湛江灣海域溫排水溫升分布及熱環(huán)境容量模擬

孫 琰，許源興，韓澤文，李 卓，何露雪，徐廣珺,3，劉大召,3

（1.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450；3.廣東省海洋遙感與信息技術(shù)工程技術(shù)中心，廣東 湛江 524088）

隨著我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)的用電需求與日俱增，近年來(lái)沿海地區(qū)大力興建電廠，使得河口海岸地區(qū)的電廠布局緊張[1]。多數(shù)電廠采用直流冷卻系統(tǒng)，大量冷卻水直接流入海洋，造成受納水體溫度上升，改變水體環(huán)境質(zhì)量，從而產(chǎn)生不可忽視的潛在生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

在對(duì)電廠排熱影響范圍及程度的研究中，數(shù)值模擬作為常用方法之一得到了廣泛發(fā)展與應(yīng)用，通過(guò)計(jì)算得到海水流場(chǎng)與高溫水的分布特征，從而對(duì)溫排水進(jìn)入水體后的漂移擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行定量描述。McGuirk 等[2]采用二維深度平均模型計(jì)算得到溫排水在排放口附近的溫升分布；Hamrick 等[3]利用ECDC 建立三維數(shù)值模型模擬Peach Bottom 核電站溫排水對(duì)附近水域水溫的影響；汪求順[4]等通過(guò)建立溫排水?dāng)?shù)值模型，分析杭州灣溫排水的熱擴(kuò)散過(guò)程，總結(jié)該處海域潮差與溫升變化的關(guān)系；白玉川等[5]結(jié)合渤海灣圍填海模擬結(jié)果，分析不同圍填海條件下渤海灣的溫排水造成的溫升擴(kuò)散分布規(guī)律；李紹武等[6]采用MIKE 數(shù)值模型與杜比公式結(jié)合的計(jì)算方法，分析防波堤對(duì)電廠附近海域溫升分布的影響。在溫排水漂移擴(kuò)散規(guī)律的研究基礎(chǔ)方面，有學(xué)者通過(guò)數(shù)值模型結(jié)合周邊環(huán)境敏感區(qū)的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)分析電廠排熱口不同布置方式對(duì)溫升范圍的影響，對(duì)不同排水方式與排放位置進(jìn)行優(yōu)化篩選，給出最優(yōu)排放方案與選址建議[7-8]。此外，數(shù)值模擬方法也應(yīng)用于環(huán)境容量的研究中，通過(guò)綜合考慮受納海域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、近岸生態(tài)環(huán)境等因素計(jì)算出受污染水域環(huán)境容量總量與剩余環(huán)境容量，為海濱電廠排熱量確定、水質(zhì)目標(biāo)管理與水質(zhì)功能區(qū)劃提供技術(shù)支持[9-12]。

本研究基于Delft3D 數(shù)值模型，綜合模擬湛江灣內(nèi)現(xiàn)存的多處電廠溫排水造成的溫升與熱量積累效應(yīng)，利用試算法計(jì)算各排熱口附近海域的熱環(huán)境容量總量與剩余熱環(huán)境容量，對(duì)湛江灣海域電廠熱排放進(jìn)行全面統(tǒng)籌規(guī)劃，為溫排水指標(biāo)的確定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)自然條件概況

研究區(qū)為湛江灣（圖1），湛江灣西北臨湛江市，南北長(zhǎng)約15 km，東西寬約24 km，屬于半封閉型海灣，其入口小、內(nèi)腹大，南西北三面由東海島、湛江市、南三島環(huán)繞組成，是一狹長(zhǎng)天然良好水域[13]。湛江灣納潮面積約264.1 km2，港灣納潮量約5.4×108m3，灣內(nèi)徑流弱、潮流強(qiáng)。湛江灣海域的潮汐屬于不正規(guī)半日潮，兩次高低潮的潮差較大，根據(jù)湛江港多年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，年平均高潮位3.04 m，平均低潮位0.87 m，多年平均潮差為2.16 m，平均漲潮與落潮歷時(shí)分別為7 h 與5.5 h，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，落潮時(shí)的流速大于漲潮時(shí)流速。

