鐵山灣內(nèi)電廠溫排水累積熱影響數(shù)值模擬

趙懿珺,王靖宇,陳小莉

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所,北京 100038; 2.清華大學(xué)水利水電工程系,北京 100084)

鐵山灣內(nèi)電廠溫排水累積熱影響數(shù)值模擬

趙懿珺1,王靖宇2,陳小莉1

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所,北京 100038; 2.清華大學(xué)水利水電工程系,北京 100084)

為了解鐵山灣內(nèi)已有電廠與新建電廠溫排水的疊加累積效應(yīng),采用Delft3D水動力模型進(jìn)行潮流及溫度場的數(shù)值模擬。通過對模型主要時空參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,確定了模擬計算時長為25個潮周期,最小網(wǎng)格尺寸為40m,時間步長為15 s。流場及溫度場計算結(jié)果表明:新建電廠投運(yùn)后,岸線變化導(dǎo)致工程局部區(qū)域流場發(fā)生改變;1℃溫升線與北海電廠重疊,影響范圍較北海電廠單獨(dú)運(yùn)行增加21 km2;北海電廠取水溫升增幅不超過0.4℃。數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與同步開展的物理模型試驗(yàn)結(jié)果對比表明,排水口近區(qū)兩者差異較大,隨著溫排水遠(yuǎn)離排水口,兩者差異逐漸減小,在1℃溫升線附近兩者基本相同。

鐵山灣;電廠溫排水;累積熱影響;參數(shù)敏感性;Delft3D水動力模型

半封閉海灣處于陸海交界處,灣口狹窄,水深變化復(fù)雜,潮流進(jìn)出通道及灣口多為沖刷深槽[1],灣內(nèi)水體與外海水體交換緩慢,海洋生態(tài)系統(tǒng)脆弱。近些年,為適應(yīng)我國沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,濱海地區(qū)火電、核電的建設(shè)數(shù)量與規(guī)模突飛猛進(jìn),許多半封閉海灣也出現(xiàn)數(shù)座電廠并存的局面。采用直流供水系統(tǒng)的火、核電廠常年源源不斷地將高于環(huán)境水溫6～11℃的溫排水排入受納海域,必然會對環(huán)境水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生熱影響,乃至熱污染。

由于水體自凈能力弱、潮余流復(fù)雜、人類活動頻繁、生態(tài)保護(hù)目標(biāo)敏感,半封閉海灣的熱影響問題受到學(xué)者廣泛關(guān)注。周巧菊[2]采用POM模式建立了大亞灣潮流數(shù)值模型,并對大亞灣內(nèi)核電站的溫排水進(jìn)行了模擬研究;林軍[3]應(yīng)用ECOMSED模式并耦合實(shí)時熱通量模塊模擬了象山港海域潮流及溫度場;陳春亮等[4]為了解溫排水排入湛江灣后的隨潮輸移擴(kuò)散,應(yīng)用ECOMSED海洋模式計算溫排水的時空輸移路徑及溫升范圍。近些年,環(huán)保問題日益凸顯,半封閉海灣內(nèi)溫排水的累積與疊加影響成為研究重點(diǎn)[5],數(shù)學(xué)模型作為主要的模擬手段也得到廣泛應(yīng)用,但關(guān)于時空參數(shù)的敏感性研究相對較少。鐵山灣屬于典型的半封閉海灣,本文采用Delft3D模型模擬鐵山灣潮流場,在對模型主要時空參數(shù)進(jìn)行敏感性分析的基礎(chǔ)上,對灣內(nèi)已建電廠與待建電廠的累積熱影響進(jìn)行分析,可為鐵山灣熱排放的統(tǒng)籌規(guī)劃提供依據(jù)。

