三門灣春季溫排水增溫效應(yīng)數(shù)值模擬研究

丁躍平, 郭遠(yuǎn)明, 李鐵軍, 薛 彬, 張玉榮

(浙江省海洋水產(chǎn)研究所, 農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)漁場漁業(yè)資源科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站, 浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 舟山 316021)

三門灣位于浙江沿海中部, 是一個(gè)西北-東南方向的半封閉海灣, 灣內(nèi)海岸線曲折, 港汊縱橫, 潮灘發(fā)育,主要類型為舌狀潮灘。三門灣流域面積為3 160 km2, 灣內(nèi)河流年徑流量為26.8×104m3, 水域面積約775 km2,其中高泥灘面積約295 km2, 灣內(nèi)主要水道為貓頭水道、滿山水道和石浦水道, 這些水道是灣內(nèi)與外海水交換的主要通道, 并由灣內(nèi)水岔道流入高泥灘水域[1]。

三門核電站地處三門灣內(nèi)的三門縣六敖鎮(zhèn)貓頭山半島, 總占地面積740萬m2, 近期安裝2臺(tái)125萬kW核電機(jī)組, 全面建成后, 將形成6臺(tái)125萬kW核電機(jī)組的發(fā)電能力, 裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到750萬kW, 發(fā)電機(jī)組冷卻水采用海水直接排放循環(huán)方式, 冷卻水進(jìn)入三門灣后將增加海水溫度, 進(jìn)而對三門灣內(nèi)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

唐建華和徐雪峰等對三門灣潮流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究, 分析了潮流輸運(yùn)的狀況和圍墾對動(dòng)力環(huán)境的影響[2-3]。

數(shù)值模擬方法是一個(gè)對溫排水環(huán)境影響有效的研究工具, 許多學(xué)者采用數(shù)值模式對溫排水增溫效應(yīng)進(jìn)行了研究[4-8]。為了評價(jià)冷卻水排放對三門灣水溫的影響程度, 作者采用三維海洋動(dòng)力-熱力數(shù)值模式, 模擬計(jì)算了在春季氣候條件下, 冷卻水排放對三門灣海水增溫的影響范圍和程度, 為研究三門灣海洋生態(tài)環(huán)境的變化提供參考。

1 三維海洋動(dòng)力-熱力模式

1.1 模式簡介

美國普林斯頓大學(xué)Blumberg和Mellor于1977年共同建立了三維斜壓原始方程海洋模式 POM(Princeton Ocean Model), 在20世紀(jì)80年代中期, 發(fā)展了 POM 模式適用淺水的版本 ECOM(Estuarine and Coastal Ocean Model), 再加入一般的開邊界條件及示蹤物、底邊界層、沉積物輸運(yùn)等功能后, 發(fā)展成一個(gè)有多種功能的淺海三維海洋動(dòng)力-熱力-沉積物模式ECOMSED。該模式在我國及世界淺海海域得到廣泛應(yīng)用。

本文采用ECOMSED模式研究三門灣核電機(jī)組冷卻水排放對海水的增溫效應(yīng)。

ECOMSED模式包含一個(gè)二階湍流閉合子模型提供垂向混合系數(shù); 垂向采用Sigma坐標(biāo)系統(tǒng), 能夠比較方便地處理淺海變化的海底地形; 采用 Arakawa C交錯(cuò)網(wǎng)格; 水平方向時(shí)間差分采用顯式格式, 垂向時(shí)間差分采用隱式格式。后者減小了對垂向時(shí)間步長的限制, 并允許對海面邊界和底邊界使用較小的垂直分辨率; 模型有一個(gè)自由面和一個(gè)分離時(shí)間步長。外模態(tài)是二維的, 使用較小的時(shí)間步長, 內(nèi)模態(tài)是三維的, 使用較長的時(shí)間步長; 使用完整的熱力學(xué)方程組。

1.1.1 連續(xù)性方程及動(dòng)量方程

雷諾平均動(dòng)量方程

其中,為水平對流速度,W為垂向速度。U為水平x軸向速度,V為水平y(tǒng)軸向速度;ρ0為基準(zhǔn)密度,ρ為計(jì)算液體的密度;KM為垂向湍流摻混系數(shù), 其大小決定速度的垂直分布;Fx和Fy為湍流擴(kuò)散項(xiàng),f為科氏參數(shù),g為重力加速度,P是壓力。

在深度z處的壓強(qiáng)為:

