小清河感潮河段與河口區(qū)溫排水模擬及對地貌的響應(yīng)

金玉休, 朱龍海,2, 吳建政,2, 胡日軍,2, 張 偉, 姜勝輝,2

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及用電需求的日益增長, 沿海地區(qū)電廠的建設(shè)和規(guī)劃也隨之增多[1]。濱海電廠多采用海水作為冷卻水, 將廢熱釋放到海洋中,溫排水成為影響海洋環(huán)境的主要因子[2]。溫排水排放量大, 通常1 000MW的電站, 需要30~40 m3/s的冷卻水[3], 不僅使受納水體的溫度升高, 還對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響, 并引發(fā)環(huán)境問題[4]。例如, 水溫的升高會使水中飽和溶解氧降低, 容易引發(fā)赤潮, 許多對溫度敏感的動物(如魚類), 因水溫升高將會受到遷徙、死亡的威脅[5]; 如果電廠溫排水影響到自身的取水冷卻, 必將給電廠冷卻系統(tǒng)的效率帶來影響[6-7]。因此, 溫排水的擴(kuò)散影響是電廠建設(shè)項目關(guān)注的重點之一[5]。

20世紀(jì) 40年代開始, 國外海洋學(xué)家對電廠溫排水的影響進(jìn)行了研究。1968年英國學(xué)者Harleman等[8]針對TVA Browns Ferry核電廠進(jìn)行了穩(wěn)定和非穩(wěn)定流態(tài)下電廠冷卻水熱擴(kuò)散的研究。McGruik和Rodi[9]最早采用深度平均形式的k-ε紊流模型計算冷卻水岸邊排放近區(qū)的溫度分布。隨著計算機(jī)的發(fā)展,國外學(xué)者[10-13]采用數(shù)值計算方法對溫排水輸運(yùn)擴(kuò)散進(jìn)行了深入研究。

20世紀(jì)80年代以來, 中國學(xué)者開始對溫排水的影響進(jìn)行研究[14], 數(shù)值模型采用二維模式[15-19]或三維模式[20-23], 研究區(qū)域包括河道[24]、湖泊水庫[25]、感潮河段[26]、海灣[23,27]等, 同時也有不少學(xué)者[28-31]對取水口溫升、溫排水中余氯的影響、超溫水體蒸發(fā)系數(shù)進(jìn)行研究。

不同地形地貌, 其水動力條件會有所不同, 溫排水稀釋、擴(kuò)散強(qiáng)度也存在差異[32]。如當(dāng)河道水流為單向流時, 溫升影響一般分布在排水口附近及其下游, 并形成一條扁長狀的沿岸熱污染帶。而在感潮河段中, 由于水流為非恒定往復(fù)流, 溫水受潮汐水流的影響, 會在排水口上、下游沿岸往復(fù)運(yùn)動, 情況較為復(fù)雜[18]。

在河口附近海域, 溫排水?dāng)U散同時受河口地貌、徑流和海洋水文動力條件的影響, 情況更為復(fù)雜。本文研究了河口附近海域溫排水?dāng)U散影響, 對于濱海電廠建設(shè)和溫排水研究具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

小清河口位于萊州灣西南角, 河口潮灘寬闊,平均坡度 0.02%～0.03%, 近口門附近有牡蠣灘和攔門沙兩段礙航淺灘[33]。該區(qū)潮汐屬于不正規(guī)半日潮,河口處平均海平面117 cm, 平均潮差125 cm; 漲落潮流向SSW-NNE, 平均流速30～40 cm/s; 漲潮流速略大于落潮流速, 小清河口外的潮流為順時針方向的旋轉(zhuǎn)流[33-34]。

該區(qū)常風(fēng)向為SE, 但風(fēng)速較小, 強(qiáng)風(fēng)向為NE。海區(qū)波浪主要為風(fēng)浪, 河口位置N、NNE 和NE 向波浪最強(qiáng)[33]。海區(qū)沉積物質(zhì)有極細(xì)砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂及黏土質(zhì)粉砂等[33-35]。周邊海域入海河流主要有小清河、黃河、淄脈溝、彌河、白浪河和濰河等[36]。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 潮流模型控制方程

(1) 控制方程

質(zhì)量守恒方程:

動量方程:

式中:ζ為水位;h為靜水深;H為總水深,H=h+ζ;u、v分別為x、y方向垂向平均流速; g為重力加速度;f為科氏力參數(shù)(f=2ωsinф,ф為計算海域所處地理緯度);CZ為謝才系數(shù),為曼寧系數(shù);εx、εy分別為x、y方向水平渦動黏滯系數(shù)。

(2) 定解條件

初始條件:

邊界條件:

