舟山海域LNG碼頭工程冷排放數(shù)值模擬研究

姚姍姍，解鳴曉，趙洪波

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

舟山海域LNG碼頭工程冷排放數(shù)值模擬研究

姚姍姍，解鳴曉，趙洪波

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

以舟山LNG碼頭工程為背景，建立基于水動(dòng)力及對(duì)流-擴(kuò)散方程的二維潮流及溫度擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，模擬了舟山LNG碼頭取排水工程由冷排放所致的溫度擴(kuò)散，統(tǒng)計(jì)了不同溫降包絡(luò)面積，重點(diǎn)分析了冷排放對(duì)周邊保護(hù)區(qū)的影響。結(jié)果表明，取排水工程建設(shè)后，冷排放主要集中在排水口附近，溫降≥1.0℃的擴(kuò)散面積在0.1 km2，溫降≥4°C的擴(kuò)散面積不足0.01 km2；溫度擴(kuò)散對(duì)東海帶魚保護(hù)區(qū)邊界局部略有影響，溫降值約0.5℃，影響距離在100 m內(nèi)。

環(huán)境影響；取排水工程；數(shù)學(xué)模型；溫度擴(kuò)散

舟山國(guó)際航運(yùn)船舶液化天然氣（LNG）碼頭位于中國(guó)浙江省舟山市舟山本島北岸，工程配套建設(shè)取、排水設(shè)施。舟山海域分布著多個(gè)國(guó)家級(jí)海洋保護(hù)區(qū)，不管是對(duì)漁業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖還是環(huán)境資源保護(hù)，水環(huán)境和水質(zhì)在該區(qū)域都是非常重要的。因此本文對(duì)LNG碼頭取排水工程實(shí)施后的水動(dòng)力及溫度擴(kuò)散進(jìn)行了模擬研究，重點(diǎn)分析了冷排放對(duì)周邊保護(hù)區(qū)的影響，研究采用了數(shù)學(xué)模型的技術(shù)手段，通過計(jì)算分析冷排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散范圍評(píng)價(jià)工程影響，結(jié)論可為有關(guān)部門決策提供服務(wù)。

1 自然條件及計(jì)算工況

圖1中示意了工程所在地理區(qū)位。本工程位于舟山本島北岸牛頭山與梁橫山北側(cè)及東側(cè)岸段，屬典型島群地貌［1］，潮汐為不規(guī)則半日混合潮，平均潮差2.24 m，受周邊島礁及臨近圍墾工程影響，潮流流態(tài)較為復(fù)雜，以往復(fù)流為主，漲潮偏NNW向，落潮偏SSE向。工程區(qū)附近漲、落潮平均流速介于0.17～0.66 m/s，且有顯著回流生成。工程區(qū)地處淤積粉沙質(zhì)海岸，正常天氣大潮含沙量在0.4～0.8 kg/m3，該處水深優(yōu)良，岸灘地貌長(zhǎng)期保持了基本穩(wěn)定、略有沖刷的狀態(tài)［2-3］。舟山海區(qū)夏季平均水溫為17.5℃～27.6℃，冬季平均水溫約為13.1℃～15.1℃［4］。本次施測(cè)期間，工程區(qū)水溫在21.6℃～21.9℃。

圖1 擬建工程海區(qū)形勢(shì)Fig.1 Project location of Zhoushan LNG wharf

圖2 工程平面布置圖Fig.2 Layout of Zhoushan LNG wharf project

舟山LNG碼頭工程共建設(shè)三座碼頭，包括兩座位于北三堤的26.6萬(wàn)m3LNG碼頭以及一座位于梁橫山東側(cè)的滾裝船碼頭，與碼頭配套建設(shè)的取、排水工程，分期建設(shè)最大用水量為64 800 m3/h，其中取水口由兩條輸送管道由外側(cè)取水，管道長(zhǎng)約150 m，排水口設(shè)置在近岸排放，溫度降低值為5℃，工程布置如圖2所示。

2 水動(dòng)力及溫度擴(kuò)散數(shù)值模擬

2.1 模擬理論

潮流計(jì)算采用Mike21-HD系列軟件中的三角形網(wǎng)格水動(dòng)力模塊（FM模塊）。水動(dòng)力控制方程采用經(jīng)Navier?Stokes方程沿深積分的二維淺水方程組，基本方程形式見式（1）至式（3）。

式中：h為總水深；x，y分別表示橫軸和縱軸坐標(biāo)；t為時(shí)間；g為重力加速度；u和v分別為流速；f為科氏力系數(shù)；ρ為水體密度；Ex和Ey分別為x，y方向的水平紊動(dòng)粘性系數(shù)；τbx、τby分別為床面剪切力在x、y方向分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy為波浪輻射應(yīng)力的各向分量，本研究暫不考慮波浪影響。