圖1 電廠、驗(yàn)證點(diǎn)位置示意Fig.1 Geographical location of power plants and verification points

1.2 湛江灣海域環(huán)境功能區(qū)及溫排水排放分布

湛江灣海域近岸建有多處港口、碼頭、養(yǎng)殖區(qū)且存有多個(gè)海洋環(huán)境保護(hù)區(qū)，灣內(nèi)的水質(zhì)條件對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響[14]。對(duì)污染物排放的限制主要依據(jù)，是海洋功能區(qū)劃與所對(duì)應(yīng)的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。依照《廣東省海洋功能區(qū)劃(2011?2020)》對(duì)湛江灣的功能區(qū)劃與所執(zhí)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，湛江港保留區(qū)按規(guī)劃要求為“保留現(xiàn)狀”，根據(jù)廣東海洋大學(xué)2020 年9 月所開(kāi)展湛江灣水質(zhì)調(diào)查航次中16 個(gè)站點(diǎn)的水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析化驗(yàn)表明該區(qū)為四類(lèi)水體，后續(xù)將按照四類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算）。根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)中規(guī)定，對(duì)于第一、二類(lèi)海域海水水質(zhì)，人為造成的海水溫升夏季不超過(guò)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)? ℃，其他季節(jié)不超過(guò)2 ℃；對(duì)于第三、四類(lèi)海域海水水質(zhì)，人為造成的海水溫升不超過(guò)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)? ℃的標(biāo)準(zhǔn)確定各湛江灣各功能區(qū)所對(duì)應(yīng)的水體溫升限制。根據(jù)收集的湛江市規(guī)劃與湛江灣海洋工程環(huán)評(píng)報(bào)告等[15-17]，湛江灣內(nèi)電廠溫排水排放位置、排放方式、排放流量與溫升數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中京信電廠采用深水排放方式，其余兩電廠排熱口分別設(shè)在淺層和表層，處于湛江灣內(nèi)灣的湛江電廠，排放流量最大，達(dá)到142 m3/s，三個(gè)電廠溫升在8～9 ℃之間。湛江灣作為吸收三處電廠余熱的受納水體，水體的溫升對(duì)湛江灣生物種群的生長(zhǎng)繁殖與群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。針對(duì)湛江灣的電廠排熱布局現(xiàn)狀，計(jì)算研究區(qū)域海域的溫升分布以及熱環(huán)境容量，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與資源的合理利用。

表1 各電廠的溫排水排放數(shù)據(jù)Table 1 Data of thermal discharge of the three power plants

1.3 Delft3D數(shù)學(xué)模型

本研究采用Delft3D 模型的FLOW 模塊，計(jì)算模擬湛江灣海域水動(dòng)力環(huán)境。Delft3D 是一個(gè)可用于河口、港灣及海洋的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于潮流場(chǎng)、污染物輸移擴(kuò)散的模擬已被應(yīng)用于許多研究中[18-21]。FLOW 模塊在Navier-Stokes 方程的基礎(chǔ)上，基于靜水壓強(qiáng)假定和Boussinesq 近似，采用循環(huán)隱式進(jìn)程ADI（Alternating Direction Implicit）方法進(jìn)行離散求解非線性淺水方程。在正交曲線坐標(biāo)系(ξ,η)下，沿水深積分的連續(xù)性方程為：

其中，ζ為潮位，d為水深，t為時(shí)間為曲線坐標(biāo)系與直角坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換系數(shù)；u、v分別為ξ和η方向上的速度分量；Q為單位面積的源或匯流量。

