渤海灣沿岸電廠高溫水排放分布特征研究

余 治

（中交天津航道局海外事業部，天津 300461）

引言

長期穩定的電力供應是渤海灣地區經濟可持續發展的保障，為解決這一問題，在曹妃甸工業園區、天津大港和黃驊港工業區內均建有大型電廠用以保證港區及附近居民正常工作生活用電需求。

臨海而建的電廠多以海水作為冷卻水用于冷卻發電機器，并沿岸修建排水口，海水經由電廠進水口進入冷卻管道，流經發動機，溫度顯著升高，再通過排水口直接排入受納海域。高溫海水排入渤海灣后，渤海灣部分水域溫度升高，這將導致該區域的浮游生物、藻類、魚類的生長發育、繁殖受到不利影響，從而破壞該區域生態環境發展、漁業經濟發展。因此，利用數值模擬對于渤海灣延岸高溫水排海的時空分布具有重大的現實意義。

張舒羽等人采用MIKE21 軟件對浙江蒼南電廠溫排水的數值模擬研究發現電廠冷卻水溫排放的最大溫升包絡面積范圍與流速和水深的關系密切[1]；李紹武等人采用MIKE21 中的潮流和溫度輸運模塊對越南某電廠進行了潮流和溫度場的數值模擬[2]；陳雪峰等人通過建立平面二維潮流數學模型對長興島某電廠溫排水數值模擬研究[3]；武雅潔等利用三維數學模型對于膠州灣內的高濃熱鹽水在潮流作用下的輸移擴散進行了模擬[4]；王曉萌等人利用POM 模式研究了海水淡化產生的濃鹽水對膠州灣鹽度分布的影響[5]；佘格格對河道電廠溫排水運輸擴散進行了數值模擬研究[6]；白玉川等人三維數學模型對渤海灣沿岸電廠高溫濃鹽水表層排海分布進行了模擬[7]；江洧對惠州LNG 電廠循環冷卻水工程海域熱污染進行了數值模擬研究[8]；馮佳煒等人應用MIKE 21 FM 模塊對秦皇島海域夏季溫排水對流擴散特征進行了研究[9]。由此可見，通過數學模型模擬高溫水排海輸移擴散過程和對受納水體的溫度影響十分重要。

本文以渤海灣2016 年地形條件，建立三維高溫水擴散模型，在考慮當地實際淡水輸入的情況下，通過數值模擬對該區域電廠排海高溫水在潮流作用下的時空分布特征及規律進行了研究。

1 模型設置

模型以三角形網格進行劃分，計算范圍為117°35′E～122°30′E，37°N～41°N，其中渤海灣范圍為117°35′E～118°51′E，38°N～39°14′N，計算區域及海域等水深線如圖1 所示。縱向使用Sigma 坐標將模型延水深方向均勻分為5 層。水深數據以2016 年黃渤海海域海圖實測數值插值獲得。模型初始流速為零，高溫水視為由表層流入，以輻射形式進行運動。模型初始溫度設置為17℃，在開邊界設置為垂向均一值17℃；鹽度為30PSU，在開邊界設置為垂向均一值30PSU。海底摩擦系數取0.001，且不考慮海面大氣壓強及風應力的影響。模型是基于三維不可壓縮和雷諾均勻分布的 N-S 方程，并服從Boussinesq 近似和靜水壓強假定。

圖1 河流輸入及排放口位置示意圖

連續方程：

x方向動量方程：

y方向動量方程：

z方向動量方程：

其中，t是時間；x，y，z是笛卡爾坐標系；η是水位；d是靜止水深；h=η+d為總水深；u，v，w分別為流速在x，y，z方向上的分量；f=2Ωsinφ是Coriolis 參數（Ω 是地球自轉角速度，φ是地理緯度）；g是重力加速度，ρ是水的密度；sxx，sxy，syx，syy，szx，szy為輻射應力分量；vt是垂向渦粘系數；pa為當地大氣壓；ρ0是參考水密度；S為源匯項；（us，vs，ws）為源匯項的水流流速。

溫度輸移擴散公式：

式中，DV為垂向湍流擴散系數；TS代表溫度的源項；FT為水平擴散項。

模型選取天津大港、河北黃驊港和曹妃甸工業區高溫濃鹽水排放口以及當地4 條河流入海口，地理位置見圖1，各點流量數據見表1。

表1 高溫濃鹽水排放口及河流匯入流量

2 高溫水擴散數值模擬

2.1 渤海灣潮流場分布

研究選取了2016 年渤海灣地形資料，并對當年1 月21 日至5 月21 日，4 個月的潮流場進行了模擬，在模型中加入了高溫水流擴散模塊，對灣內曹妃甸工業區、天津大港、黃驊港3 大臨海工業園的高溫水排海過程進行了模擬,并對其模擬結果進行了詳細分析。

