珠海市大萬山島海水抽水蓄能電站溫排水對周邊海域影響的模擬分析研究

李建秋 曾俏俏 蘇躍涵 李恒翔 盧耀斌 駱海萍 劉廣立

摘要：海水抽水蓄能電站上水庫溫度升高可能對下水庫海域海水水溫產(chǎn)生影響 ， 文章對珠海市大萬山島擬建的海水抽水蓄能電站溫排水進行模擬分析 ， 結(jié)果表明 ， 海水抽水蓄能電站在設(shè)計水量12.3m3/s的條件下 ， 下水庫排水8h后 ， 不會對所在海域海流流場產(chǎn)生顯著影響;當(dāng)排放溫度為30.2℃時 ， 春季溫排水影響的面積為1.76km2 ， 最大溫升為1.35℃ ， 最大溫升面積為0.006km2;夏

季影響面積約1.58 km2 ， 最大溫升為0.7℃ ， 最大溫升面積為0.013 km2;秋季影響面積約為1.66km2 ， 最大溫升為0.8℃ ， 最大溫升面積約為0.085km2;冬季影響面積約為1.95 km2 ， 最大溫升為1.9℃ ， 最大溫升面積約為0.030km2。周邊海域最大溫升隨著排水溫度增加逐漸增加 ，但對應(yīng)

的最大溫升面積變化較小。在排水溫度為32.2℃時 ， 夏季最高溫升約0.9℃ ， 冬季最高溫升約2.3℃;排水溫度為34.2℃ ， 夏季最高溫升約1.15℃ ， 冬季最高溫升約2.6℃。最大溫升面積在0.019～0.027km2。排水流量從10.3m3/s逐漸增加到20.3m3/s， 周邊海域的最大溫升值增加 ， 但最大溫升面積增幅較小 ， 當(dāng)排水流量達到20.3m3/s 時 ， 最大溫升值達到最大值2.25℃ ， 最大溫升面積為0.007km2。文章的研究結(jié)果為未來大萬山島海水抽水蓄能電站的環(huán)境影響評價及周邊海域生態(tài)管理提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海水抽水蓄能電站;大萬山島;溫排水;最大溫升

中圖分類號：P76;X55????? 文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1005-9857（2022）03-0009-07

Simulation and Ana;lysis on the Influence of Thermal Dischargeof Seawater Pumped Storage Power Station on SurroundingSea Area in Dawanshan Island of 'Zhuhai City

LI Jianqiu'，ZENG Qiaoqiao2，SU Yuehan3，LI Hengxiang'，LU Yaobin3，LUO Haiping3，LIU Guangli3

（1.CSG Power Generation Company，Guangzhou 510630.China;2.Guangdong Institute of water conservancy andPower Survey and Design Co.，Ltd，Guangzhou 510635，China;3.School of Environmental Science and Engineer-ing，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510006，China;4. South China Sea Institute of Oceanology，Chinese A-cademy of Sciences ，Guangzhou 510301， China）

Abstract：The temperature rise of the upper reservoir of the seawater pumped storage power station mayaffect the seawater temperature of the lower reservoir.In this paper，the thermal discharge of the seawa-ter pumped storage power station proposed to be built on Dawanshan Island in Zhuhai City was simulatedand analyzed. The results showed that the seawater pumped storage power station would not have a sig-nificant effect on the local sea flow field under the condition of 12.3 m3/s within 8 h drainage from thelower reservoir. When the discharge temperature was 30.2 ℃，the affected area was 1.76 km ， and themaximum temperature rise was 1.35℃ with the maximum temperature rise area of 0.006 km2in spring.In summer，the affected area was 1.58 km2 ， and the maximum temperature rise was 0.7 ℃ with themaximum temperature rise area of 0.013 km" . In autumn，the affected area was 1.66 km ， and the max-imum temperature rise was 0.8 ℃ with the maximum temperature rise area of 0.085 km . In winter，theaffected area was 1.95 km2 ， and the maximum temperature rise was 1.9 ℃ with the maximum tempera-ture rise area of 0.030 km2 . The maximum temperature rise in the surrounding sea area increased gradur-ally with the increase of drainage temperature，but the corresponding maximum temperature rise areachanged little. When the drainage temperature was 32.2℃，the maximum temperature rise was 0.9℃and 2.3℃ in summer and winter，respectively.When the drainage temperature was 34.2℃，the maxi-mum temperature rise was 1.15℃ and 2.6℃ in summer and winter，respectively. The maximum temper-ature rise area was in a range of 0.019～0.027 km . With the drainage flow increasing from 10.3 to 20.3m3/s，the maximum temperature rise in the surrounding sea area increased but the maximum tempera-ture rise area was almost kept stable.The maximum temperature rise reached 2.25 ℃ with the maximumtemperature rise area of 0.007 km2 at the drainage flow of 20.3 m'/s. The results should provide a scien-tific basis for environmental impact assessment and ecological management of seawater pumped storagepower station in Dawanshan Island in the future.