固定邊界取法向流速為零, 即V·n=0; 在潮灘區(qū)采用動邊界處理。

2.2 溫排水模型控制方程

(1) 溫升控制方程

式中:H為水深;ρ為海水密度;T為溫排水溫升;Dx、Dy分別表示x、y方向上的熱擴(kuò)散系數(shù);Cp為海水定壓比熱;u、v表示x、y方向的流速;Q0表示源項;Ks表示散熱系數(shù)。

(2) 邊界條件

邊界條件: 開邊界水流計算均以潮位過程線作為其邊界條件, 溫度場計算入流邊界給定水溫, 出流邊界公式如下:

n為出流邊界法向單位矢量。

2.3 模型范圍

本研究所建立模型范圍如圖1所示, 為萊州港、渤中、大清河口連線以及岸線圍成的海域。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格, 整個模擬區(qū)域內(nèi)由20 885個節(jié)點和32 871個三角單元組成, 最小空間步長約為10 m。

圖1 研究區(qū)位置及模型范圍圖Fig.1 Location of the study area and scope of the model

2.4 水深地形與岸線

岸線依據(jù)2013年3月3日Landsat TM+衛(wèi)星影像確定。水深地形根據(jù)中國人民解放軍海軍航海保證部制作的11840號海圖(1∶150000)與2007年3月長江委水文局長江下游水文水資源勘測局在彌河(1∶2000)、小清河(1∶5000)及其河口(1∶10000)的水深地形測量資料確定。海圖經(jīng)掃描后采用AutoCAD軟件進(jìn)行數(shù)字化。海圖均采用WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)、墨卡托投影坐標(biāo), 海圖數(shù)字化后統(tǒng)一變換為高斯-克呂格投影下的坐標(biāo)。

2.5 模型水邊界輸入

開邊界: 收集了萊州港、渤中、大清河口的潮位觀測資料, 經(jīng)調(diào)和分析后求得M2、S2、K1和O1四個分潮的調(diào)和常數(shù), 按下式輸入計算:

這里,σi是第i個分潮(這里共取四分潮: M2、S2、O1和K1)的角速度;Hi和gi是調(diào)和常數(shù), 分別為分潮的振幅和遲角;fi、vi、ui為天文變量。

閉邊界: 以海域岸線作為閉邊界。

2.6 參數(shù)設(shè)置

電廠2×1 000 MW機(jī)組溫排水量取53.1 m3/s,直流冷卻排水溫升取9.88℃。

根據(jù)小清河羊角溝站 1957~2006年徑流量統(tǒng)計結(jié)果, 平均徑流量取32.6 m3/s。由于壽光市已建成彌河王口、寒橋、楊莊、郝柳等多座攔河閘壩, 正常情況下無下泄徑流量, 彌河徑流量取0 m3/s。

擴(kuò)散系數(shù)Dx,Dy選擇與流速相關(guān)的方式, 比例系數(shù)取1[24]。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蠛退慕y(tǒng)計資料, 采用毛世民和陳惠泉[31]提出的超溫水體蒸發(fā)系數(shù)通用公式計算得到散熱系數(shù)Ks=45 W/(m2·℃)。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型檢驗

(1) 潮位檢驗

利用天津港、黃河口外、濰河口和彌河口的潮位觀測資料經(jīng)調(diào)和分析后, 選用 M2、S2、K1、O1四個分潮的調(diào)和常數(shù)預(yù)報出大潮期的潮位進(jìn)行驗證,計算值與實測值比較如圖2所示。

圖2 潮位驗證曲線Fig.2 Verifying curve of tide

(2) 潮流檢驗

采用長江委水文局長江下游水文水資源勘測局于2007年3月6日至3月8日在小清河感潮河段及河口外海域進(jìn)行的大潮水文測驗資料進(jìn)行潮流驗證,驗證點為C1、C2、C3、C4, 驗證點位置如圖1所示,驗證曲線如圖3所示。由于未收集到C2站位附近海域近期的水深地形資料, 采用的歷史海圖水深與實際水深存在差異, 導(dǎo)致C2站位計算流速值整體小于實測流速值。C3、C4站位位于小清河河道內(nèi), 模擬采用小清河多年平均徑流量與觀測期間的徑流量存在一定差異, 導(dǎo)致C3、C4站模擬與實測值存在一定的誤差。

圖3 潮流驗證曲線Fig.3 Verifying curve of tidal current

驗證結(jié)果表明, 對應(yīng)觀測點上潮位和潮流模擬結(jié)果與實測潮位和潮流資料基本吻合, 能夠較好地反映工程周邊海域潮流狀況。

3.2 小清河河口岸線和水深地形特征

目前, 小清河、彌河下游及河口兩側(cè)主要分布養(yǎng)殖池、鹽田及港口, 河堤、港口碼頭、防潮壩、鹽田河養(yǎng)殖池堤壩等人工岸線成為研究區(qū)的主要岸線類型(圖4)。小清河下游感潮河段內(nèi)水深一般在–1~–6 m(1985國家高程基準(zhǔn)), 最大水深為–7.5 m。小清河河口分布有攔門沙, 河口兩側(cè)水深一般小于–3.0 m。小清河河口外海域海底坡度較緩, 平均坡度一般在

