南海海洋溫差能發電站冷卻水排放對周邊海洋環境的影響分析

黃金華，季新然,2*，陽志文

(1.海南大學土木建筑工程學院，海口 570228； 2.海南省海洋與漁業科學院，海口 571126； 3.交通運輸部天津水運工程科學研究院港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津 300456)

隨著中國經濟的快速發展和“雙碳”目標達成的需求，中國能源產業對海洋能的需求不斷增加，因此開發存儲量巨大的海洋溫差能是實現可再生能源利用的重要途徑。海洋溫差能是指海洋表層海水(溫度為25～28 ℃)和深層海水(溫度為4～7 ℃)之間的溫差儲藏的熱能。溫差能發電站的工作原理是利用海洋表層溫海水加熱低沸點工質，使其汽化推動渦輪發電，同時利用深層冷海水將渦輪排出的乏汽冷凝成液體，再通過工質泵將液體輸送到蒸發器中，形成循環[1]。南海位于北回歸線以南，溫差能資源儲量巨大[2-5]，此外，南海平均水深為1 212 m，水深足夠并且水下地形條件適宜，是具備開發海洋溫差能條件的獨特地理位置[6-7]。

海洋溫差能發電站在運行發電的過程中會排放大量冷卻水，不僅導致局部海域降溫，還會在一定范圍內形成顯著的溫躍層。溫躍層與海洋生物密切相關，尤其與喜棲在上層水域的魚類有著更為密切的關系[8]。楊勝龍等[9]研究發現溫躍層過淺會壓縮黃鰭金槍魚的活動空間，導致資源量減少；萬瑞景等[10]研究發現溫躍層深度越淺海水垂向分布的鳀魚魚卵數量越少，溫躍層深度越深海水垂向分布的鳀魚魚卵數量越多；胡振明等[11]研究發現鳶烏賊主要棲息在溫躍層以上的水層中，鳶烏賊棲息的空間隨溫躍層上界深度的減小而減小；Furukawa等[12]研究發現鲯鰍和藍鰭金槍魚的活動范圍與溫躍層深度息息相關，溫躍層深度越深，其活動范圍越大；Huang等[13]研究表明沿海核電廠和火電廠的熱排放引起海水溫度升高造成海水分層，從而影響海洋生物的覓食環境；Houssard等[14]研究表明溫躍層深度是影響熱帶金槍魚分布的重要因素，溫躍層深度的加深可以增大金槍魚的棲息空間。

此外，海洋溫躍層在潛艇隱蔽、聲吶探測和水下通信等方面具有重要意義。方書甲[15]研究發現溫躍層會使信號發生明顯差異，導致聲吶作用距離縮短；王彥磊等[16]研究發現夏季海面受太陽輻射后，表層海水溫度高于底層海水溫度，導致聲波束發生折射，造成聲吶測不到近距離的潛艇；楊文等[17]研究發現在溫躍層處溫度劇烈下降，對聲吶探測產生較大影響，作戰潛艇可以利用溫躍層隱蔽發射武器；李慶紅等[18]研究發現聲吶的聲線在溫躍層附近會發生明顯的折射現象，正、逆躍層均會影響聲吶作用距離；Zarepoor等[19]研究表明溫躍層的存在對聲傳播有著顯著影響，溫躍層的溫度梯度越大，聲傳播過程中損耗越大。

近年來，國內外關于工業廢水對海洋環境的影響已有不少研究。奚泉等[20]利用三維溫度場模型，對廣東珠海LNG接收站冷卻水擴散過程進行了模擬，結果表明接收站碼頭排放大量的冷卻水進入海域，引起周邊海水溫度下降，破壞生態平衡；Deabes[21]通過數值模型，模擬了埃及El-Burullus發電站溫排水的擴散范圍，分析表明發電站溫排水對周邊的海洋生物略有影響；Gaeta等[22]采用三維溫度模型，研究了意大利南部Cerano發電站溫排水擴散過程，結果表明溫水排放對周邊海洋環境有潛在影響。

目前，國內外關于LNG接收站冷排水及核、火電站溫排水研究工作比較多，而針對溫差能發電站的冷卻水排海問題的研究還比較少。為此，現基于數值模擬的方法，構建三維水動力模型，針對西沙甘泉島擬建的島基式海洋溫差能發電站排放的冷卻水，開展其對排放口周邊海域水溫結構的影響分析，以期為海洋溫差能發電站建設所涉及的環境問題給予合理評價和在生態環境管理上提供科學依據。