模型在ξ和η方向的動(dòng)量方程為：

其中，f為科氏力；ρ0為水體密度；Pξ和Pη為ξ和η方向水壓力梯度；Fξ和Fη為ξ和η方向紊動(dòng)量通量；Mξ和Mη為源（匯）項(xiàng)的動(dòng)量分量。

熱量輸運(yùn)方程：

其中，c為溫度，ω為垂向速度，σ為垂向坐標(biāo)，DH與DV為水平和垂向擴(kuò)散系數(shù)，λd為一階衰減過(guò)程。模型中通過(guò)對(duì)k-ε紊流模式，基于紊動(dòng)擴(kuò)散原理與實(shí)測(cè)值，對(duì)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行校正[22]，最終得出DH取1～10 m2/s，DV取0.001 m2/s。S為單位面積的源和匯項(xiàng)，其包含水的排放或抽出以及自由表面的熱量交換：

其中，qin與qout分別為單位排放源與單位取水源，單位為1/s，cin為排放溫度，Qtot為通過(guò)水體自由表面與大氣的熱量交換，有些研究中采用綜合散熱系數(shù)來(lái)表征水氣之間的熱量交換過(guò)程，但使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后精度有限[23]，本研究選用更為精確的海洋熱通量模型，通過(guò)引入太陽(yáng)的垂直輻射強(qiáng)度、相對(duì)濕度與云覆蓋率，計(jì)算背景輻射、蒸發(fā)以及對(duì)流引起的熱量損失，此外，當(dāng)空氣與水體溫度發(fā)生自由對(duì)流時(shí)，該模型也計(jì)算了潛熱與感熱的自由對(duì)流[24-25]，計(jì)算公式為：

其中，Qsn為短波輻射，Qan為長(zhǎng)波輻射，Qbr為反向散射，Qev為蒸發(fā)熱通量，Qco為對(duì)流熱通量。研究所用氣象數(shù)據(jù)均來(lái)源于NCEP的逐月再分析數(shù)據(jù)。

1.4 模型網(wǎng)格與參數(shù)

基于Delft3D-FLOW 模塊建立的模型的計(jì)算域，包括湛江灣及其近海水域約5.65 × 103km2，其東北-西南方向約為116.2 km，西北-東南方向約為68 km。為了模型邊界處的計(jì)算穩(wěn)定，外海開(kāi)邊界設(shè)置為弧形。模型采用正交曲線網(wǎng)格，根據(jù)研究區(qū)海域的地形與水動(dòng)力環(huán)境特征劃分網(wǎng)格，使得網(wǎng)格方向與岸線方向總體垂直，并在湛江灣內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注水域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，整個(gè)計(jì)算域包含10 246 個(gè)網(wǎng)格與6 406 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格分辨率為30～1 800 m。模型垂向分為10 層，從表層至底層每層占10%比例。外海開(kāi)邊界采用俄勒岡州立大學(xué)中國(guó)海潮汐模型所提供的8 個(gè)主要分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1）調(diào)和常數(shù)驅(qū)動(dòng)潮位。模型采用冷啟動(dòng)，初始溫度場(chǎng)設(shè)置為湛江灣夏季海水平均溫度28.9 ℃，京信電廠、湛江鋼鐵電廠與湛江電廠排熱溫度分別為36.9、37.9、36.9 ℃，按照電廠的實(shí)際排熱深度，在模型中相對(duì)應(yīng)層深設(shè)置排放源。水陸邊界采用絕熱條件。經(jīng)過(guò)率定計(jì)算域底床糙率取0.015～0.022，水平與垂向紊動(dòng)黏滯系數(shù)分別取10 m2/s 與1×10-6m2/s。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，計(jì)算時(shí)段為7～9 月，模型輸出的時(shí)間分辨率為1 h。模型的計(jì)算域網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 模型計(jì)算域網(wǎng)格Fig.2 Model grids of the calculation area