1 鐵山灣自然條件

鐵山灣位于廣西北海市鐵山港東側(cè),屬于典型的半封閉海灣,如圖1(水下地形采用理論深度基面)所示,海灣形狀似喇叭,灣口寬闊,灣內(nèi)狹窄,東西北三面被陸地環(huán)繞,南部與北部灣相通。灣內(nèi)水域面積達(dá)200 km2,平均納潮量1.9億m3。鐵山灣狹長的水道由口門向?yàn)硟?nèi)延伸并逐漸變淺變窄,中間深槽,兩側(cè)淺灘。

圖1 鐵山灣水下地形及水文測站(單位:m)

該海區(qū)潮汐屬不正規(guī)全日潮,潮汐作用強(qiáng),是華南沿海潮差最大的海區(qū)之一。其潮汐有兩大特點(diǎn):一是潮差大,二是漲落潮歷時不等。據(jù)多年實(shí)測資料統(tǒng)計,最大潮差為6.25m,多年平均潮差為2.53m,平均漲潮歷時約8.5 h,平均落潮歷時約7 h。灣內(nèi)無大河注入,徑流量小,潮流呈往復(fù)流,流向與深槽走向(北西—南東)基本一致,漲潮時流向?yàn)硟?nèi),落潮時流向?yàn)惩?。轉(zhuǎn)流方向由落潮轉(zhuǎn)漲潮一般為順時針方向,由漲潮轉(zhuǎn)落潮一般為逆時針方向。一般情況下,落潮流速大于漲潮流速,憩流時間很短,轉(zhuǎn)流較快。

鐵山灣內(nèi)已有北海電廠2臺300MW機(jī)組在運(yùn)行。目前,在北海電廠以南4 km準(zhǔn)備再新建一座火電廠,建設(shè)規(guī)模為2臺1000MW機(jī)組。兩個電廠均采用直流供水系統(tǒng),以鐵山灣海水作為冷卻水源。鐵山灣東側(cè)及灣口分別有紅樹林及儒艮國家級保護(hù)區(qū),要求1℃溫升線不能進(jìn)入保護(hù)區(qū)。

2 數(shù)學(xué)模型

采用荷蘭Delft水力研究院開發(fā)的Delft3D水動力模型進(jìn)行潮流場及溫度場的模擬計算,該模型建立在Nervier-Stokes方程基礎(chǔ)上,并且應(yīng)用了淺水簡化,控制方程在交錯網(wǎng)格上采用有限差分格式離散,求解采用ADI方法,在河口及海灣潮流、污染物輸運(yùn)模擬中均有較好的應(yīng)用[6-10]。

模擬范圍(圖1)大約2 500 km2,計算水邊界長約70 km。網(wǎng)格劃分由Delft3D模型的前處理模塊Delft3D-rgfGrid完成。根據(jù)計算區(qū)域的岸線特點(diǎn),結(jié)合電廠取排水工程布置以及地形情況,共生成400× 454個矩形網(wǎng)格,并在工程區(qū)域局部進(jìn)行加密,加密后的網(wǎng)格單元最小精度約為40m。

潮流場計算的初始條件為零啟動條件,即全場流速給定為零。對于岸邊界,采用流速滑移條件;對于水邊界采用給定潮位過程。

溫度場計算的初始條件為環(huán)境水體溫度。對于水陸邊界,采用絕熱條件;對于開邊界,水流流出,邊界條件由計算給出,水流流入,邊界溫度為環(huán)境水體溫度。排水溫度與取水溫度關(guān)聯(lián),等于取水溫度加取排水溫差。北海電廠循環(huán)水流量為23.1m3/s,取排水溫差為8.15℃;新建電廠循環(huán)水流量為67.8m3/s,取排水溫差為8.5℃。

鐵山灣海域水下地形呈現(xiàn)灘槽相間的地形格局,靠近岸邊淺灘水域,在漲、落潮過程中出現(xiàn)低潮位露灘、高潮位被水淹沒的現(xiàn)象。模擬計算中,對于干濕交替的網(wǎng)格采用臨界水深法處理。設(shè)定臨界水深為0.02m,當(dāng)水深小于臨界水深時,為干點(diǎn),流速為0m/s;當(dāng)水深大于臨界水深時,為濕點(diǎn),取計算流速值。

