溫排水對(duì)水環(huán)境影響的數(shù)值模擬

姚姍姍，張 鵬， 張 娜

(1.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; 2.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司,天津 300450)

近年來隨著沿海核電站、火電站的興建、大量溫排水涌入近岸水域，使得海洋熱污染問題逐漸突出。集中排放的冷卻水，不僅會(huì)使周圍的水體升溫，造成熱富集，還會(huì)影響水質(zhì)，進(jìn)而對(duì)水體生態(tài)環(huán)境帶來巨大影響，由于溫排水會(huì)使得取水口同步升溫，排放口位置的選擇也將大大影響機(jī)組效率[1-3]。從20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者開始進(jìn)行溫排水的模擬研究。李燕初[4]年采用ADI差分方法，對(duì)篙嶼電廠的溫排水對(duì)附近海域影響進(jìn)行了數(shù)值模擬；華祖林等[5]對(duì)長(zhǎng)江口兩座大型電廠的溫排水進(jìn)行了數(shù)值和物模研究，預(yù)測(cè)了溫排水影響范圍及溫升分布；劉海成等[6]應(yīng)用Mike21-FM模塊，考慮了洋流和季風(fēng)等長(zhǎng)周期動(dòng)力因素，研究了印尼亞齊電廠溫排水在長(zhǎng)周期動(dòng)力條件下的擴(kuò)散規(guī)律；嚴(yán)冰等[7]采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，比選了不同取、排水口位置對(duì)溫排水范圍和取水溫升的影響。

本文以華電湛江煤電項(xiàng)目為背景，采用平面二維潮流及溫度擴(kuò)散模型，模擬了煤電取排水工程建設(shè)后溫排水?dāng)U散的范圍，統(tǒng)計(jì)了取水口的溫升，分析了對(duì)周邊保護(hù)區(qū)和水環(huán)境的影響，為排水口平面布局優(yōu)化提供了參考，結(jié)果可為有關(guān)部門決策提供服務(wù)。

1 模型介紹

1.1 控制方程

控制方程主要包括平面二維淺水方程和溫度輸移擴(kuò)散方程。

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1.2 定解條件

初始條件：u(x,y,0)=0，v(x,y,0)=0，ζ=ζ0；溫度初始值T=T0。

圖1 工程位置示意圖 圖2 水文測(cè)站及取排水工程平面布置圖 Fig.1 Location of the Project Fig.2 Location of the measuring points and layout of the project

2 模型建立及驗(yàn)證

2.1 自然條件概述

本工程位于廣東省西部的安鋪港，安鋪港位于廣東省雷州半島西北部，西與北部灣相通。潮汐屬不規(guī)則全日混合潮，平均潮差2.42 m，潮流兼有不規(guī)則全日潮流和不規(guī)則半日潮流的性質(zhì)，擬建碼頭水域潮流呈現(xiàn)往復(fù)流動(dòng)，漲潮基本為ESE—ENE向，落潮基本為WSW—W向，大潮平均流速為0.14～0.53 m/s，最大流速為0.30～0.79 m/s。灣內(nèi)流速不大，潮汐動(dòng)力較弱。工程海域多年平均氣溫為22.4℃，夏季多年平均氣溫為28.6℃，冬季多年平均氣溫為14.9℃。水文測(cè)驗(yàn)期間，水溫在31.69℃～32.69℃之間。

2.2 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格剖分

本模型計(jì)算范圍水平尺度約150 m×120 km，外海至潿洲島以西30 m等深線。采用非結(jié)構(gòu)化的三角網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分，并在工程區(qū)附近對(duì)網(wǎng)格局部加密，共35 000個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大步長(zhǎng)約5 000 m，最小空間步長(zhǎng)約10 m(圖3)。

2.3 參數(shù)選擇

(1)水平渦粘系數(shù)采用Smagorinsky 方程進(jìn)行計(jì)算，模型參數(shù)取推薦值0.28。

(2)底部摩阻由謝才系數(shù)確定，取值為70 m1/3/s。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格剖分圖Fig.3 Mesh generation of the computational area