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證Delft3D模型的模擬效果，將模型計(jì)算的潮位、潮流與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證模擬時(shí)段分為大潮、小潮兩個(gè)階段，大潮驗(yàn)證時(shí)間為2016年3月8 日12 時(shí)至3 月9 日12 時(shí)，小潮驗(yàn)證時(shí)間為2016年3月16日16時(shí)至3月17日16時(shí)，研究區(qū)內(nèi)L1、L2兩個(gè)潮位站點(diǎn)與S1、S2 兩個(gè)潮流站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。圖3和圖4分別表示大、小潮期間的L1、L2點(diǎn)的潮位驗(yàn)證結(jié)果和大潮期間S1、S2潮流驗(yàn)證結(jié)果。

圖3 潮位驗(yàn)證Fig.3 Verification of tidal level

圖4 大潮流速流向驗(yàn)證（S1、S2）Fig.4 Verification of tidal current speed and direction during spring tide(S1、S2)

為了進(jìn)一步對(duì)模型計(jì)算結(jié)果評(píng)估，采用平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)（r）以及Willmott[26]提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法模型技術(shù)評(píng)分(Skill)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

模型技術(shù)評(píng)分：

其中，Xi為模擬值，Yi為觀測(cè)值，N為時(shí)間序列為模擬值的平均值為觀測(cè)值的平均值。MAE、RMSE 值越接近于0，代表模型計(jì)算的效果越好；r越接近于1，代表模擬計(jì)算的值與觀測(cè)值越接近；模型技術(shù)評(píng)分Skill>0.65，表示模型比較符合實(shí)測(cè)值，Skill的值越低，表明計(jì)算與實(shí)測(cè)越不相符。

在驗(yàn)證時(shí)間段內(nèi)，L1、L2 潮位驗(yàn)證的MAE 為0.023、0.05，RMSE 為0.26、0.19，r為0.98、0.99，模型技術(shù)評(píng)分為0.98、0.99；S1、S2的流速驗(yàn)證的MAE為0.003、0.03，RMSE 為0.11、0.12，r為0.80、0.82，模型技術(shù)評(píng)分為0.89、0.90；S1、S2 流向驗(yàn)證的MAE 為11.37、23.52，RMSE 為59.82、35.50，r為0.79、0.94，模型技術(shù)評(píng)分為0.89、0.95。

綜上所述，本研究建立的潮流數(shù)學(xué)模型，在潮位、潮流方面實(shí)測(cè)與模擬計(jì)算值擬合度較好，模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)的變化趨于一致，可以認(rèn)為模型能較準(zhǔn)確地反映湛江灣海域潮流環(huán)境。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 潮流場(chǎng)模擬分析 圖5 為模型計(jì)算的湛江灣及其近海海域，漲急流場(chǎng)與落急流場(chǎng)的分布圖，通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)該海域的漲、落潮方向大致與東海島、南三島東側(cè)岸線垂直，漲潮時(shí)來(lái)自外海的潮波通過(guò)模型開(kāi)邊界進(jìn)入計(jì)算域，海水大致呈東南向西北方向傳播，落潮時(shí)潮流沿原路返回，流向外海。

圖5 計(jì)算域漲急與落急流場(chǎng)分布Fig.5 The current of the calculation area at the moment of fastest flood and fastest ebb

湛江灣內(nèi)海域海流受潮汐作用較為明顯，在湛江灣獨(dú)特狹長(zhǎng)地形影響下呈現(xiàn)明顯往復(fù)流特征，漲、落潮期間海水從湛江灣口航道匯入或流出，漲潮時(shí)海流從湛江灣口以及南三島北側(cè)水道匯入灣內(nèi)，在灣口到灣頂大致呈東南-西北流向；落潮時(shí)湛江灣內(nèi)北部水道與西側(cè)海流在匯聚后一并向東南方向流出灣外。流速方面，灣口區(qū)域?yàn)榱魉俑咧祬^(qū)，其流速最大可達(dá)1.4 m/s；海流進(jìn)入灣內(nèi)后，過(guò)水?dāng)嗝嬖龃笫沟昧魉傧陆担颈憩F(xiàn)為航道深水區(qū)平均流速大于其他海域，淺灘、島嶼以及近岸地區(qū)流速最小，總體上漲潮平均流速略小于落潮平均流速。