其中,Patm大氣壓力 ,η是水位偏差。

1.1.2 溫、鹽守恒方程

其中,θ為位溫(淺水時(shí)可以是現(xiàn)場溫度),S為鹽度,KH為熱鹽垂向湍流混合系數(shù),Fθ, FS表示位溫和鹽度的源匯項(xiàng)。

密度是θ和S的函數(shù), 即:

小尺度過程引起的運(yùn)動(dòng)通過FX,FY,Fθ,S引入模型, 其表達(dá)式如下:

其中AM,AH分別表示水平和垂直分子黏滯系數(shù),Fθ,S表示位溫和鹽度方程中的小尺度過程。

1.1.3 海面和海底邊界條件

a) 在自由海面z=η(x,y)處:

其中(τox,τoy)為海面風(fēng)應(yīng)力。

b) 在底邊界z=H(x,y)處:

其中(τbx,τby)為底摩擦應(yīng)力。

1.2 模式參數(shù)

模式采用四層完整動(dòng)力-熱力方程, 垂直σ值分別為 0.0, –0.38, –0.96, –1.0。水平差分網(wǎng)格采用正方形網(wǎng)格,DX=183 m,DY=184 m,DT=4 s。開邊界潮位采用A站2012年4月28日0時(shí)~6月1日0時(shí)逐時(shí)潮位資料的調(diào)和分析預(yù)報(bào)值作為模式開邊界潮位驅(qū)動(dòng)。

對6個(gè)潮流測站(圖1)分別在大潮(2012年5月20日10時(shí)至21日12時(shí))、小潮(2012年5月13日9時(shí)至14日11時(shí))期間連續(xù)27 h觀測表層潮流與模式計(jì)算表層流比較, 模式水域采用理論深度零線作為模式水域邊界, 計(jì)算的表層流可以較好地?cái)M合觀測潮流, 其中溫排水口附近的潮流變化擬合較好,見圖2、圖3。

溫度、鹽度模式開邊界采用在23#和26#站觀測的大潮期間溫、鹽資料做調(diào)和分析, 采用日周期和半日周期調(diào)和常數(shù)計(jì)算出模式計(jì)算期間的逐時(shí)溫、鹽分布。

氣溫、風(fēng)速采用三門氣象臺(tái)2012年5月1日0時(shí)~31日23時(shí)逐時(shí)觀測氣溫和風(fēng)速。

太陽短波輻射采用在三門灣附近自1999年9月至2005年8月期間258個(gè)無云晴天觀測資料, 得出春季晴天逐時(shí)總太陽短波輻射量逐時(shí)分布, 云覆蓋系數(shù)取0.4。

取寧波氣象臺(tái)1951年~2004年共計(jì)54年平均年降水量1.380 m。相對濕度75%, 平均大氣壓1010.0 hPa。

根據(jù)全球海洋蒸發(fā)量客觀分析資料集(ftp://ftp.whoi.edu/pub/science/oaflux/data_v3/monthly/evapora tion/), 取三門灣附近海域 2012年海面年蒸發(fā)量9.974 m。

在ECOMSED模式中取AANDBFLX模塊計(jì)算海氣表面熱力交換過程。

模式初始場為靜止態(tài)動(dòng)力場和恒定溫鹽場, 在邊界強(qiáng)迫潮位、溫鹽和太陽短波輻射及觀測氣溫、風(fēng)速作用下起算, 經(jīng)過 72 h后, 計(jì)入溫排水效應(yīng)計(jì)算序列, 共計(jì)算31 d。

圖1 三門灣溫排水站位、海流、潮汐觀測站位分布Fig.1 The distribution of stations for warm water discharging, monitoring ocean tide and current in Sanmen bay

圖2 17#站觀測-計(jì)算潮流比較Fig.2 Comparison between tide monitoring and calculation at station #17

2 近期冷卻水排放影響

根據(jù)工程計(jì)劃, 近期將建設(shè)2座125萬kW機(jī)組,冷卻水采用直排方式, 排放流量為 155.32 m3/s, 溫升 7℃(冷卻水溫度高于排放海域海水溫度的度數(shù)),溫排水位置在工程南部近岸海域。采用該參數(shù), 在三門灣溫排水模式中計(jì)算冷卻水排放引起的增溫效應(yīng)。在相同的動(dòng)力-熱力強(qiáng)迫條件下, 無溫排水與有溫排水模式計(jì)算的溫度場之差為增溫場。

圖3 6#站觀測-計(jì)算潮流比較Fig.3 Comparison between tide monitoring and calculation at station #6

