沿海電廠排水口水深與流速對溫升影響范圍研究

劉 榮，王義剛，黃惠明，華 廈

（河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

沿海電廠排水口水深與流速對溫升影響范圍研究

劉 榮，王義剛，黃惠明，華 廈

（河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

大量溫排水不斷地排入海域將引起水溫升高，導致不同程度的熱污染。本文基于平面二維理想水池數值模擬實驗，揭示了沿海電廠溫排水熱擴散對周圍水動力條件的響應機制，分析了溫排水在不同水深和流速條件下的最大溫升包絡面積變化情況。研究結果表明，流速越大溫升降低快，高溫升（4℃）包絡面積越小。在水深為4m時，低溫升（1℃）包絡面積并沒有隨流速的增大而減小，而是呈增大的趨勢。當水深為6 m、8 m、10 m時，低溫升（1℃）包絡面積隨流速的增大而減小。同一潮差條件下，隨著水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃溫升包絡面積均減小，而且溫升等值線的溫升值越大，其包絡面積平均減小的比例越大。最大溫升包絡線面積與潮流流速和水深關系密切。

溫排水；擴散范圍；水動力環境；數值模擬

近年來隨著沿海火、核電廠的興建，大量的溫排水不斷地隨冷卻循環系統排入海域，在周圍水動力因素作用下進行擴散，對水體產生熱影響。有研究表明，一般情況下電廠的低溫冷卻水在與機組進行熱交換后，水溫比附近海域海水溫度高7℃～10℃［1］。水體受熱影響的程度，直接關系到電廠機組容量的確定及冷卻水取、排水口布置，也關系到海域水體的生態環境［2-5］。《海水水質標準》中規定：人為造成的海水溫升不超過當時當地溫度4℃，所以在確定溫排水海域使用面積時，通常采用溫升4℃的最大包絡線面積。目前，對核電站溫排水分布規律及溫升4℃的最大包絡線面積的獲取主要通過數值模擬的方法進行，眾多學者在此方面有過相關研究。張舒羽［6］采用MIKE21數學模型分析了針對浙江蒼南電廠在不同潮型、不同流量及不同季節下的溫排水最大溫升線包絡面積范圍和取水口的溫升變化。蔣春風［7］針對處于河流的河口段或感潮河段的電廠，根據二維平面浮射流的基本概念及感潮河段水文特征，建立了估算射流中心線溫升的函數關系和估算等溫升線所包圍的表面積的經驗公式。鄧敏慧［8］以長江口某電廠溫排水為例，通過對夏季大潮、冬季大潮和小潮3種不同水文條件進行數值模擬，得到了電廠溫排水擴散影響規律，并給出了減小溫排水對海域生態系統的相應對策。

在實際預測工作中發現排放點水深和流速的大小對溫排水擴散范圍影響較大。如某沿海核電廠一期工程（2臺機組）溫排水排放方式為明渠排水，排水明渠遠端底標高-3.0 m，與灘面銜接。二期工程（2臺機組，裝機容量同一期）采用深排方案，排放口在深槽。4臺機組同時運行時，一期工程和二期工程4℃溫升最大擴散面積呈分離狀態，深排的溫升影響范圍較淺灘明排的溫升影響范圍要小百倍，分析原因認為深槽4℃溫升影響范圍小的主要原因是水深、流急。但是否有如此大的影響，需要在其他參數不變的情況下對影響4℃溫升的預測面積的“排放點水深”和“流速”這兩個參數做敏感性分析，以此分析預測結果合理性。

目前實際工程中采用的數學模型以二維模型為主，能反映濱海大范圍水域熱量的輸移擴散規律［9］。針對實際問題的需要，本文擬通過采用MIKE21模型建立理想水池數值模擬計算在不同水深和流速條件下的溫排水熱擴散，計算排水口附近海域溫度場分布，得出影響溫排水溫升范圍的規律，為相關研究提供參考。

1 理想模型

1.1 理想模型的建立

沿海建設的電廠水域廣闊，冷卻水工程通常采用表排深取的方式。本文進行理想水池的溫排水數值模擬時，理想水池模型為平底地形的矩形水域。理想水池的長為60 km、寬為20 km，水池由三個開邊界和一個陸地邊界組成，其中東、西、北三個邊界為水池開邊界，南邊界為陸地邊界，排放點源位于水池中心。對模擬區域水平方向上采用三角網格剖分，模型共包括11 642個網格點，23 016個網格單元，間距在50～600 m之間，在排水口附近進行加密。具體模型網格見圖1。