式中：C為Strickler系數(shù)，本次研究中取C=60。水平渦粘性系數(shù)E采用Smagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型求解。控制方程采用有限體積法顯式求解，并采用干濕網(wǎng)格判斷法對(duì)露灘進(jìn)現(xiàn)象模擬。模擬采用多尺度模型嵌套手段，大模型為整個(gè)東中國(guó)海模型；局部模型北邊界至南匯嘴附近，南邊界至象山港附近，東至60 m等深線附近，如圖1所示。大模型開邊界潮位過程線由中國(guó)海洋大學(xué)研發(fā)的中國(guó)近海潮汐預(yù)測(cè)程序（ChinaTide）提供，局部模型開邊界所需潮位由大范圍模型提供。

溫度擴(kuò)散的二維數(shù)學(xué)模型，基本原理為二維對(duì)流擴(kuò)散方程，見式（5）

式中：Dh為水平擴(kuò)散系數(shù)，與渦粘系數(shù)有關(guān)，，其中σT為Prandtl數(shù)。

二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型采用2010年10月全潮水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)工程海域潮位、流速流向進(jìn)行了驗(yàn)證，為節(jié)省篇幅，模型驗(yàn)證過程所遵循的規(guī)程及驗(yàn)證結(jié)果見參考文獻(xiàn)［5-6］。

2.2 水動(dòng)力模擬

潮流動(dòng)力是影響溫度擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿?，因此在?jì)算溫度擴(kuò)散之前，首先對(duì)工程后的潮流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，圖3～圖4給出了大潮條件下，工程海域大范圍及取排水口局部表層的漲、落急流場(chǎng)矢量圖。工程海域流態(tài)較為復(fù)雜，無論是北三堤，還是梁橫山，均有回流生成，前者為逆時(shí)針，后者為順時(shí)針，呈橢圓形分布，最長(zhǎng)可持續(xù)整個(gè)全潮過程。取排水工程實(shí)施后，排水口局部呈現(xiàn)明顯出流，取水口采用泵房伸出外海取水，背景潮流流速較大，該處流態(tài)無明顯變化。經(jīng)計(jì)算，兩種工況下排水口流速基本介于0.8～1.5 m/s，但流速僅在局部略有增加，影響距離在50 m以內(nèi)，不足棧橋長(zhǎng)度的1/3。因此從潮流角度來看，取排水口對(duì)周邊影響距離十分有限，對(duì)大范圍流態(tài)基本無影響。

2.3 溫度擴(kuò)散模擬

在水動(dòng)力模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了冷排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散對(duì)周邊保護(hù)區(qū)的影響?？紤]到冷排水自初排至最終穩(wěn)定需一定時(shí)間，從而在模擬中考慮實(shí)際大、中、小潮連續(xù)作用，持續(xù)計(jì)算30 d。經(jīng)分析，15 d連續(xù)潮作用下溫度擴(kuò)散已基本達(dá)到穩(wěn)定。圖5給出了舟山海域周邊保護(hù)區(qū)示意圖，圖6則給出了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至穩(wěn)定狀態(tài)下的最大溫降包絡(luò)范圍?？梢姡?/p>

圖3 工程后大范圍漲、落急流場(chǎng)矢量圖Fig.3 Tidal current field vector of maximum flood and ebb in a large area near project

圖4 工程后取排水口局部漲、落急流場(chǎng)矢量圖Fig.4 Tidal current field vector of maximum flood and ebb in a local area near water intake and outlet

圖5 舟山海域大范圍及工程區(qū)周邊保護(hù)區(qū)示意圖Fig.5 Sketch of natural resources reserve in Zhoushan waters

（1）取排水工程實(shí)施后，由于排水口位于北三堤段且近岸排放，受該處回流影響，冷排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散呈窄條狀分布，主要自排水口向東西兩側(cè)順岸對(duì)流、擴(kuò)散，南北向擴(kuò)散距離較短，梁橫山東側(cè)雖然也存在大范圍的回流，但大、小麥稈礁及周邊島嶼的存在一定程度上抑制了冷水向取水口處擴(kuò)散。

（2）溫度擴(kuò)散的范圍，最大溫降≥1℃的擴(kuò)散面積均在0.1 km2左右，溫降≥4℃的擴(kuò)散面積不足0.01 km2；排水口處最大溫降可達(dá)4℃以上，取水口處最大溫降不足0.5℃（表1）。

（3）總的來說，由冷排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散主要集中在排水口附近區(qū)域，其最遠(yuǎn)的擴(kuò)散距離及影響水域面積均不大，溫度擴(kuò)散對(duì)東海帶魚保護(hù)區(qū)邊界局部略有影響，但溫降值在0.5℃左右，影響距離在100 m內(nèi)。因此從冷排放溫度擴(kuò)散角度認(rèn)為，LNG碼頭取排水工程的實(shí)施，對(duì)周邊水環(huán)境影響較小，對(duì)臨近保護(hù)區(qū)基本無影響。

3 結(jié)論

本文在對(duì)舟山海域自然條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)驗(yàn)證的潮流數(shù)學(xué)模型以及溫度擴(kuò)散二維數(shù)學(xué)模型，選取最大取排水量作為計(jì)算工況，計(jì)算了舟山LNG碼頭取排水工程建成后，冷排放所致的溫度擴(kuò)散情況，研究暫不考慮波浪影響，統(tǒng)計(jì)了不同溫降的包絡(luò)面積，重點(diǎn)分析了冷排放對(duì)舟山海域周邊保護(hù)區(qū)的影響，為本項(xiàng)目環(huán)評(píng)工作提供了相關(guān)參數(shù)和依據(jù)，得到以下主要結(jié)論：