2.2.2 溫升平面分布 目前我國(guó)對(duì)溫排水的監(jiān)管與控制，多采用“一事一議”的方法來(lái)確定每一個(gè)濱海電廠溫排水對(duì)環(huán)境的影響，這就可能忽略了多個(gè)排熱口之間的互相疊加影響，本研究綜合三個(gè)電廠的排熱數(shù)據(jù)，計(jì)算得出湛江灣內(nèi)溫排水造成的溫升分布，主要集中在東海島北側(cè)與湛江灣內(nèi)灣河道，圖6給出湛江灣大小潮期間漲憩與落憩四個(gè)特征時(shí)刻，湛江灣海域表層的溫升分布圖。

在東海島北側(cè)海域往復(fù)流的帶動(dòng)下，在此的京信電廠溫升區(qū)沿岸線呈帶狀分布，京信電廠的排熱對(duì)其西側(cè)的東頭山島產(chǎn)生了不同程度的影響，并產(chǎn)生一定的熱量積累，在大潮漲憩時(shí)對(duì)東頭山島影響的范圍最廣（圖6(a)）。

位于湛江灣口的湛江鋼鐵電廠排熱口附近海域，大潮時(shí)潮動(dòng)力強(qiáng)勁，溫排水得到充分摻混并且能隨著漲落潮更遠(yuǎn)，這使得鋼鐵電廠與京信電廠之間的熱量積累更加明顯，兩電廠之間在大潮時(shí)產(chǎn)生的溫升大于0.5 ℃。在小潮潮型時(shí)，水體摻混能力弱，高溫水?dāng)U散距離短，0.5 ℃溫升范圍主要集中在排熱口附近（圖6(c-d)）。

圖6 特征時(shí)刻溫升分布（溫升：0.5～4 ℃）Fig.6 Temperature rise distribution at characteristic time（Temperature rise:0.5～4 ℃）

湛江灣上游的湛江電廠，排熱量較大且為淺層排放，一個(gè)潮周期內(nèi)溫升帶分布變化規(guī)律比較明顯。漲潮時(shí)溫排水沿河道向北轉(zhuǎn)移至淺水區(qū)，0.5 ℃溫升線最遠(yuǎn)到達(dá)灣頂，在落潮時(shí)溫排水隨潮流向南轉(zhuǎn)移，在大潮落憩時(shí)0.5 ℃溫升線向南最遠(yuǎn)擴(kuò)散約14.6 km（圖6(b)）。值得注意的是灣頂區(qū)域?qū)傥謇锷礁酆Ｑ蟊Ｗo(hù)區(qū)，其執(zhí)行溫升不超過(guò)1 ℃的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但在大潮漲憩時(shí)刻2 ℃溫升線深入保護(hù)區(qū)約1.4 km（圖6(a)），已遠(yuǎn)超出限定功能區(qū)劃水質(zhì)限制。

在溫升面積方面，溫排水在各排熱口附近產(chǎn)生了不同程度的影響，不同潮型0.5 ℃的溫升包絡(luò)面積大潮略大于小潮，大潮時(shí)漲、落憩的0.5 ℃溫升包絡(luò)面積分別為73.3、73.21 km2，小潮漲、落憩0.5 ℃溫升包絡(luò)面積分別為72.6、67.7 km2；3.5 ℃的溫升包絡(luò)面積小潮大于大潮：大潮時(shí)漲、落憩的3.5 ℃溫升包絡(luò)面積分別為0.96、1.4 km2，小潮漲、落憩3.5 ℃溫升包絡(luò)面積分別為4.1、3.6 km2。總體來(lái)看，大潮高溫升（3.5 ℃）面積小，低溫升（0.5 ℃）面積大，而小潮時(shí)與之相反，這是大潮的水動(dòng)力強(qiáng)于小潮，使得大潮時(shí)水體摻混程度較高造成的。