模型參數(shù)主要有海床糙率、物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)以及水面散熱系數(shù)。海床糙率一般與水深有關(guān),通過模型率定確定,計算過程中糙率系數(shù)取值為0.018～0.02。物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)參照同步進(jìn)行的物理模型試驗(yàn)結(jié)果取值,范圍為1～10m2/s。水面綜合散熱系數(shù)根據(jù)廠址氣象資料由GB/T50102—2003《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范》推薦公式計算得到,Ks=48.1W/(m2·℃)。

3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證資料選擇2012年4月鐵山灣水域全潮水文測驗(yàn)數(shù)據(jù)(測點(diǎn)布置見圖1,共布設(shè)4個潮位測站以及7個流速測點(diǎn))。圖2、圖3分別為大潮期間,工程附近潮位測站(L2站)及流速測點(diǎn)(V2站)的驗(yàn)證結(jié)果。模擬計算值與實(shí)測值比較,潮位出現(xiàn)高、低潮的時刻相同,最高與最低潮位偏差不超過10 cm;模擬計算的流速、流向以及轉(zhuǎn)潮點(diǎn)與實(shí)測資料中垂向平均流速、流向符合良好,85%以上測點(diǎn)流速誤差小于15%,流向偏差小于15°。

圖2 潮位驗(yàn)證結(jié)果(L2站)

圖3 流速、流向驗(yàn)證結(jié)果(V2站)

鐵山灣漲落潮流場見圖4。鐵山灣內(nèi)漲落潮流場主要表現(xiàn)為受岸線與地形控制的往復(fù)流。漲潮時,灣外開闊水域的漲潮流沿東北方向流入,并略帶逆時針旋轉(zhuǎn),進(jìn)入灣內(nèi)后,在岸線與深槽的作用下,沿北向流至灣頂;流速分布表現(xiàn)為外海流速略小、灣內(nèi)狹窄水道處流速較大、深槽潮流最強(qiáng)的特點(diǎn);落潮時,灣內(nèi)的落潮流經(jīng)灣口流出,與安鋪港的落潮流匯合后呈南西向流向外海。潮流強(qiáng)度自灣頂向?yàn)晨谥饾u增強(qiáng)。岸邊區(qū)域流動較弱,受地形影響,灣頂淺灘區(qū)在低潮時出現(xiàn)露灘。

圖4 鐵山灣漲、落潮流場

4 時空參數(shù)敏感性分析

4.1 計算時長敏感性

為獲取計算穩(wěn)定后的溫度場,采用60個潮周期進(jìn)行迭代計算,統(tǒng)計計算域內(nèi)0.5℃溫升全潮最大影響面積隨潮周期的變化。穩(wěn)定性的判別條件為0.5℃溫升影響面積隨潮周期變化的相對偏差小于1%。結(jié)果表明,經(jīng)過20個潮周期后基本趨于穩(wěn)定。

4.2 網(wǎng)格尺度敏感性

加密網(wǎng)格,減小網(wǎng)格尺度,有利于減小數(shù)值耗散,提高計算精度,但是隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加,計算耗時隨之增長,因此,需要在耗時與精度之間做出平衡,使得精度滿足工程要求的基礎(chǔ)上耗時較少。計算時,在取排水口附近進(jìn)行網(wǎng)格加密,選擇80m、40m、30m共3種最小網(wǎng)格尺度進(jìn)行對比,計算結(jié)果表明,隨著最小網(wǎng)格尺度增大,排水口附近摻混稀釋溫排水的環(huán)境水量增加,近區(qū)高溫升面積減小,遠(yuǎn)區(qū)低溫升區(qū)面積增大,取水溫升降低。與40m最小網(wǎng)格尺度相比,80m最小網(wǎng)格尺度的4℃溫升全潮最大影響面積減小約13%,1℃溫升全潮最大影響面積增大約11%,取水溫升降低幅度小于0.1℃;30m最小網(wǎng)格尺度的溫度場及取水溫升變化則小于3%。