2.1 溫排水增溫極值影響范圍

溫排水進(jìn)入三門灣后, 在潮流熱輸送、潮混合以及太陽輻射和海氣熱交換的作用下擴(kuò)散, 根據(jù) 1個(gè)月模式時(shí)間計(jì)算的各增溫等級逐時(shí)增溫場面積分布分析, 增溫面積的大小主要受到潮流熱輸運(yùn)效應(yīng)大小的影響。在大潮期間, 潮流較大, 對溫排水的熱擴(kuò)散十分有利, 這時(shí)期的增溫面積較小。在小潮期間,潮流流速緩慢, 對溫排水的熱擴(kuò)散不利, 各增溫等級的增溫水面積較大。底層溫度增溫面積的月變化比表層小, 是因?yàn)榈讓铀饕看怪被旌虾屯夂彷斔偷淖饔? 其熱慣性比表層大。表層增溫等級為1、2℃的分級逐時(shí)面積見圖4~圖5, 最大面積分布見圖6~圖7。

圖4 表層升溫1℃面積分布Fig.4 Distribution of area with surface temperature increasing 1℃ at different time points

圖5 表層升溫2℃面積分布Fig.5 Distribution of area with surface temperature increasing 2℃ at different time points

圖6 表層升溫1℃最大面積分布Fig.6 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 1℃

圖7 表層升溫2℃最大面積分布Fig.7 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 2℃

模式計(jì)算表、底層溫度增溫分布分析表明, 增溫幅度為 1、2℃時(shí), 最大增溫面積多出現(xiàn)在無風(fēng)或風(fēng)小的中午和午后低潮期間, 最小增溫面積多出現(xiàn)在凌晨和夜間漲潮期或高潮期。對于增溫在3、4℃, 最大增溫面積多出現(xiàn)在夜間高潮期, 最小增溫面積多出現(xiàn)在凌晨的漲潮中間時(shí)刻。

表1是各增溫等級的極值面積, 表、底層增溫1℃時(shí)面積最大, 表層增溫1℃的面積最大、最小值相差87倍, 底層增溫 1℃的面積最大、最小值相差 464倍;表層增溫 2℃的面積最大、最小值相差 41倍, 底層增溫2℃的面積最大、最小值相差32倍; 表層增溫3℃的面積最大、最小值相差 19倍, 底層增溫 3℃的面積最大、最小值相差2倍; 表層增溫4℃的面積最大、最小值相差8倍, 底層增溫4℃的面積最大、最小值相差11倍。

在月度時(shí)間內(nèi), 三門灣溫排水增溫影響范圍有較大的極值變化, 最大影響范圍與最小影響范圍的差值在表層大于底層, 以1℃影響范圍大小極值變化最大。

表1 表、底層各增溫等級極值面積Tab.1 The maximum and minimum areas of surface and bottom layers in different temperature increasing grades

2.2 溫排水增溫頻率影響范圍

由于受潮汐和太陽輻射等因素的影響, 三門灣內(nèi)海水溫度有多周期變化, 其中日周期、半日周期和半月周期變化的幅度較大, 另外受到風(fēng)速和氣溫的變化影響也較大。為了確定溫排水在 4個(gè)增溫等級中面積大小的出現(xiàn)頻率, 作者對增溫水體出現(xiàn)頻率和位置進(jìn)行了分析。

表2是各等級表、底層增溫頻率面積分布。增溫水體主要出現(xiàn)在排水口南北兩側(cè)沿岸海域, 其中以增溫 1℃時(shí), 表、底層 10%頻率出現(xiàn)的面積最大,80%頻率出現(xiàn)的增溫面積最小。

表2 表、底層各增溫等級頻率下的面積分布(km2)Tab.2 Area distribution of frequency in surface and bottom layers in different temperature increasing grades (unit:square kilometer)

3 遠(yuǎn)期冷卻水排放影響

根據(jù)工程計(jì)劃, 遠(yuǎn)期建成6座125萬kW機(jī)組,冷卻水采用直排方式, 排放流量465.96 m3/s, 溫升7℃。采用該參數(shù), 在三門灣溫排水模式中計(jì)算冷卻水排放引起的增溫效應(yīng)。

3.1 溫排水增溫極值影響范圍

遠(yuǎn)期溫排水量增大后, 對三門灣海水溫度環(huán)境增加了較大壓力, 表現(xiàn)在水溫增溫 1、2℃面積大幅增加, 對三門灣海洋環(huán)境產(chǎn)生一定影響, 見圖8~圖9。但是 3、4℃增溫的水體面積較小, 高增溫水體的影響范圍依然較小。表層增溫水平分布見圖10~圖11。