圖4 Landsat ETM+ 衛(wèi)星影像(2013年3月3日)Fig.4 Landsat ETM+ satellite image(2013-03-03)

3.3 模型網(wǎng)格設(shè)置對地形地貌的影響

針對小清河感潮河段彎曲河道、非常寬闊的潮灘等特點, 分析比較了采用三角形網(wǎng)格、矩形網(wǎng)格以及三角形網(wǎng)格與矩形網(wǎng)格相嵌套的方法對河道和河口水深地形的影響, 如圖6、表1所示。三角形網(wǎng)格與矩形網(wǎng)格相嵌套的方法更能有效地擬合小清河彎曲河道和潮灘的地形地貌特征, 單獨(dú)采用矩形網(wǎng)格或三角形網(wǎng)格在網(wǎng)格空間步長足夠小的情況下, 也可以擬合地形特征, 但會大大增加網(wǎng)格數(shù)量, 加大運(yùn)算時間。

圖5 水深(m)地形圖Fig.5 Bathymetric charts

小清河口兩側(cè)老河口與淄脈溝之間潮灘的面積約46 km2, 在不考慮漫灘的情況下, 不能準(zhǔn)確反映河口區(qū)潮流場和溫排水?dāng)U散特征。本次研究采用動邊界, 能夠更為準(zhǔn)確地反映河口溫排水?dāng)U散影響情況。

3.4 溫排水對地形地貌的響應(yīng)特征

本文對大潮水文條件下2×1 000 MW機(jī)組運(yùn)行后的溫排水影響進(jìn)行了預(yù)測, 溫排水排放20 d溫升場穩(wěn)定后, 提取大潮溫升最大包絡(luò)線。為了比較不同徑流量條件下的溫升擴(kuò)散特征, 以小清河多年平均徑流量32.6 m3/s為基礎(chǔ), 同時分別模擬預(yù)測了小于平均徑流量(取10 m3/s)和大于平均徑流量(取50 m3/s)條件下的溫排水?dāng)U散, 結(jié)果如圖7所示。

圖6 網(wǎng)格設(shè)置及對應(yīng)水深(m)地形Fig.6 Grid settings and corresponding depth

表1 不同網(wǎng)格設(shè)置比較一覽表Tab.1 Comparison of different grid settings

圖7 小清河不同徑流量(m3/s)條件下最大溫升(℃)包絡(luò)圖Fig.7 Temperature rise envelope under different runoff

由圖7可以看出, 由于小清河河口外海域水深較小、潮灘寬闊, 溫排水?dāng)U散面積較大, 而淺水區(qū)溫排水?dāng)U散范圍占主導(dǎo)。如小清河徑流量為32.6 m3/s時,>1℃溫升包絡(luò)面積達(dá)到 35.80 km2。水深淺于–1.0,–2.0和 –3.0 m 時, >1℃溫升包絡(luò)面積分別占相應(yīng)總面積的47%~48%, 73%~80%和86%~95%, >2℃溫升包絡(luò)面積分別占相應(yīng)總面積的47%~49%, 68%~81%和 81%~94%, >4℃溫升包絡(luò)面積分別占相應(yīng)總面積的 40%~48%, 56%~79%和 72%~92%(表2)。

3.5 溫升與潮位之間的關(guān)系分析

小清河感潮河段及河口外海域不同位置溫升存在較大差異, 其與潮位之間的對應(yīng)關(guān)系也有所不同。

小清河口外海域(1#, 位置如圖7所示)溫升與潮位之間存在負(fù)相關(guān), 隨著潮位升高, 潮水上漲, 將高溫水向河口上游頂托, 溫升逐漸減小, 高潮時溫升達(dá)到最小值, 接近0℃(如圖8a中1#點所示); 隨著潮位下降, 溫排水隨潮水向河口外海域擴(kuò)散, 溫升逐漸增加, 低潮時溫升達(dá)最大值, 最大溫升在 5.6~9.5℃(如圖8中1#點、表3所示)。

彌河口溫升與潮位之間相關(guān)性不明顯(2#, 位置如圖7所示), 由于彌河基本無下泄徑流, 彌河口溫升較高, 最大溫升在 9.5~10.1℃(如圖8中 2#點、表3 所示)。

取水口(3#, 位置如圖7所示)溫升與潮位之間存在正相關(guān)關(guān)系, 高潮時, 溫升達(dá)最大值, 為 7.8~10.0℃(如表3所示); 低潮時, 溫升達(dá)最小值, 為0℃(如圖8中3#點所示)。

