溫排水對水環境影響的數值模擬

姚姍姍，張 鵬， 張 娜

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456; 2.中交天航港灣建設工程有限公司,天津 300450)

近年來隨著沿海核電站、火電站的興建、大量溫排水涌入近岸水域，使得海洋熱污染問題逐漸突出。集中排放的冷卻水，不僅會使周圍的水體升溫，造成熱富集，還會影響水質，進而對水體生態環境帶來巨大影響，由于溫排水會使得取水口同步升溫，排放口位置的選擇也將大大影響機組效率[1-3]。從20世紀80年代初，國內許多學者開始進行溫排水的模擬研究。李燕初[4]年采用ADI差分方法，對篙嶼電廠的溫排水對附近海域影響進行了數值模擬；華祖林等[5]對長江口兩座大型電廠的溫排水進行了數值和物模研究，預測了溫排水影響范圍及溫升分布；劉海成等[6]應用Mike21-FM模塊，考慮了洋流和季風等長周期動力因素，研究了印尼亞齊電廠溫排水在長周期動力條件下的擴散規律；嚴冰等[7]采用非結構網格，比選了不同取、排水口位置對溫排水范圍和取水溫升的影響。

本文以華電湛江煤電項目為背景，采用平面二維潮流及溫度擴散模型，模擬了煤電取排水工程建設后溫排水擴散的范圍，統計了取水口的溫升，分析了對周邊保護區和水環境的影響，為排水口平面布局優化提供了參考，結果可為有關部門決策提供服務。

1 模型介紹

1.1 控制方程

控制方程主要包括平面二維淺水方程和溫度輸移擴散方程。

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1.2 定解條件

初始條件：u(x,y,0)=0，v(x,y,0)=0，ζ=ζ0；溫度初始值T=T0。

圖1 工程位置示意圖 圖2 水文測站及取排水工程平面布置圖 Fig.1 Location of the Project Fig.2 Location of the measuring points and layout of the project

2 模型建立及驗證

2.1 自然條件概述

本工程位于廣東省西部的安鋪港，安鋪港位于廣東省雷州半島西北部，西與北部灣相通。潮汐屬不規則全日混合潮，平均潮差2.42 m，潮流兼有不規則全日潮流和不規則半日潮流的性質，擬建碼頭水域潮流呈現往復流動，漲潮基本為ESE—ENE向，落潮基本為WSW—W向，大潮平均流速為0.14～0.53 m/s，最大流速為0.30～0.79 m/s。灣內流速不大，潮汐動力較弱。工程海域多年平均氣溫為22.4℃，夏季多年平均氣溫為28.6℃，冬季多年平均氣溫為14.9℃。水文測驗期間，水溫在31.69℃～32.69℃之間。

2.2 計算域的確定及網格剖分

本模型計算范圍水平尺度約150 m×120 km，外海至潿洲島以西30 m等深線。采用非結構化的三角網格對計算域進行剖分，并在工程區附近對網格局部加密，共35 000個網格節點，相鄰網格節點最大步長約5 000 m，最小空間步長約10 m(圖3)。

2.3 參數選擇

(1)水平渦粘系數采用Smagorinsky 方程進行計算，模型參數取推薦值0.28。

(2)底部摩阻由謝才系數確定，取值為70 m1/3/s。

圖3 計算區域網格剖分圖Fig.3 Mesh generation of the computational area

(3)排水流量及排水口溫升：取排水為循環用水，均為115 m3/s，排水口溫升為8℃。

(4)溫度擴散模型中的海面熱交換項 ，考慮了空氣溫度、水面與大氣的紊動交換等因素影響。折算為海水表面溫度綜合交換系數ks取為 45W/ ( m2℃ )。

2.4 潮位及潮流驗證

采用2014 年7月5日～12日實測大、中、小潮水文全潮資料對模型進行了驗證，水文測站包括3個潮位站和9個流速測站(圖2)，圖4為部分潮位、流速和流向驗證結果。從模型的驗證過程來看，潮位、流速、流向在連續變化過程中均與實測值吻合較好，滿足相關規范要求[9]。所建模型能較好反映工程區海域潮流運動特性，可用于后續溫排水的數值模擬研究。

圖4 大潮潮位及流速流向驗證Fig.4 Validation of spring tidal level and velocity

3 溫排水數值模擬

考慮到溫度擴散自初排至穩定狀態時需要一定時間，選取了實測大、中、小潮作為不利潮型，擬合得到30 d的連續潮型，作為溫排水擴散的計算潮型。下述圖表均為連續運轉至穩定狀態下的模擬及分析結果。