Keywords;Seawater pumped storage power station，Dawanshan Island，Thermal discharge，Max-imum temperature rise

0 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì) ，海洋戰(zhàn)略在世界上所有沿海國家中都是重中之重[1-4]。我國海洋經(jīng)濟發(fā)展迅猛 ，隨著海島開發(fā)步伐的加快 ，海島用電裝機容量不足的問題日益凸顯 ，成為制約海洋開發(fā)的重要“瓶頸”[5-6]。建設(shè)海水抽水蓄能電站 ，有利于增強海島地區(qū)的電力保障 ，推動能源-海水淡化聯(lián)產(chǎn) ，為維護海島安全和經(jīng)濟發(fā)展提供有力保障[7-11]。海水抽水蓄能電站是利用電網(wǎng)中負荷低谷時的剩余電能從海洋（下水庫）向上水庫抽海水 ，將電能轉(zhuǎn)化為勢能存儲起來;當(dāng)電力系統(tǒng)需要時 ，從上水庫向海洋泄放海水發(fā)電 ，再將勢能轉(zhuǎn)化為電能的一種電站。我國海水抽水蓄能電站資源站點豐富[12-13] ，其中廣東省珠海地區(qū)島嶼資源總量達到310MW[14-16]。

大萬山島[17-18]位于珠海市正南39 km 處 ， 面積約8.1km2 ， 經(jīng)勘察海水抽水蓄能資源站點為大萬山島東北部的推船灣 ，上水庫到下水庫（海洋）的水平距離約560 m ，高差可達170 m ，距高比為3.3， 裝機容量估計20MW 左右 ，有望成為較為理想的電站建設(shè)選址。大萬山島屬亞熱帶海洋性氣候 ， 光照輻射強 ，海水提升至上水庫后 ， 上水庫海水最高水位約110 m ，其接受太陽輻射能量后 ，水溫升高的程度要高于下水庫的海洋溫度。研究表明 ， 太陽輻射是海洋熱量的重要來源 ， 太陽輻射中的紅外部分可被海水表層迅速吸收轉(zhuǎn)化為熱量 ， 而可見光部分能夠穿透一定深度的海水 ， 如果海水較為清澈 ， 透明度高 ，其穿透深度可達60 80 m ， 由此引起的海水混合層平均水溫升高可達1.5℃ 2.0℃ ， 而表層海水的水溫升高可達到6℃ 7℃[19-20]。海洋中的魚類對溫度的變化極為敏感 ， 當(dāng)海水水溫變化超過0.1℃ ，都會引起魚類行動的變化[21]。因此 ， 在電站的正常運行中 ， 升高的上水庫排水形成的溫排水 ， 進入下水庫周邊海域 ， 有可能對周邊海域造成不良的影響 ， 形成熱污染?！稄V東省海洋功能區(qū)劃（2011—2020年）》將萬山群島及周邊海域的功能區(qū)劃為旅游娛樂、港口航運、農(nóng)漁業(yè) ， 執(zhí)行二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) ，人為造成的海水溫升夏季不超過當(dāng)時當(dāng)?shù)?℃ ，其他季節(jié)不超過2℃。