(3)排水流量及排水口溫升：取排水為循環(huán)用水，均為115 m3/s，排水口溫升為8℃。

(4)溫度擴(kuò)散模型中的海面熱交換項(xiàng) ，考慮了空氣溫度、水面與大氣的紊動(dòng)交換等因素影響。折算為海水表面溫度綜合交換系數(shù)ks取為 45W/ ( m2℃ )。

2.4 潮位及潮流驗(yàn)證

采用2014 年7月5日～12日實(shí)測(cè)大、中、小潮水文全潮資料對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，水文測(cè)站包括3個(gè)潮位站和9個(gè)流速測(cè)站(圖2)，圖4為部分潮位、流速和流向驗(yàn)證結(jié)果。從模型的驗(yàn)證過程來看，潮位、流速、流向在連續(xù)變化過程中均與實(shí)測(cè)值吻合較好，滿足相關(guān)規(guī)范要求[9]。所建模型能較好反映工程區(qū)海域潮流運(yùn)動(dòng)特性，可用于后續(xù)溫排水的數(shù)值模擬研究。

圖4 大潮潮位及流速流向驗(yàn)證Fig.4 Validation of spring tidal level and velocity

3 溫排水?dāng)?shù)值模擬

考慮到溫度擴(kuò)散自初排至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)需要一定時(shí)間，選取了實(shí)測(cè)大、中、小潮作為不利潮型，擬合得到30 d的連續(xù)潮型，作為溫排水?dāng)U散的計(jì)算潮型。下述圖表均為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至穩(wěn)定狀態(tài)下的模擬及分析結(jié)果。

3.1 溫排水?dāng)U散范圍

(1)取排水工程實(shí)施后，由于排水口所在水域存在大面積的淺灘，灘面上的流速不大，且流向相對(duì)分散，因此最大溫升分布在順岸(東西向)和離岸(南北向)均存在一定距離，但順岸對(duì)流擴(kuò)散的距離稍長(zhǎng)。排水口以東為大面積淺水區(qū)，熱容量較低，不利于溫度擴(kuò)散，加之該海域?qū)崪y(cè)漲潮時(shí)間較長(zhǎng)，因此溫度自排水口向東北擴(kuò)散的距離稍大，而西南側(cè)水深大，熱容量高，向西南擴(kuò)散的距離要稍小，這種分布特征對(duì)于取水安全較為有利。

(2)溫度擴(kuò)散的范圍，經(jīng)統(tǒng)計(jì)最大溫升≥1℃的包絡(luò)面積在29.0 km2左右，溫升≥4°C的包絡(luò)面積在7.0 km2左右；最大溫升≥1℃的擴(kuò)散距離，自排水口向東和向西分別為7.8 km和4.0 km，最大溫升≥4℃擴(kuò)散距離，自排水口向東和向西分別為3.8 km和0.8 km。

圖5 最大溫升分布圖Fig.5 Distribution of temperature rise

表1溫度包絡(luò)范圍及擴(kuò)散距離統(tǒng)計(jì)

Tab.1 Statistics for the envelope area and diffusion distance

取排水流量溫度升高(℃)面積(km2)自排水口向東(km)自排水口向西(km)115 m3/s≥129.07.84.0≥218.76.82.6≥312.74.71.0≥47.03.80.8

3.2 取水口溫升

表2 取水口處溫升特征值統(tǒng)計(jì)Tab.2 Temperature rise statistics for the intake

(1)排水口位置處在電廠東側(cè)，也即取水口東側(cè)，漲潮時(shí)，水流自SW向NE方向流動(dòng)，落潮反之，因此漲潮階段取水溫升較小，落潮階段取水溫升稍大。取水口最大溫升基本出現(xiàn)在低潮位(落憩)，而最小溫升則出現(xiàn)在高潮位(漲憩)，這種分布規(guī)律與實(shí)際潮漲落輸送過程相對(duì)應(yīng)。