3.6 溫升與徑流量之間的關(guān)系分析

溫升與小清河徑流之間也存在一定的相關(guān)性。(如表3所示)。

小清河口外海域(1#, 位置如圖7所示)溫升與小清河徑流量之間存在正相關(guān), 隨著徑流量增大, 平均溫升有所增加, 小清河徑流量為10.0, 32.6和50 m3/s時,1#點平均溫升分別為1.6, 3.9和4.7℃(如表3所示)。

取水口(3#, 位置如圖7所示)溫升與小清河徑流量之間存在負(fù)相關(guān), 隨著徑流量增大, 平均溫升有所減小(如表3所示)。

如果彌河溫排水不對小清河取水產(chǎn)生影響, 可不考慮取水口、排水口溫升的耦合。由于本電廠彌河溫排水通過小清河上溯至取水口及上游, 導(dǎo)致取水口溫度上升, 高于環(huán)境本底溫度。因此, 模型中考慮了取水口、排水口溫升的耦合?？紤]耦合關(guān)系后,假設(shè)環(huán)境本底溫度為10 ℃, 排水溫升為9.88 ℃, 則排水口溫度為 19.88 ℃, 由于潮流上溯影響, 取水口溫度有所升高, 按照升高 2 ℃計算, 取水口溫度為12 ℃, 通過電廠循環(huán)后, 排水口的溫度則為 21.88 ℃,這時排水口溫度較環(huán)境本底溫度高11.88 ℃。如此反復(fù)循環(huán), 導(dǎo)致彌河及小清河內(nèi)的溫升不斷升高, 使得特征點溫升超過9.88 ℃(如圖8、表3所示)。

3.7 模型誤差分析

(1) 水深地形和岸線

岸線根據(jù)2013年衛(wèi)星影像確定, 水深地形采用2007年測量資料, 不能準(zhǔn)確反映2007年后岸線變化導(dǎo)致的水深地形變化情況。

(2) 徑流

由于徑流量的年際變化、豐水期和枯水期的變化, 采用小清河羊角溝站 1957~2006年平均徑流量輸入模型計算, 不能準(zhǔn)確反映小清河徑流和潮流的相互作用影響。

(3) 鹽度

河口淡、咸水交匯處流場較為復(fù)雜。由于模型未考慮河流和海域鹽度的變化的影響, 導(dǎo)致潮流場與溫排水?dāng)U散范圍與實際存在一定的偏差。

(4) 網(wǎng)格

本研究采用二維數(shù)值模型, 不能說明表層和底層海水的垂向交換以及河口淡、咸水交匯處溫升的變化情況, 會與實際流場和溫升存在差異。

圖8 小清河不同徑流量條件下溫升與潮位過程關(guān)系曲線Fig.8 Curve of temperature rise and tidal

表3 不同徑流量條件下特征點溫升Tab.3 Temperature rise under different runoff

(5) 擴(kuò)散系數(shù)和散熱系數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)大, 溫排水?dāng)U散范圍大, 溫升相對較低; 反之, 擴(kuò)散系數(shù)小, 溫排水?dāng)U散范圍小, 溫升相對較高。散熱系數(shù)小, 水氣熱交換速率慢, 溫排水?dāng)U散范圍大、溫升相對較高; 散熱系數(shù)大, 水氣熱交換速率快, 溫排水?dāng)U散范圍小、溫升相對較低。因此,擴(kuò)散系數(shù)和散熱系數(shù)的取值會對溫排水?dāng)U散范圍和溫升產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

本文針對河口海域溫排水?dāng)U散進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究, 探討了溫排水與河口地形地貌、潮位和徑流量之間的響應(yīng)關(guān)系, 結(jié)論如下:

(1) 小清河感潮河段彎曲、河道狹窄、河口兩側(cè)潮灘寬闊, 適宜采用三角形與矩形網(wǎng)格嵌套的方法,能更為準(zhǔn)確地擬合實際地形地貌特征; 采用動邊界處理方法能較好地反映河口潮灘潮流場和溫排水?dāng)U散特征。

(2) 河口地形地貌特征是溫排水?dāng)U散的重要制約因素。由于小清河口海域灘寬水淺, 導(dǎo)致溫排水?dāng)U散范圍大、溫升高。

(3) 徑流量對溫排水?dāng)U散范圍和溫升有重要影響。徑流量大時, 溫排水?dāng)U散范圍大, 取水口溫升偏低; 反之, 徑流量小時, 溫排水?dāng)U散范圍小, 取水口溫升偏高。

(4) 溫排水?dāng)U散與潮位之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系。高潮時, 小清河口外海域溫升低, 而取水口溫升高; 反之, 低潮時, 小清河口外海域溫升高, 而取水口溫升低。

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