2.3 熱環(huán)境容量計(jì)算

2.3.1 熱環(huán)境容量計(jì)算方法 環(huán)境容量是環(huán)境的一種屬性，指環(huán)境所能容納某種特定活動(dòng)或活動(dòng)頻率的能力。環(huán)境容量的大小即為特定海域自凈能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，是海水自凈能力綜合表現(xiàn)的定量描述[27]。

溫排水進(jìn)入受納水體后，與環(huán)境水體發(fā)生摻混稀釋?zhuān)㈦S潮流輸移擴(kuò)散將熱量帶向遠(yuǎn)區(qū)。熱污染相較于其他污染物質(zhì)沒(méi)有濃度的概念，所以在熱環(huán)境容量的計(jì)算中，對(duì)熱污染更重視的是溫升范圍的控制。試算法是目前計(jì)算熱環(huán)境容量的較為常用方法。假設(shè)某污染源的排熱量W（單位：m3·℃/s），計(jì)算其全潮最大溫升分布，然后根據(jù)溫升影響范圍是否滿足環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)調(diào)節(jié)W，如溫升影響符合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，則可以繼續(xù)增大W，直至滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大熱排放量W0，即為熱環(huán)境容量。根據(jù)熱環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)附近海域的水熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，從而達(dá)到熱排放總量控制的目的。本研究根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》和《廣東省海洋功能區(qū)劃(2011?2020)》的相關(guān)規(guī)定，確定湛江灣外的湛江—珠海近海農(nóng)漁業(yè)區(qū)執(zhí)行溫升不超過(guò)1 ℃的一類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；東海島北側(cè)工業(yè)城鎮(zhèn)用海區(qū)、湛江港保留區(qū)與內(nèi)灣水道執(zhí)行溫升不超過(guò)4 ℃的四類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；特呈島海洋保護(hù)區(qū)與內(nèi)灣水道北側(cè)五里山港海洋保護(hù)區(qū)執(zhí)行溫升不超過(guò)1 ℃的二類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

此外，一般污染物在剛排出到受納水體當(dāng)中時(shí)，會(huì)使得一定范圍內(nèi)水體溫度顯著增加，在此范圍外污染物受到混合、稀釋?zhuān)瑵舛妊杆俳档?，以此范圍?nèi)的水體溫度來(lái)研究熱環(huán)境容量是不準(zhǔn)確的，這就需要引入“混合區(qū)”這一概念，來(lái)代表排熱口附近的允許水質(zhì)超標(biāo)的區(qū)域?；旌蠀^(qū)設(shè)定需要全面綜合的考慮，若混合區(qū)設(shè)定范圍過(guò)大，會(huì)忽略一定的水體處理能力；若范圍設(shè)定過(guò)小，則將會(huì)過(guò)度限制污染物的排放[28]。針對(duì)湛江灣水域情況，根據(jù)《污水海洋處理工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)（GB18486—2001）》：污水排放到面積小于600 km2海灣時(shí)，混合區(qū)范圍面積A由此來(lái)判定：

其中，A0為計(jì)算至港口位置的海灣面積，單位為m2。

湛江灣模型計(jì)算域面積約為269.13 km2，小于600 km2，故適用式（10）計(jì)算混合區(qū)面積。通過(guò)計(jì)算得出混合區(qū)面積約為1.35 km2，混合區(qū)半徑約為1 162 m。但是由于湛江灣內(nèi)灣水道較窄，1 162 m的混合區(qū)半徑可能占據(jù)整個(gè)水道，又根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《近岸海域環(huán)境功能區(qū)管理辦法》，確定混合區(qū)范圍時(shí)要綜合考慮當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件等，湛江灣內(nèi)灣河道潮流、水交換情況與湛江灣其他海域相比較為獨(dú)特，故本研究在內(nèi)灣河道不設(shè)置稀釋混合區(qū)。