(2)經(jīng)統(tǒng)計(jì)取水口處平均溫升為0.98℃，最大溫升分別為1.95℃。

3.3 溫排水對(duì)周邊保護(hù)區(qū)影響

圖6 溫度擴(kuò)散對(duì)周邊保護(hù)區(qū)影響Fig.6 Influence on the surrounding protected area caused by temperature diffusion

本工程煤電項(xiàng)目廠址位于安鋪港工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)，在其周邊分布有角頭沙東北部海洋保護(hù)區(qū)、角頭沙西海洋保護(hù)區(qū)以及英羅港海洋保護(hù)區(qū)。圖5將最大包絡(luò)線與保護(hù)區(qū)邊線繪制于同一圖中，以便更清晰反映取排水工程的實(shí)施對(duì)這些周邊保護(hù)區(qū)的影響，分析認(rèn)為：

(1)從溫升包絡(luò)范圍來看，取排水工程的實(shí)施，對(duì)周邊保護(hù)區(qū)未產(chǎn)生直接影響，1℃溫升線尚未抵達(dá)各保護(hù)邊緣，因此電廠溫排水對(duì)保護(hù)區(qū)的海洋生物不會(huì)構(gòu)成明顯的熱影響。

(2)盡管電廠溫排水對(duì)保護(hù)區(qū)無(wú)直接影響，但由于規(guī)劃方案位于安鋪港工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)域，經(jīng)統(tǒng)計(jì)1℃溫升線向西將超出用海邊界，順?biāo)鞣较虺鲎钸h(yuǎn)距離在1.6 km左右，后續(xù)可圍繞此問題對(duì)本方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文以華電湛江煤電項(xiàng)目為背景，建立了平面二維潮流及溫度擴(kuò)散模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行了充分驗(yàn)證。采用經(jīng)驗(yàn)證的模型模擬了煤電取排水工程建設(shè)后溫排水?dāng)U散的范圍，統(tǒng)計(jì)了取水口的溫升，分析了對(duì)周邊保護(hù)區(qū)和水環(huán)境的影響，得到如下結(jié)論：(1)工程海域潮汐屬不規(guī)則全日混合潮，平均潮差2.42 m，潮流兼有不規(guī)則全日潮流和不規(guī)則半日潮流的性質(zhì)，擬建碼頭水域潮流呈現(xiàn)往復(fù)流動(dòng)，漲潮基本為ESE—ENE向，落潮基本為WSW—W向，大潮平均流速為0.14～0.53 m/s，工程海域多年平均氣溫為22.4℃；(2)最大溫升分布在順岸方向和離岸方向均存在一定距離，但順岸對(duì)流擴(kuò)散的距離稍長(zhǎng)，且溫度自排水口向東北擴(kuò)散的距離要大于向西南擴(kuò)散的距離，這種分布特征對(duì)取水安全較為有利。最大溫升≥1℃和≥4°C的包絡(luò)面積分別在29.0 km2和7.0 km2左右，最大溫升≥1℃的擴(kuò)散距離，自排水口向東和向西分別為7.8 km和4.0 km，最大溫升≥4℃擴(kuò)散距離，自排水口向東和向西分別為3.8 km和0.8 km。取水口處平均溫升為0.98℃，最大溫升分別為1.95℃；(3)從溫升包絡(luò)范圍來看，取排水工程的實(shí)施，對(duì)周邊保護(hù)區(qū)未產(chǎn)生直接影響，1℃溫升線尚未抵達(dá)各保護(hù)邊緣，因此電廠溫排水對(duì)保護(hù)區(qū)的海洋生物不會(huì)構(gòu)成明顯的熱影響。但由于規(guī)劃方案位于安鋪港工業(yè)與城鎮(zhèn)用海區(qū)域，1℃溫升線向西將超出用海邊界，順?biāo)鞣较虺鲎钸h(yuǎn)距離在1.6 km左右，后續(xù)可圍繞此問題對(duì)本方案進(jìn)行優(yōu)化。