對海岸發(fā)電廠的研究表明 ， 其利用海水作為冷卻水運行中 ， 向海域排放的溫排水 ， 可導(dǎo)致局部海域升溫 ，對海洋物種生存造成惡劣影響。如溫排水會干擾魚類的產(chǎn)卵、孵化和生長 ， 影響海洋養(yǎng)殖業(yè)的正常運行[22-24];溫排水也可對海洋底棲生物或者藻類種群產(chǎn)生不利影響。大亞灣核電站的溫排水 ，其過高的溫度可抑制浮游植物繁殖 ， 甚至致其死亡[25]。美國比斯開灣在溫排水影響升溫3℃ 4℃后 ，生物數(shù)量急劇減少。海洋溫度上高 ， 不僅使溶解氧含量降低 ， 影響生物生存繁衍 ， 還會造成富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化等問題[26-28]。丹麥水利研究所研發(fā)的 MIKE系列水動力軟件 ， 廣泛應(yīng)用于海洋、河流、海灣等水域的模擬預(yù)測分析 ， 其數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性已被世界公認。廣西來賓電廠[29]、馬來西亞沙巴電廠[30]、浙江蒼南電廠[31]等溫排水對附近海域的影響均采用 MIKE模型進行模擬 ， 分析潮型、流量及季節(jié)下的最大溫升包絡(luò)面積和取水口的溫升變化 ， 為電廠的環(huán)境影響評價及管理提供依據(jù)[32-34]。

因此 ，本研究基于 MIKE模型 ，對珠海市大萬山島擬建海水抽水蓄能電站的溫排水 ，開展其對周邊海域水溫影響的研究 ，為未來大萬山島海水抽水蓄能電站的環(huán)境影響評價及環(huán)境生態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 大萬山島擬建海水抽水蓄能電站位置及地質(zhì)概況

大萬山島距珠海市直線距離約48km ， 西北距澳門35km ，東北距香港59km ， 島上年平均氣溫為22.6℃ ， 氣溫變幅不大 ， 年平均溫差為4.3℃。大萬山島所在地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候 ， 多年平均最大風(fēng)速為17.3 m/s， 冬季多東北向風(fēng) ， 夏季多偏西南向風(fēng)。大萬山島在地質(zhì)上屬北東向的萬山隆起帶（濱海大斷裂） ， 為構(gòu)造基本穩(wěn)定區(qū)。擬建海水抽水蓄能電站位于山坳處 ， 庫區(qū)所處位置三面環(huán)山 ， 為天然谷地 ，呈“V”型 ，遠離島上居民區(qū)。庫區(qū)地貌屬海島地貌 ，庫區(qū)地形起伏較大 ， 以構(gòu)造侵蝕地貌為主;未發(fā)現(xiàn)較大滑坡、潛在不穩(wěn)定地質(zhì)體、泥石流及可溶巖地區(qū)喀斯特地貌等的分布。

2 模型建立

2.1 模型的邊界條件及網(wǎng)格劃分

如圖1所示 ，研究模擬區(qū)域為大萬山島周圍海域 ，平均水深10 28 m ，該模型基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建立 ， 網(wǎng)格生成最大單元面積為20萬 m2 ，最小允許角度為31°，最大節(jié)點數(shù)為50000， 然后對網(wǎng)格取迭代次數(shù)為10進行平滑處理 ，插值方法為自然鄰點插值法。模型由11514個網(wǎng)格節(jié)點、20667個三角形網(wǎng)格單元構(gòu)建而成。設(shè)置干水深、淹沒水深和濕水深分別為0.005 m、0.05 m 和0.1 m ， 渦黏系數(shù)取為0.28，底床摩擦力取曼寧系數(shù)70 m1/3/s[35]。

海水抽水蓄能電站的運行參考淡水抽水蓄能電站的運行方式 ，按8h排水計算 ，取排水流量設(shè)置多個梯度（10.3 m3/s、12.3 m3/s、14.3 m3/s、16.3 m3/s、18.3 m3/s、20.3 m3/s）;背景溫度參考南海海面溫度[36]及大萬山島當(dāng)?shù)販囟戎?，取大萬山島海域春季水溫為28.4℃ ， 夏季水溫為29.3℃ ， 秋季水溫為28.9℃ ，冬季水溫為26.7℃。由于上下水庫高差達170 m ，下水庫的水被抽到上水庫后 ，接收光輻射增強導(dǎo)致最終排水溫度升高 ，但目前尚未有明確可參考的溫升范圍[29]。參考太陽輻射引起的海水水溫升高的情況 ， 本研究在初步選取電站溫排水溫度30.2℃進行模擬計算后 ， 對32.2℃～40.2℃的排水溫度下 ，最大溫升值及最大溫升面積進行了對比分析。設(shè)定的排水溫度為40.2℃時 ， 大萬山島海域的水溫變化范圍為0.9℃～3.5℃。