1.2 模型的初始及邊界條件

理想水池的東、西邊界采用給定潮位邊界條件，東邊界潮位條件以三角函數η=ACOS（2πt/T）形式給出，其中T=12.5 h。西部邊界條件設置與東部邊界條件存在相位差，但潮差設置相同，北部邊界水位條件由兩邊界端點處水位插值獲得。陸地邊界采用滑動條件，即v.n=0。假設理想水池內水體的初始溫度為25℃，溫排水在排放點以源項形式排入受納水體，排放水量為100 m3/s（裝機容量為2×1 000 MW的核電廠，需要的冷卻水量約為100 m3/s［10］），排放溫升為7℃。岸邊界采用絕熱邊界條件，開邊界溫度為環境水體溫度。

1.3 參數的選取

模型考慮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熱量擴散。本文熱量輸運方程中擴散系數采用紊動粘滯系數類比公式給定，即將紊動粘滯系數乘以某一比例系數獲得擴散系數，本文比例系數取推薦值1［11］。模型的水平紊動粘滯系數采用Smagorinsky公式進行計算。底摩阻由曼寧系數確定，采用推薦值32 m1/3/s。模型不考慮風的影響。

圖1 模型計算區域網格劃分及排放口位置Fig.1 Calculation grid and location of the outfall

2 溫排水數值模擬及變化規律分析

2.1 排水口潮流速對溫排水擴散范圍的影響

冷卻水排放入水域后，受周期性沿岸往復潮流動力控制，若干個潮周期后熱擴散可以達到穩定，這一過程的時間長度取決于潮流的強度和水域的地理特征（水深及水域的大小）。模型東部邊界處的潮位條件給定，把潮周期過程視為多個相同周期變化過程線，直至后一個潮周期的流場和溫度場同前一個潮周期計算的流場和溫度場表征值（潮位、流速、溫度）相對偏差小于1%時，即認為流場和溫度場模擬達到相對穩定平衡［12］。

由于受到潮流往復運動的攜帶，溫水團不斷向兩頭擴展，最后形成以電廠排水口為中心向兩端擴展的條狀溫升帶。圖2給出了水深設置8 m，邊界潮差設置1 m情況下漲憩和落憩時刻溫升分布。溫水團主體在沿岸往復流作用下主要在沿岸方向擴散，漲潮時向東擴散，落潮時則向西擴散。

圖2 溫升分布（水深設置8 m,邊界潮差設置1 m）Fig.2 Distribution of temperature rise（8 m water depth，1m tidal range）

模型穩定后提取一個潮周期的結果作為模型計算結果，以最大溫升1℃、2℃、3℃、4℃為敏感值進行分界，統計得到了不同潮差條件下模型穩定后一個潮過程的最大溫升包絡面積變化圖，統計結果見圖3。

模型計算區域開邊界給定潮位邊界條件，根據模型計算結果，排水口附近潮平均流速與邊界潮差條件的關系見圖4。對潮差不同的各組次進行比較可知：當水深一定時，潮差越大流速越大，且流速與潮差條件幾乎成線性關系；水深越大，趨勢線的斜率也越大。在同一潮差條件下，水深越大，排水口附近潮平均流速也越大。

結合圖3與圖4，對比溫排水在不同潮差條件下的溫升線包絡面積，可知流速對計算結果影響較顯著，且流速對溫排水不同溫升包絡面積的影響規律有所差異。由圖3可知：在同一水深情況下，隨著排水口附近流速增大，4℃溫升包絡面積均有明顯的減小。當邊界條件潮差設置由1 m增大到6 m時，環境水體水動力和溫升特征為：模型水深為4 m的排水口附近流速由0.21 m/s增加至0.47 m/s，4℃溫升包絡面積由60.52 km2減小至41.39 km2；模型水深為6 m的排水口附近流速由0.28 m/s增加至0.63 m/s，4℃溫升包絡面積由36.53 km2減小至5.85 km2；模型水深為8 m的排水口附近流速由0.32 m/s增加至0.80 m/s，4℃溫升包絡面積由25.59 km2減小至0.78 km2；模型水深為10 m的排水口附近流速由0.36 m/s增加至0.94 m/s，4℃溫升包絡面積由18.35 km2減小至0.21 km2。潮流水動力作用是溫排水熱擴散的主要動力機制，流速越大水體攜帶排放口高溫水團運移速度快，溫升降低快，高溫升（4℃）包絡面積越小。