渤海灣潮流為規則半日潮流，圖2 為該海域漲急、落急時刻底層、中層、表層的流速分布情況。漲潮時，海水自外海進入渤海灣，在深水航道區域流速增加，流向改變，海水在水工建筑物岬角的挑流作用下，流速增加，流向改變；落潮時，海水自渤海灣流入外海，流速分布與漲潮流速分布相似，流向相反。分別對比漲急、落急時刻各層水體流速情況可知，該海域表層流速最大，底層流速最小，流速分布自底面至自由水面逐漸增加。

圖2 渤海灣漲急、落急潮流場分布圖

曹妃甸港區是我國為數不多的自然深水良港，由于老龍溝深水航道的開挖，該處水深增加，流速增大。天津港、黃驊港由于建設了深水航道，故該水域流速沿航道軸線方向明顯增大。漲潮時，黃驊港南側受到水工結構物和護坡的阻礙，流速減小，形成南北向往復流。

2.2 水平溫度輸移擴散特征

渤海灣高溫濃鹽水自圖1 所示排放口排入渤海灣表層水體，在潮汐及重力的作用下，逐漸沿水深向下、向外海擴散。

黃驊港、天津港附近水域溫度較周邊水域增加明顯，局部出現高于24°C 的高溫水域。對比圖3 漲急各水層溫度可知，排海高溫水自排放口流出后，逐漸沿水深向外擴散，但潮流的往復作用致使高溫水不會無限擴散，而是形成一定區域的高溫區。在港區擁有防波堤、水工建筑物的情況下，高溫水擴散會受到局部抑制，擴散速度減緩，易出現高溫區。曹妃甸港區水深較大，水動力比較強烈，因此該區域沒有出現高溫區。

圖3 漲急、落急時刻水平溫度擴散分布圖

圖4 曹妃甸海域漲急、落急時刻水平溫度擴散分布圖

曹妃甸排放口的位置設置在老龍溝潮汐通道附近，水深較深，流速較大，高溫水排入收納水體后沿水深方向呈扇形擴散。高溫水沿水深向下逐漸擴散，在受到水流阻力作用時，擴散速度逐漸減緩，底層擴散面積小于表層面積，即水體密度隨溫度升高而減小。

漲急時，海水自外海涌入近岸，流速與水深成反比，對比黃驊港、天津港漲急時刻表層與底層溫度分布可知，高溫水的擴散速度與流速成正比，其流速越大擴散范圍越大。落急時，海水自近岸流向外海，對比黃驊港、天津港、曹妃甸區域落急時刻表層、中層、底層溫度分布可知，盡管表層流速較下層流速更大，但在潮汐力的不斷作用下，排海高溫水隨落潮向外海充分擴散，由于沒有水工建筑物的阻礙作用，擴散面積較漲急時刻更廣。漲急、落急時各水層均未因上下流速差異而導致高溫水擴散面積的較大差異。

2.3 垂向溫度輸移擴散特征

圖5 漲急、落急時刻垂向溫度分布

漲急時刻，低溫海水自外海涌向近岸，高溫水在縱向的擴散更為明顯，由近岸向外海，溫度沿水深呈“S”形擴散；落急時刻，海水自近岸快速流向外海，高溫水隨落急潮流作用下以扇形的方式向外海擴散，對比圖3、4、5 可知，高溫水在橫向的擴散速度和范圍表現較縱向更為明顯。

3 結語

隨著我國不斷加大海洋生態環境保護的重視，研究人類生產活動對于海岸線的影響，尤其是研究圍海造陸活動對渤海灣岸線的影響變得尤為重要。本文建立渤海灣三維高溫水擴散模型，選取天津港、黃驊港、曹妃甸3 處高溫水在潮流作用下的輸移擴散規律。通過數值模擬分析，高溫水在排海后，溫度沿近岸向外海方向及沿水深方向逐漸降低，擴散范圍在潮流場沿外海方向逐漸擴散，但在受到水工建筑物及漲落潮的往復作用時，其整體擴散范圍有限。溫度擴散速度與流速緊密相關，沿自由水面向下其擴散速度減緩，擴散范圍減小。