4.3 時間步長敏感性

Delft3D-Flow穩(wěn)定性好,時間步長取值可以較大,但是較大的時間步長可能帶來較大的截斷誤差,因此必須對時間步長的敏感性進(jìn)行分析。選擇3種時間步長(Δt=60 s、15 s、10 s)進(jìn)行比較分析,計算表明,隨時間步長增加,近區(qū)高溫升面積減小,遠(yuǎn)區(qū)低溫升區(qū)面積增大,取水溫升降低。與Δt=15 s相比, Δt=10 s條件下,4℃溫升全潮最大影響面積減小1%,1℃溫升全潮最大影響面積增大11%,取水溫升降低幅度小于0.1℃。Δt＜15 s后,計算結(jié)果基本維持不變。通過敏感性分析,模擬時選擇計算時長為25個潮周期,最小網(wǎng)格尺寸為40m,時間步長為15 s。

5 新建電廠對流場及溫度場的影響

5.1 岸線變化對流場的影響

新建電廠廠區(qū)圍填后,對于鐵山灣海域的整體流動特性影響不大,漲落潮流向仍然與岸線或地形走向一致,主流呈東北西南方向,但在廠區(qū)附近局部流場有所改變,如圖5所示。漲潮時,在廠區(qū)圍填區(qū)域東北角形成明顯的逆時針旋轉(zhuǎn)回流區(qū);落潮時,落潮流繞經(jīng)廠區(qū)東側(cè)及南側(cè)圍堤后,在東南角形成順時針旋轉(zhuǎn)小范圍回流區(qū)。

5.2 新建電廠對鐵山灣溫度場的影響

北海電廠取排水口位于鐵山灣西側(cè)水深流急的強(qiáng)流區(qū),取水水域深槽穩(wěn)定,水深約15m,排水口位于取水口南側(cè),緊鄰深槽。該電廠排熱量較小,環(huán)境水體對溫排水摻混稀釋能力強(qiáng),單獨(dú)運(yùn)行時,1℃溫升影響范圍不超過0.6 km2;同時受南北向漲落潮主流影響,溫升呈伴岸窄帶型分布,1℃溫升線離岸約300m。

新建電廠位于北海電廠以南4.5 km,采用廠區(qū)東側(cè)深取、南側(cè)淺排的取排水布置方式,取水口貼近深槽,水深可達(dá)17m;排水口位于廠區(qū)南側(cè)淺灘,水深約2m。新建電廠排熱量約為北海電廠的3倍,如圖6所示,電廠投運(yùn)后,2℃以上高溫升區(qū)集中于排水口附近淺灘水域;但1℃溫升影響范圍與北海電廠重疊,在兩個電廠溫排水的共同作用下,1℃溫升影響范圍可達(dá)21.6 km2,與北海電廠單獨(dú)運(yùn)行相比,增加了21 km2;鐵山灣灘槽相間的地形格局以及漲落潮主流沿深槽往復(fù)運(yùn)動的潮流特點(diǎn),決定了溫排水的主影響區(qū)位于西側(cè)海灣,難以影響到對岸環(huán)境敏感點(diǎn)。

圖5 新建工程區(qū)域局部流場

圖6 全潮最大溫升分布(單位:℃)

5.3 新建電廠對北海電廠取水溫升的影響

新建電廠與北海電廠的取水口均位于排水口北側(cè),溫排水對取水的直接影響主要在漲潮時段,但落潮時鐵山灣灣頂在漲潮階段匯集的部分熱水會隨落潮流經(jīng)過北海電廠取水水域,并與北海電廠溫排水一起南下,經(jīng)過新建電廠取水口,造成一定的取水溫升。通過對新建電廠投運(yùn)前后北海電廠取水溫升的比較可知,由新建電廠排水造成的北海電廠取水溫升增幅不超過0.4℃?？紤]兩個電廠的疊加影響后,北海電廠全潮最大與全潮平均取水溫升分別為1.0℃與0.6℃,新建電廠全潮最大與全潮平均取水溫升分別為1.4℃與0.8℃。