與高溫升包絡面積變化情況不同的是，低溫升（1℃）包絡面積在水深為4 m時并沒有隨流速的增大而減小，而是呈增大的趨勢，當水深為6 m、8 m、10 m時，1℃包絡面積是隨流速的增大而減小。熱水排入受納水體后首先在排水口附近進行初始摻混，水深4 m時由于水淺流緩，參與稀釋的環境水體少，熱水稀釋能力弱，熱水團在排水口附近聚集較多。此時高溫熱水團在被往復流輸運過程中由于水深始終較淺，平流作用較強，會對熱水對流擴散產生正向作用，垂岸方向擴散較其他水深擴散距離大，因此水深4 m時環境水體流速越大低溫升（1℃）擴散范圍越大。

圖3 不同潮差條件下最大溫升包絡面積Fig.3 Envelope area for the maximum temperature rise under different boundary conditions

圖4 排水口附近平均流速與邊界潮差條件的關系Fig.4 Relation between mean velocity of outfall area and boundary condition

圖5 不同水深條件下最大溫升包絡面積Fig.5 Envelope area for the maximum temperature rise under different water depth conditions

2.2 排水口水深對溫排水擴散范圍的影響

將上文的數模結果按不同水深條件進行劃分統計，得到了不同水深條件下的最大溫升包絡面積變化圖，統計結果見圖5。

從圖中可以看出，同一潮差條件下，隨著水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃溫升包絡面積均減小，表1給出了水深增大時，各溫升等值線包絡面的變化比例。由表1可知：溫升等值線的溫升值越大，其包絡面積平均減小的比例越大。由于計算采用水深平均的二維水動力數值模型，溫排水在進入模型網格單元后，平均擴散到該網格單元的受納水體，水深越大，相同尺寸下網格單元受納水體的體積越大，會對溫水的對流擴散產生正向作用，利于溫水的稀釋。

2.3 溫升4℃預測結果分析

通過上述內容可知：采用水深平均的二維數模計算，排水口水深和流速對4℃溫升包絡面積的影響顯著，隨著水深的增大，4℃溫升包絡面積明顯減小，而流速對4℃溫升包絡面積的影響小于水深的影響。為分析某沿海核電廠一期和二期溫排水工程中4℃溫升擴散面積差異上百倍的預測是否合理，在已建數模基礎上結合實際工程情況，對比數模結果中不同水深和流速情況下，分析4℃溫升包絡面積的不同。表2給出了不同條件下4℃溫升包絡線面積。

結合圖4和表2可知：邊界潮差條件設置為6 m時，水深4 m較水深10 m的排水口附近平均流速小，水深10 m表現為水深流急，二者的4℃溫升包絡面積相差近200倍，這表明在實際溫排水工程預測工作中，不同排放點水深和流速對4℃溫升包絡面積的影響達百倍以上是相對較為合理的。

表1 各溫升包絡面積對水深的敏感性Tab.1 Decreasing rate of the envelope area with water depth

表2 4℃溫升包絡面積Tab.2 Envelope area of temperature increase of 4℃

3 結語

研究溫升場最大溫升包絡面積有利于取排水口優化布置及對環境影響做出評價，本文通過采用二維數值模擬溫排水在不同水深和流速條件下的溫升擴散范圍，得到以下結論：（1）同一水深條件，潮差越大流速越大，水體攜帶排放口高溫水團運移速度快，溫升降低快，高溫升（4℃）包絡面積越小。與高溫升包絡面積變化情況不同的是，低溫升（1℃）包絡面積在水深為4 m時并沒有隨流速的增大而減小，而是呈增大的趨勢，當水深為6 m、8 m、10 m時，1℃包絡面積隨流速的增大而減小。（2）同一潮差條件下，隨著水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃溫升包絡面積均減小，而且溫升等值線的溫升值越大，其包絡面積平均減小的比例越大。（3）最大溫升包絡線面積與潮流流速和水深關系密切。在實際溫排水工程預測工作中，不同的排放點水深和流速對4℃溫升預測面積的影響達百倍以上是相對合理的。

［1］王麗霞，孫英蘭.熱擴散預測方法研究概況［J］.海洋科學，1997（6）：16-17. WANG L X，SUN Y L.Survey of Predicting Method of Coastal Thermal Diffusion［J］.Marine Sciences，1997（6）：16-17.

［2］鄒金安，林明森.熱污染在潮汐作用下對海域水質影響預報模型［J］.海洋通報，1998（4）：55-62. ZOU J A，LIN M S.Forecast Mode of Thermal Pollution with Influence on the Ocean Water Quality by the Tide［J］.Marine Science Bulletin，1998（4）：55-62.