2.2 模型驗證

潮位驗證數(shù)據(jù)實測值采用國家海洋信息中心東澳島監(jiān)測站（113°41'33E，22°0'39N）和大萬山監(jiān)測站（113°42'40E，21°55'46N）公開發(fā)布的潮汐表數(shù)據(jù) ，分別選取春季、夏季、秋季、冬季不同時間段24h內(nèi)的潮位與模型模擬值進行比較。驗證結(jié)果如圖2和圖3所示 ，可以看出模擬結(jié)果與東澳島、大萬山島監(jiān)測站的實測數(shù)據(jù)吻合較好 ，平均相對誤差低于10% ， 由此認為所建立的模型是合理的 ，可以滿足預(yù)測要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 電站排水對周邊海域潮流場的影響

按電站排水水量12.3 m3/s，排水與周邊海域無溫差計算 ，對擬建電站工程實施前后海域潮流場進行模擬分析 ，結(jié)果如圖4所示。由圖可知 ， 電站排水前 ，下水庫附近的潮流自西北沿大萬山島順岸流動。當(dāng)電站開始排水后 ， 排水在入海口處流速較快 ，匯入外海時形成小型旋渦 ， 之后逐漸向外海擴散 ， 由于電站排水流量較小 ， 流速迅速降低 ， 對潮流方向無明顯影響。因此抽水蓄能電站排水不會對所在海域海流的流場產(chǎn)生顯著影響。

3.2 不同季節(jié)電站排水對周邊海域溫度的影響分析

不同季節(jié)下 ， 電站排放流量為12.3m3/s，排放溫度30.2℃ ， 連續(xù)排水8h后 ， 周邊海域的溫升結(jié)果模擬計算如圖5所示。與周邊海域海水溫差超過0.1℃的區(qū)域 ， 即認為受到溫排水影響的區(qū)域 ，計算溫排水的影響面積。由圖5可知 ， 春季溫排水受潮流作用 ， 溫升場逐漸向東南側(cè)移動 ， 最遠延伸至2.09km ， 影響面積約1.76 km2;最大溫升為1.35℃ ，最大溫升面積約為0.006 km2 ， 最大溫升出現(xiàn)在距離排放口約0.5km 的海域。溫排水主要呈南北方向移動 ， 東西方向移動距離較小。夏季溫升場最遠延伸至1.86 km ， 影響面積約1.58km2;最大溫升為0.7℃ ， 最大溫升面積約0.013km2 ，最大溫升出現(xiàn)在距離排放口約0.6km 的海域。秋季溫升場主要向排水口南側(cè)移動 ， 最遠延伸2 km ， 影響面積約1.66km2;最大溫升為0.8℃ ，最大溫升面積約為0.085km2。冬季溫升場主要向西北方向移動 ，最遠延伸至2.9km 的海域 ， 影響面積約1.95 km2;最大溫升為1.9℃ ， 最大溫升面積約為0.030km2。

研究表明 ，火力發(fā)電廠溫排水對周圍水域造成的溫升可達6.11℃ ，這是由于火力發(fā)電站的裝機容量大 ，且尾水溫度較高 ， 溫差可達到13.3℃ ， 因此對周圍水域造成的溫升大[29]。而海水抽水蓄能電站的排水溫度按30.2℃計算時 ， 與周邊海域的溫差較低 ，夏季僅相差0.9℃ ， 因此對周圍海域造成的溫升較小。

3.3 電站溫排水溫度變化和流量對周邊海域最大溫升的影響分析

為進一步考察電站溫排水對周邊海域的影響 ， 在電站排水量為12.3 m3/s， 排水溫度分別達到32.2℃、34.2℃的條件下 ，模擬計算夏季和冬季時周邊海域溫升的結(jié)果 ， 如圖6和圖7所示。在排水溫度為32.2℃時 ，夏季最高溫升約0.9℃ ， 出現(xiàn)在距離排放口約0.75 km的海域 ， 最大影響面積約為0.027km2;溫排水總影響面積約為1.6km2。冬季最高溫升約2.3℃ ， 最大溫升面積約0.019 km2 ， 出現(xiàn)在距離排放口約0.37km 的海域 ， 溫排水總影響面積約為1.81km2。當(dāng)排水溫度為34.2℃ ，夏季最高溫升約1.15℃ ，最大溫升面積約0.012km2 ， 出現(xiàn)在距離排放口約0.75km 的海域 ， 溫排水總影響面積約為1.69 km2。冬季最高溫升約2.6℃ ， 最大溫升面積約0.02km2 ， 出現(xiàn)在距離排放口約0.37km 的海域 ，溫排水總影響面積約為1.83km2。

