要大。在各潮型期取水口平均溫升夏季均比冬季高。兩種方案條件下，取水口溫升都符合設計要求。

參考文獻：

［1］潘超，朱法華，王圣.區域電網火電廠對水環境影響評價指標研究［J］.環境科學研究，2006，19（6）：110-114. PAN C，ZHU F H，WANG S.Study on the water environmental impact assessment index of thermal power plants within a regional power net［J］.Research of Environmental Sciences，2006，19（6）：110-114.

［2］張長寬，姚靜，陶建峰.濱海火、核電廠溫排放數值模擬研究進展［J］.水利水電科技進展，2010，30（3）：84-94. ZHANG C K，YAO J，TAO J F.Advances in numerical simulation of thermal discharge of heat or nuclear power plants in coastal ar?eas［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2010，30（3）：84-94.

［3］李燕初，蔡文理.ADI潮汐模型的活動邊界方法及其效應［J］.海洋學報，1993，15（2）：115-120. LI Y C，CAI W L.Moving boundary Method and its effect about ADI tide model［J］.Acta Oceanologica Sinica，1993，15（2）：115-120.

［4］郝瑞霞，韓新生.潮汐水域電廠溫排水的水流和熱傳輸準三維數值模擬［J］.水利學報，2004（8）：66-70. HAO R X，HAN X S.Quasi 3?D numerical model for flow and heat transport of power plant cooling water discharged into coastal ar?ea［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2004（8）：66-70.

［5］孫艷濤，吳修鋒，王惠民.溫排水對水體環境影響的數值模擬［J］.電力環境保護，2008，24（1）：42-45. SUN Y T，WU X F，WANG H M.Numerical simulation of thermal discharge on water environmental impact［J］.Electric Power En?vironmental Protection，2008，24（1）：42-45.

［6］McGuirk J J，Rodi W.A depth averaged mathematical model for near field of side discharges into open channel flow［J］.Fluid Mech，1978，86：761-781.

［7］劉海成，陳漢寶.非結構化網格在印尼亞齊電廠溫排水模型中的應用研究［J］.水道港口，2009，30（5）：316-319. LIU H C，CHEN H B.Study on unstructured grid in numerical simulation of cooling water in ACEH Indonesia Power Plant［J］.Jour?nal of Waterway and Harbor，2009，30（5）：316-319.

［8］王慶改，戴文楠，趙曉宏，等.基于Mike21FM的來賓電廠擴建工程溫排水數值模擬研究［J］.環境科學研究，2009，22（3）：332-336. WANG Q G，DAI W N，ZHAO X H，et al.Numerical Model of Thermal Discharge from Laibin Power Plant Based on Mike21 FM ［J］.Research of Environmental Sciences，2009，22（3）：332-336.

［9］秦曉.非恒定流環境水體溫排水二維數值模擬［D］.北京：中國水利水電科學研究院，2007.

［10］DHI.User Guide and Reference Manual of Mike21［M］.Denmark：DHI Water&Environment，2009.

［11］GB/T 50102-2003，工業循環水冷卻設計規范［S］.

Numerical simulation for the plant of Changxing Island in Dalian

CHEN Xue?feng,LIU Song
（Dalian University R&D Center of the Civil Engineering Technology,Dalian 116622,China）

The machine set met the demands of water yield and water quality in the cooling water project of coastal waters,and the assessment of the influence on water environment was made.Based on the background of the plant of Changxing Island in Dalian in this paper,the two?dimensional tide mathematical model was established, and according to the measured data,the model was validated.On the basis of hydrodynamic model,four typical con?ditions were chosen,and the diffusion feature of the cooling water of the power plant was numerically simulated un?der the action of the tide and tidal current.According to the calculation results,the rules of the transportation and diffusion of the cooling water were studied,then the envelope program of the maximum temperature rise and the tem?perature rise of water intake were predicted,finally the rationality of the arrangement schemes of water intake and drainage exit were analyzed.

thermal discharge;temperature distribution;temperature rise for water intake

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0269-06

2015-10-27；

2015-12-29

陳雪峰（1973-），女，遼寧省大連人，教授，主要從事近海工程研究。

Biography：CHEN Xue?feng（1973-），female，professor.