5.4 數(shù)學(xué)模型與物理模型的對比分析

本文數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與同步開展的物理模型試驗(yàn)成果對比表明:兩種模型均能反映鐵山灣漲落潮流場的整體態(tài)勢及特點(diǎn),溫排水隨潮輸移擴(kuò)散呈現(xiàn)出相同的運(yùn)動規(guī)律;如圖7所示,物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計算的等溫升線影響面積隨溫升的變化規(guī)律相似;溫排水口近區(qū),物理模型由于能夠充分反映溫排水的三維溫差浮力效應(yīng),溫升影響面積較大,但在遠(yuǎn)離排水口區(qū)域,溫排水水力、熱力三維特性逐漸消失,溫升逐漸降低,兩種模擬手段的結(jié)果差異逐漸減小,4℃、3℃、2℃、1℃溫升影響面積的相對誤差分別為50%、35%、28%、7%,在1℃溫升線附近二者的結(jié)果基本相同。

圖7 影響面積隨溫升變化規(guī)律

6 結(jié) 語

采用Delft3D二維水動力數(shù)學(xué)模型,對半封閉海灣鐵山灣的潮流場及溫度場進(jìn)行了模擬計算,依據(jù)實(shí)測水文資料對模型進(jìn)行了驗(yàn)證,潮位及潮流驗(yàn)證結(jié)果良好,漲落潮流場反映了海區(qū)的整體態(tài)勢。研究結(jié)果表明,鐵山灣潮差大、潮汐作用強(qiáng),受地形與岸線影響,電廠所在水域潮流基本上是受地形控制的往復(fù)流;新建電廠投運(yùn)后,工程局部區(qū)域流場發(fā)生改變,灣內(nèi)已有電廠取水溫升有所升高,兩個電廠的溫度場產(chǎn)生疊加累積影響,但溫排水的主影響區(qū)集中在鐵山灣西側(cè),不會影響到對岸。

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Numerical simulation of accumulated effect of thermal discharge from power plants in Tieshan Bay

ZHAOYijun1, WANG Jingyu2,CHEN Xiaoli1(1.Department of Hydraulics,China Institute ofWater Resources and Hydropower Research, Beijing 100038,China;2.Department ofHydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

To research the accumulated impact of thermal discharge from established and proposed power plants in Tieshan Bay,Delft three dimensional(Delft3D)hydrodynamic model was adopted to simulate the tidal current and temperature field.Based on sensitivity analysis of key spatial and temporal parameters,the computation time is twenty five tidal periods,theminimalmesh size is40 meters,and the time step is 15 seconds.The numerical results showed:local current fields in the vicinity of new projectswere changed due to the shoreline variation when proposed power plant is in operation; the 1 centigrade(1℃)isothermal-increment line overlapped with Beihai Power Plant;the impact area was increased by 21 square kilometers;the intake water temperature of Beihai Power Plant rose 0.4℃.Comparison between numericalmodel and physical model revealed that the simulation results have bigger differences in the near field,but as the thermal dischargesmove far away from water outlet the differences become smaller and the twomodels have almost the same impact area near 1℃isothermal-increment line.

Tieshan Bay;thermal discharges from power plants;accumulated thermal impact;sensitivity of parameters; Delft3D hydrodynamicmodel

P131.2;X145

A

1006-7647(2015)02-0047-05

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.010

2013-12-26 編輯:熊水斌)

國家自然科學(xué)基金(51309257);中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)(水集1126)

趙懿珺(1975—),女,山西忻州人,高級工程師,主要從事環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail:yijunzhao2012@163.com