1 數學模型

在數值模型構建時，采用由丹麥水利研究所開發的MIKE3軟件，其具有模擬海洋、海灣、港口、水庫及河流的水動力、泥沙輸移、溫鹽度擴散等功能。在計算過程中采用有限體積法，并且在垂直方向上采用σ坐標變換公式來簡化算法，以提高計算模型的穩定性。MIKE3模型廣泛應用于國內外水環境研究領域，其數值模擬的科學性已被世界公認[23]。

1.1 控制方程

計算模型是基于三維不可壓縮和雷諾均布的Navier-Stokes方程，并符合Boussinesq假設和靜水壓強假定。

連續方程為

(1)

動量方程為

(2)

(3)

式中：t為時間；d為靜水深度；η為水面高程；h為總水深(h=η+d)；f為科式力參數；ρ0為參考水密度；ρ為水體密度；g為重力加速度；vt為垂向渦黏系數；u、v、w分別為x、y、z方向上的流速分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy為輻射應力張量的分量；S為源匯項；Pa為當地大氣壓；Fu、Fv為水平應力項；uS和vS為源匯項的水流流速。

溫度運輸方程為

(4)

在垂直方向上采用σ坐標系，則控制方程可寫為

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 模型網格及邊界的建立

為了研究溫差能發電站冷卻水對附近海域水溫結構的影響，以永樂環礁周邊海域為模擬范圍，如圖1所示，但主要關注排放口周圍的水溫變化。模型采用WGS84坐標系，計算域范圍為111°53′～111°80′ E，16°21′～16°55′ N，計算水域面積約4 876 km2。在水平方向上采用非結構化三角網格劃分計算區域，以精確擬合島礁岸線，并對排水口附近區域進行適當加密，從而提高模型計算精度，整個計算區域共包括單元11 574個和節點6 017個。在垂直方向上采用結構化網格，并且采用等距分層模式，即各層沿水深等距分布，在垂直方向上分為50層。圖1中E、W、S和N分別代表模型的東、西、南以及北開邊界，其中開邊界的潮位數據取自于MIKE軟件自帶的全球潮汐預報系統。

圖1 計算網格及邊界Fig.1 Computational grid and boundary

1.3 模型參數設置

在本模擬中，潮流場模擬的初始條件采用零啟動，初始流速值和初始潮位值均設為0。溫度和鹽度數據資料取自國家海洋科學數據中心(http://mds.nmdis.org.cn/)的日平均溫鹽度數據庫。氣象條件取自國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/)。溫差能發電站冷卻水排水口(111°34′43″E，16°30′19.4″N)位于甘泉島西側500 m處。該海域模擬時間為15 d，時間為2022年1月1日8：00—16日8：00，時間步長為7.2 s，時間步數為180 000，CFL數設置為0.8。底床糙率取常數值為1 m。水平渦黏系數采用Smagorinsky公式，水平渦黏系數取定值為0.28。垂向渦黏系數選用Log-law公式，表達式為

(9)

Uτ=max(Uτs,Uτb)

(10)

h=η+d

(11)

式中：d為靜水深；vt為垂向渦黏系數；h為水面高程；Uτs為與表層應力相關的摩阻流速；Uτb為與底層應力相關的摩阻流速；c1和c2是定值，分別為0.41和-0.41。

1.4 模型驗證與分析

先對永樂環礁周邊海域建立潮流場模型，之后在潮流場模型的基礎上進行冷卻水排海的數值模擬，從而得到水溫的時空分布，分析冷卻水對海域水溫結構的影響，因此需要對潮流場的可靠性進行驗證。潮位實測值取自于國家海洋信息中心(http://global-tide.nmdis.org.cn/)永興島監測站(112°19′59.88″E，16°49′59.88″N)公開發布的潮汐表數據，選取2022年1月1日8：00—12日8：00的潮位實測值與模型潮位模擬值進行對比。驗證結果如圖2所示，可以看出模擬潮位與永興島監測站的實測潮位吻合較好，基本能夠反映模擬海域的大、中、小潮期間的潮位變化過程，由此可認為所建立的模型是合理的，可以滿足預測要求。