［3］於凡，張永興.濱海核電站溫排水對海洋生態系統影響的研究［J］.輻射防護通訊，2008，28（1）：1-7. YU F，ZHANG Y X.The Review on the Effects of Thermal Effluent from Nuclear Plants on the Marine Ecosystem［J］.Radiation Protection Bulletin，2008，28（1）：1-7.

［4］嚴冰，張娜，趙洪波.沿岸往復流海岸電廠平面二維溫排水數值模擬研究［J］.水道港口，2011，32（4）：291-296. YAN B，ZHANG N，ZHAO H B.2D numerical simulation of waste heat water transport from power into the sea with reversing currents along the coast［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32（4）：291-296.

［5］藺秋生，金琨，黃莉.電廠溫排水影響數學模型研究及應用［J］.長江科學院院報，2009，26（1）：29-32. LIN Q S，JIN K，HUANG L.Research and Application of Mathematical Modeling of Thermal Effluent from Power Plant［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（1）：29-32.

［6］張舒羽，黃世昌，韓海騫.浙江蒼南電廠冷卻水溫排放的數值模擬［J］.海洋學研究，2009，27（3）：61-66. ZHANG S Y，HUANG S C，HAN H Q.Numerical simulation of the cooling water discharge of Zhejiang Cangnan power plant［J］. Journal of Marine Sciences，2009，27（3）：61-66.

［7］蔣春風.感潮河段電廠溫排水熱影響范圍的特征分析［J］.河海大學學報，1990（6）：114-121. JIANG C F.An Analysis of Extent of Heated Effluent Field of a Thermal Power Plants in Tidal Reaches［J］.Journal of Hohai University，1990（6）：114-121.

［8］鄧敏慧，劉曉婉，夏玉強，等.長江口某電廠溫排水擴散影響分析及對策探討［J］.人民長江，2015（15）：41-45. DENG M H，LIU X W，XIA Y Q，et al.Influential analysis of thermal discharge diffusion of a power plant in Changjiang estuary and countermeasures［J］.Yangtze River，2015（15）：41-45.

［9］陳雪峰，劉松.長興島某電廠溫排水數值模擬研究［J］.水道港口，2016，37（3）：269-274. CHEN X F，LIU S.Numerical simulation for the plant of Changxing Island in Dalian［J］.Journal of Waterway and Harbor，2016，37（3）：269-274.

［10］劉永葉，劉森林，陳曉秋.核電站溫排水的熱污染控制對策［J］.原子能科學技術，2009，43（B12）：191-196. LIU Y Y，LIU S L，CHEN X Q.Control Countermeasures About Thermal Pollution of Thermal Discharge From Nuclear Power Plants［J］.Atomic Energy Science&Technology，2009，43（B12）：191-196.

［11］崔丹，金峰.近岸海域溫排水的三維數值模擬［J］.長江科學院院報，2010，27（10）：55-59. CUI D，JIN F.Three-dimensional Numerical Simulation on Thermal Discharge in Coastal Area［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（10）：55-59.

［12］羅斌，朱京興，唐輝.有限節點法在電廠溫排水計算中的應用［J］.電力勘測設計，1999（1）：33-40. LUO B，ZHU J X，TANG H.Application of Finite Node Method to Hot Water Discharge in Power Plant［J］.Electric Power Survey &Design，1999（1）：33-40.

Research on effect of water depth and flow intensity in coastal power plant outfall on warming area

LIU Rong,WANG Yi-gang,HUANG Hui-ming，HUA Xia
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing210098,China）

Water temperature is increased by a large amount of warm water discharge,and therefore resulting in thermal pollution.A 2-D numerical model was used to simulate an idealized water area.Based on the model,the impact of hydrodynamic condition on warm water diffusion scope was studied,and the effect of water depth and flow intensity where coastal power plant outfall located on warming area was investigated.Results show that with increasing water velocity,the temperature increase is easier to diffuse,which means the area of temperature increase of 4℃is smaller.However,for the 4 m water depth,the area of temperature increase of 1℃increases with increasing velocity.For the 6 m,8 m,and 10 m water depth,the area of temperature increase of 1℃decreases with increasing velocity.For the same boundary condition,the temperature increase area decreases with increasing water depth. Furthermore,for a higher temperature contour,the decreasing rate of temperature increase area is larger.The water depth and velocity have a significant effect on the maximum temperature contour.

warm water discharge;diffusion scope;hydrodynamic environment;numerical simulation

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0026-05

2016-09-30；

2016-11-24

劉榮（1993-），男，江西省新余人，碩士研究生，主要從事河口海岸水動力及泥沙研究。

Biography：LIU Rong（1993-），male,master student.