（1）工程海區(qū)潮汐屬不正規(guī)半日混合潮，潮流運(yùn)動(dòng)以往復(fù)流為主，擬建碼頭海域流態(tài)復(fù)雜，無論是北三堤一側(cè)碼頭還是梁橫山一側(cè)碼頭，均不同程度地受到回流影響，回流歷時(shí)最長(zhǎng)可持續(xù)整個(gè)全潮過程。工程區(qū)水深條件優(yōu)良，目前岸灘地貌處于基本穩(wěn)定、略有沖刷的狀態(tài)。

（2）取水口水域潮流流速和水深均較大，該處潮流無明顯變化。排水口處呈現(xiàn)明顯出流，但流速僅在局部略有增加，影響最遠(yuǎn)距離在50 m以內(nèi)，不足棧橋長(zhǎng)度的三分之一。因此從潮流角度認(rèn)為，取排水工程實(shí)施對(duì)周邊影響距離十分有限，對(duì)大范圍流態(tài)基本無影響。

（3）冷排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散呈窄條狀分布，主要自排水口向東西兩側(cè)順岸對(duì)流、擴(kuò)散，南北向擴(kuò)散距離較短，最大溫降≥1.0℃的擴(kuò)散面積在0.1 km2左右，溫降≥4°C的擴(kuò)散面積不足0.01 km2?？偟膩碚f，由冷排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散主要集中在排水口附近區(qū)域，其最遠(yuǎn)的擴(kuò)散距離及影響水域面積均不大，溫度擴(kuò)散對(duì)東海帶魚保護(hù)區(qū)邊界局部略有影響，但溫降值在0.5℃左右，影響距離不足100 m。因此從冷排放溫度擴(kuò)散角度認(rèn)為，LNG碼頭取排水工程的實(shí)施，對(duì)周邊水環(huán)境影響較小，對(duì)臨近保護(hù)區(qū)基本無影響。

［1］中國(guó)海灣志編纂委員會(huì).中國(guó)海灣志（第五分冊(cè)）［M］.北京：海洋出版社，1992.

［2］楊金中，趙玉靈.浙江東部穿山半島岸線及潮灘演變的遙感調(diào)查［J］.國(guó)土資源遙感，2004（1）：122-128. YANG J Z，ZHAO Y L.Remote sensing investigation of peninsula coast in eastern Zhejiang［J］.Land and Resources Remote Sens?ing，2004（1）：122-128.

［3］黃世昌，張舒羽，余炯.杭州灣灰鱉洋海域海床演變趨勢(shì)研究［J］.泥沙研究，2005（1）：196-202. HUANG S C，ZHANG S Y，YU J.Study on the seabed evolution trend of Huibie sea area in Hangzhou Bay［J］.Sediment Research，2005（1）：196-202.

表1 不同取排水流量下溫降擴(kuò)散最大包絡(luò)面積統(tǒng)計(jì)Tab.1 Envelope area statistics for the maximum temperature reduction diffusion

圖6 取排水口工程冷排放最大溫降包絡(luò)范圍圖Fig.6 Envelope of the maximum temperature reduction

［4］侯偉芬，俞成根，陳小慶.舟山漁場(chǎng)的水溫分布特征分析［J］.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2013，26（3）：31-34. HOU W F，YU C G，CHEN X Q.Temperature distribution in Zhoushan Fishing Ground［J］.Journal of Ningbo University（NSEE），2013，26（3）：31-34.

［5］JTS/T 231-2-2010，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院.浙江舟山國(guó)際航運(yùn)船舶液化天然氣（LNG）加注站試點(diǎn)項(xiàng)目冷排水?dāng)?shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，2013.

Numerical study on cold water emission for LNG project in Zhoushan sea area

YAO Shan?shan,XIE Ming?xiao,ZHAO Hong?bo
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Taking Zhoushan LNG wharf project as background,based on the hydrodynamics and advection?dif?fusion equation,a 2?D numerical model for tidal current and temperature diffusion was set up,using this model to simulate the temperature diffusion range caused by the cold water emission after the intake?outlet project,then make statistics on the envelopes of different temperature reduction,emphatically analyze the influence on the envi?ronmental reserves nearby.Research results show that after the construction of the LNG project,cold water emission is mainly concentrated around the outlet.The diffusion area with temperature reduction more than 1.0℃is about 0.1 km2,and it is less than 0.01 km2when the temperature reduction is more than 4℃.Therefore,although the tem?perature diffusion slightly affected the local area at the border of the East China Sea Hairtail Reserve,temperature decreased only 0.5℃,and the influence distance is within 100 m.

environmental influence;intake?outlet project;numerical model;temperature diffusion

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0264-05

2015-06-01；

2015-08-07

姚姍姍（1987-），女，天津市人，工程師，主要從事河口、海岸及近海工程研究。

Biography：YAO Shan?shan（1987-），female，engineer.