圖2 潮位驗證Fig.2 Verification of tide level

由于自然系統的實際情況較為復雜多變，又因為冷卻水擴散的動力主要來自潮流場，因此未考慮風應力和波浪場的影響，僅在潮流場作用下，對海水水溫結構進行了模擬分析。

2 結果與分析

2.1 不同排水溫度下溫躍層包絡面積分析

采用《海洋調查規范》中的垂直梯度法來定義溫躍層，即設立一個溫度梯度臨界值，將垂直溫度梯度超出此臨界值的水層定義為溫躍層。臨界值分為深海(水深>200 m)和淺海(水深≤200 m)兩個標準，分別為0.05 ℃/m和0.2 ℃/m。由于重點研究的排水口所在位置水深不到200 m，因此溫躍層的溫度梯度臨界值為0.2 ℃/m。垂直梯度法基本原理如下。

將海水從表層至底層分為n層，各層的溫度和深度分別標記為T1，T2，…，Tn和Z1，Z2，…，Zn。則溫躍層溫度梯度為

(12)

在冷卻水排放前，排水口所處海層的溫度梯度小于0.2 ℃/m，沒有出現溫躍層。當溫差能發電站冷卻水排放在海水中時，會造成較大的溫度梯度，此時會產生一定范圍的溫躍層。若受溫差能發電站冷卻水影響導致垂向溫度梯度超過0.2 ℃/m的區域，即可認為是受到溫躍層影響的區域，計算其溫躍層包絡面積。

為進一步研究不同排水溫度形成的溫躍層包絡面積，在溫差能發電站排水流量為50 m3/s，排水深度為2 m，排水溫度分別為13、15、17 ℃的3個工況下，計算得到排水口所處海層的溫降場與潮流場如圖3所示。從圖3可知，溫降范圍主要集中在排水口附近，并且隨著潮流流向擴散。由于溫度場模擬15 d后，溫躍層包絡面積基本穩定如圖4所示，故統計15 d內溫躍層包絡面積(如圖5所示)進行分析。

圖3 漲、落潮時刻排水口所處海層的溫降場與潮流場Fig.3 Temperature drop distributions and current fields of the sea layer where the outfall is located during the flood and the ebb tides

圖4 不同排水溫度下排水口所處海層的溫降范圍Fig.4 The temperature drop ranges of the sea layer where the outfall is located under different drainage temperatures

由圖5可以看出，當溫差能發電站排水溫度為13 ℃時，溫躍層包絡面積為0.601 km2；當排水溫度為15 ℃時，溫躍層包絡面積為0.478 km2；當排水溫度為17 ℃時，溫躍層包絡面積為0.346 km2。這表明，隨著排水溫度從13 ℃增加到17 ℃，溫躍層包絡面積減小。這是因為冷卻水溫度越高與自然海水溫度造成的溫差越小，溫躍層包絡面積則越小，反之越大。

圖5 不同排水溫度下溫躍層包絡面積Fig.5 Envelope areas of thermocline under different drainage temperatures

2.2 不同排水流量下溫躍層包絡面積分析

為進一步觀察不同排水流量形成的溫躍層包絡面積，在溫差能發電站排水溫度為13 ℃，排水深度為2 m，排水流量分別為50、60、70 m3/s的3個工況下，計算得到15 d內排水口所處海層的溫降范圍如圖6所示，并統計15 d內溫躍層包絡面積(如圖7所示)進行分析。

圖6 不同排水流量下排水口所處海層的溫降范圍Fig.6 The temperature drop ranges of the sea layer where the outfall is located under different drainage flows

圖7 不同排水流量下溫躍層包絡面積Fig.7 Envelope areas of thermocline under different drainage flows

由圖7可以看出，當溫差能發電站排水流量為50 m3/s時，溫躍層包絡面積為0.601 km2；當排水流量為60 m3/s時，溫躍層包絡面積為0.707 km2；當排水流量為70 m3/s時，溫躍層包絡面積為0.794 km2。這表明，隨著冷卻水排水流量源強的增加，溫躍層包絡面積逐漸增大。這是由于冷卻水流量越大其受海水稀釋作用越小，所以溫躍層包絡面積則越大，反之越小。