3.1 溫排水擴散范圍

(1)取排水工程實施后，由于排水口所在水域存在大面積的淺灘，灘面上的流速不大，且流向相對分散，因此最大溫升分布在順岸(東西向)和離岸(南北向)均存在一定距離，但順岸對流擴散的距離稍長。排水口以東為大面積淺水區，熱容量較低，不利于溫度擴散，加之該海域實測漲潮時間較長，因此溫度自排水口向東北擴散的距離稍大，而西南側水深大，熱容量高，向西南擴散的距離要稍小，這種分布特征對于取水安全較為有利。

(2)溫度擴散的范圍，經統計最大溫升≥1℃的包絡面積在29.0 km2左右，溫升≥4°C的包絡面積在7.0 km2左右；最大溫升≥1℃的擴散距離，自排水口向東和向西分別為7.8 km和4.0 km，最大溫升≥4℃擴散距離，自排水口向東和向西分別為3.8 km和0.8 km。

圖5 最大溫升分布圖Fig.5 Distribution of temperature rise

表1溫度包絡范圍及擴散距離統計

Tab.1 Statistics for the envelope area and diffusion distance

取排水流量溫度升高(℃)面積(km2)自排水口向東(km)自排水口向西(km)115 m3/s≥129.07.84.0≥218.76.82.6≥312.74.71.0≥47.03.80.8

3.2 取水口溫升

表2 取水口處溫升特征值統計Tab.2 Temperature rise statistics for the intake

(1)排水口位置處在電廠東側，也即取水口東側，漲潮時，水流自SW向NE方向流動，落潮反之，因此漲潮階段取水溫升較小，落潮階段取水溫升稍大。取水口最大溫升基本出現在低潮位(落憩)，而最小溫升則出現在高潮位(漲憩)，這種分布規律與實際潮漲落輸送過程相對應。

(2)經統計取水口處平均溫升為0.98℃，最大溫升分別為1.95℃。

3.3 溫排水對周邊保護區影響

圖6 溫度擴散對周邊保護區影響Fig.6 Influence on the surrounding protected area caused by temperature diffusion

本工程煤電項目廠址位于安鋪港工業與城鎮用海區，在其周邊分布有角頭沙東北部海洋保護區、角頭沙西海洋保護區以及英羅港海洋保護區。圖5將最大包絡線與保護區邊線繪制于同一圖中，以便更清晰反映取排水工程的實施對這些周邊保護區的影響，分析認為：

(1)從溫升包絡范圍來看，取排水工程的實施，對周邊保護區未產生直接影響，1℃溫升線尚未抵達各保護邊緣，因此電廠溫排水對保護區的海洋生物不會構成明顯的熱影響。

(2)盡管電廠溫排水對保護區無直接影響，但由于規劃方案位于安鋪港工業與城鎮用海區域，經統計1℃溫升線向西將超出用海邊界，順水流方向超出最遠距離在1.6 km左右，后續可圍繞此問題對本方案進行優化。

4 結論

本文以華電湛江煤電項目為背景，建立了平面二維潮流及溫度擴散模型，并根據實測資料對模型進行了充分驗證。采用經驗證的模型模擬了煤電取排水工程建設后溫排水擴散的范圍，統計了取水口的溫升，分析了對周邊保護區和水環境的影響，得到如下結論：(1)工程海域潮汐屬不規則全日混合潮，平均潮差2.42 m，潮流兼有不規則全日潮流和不規則半日潮流的性質，擬建碼頭水域潮流呈現往復流動，漲潮基本為ESE—ENE向，落潮基本為WSW—W向，大潮平均流速為0.14～0.53 m/s，工程海域多年平均氣溫為22.4℃；(2)最大溫升分布在順岸方向和離岸方向均存在一定距離，但順岸對流擴散的距離稍長，且溫度自排水口向東北擴散的距離要大于向西南擴散的距離，這種分布特征對取水安全較為有利。最大溫升≥1℃和≥4°C的包絡面積分別在29.0 km2和7.0 km2左右，最大溫升≥1℃的擴散距離，自排水口向東和向西分別為7.8 km和4.0 km，最大溫升≥4℃擴散距離，自排水口向東和向西分別為3.8 km和0.8 km。取水口處平均溫升為0.98℃，最大溫升分別為1.95℃；(3)從溫升包絡范圍來看，取排水工程的實施，對周邊保護區未產生直接影響，1℃溫升線尚未抵達各保護邊緣，因此電廠溫排水對保護區的海洋生物不會構成明顯的熱影響。但由于規劃方案位于安鋪港工業與城鎮用海區域，1℃溫升線向西將超出用海邊界，順水流方向超出最遠距離在1.6 km左右，后續可圍繞此問題對本方案進行優化。