三門灣潮汐漲落的熱輸送作用依然是溫排水熱擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿C(jī)制, 但是在溫排水量大幅增加的情況下, 潮汐熱輸送作用沒有變化, 所以, 溫排水增溫對三門灣內(nèi)的環(huán)境影響范圍有大幅增加。

增溫水體的面積在低潮期出現(xiàn)最大值, 在高潮期出現(xiàn)最小值, 底層海水增溫范圍較小, 增溫范圍主要出現(xiàn)在表層。

表3是各增溫等級極值面積, 最大的增溫水體面積出現(xiàn)在表層1、2℃等級, 底層增溫水體面積比較小。

3.2 溫排水增溫頻率影響范圍

遠(yuǎn)期增加溫排水量后, 增溫面積增大主要出現(xiàn)在表層, 表、底層海水增溫1℃的10%頻率面積幾乎占據(jù)整個(gè)三門灣(表4)。表、底層海水增溫2℃的10%頻率面積也較大, 3、4℃的增溫10%頻率面積都比較小。表、底層水體增溫1℃的較大面積將產(chǎn)生持久穩(wěn)定影響, 表、底層水體2℃增溫也產(chǎn)生較大范圍的影響, 其他增溫水體的影響范圍都比較小。

圖8 表層升溫1℃面積分布Fig.8 Distribution of area with surface temperature increasing 1℃ at different time points

圖9 表層升溫2℃面積分布Fig.9 Distribution of area with surface temperature increasing 2℃ at different time points

圖10 表層升溫1℃最大面積分布Fig.10 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 1℃

表3 表、底層各增溫等級極值面積Tab.3 The maximum and minimum areas of surface and bottom layers in different temperature increasing grades

圖11 表層升溫2℃最大面積分布Fig.11 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 2℃

表4 表、底層各增溫等級頻率的面積分布( km2)Table 4 Area distribution of frequency in surface and bottom layers in different temperature increasing grades (square kilometer)

4 結(jié)論

(1) 近期工程建設(shè)后, 在 5月份氣候狀況下, 溫排水進(jìn)入三門灣海域?qū)こ谈浇Ｓ驕囟犬a(chǎn)生增溫影響, 最大增溫影響在表層, 底層增溫影響較小。增溫 1℃的影響范圍最大, 增溫 4℃的影響范圍最小。增溫水體范圍有較大的日變化, 1℃增溫范圍的最大日變化可達(dá) 20 km2。增溫水體短期侵占(頻率10%)的海域面積較大, 長期侵占(頻率 80%)的海域面積較小。

(2) 遠(yuǎn)期工程建成后, 溫排水量大幅增高, 在 5月份氣候狀況下, 溫排水對三門灣海水溫度影響范圍大幅增加, 其中以1℃增溫范圍增加最大, 4℃增溫范圍增加較小。增溫水體面積的日變化將增大。溫排水增溫 1℃的水體將對三門灣內(nèi)海域產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的大范圍影響。

[1]李孟國, 曹祖德.海岸河口潮流數(shù)值模擬的研究與進(jìn)展[J].海洋學(xué)報(bào), 1999, 21(1): 111-125.

[2]唐建華, 趙升偉, 劉瑋粹.基于FVCOM的強(qiáng)潮海灣三維潮流數(shù)值模擬[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2010, 4: 81-88.

[3]徐雪峰, 楊天柱.三門灣多個(gè)圍墾工程的整體影響數(shù)學(xué)模型研究[J].海洋學(xué)研究, 2006, 24(增刊): 49-59.

[4]朱軍政.強(qiáng)潮海灣溫排水三維數(shù)值模擬[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2007, 26(4): 58-60.

[5]郝瑞霞, 韓新生.潮汐水域電廠溫排水的水流和熱傳輸準(zhǔn)三維數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào), 2004, 8: 66-70.

[6]崔丹, 金峰.近岸海域溫排水的三維數(shù)值模擬[J].長江科學(xué)院院報(bào), 2010, 27(10);55-59.

[7]苗慶生, 周良明, 鄧兆青.象山港電廠溫排水的實(shí)測和數(shù)值模擬研究[J].海岸工程, 2010, 29(4): 1-11.

[8]周巧菊.大亞灣海域溫排水三維數(shù)值模擬[J].海洋湖沼通報(bào), 2007, (4): 37-46.