2.3 不同排水深度下海水水溫結構分析

為進一步考察溫差能發電站不同排水深度對垂向海水水溫結構的影響，在溫差能發電站排水溫度為13 ℃，排水流量為50 m3/s，排水深度分別設定為2、8、15 m時，計算海水的垂向溫度分布情況，并在排水口處提取垂向剖面進行分析。圖8為大潮漲急時不同排水深度下排水口溫度剖面圖，其中各分圖的垂直剖面均沿坐標(561 500，1 824 920)與坐標(562 300，1 824 920)連接線段間截取。從圖8可以看出排水口處溫降最大，且距離排水口越遠溫度梯度越小。這是由于距離排水口越遠受冷卻水影響越小，溫度梯度自然越小。

圖8 大潮漲急時刻不同排水深度下排水口溫度剖面圖Fig.8 The temperature profiles of the outfall at different drainage depths at flood in spring tide

圖9為典型時刻不同排水深度下排水口垂向溫度圖和溫度梯度圖，其中溫度梯度圖中的兩條豎向虛線分別代表溫度梯度為0.2 ℃/m的正躍層臨界值和溫度梯度為-0.2 ℃/m的逆躍層臨界值，同色虛線的交點對應的深度為溫躍層上界深度。排水口附近原始海水溫度梯度較小，當溫差能發電站冷卻水在一定深度海水中排放時，海水中會出現一個冷水團，此時冷水團上方溫度梯度大于0.2 ℃/m產生一個正躍層，下方溫度梯度小于-0.2 ℃/m則產生一個逆躍層。在大潮漲、落急時刻，原始海水的整體垂向溫度梯度較小，在冷卻水排入后，排水口附近溫度梯度發生顯著改變，但在排水口下方一定距離外溫度梯度變化極小，與原始溫度梯度基本保持一致。在小潮漲急時刻，原始底部海水存在強度較小的溫躍層，在冷卻水排放后，導致底部溫度梯度減小，底部溫躍層消失，冷卻水造成的溫降在排水口附近最大。在小潮落急時刻，原始海水的整體垂向溫度梯度很小且相差不大，溫度梯度圖呈豎線分布，冷卻水排放后造成底層紊動，產生小強度溫躍層，且排水口附近溫降最大。此外，從圖9還可以看出不同排水深度造成的溫躍層上界深度不同，溫躍層上界深度隨著排水深度的增大而增大。

圖9 典型時刻不同排水深度下排水口垂向溫度圖和溫度梯度圖Fig.9 The vertical temperatures and temperature gradients of the outfall at different drainage depths at typical times

3 結論

采用MIKE3建立了水動力模型和溫度場模型，基于潮流場模擬結果與實測結果驗證較好的基礎上，模擬了永樂環礁附近海域流場規律及冷卻水的擴散過程，統計了15 d內不同排水溫度、排水流量條件下的溫躍層包絡面積和典型時刻不同排水深度下溫躍層上界深度，重點分析了溫差能發電站冷卻水排放對甘泉島附近海域海水水溫結構的影響，得到以下主要結論。

(1)應用MIKE3模型對永樂環礁附近海域建立了水動力模型，計算得到的潮位結果與實測結果吻合良好，驗證結果基本能夠反映模擬海域的大、中、小潮期間的潮位變化過程，能夠應用于模擬溫差能發電站冷卻水擴散過程；溫度模型模擬的結果也能夠良好地反映溫差能發電站冷卻水的擴散過程，并能夠對西沙甘泉島擬建島基式海洋溫差能發電站所涉及的環境問題給予合理評價和在生態環境管理上提供科學依據。

(2)溫差能發電站冷卻水會引起排放口周邊溫度的急劇下降，進而會在局部范圍內產生溫躍層，但溫降范圍主要集中在排水口附近，并且隨著潮流流向擴散；排水口處溫降最大，且距離排水口越遠橫向溫度梯度越小；溫躍層包絡面積隨排水溫度的升高而減小，隨排水流量的增大而增大。

(3)溫差能發電站冷卻水顯著影響了垂向海水水溫結構，并在海水中會形成一個冷水團，冷水團上方溫度梯度大于0.2 ℃/m出現一個正躍層，下方溫度梯度小于-0.2 ℃/m則出現一個逆躍層；在排水口附近垂向溫度梯度最大，此外冷卻水的排放有可能會造成海水底部原始溫躍層的消失甚至造成紊動，產生強度較小的溫躍層；不同排水深度造成的溫躍層上界深度不同，隨著排水深度的增大，溫躍層上界深度隨之增大。