選取電站溫排水溫度30.2℃ ， 周邊海域海水水溫為28.4℃的條件下 ，研究不同電站排水流量對海域溫升的影響 ，結(jié)果如圖8所示。隨著排水流量從10.3 m3/s逐漸增加到20.3 m3/s， 周邊海域的最大溫升值增加 ， 但最大溫升面積增幅較小 ， 當(dāng)排水流量達到20.3 m3/s 時 ， 最大溫升值達到最大值2.25℃ ，相應(yīng)的溫升面積為0.007 km2。這表明 ， 即使電站排水流量達到20.3 m3/s，也難以對周邊海域潮流的運動產(chǎn)生顯著影響 ， 導(dǎo)致最大溫升值雖然增加 ，但最大溫升面積并沒有顯著增大?？赡苁怯捎谥苓吅Ｓ虺绷饔绊懫鹬饕饔?， 電站排水流量相對較小 ， 即使排水的溫度與海水的溫度溫差較大 ， 進入海域中也可被很快稀釋降溫。

對大萬山島周邊海域的海洋生物初步調(diào)查發(fā)現(xiàn) ，魚類主要有緋鯉、鯔科、多鱗和舌鰨等。緋鯉一般棲息于水深20～110 m ， 生殖期為2—4月（春季） ，在廣東省上川島和下川島附近一帶水深8～35 m處有密集的生殖群 ， 該區(qū)域距離大萬山島約140km 。鯔科魚類以底藻和碎屑為食 ， 耐寒冷 ， 是亞熱帶和熱帶地區(qū)的沿岸經(jīng)濟性魚類。多鱗為近海小型魚類 ， 喜棲息在沙質(zhì)海底中下層 ， 7—10月（夏秋季）為其活躍覓食期。舌鰨棲息于淺海底層泥沙底質(zhì)海區(qū) ，繁殖期為3—10月（春夏秋季） ，適宜溫度為22℃～23℃。因此 ，海水抽水蓄能電站在運行中 ，上水庫排出的溫排水對周邊海域魚類造成的影響可能各不相同 ，緋鯉的影響較小 ， 而鯔科、多鱗和舌鰨類魚類因在近岸海底覓食繁殖 ， 上層海水溫度升高可能對此類魚類的生長有一定影響;若在周邊海域溫升達到2.25℃的條件下 ， 則需要密切關(guān)注鯔科、多鱗和舌鰨類魚類的生長繁殖 ，對海水抽水蓄能電站下水庫排水的方式進行改進 ， 強化其擴散過程 ， 降低溫排水對周邊海域的溫升效應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）海水抽水蓄能電站在設(shè)計水量為12.3 m3/s 的條件下 ，下水庫排水8h后 ，不會對所在海域海流流場產(chǎn)生顯著影響。

（2）電站排放流量為12.3 m3/s， 排放溫度為30.2℃ ，連續(xù)排水8h后 ， 春季溫排水影響的面積為1.76 km2 ， 最大溫升為1.35℃ ， 最大溫升面積為0.006km2;夏季影響面積約1.58 km2 ， 最大溫升為0.7℃ ，最大溫升面積為0.013km2;秋季影響面積約1.66 km2 ， 最大溫升為0.8℃ ， 最大溫升面積約為0.085km2;冬季影響面積約1.95 km2 ， 最大溫升為1.9℃ ，最大溫升面積約為0.030km2。

（3）電站排放流量為12.3 m3/s時 ，周邊海域最大溫升隨著排水溫度增加而逐漸增加 ，但對應(yīng)的最大溫升面積變化較小。在排水溫度為32.2℃時 ， 夏季最高溫升約0.9℃ ， 冬季最高溫升約2.3℃;排水溫度為34.2℃ ， 夏季最高溫升約1.15℃ ， 冬季最高溫升約2.6℃。最大溫升面積在0.019～0.027 km2之間。排水流量從10.3m3/s 逐漸增加到20.3 m3/s時 ，周邊海域的最大溫升值增加 ， 但最大溫升面積增幅較小 ， 當(dāng)排水流量達到20.3 m3/s時 ， 最大溫升值達到最大值2.25℃ ， 最大溫升面積為0.007km2。

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