2.3.2 熱環(huán)境容量總量計(jì)算 本研究以三個(gè)電廠現(xiàn)有熱排放為起算點(diǎn)，采用模型試算法逐步改變W，直至溫升包絡(luò)線邊界處的溫升達(dá)到水質(zhì)限制標(biāo)準(zhǔn)，即為所求熱環(huán)境容量。通過(guò)36 次試算得到湛江電廠排熱口附近海域熱環(huán)境容量為2 952(m3·℃)/s，湛江鋼鐵電廠排熱口附近海域熱環(huán)境容量為1 870(m3·℃)/s，東海島北側(cè)京信電廠排熱口附近海域熱環(huán)境容量為4 745 (m3·℃)/s。東海島北側(cè)京信電廠附近海域潮動(dòng)力較強(qiáng)，且四類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的功能要求使得該處海域的熱環(huán)境容量最大；而位于京信電廠東側(cè)湛江灣口的湛江鋼鐵電廠排熱口，雖然附近海域水交換率大，自凈能力高，但同時(shí)要滿足灣外湛江-珠海近海農(nóng)漁業(yè)區(qū)所執(zhí)行的一類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，使得該處海域的熱環(huán)境容量受到了極大限制；位于內(nèi)灣上游的湛江電廠附近海域水交換能力弱且在北側(cè)五里山港海洋保護(hù)區(qū)二類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制約下總熱環(huán)境容量最小。

2.3.3 剩余熱環(huán)境容量 環(huán)境容量總量與現(xiàn)狀污染物排海通量的差，即為剩余環(huán)境容量。當(dāng)剩余環(huán)境容量大于0 時(shí)，代表區(qū)域海域理論上還能容納更多該種污染物；當(dāng)剩余環(huán)境容量小于等于0時(shí)，表示污染物當(dāng)下排放通量已經(jīng)超過(guò)允許排放量，應(yīng)當(dāng)削減排放。結(jié)合表1 溫排水排海流量，總熱環(huán)境容量減去各電廠已使用熱環(huán)境容量，得出三處電廠排熱口附近海域的剩余熱環(huán)境容量（圖7）。其中東海島北側(cè)京信電廠排熱量占用其附近海域熱環(huán)境容量的33.6%，剩余容量為66.4%；湛江鋼鐵電廠現(xiàn)有排放占用其附近海域62.8%，還有37.2%的剩余環(huán)境容量；湛江電廠附近海域已使用的熱環(huán)境容量已超出其最大容量，剩余熱環(huán)境容量為-77.6%。綜上所述，京信電廠附近海域環(huán)境容量還有較大剩余；湛江鋼鐵電廠近海熱環(huán)境容量總量較小，在目前排溫情況下環(huán)境余量較少，后續(xù)開(kāi)發(fā)利用需注意；湛江灣內(nèi)灣上游的湛江電廠的溫排水排熱量已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)該海域的熱環(huán)境容量，在其附近海域容易產(chǎn)生熱量積累，需要改進(jìn)排污工藝流程或減排才能減少熱污染對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的損害。

圖7 各電廠溫排水熱環(huán)境容量對(duì)比Fig.7 Comparison of heat environmental capacity of each power plant

3 結(jié)論

本研究針對(duì)湛江灣潮汐水域多個(gè)電廠高溫水排?，F(xiàn)狀，應(yīng)用Delft3D 水動(dòng)力與熱通量模塊，結(jié)合電廠排水工程的實(shí)際排放工況，建立能反映電廠溫排水熱力特性的三維數(shù)學(xué)模型，繪制了特征時(shí)刻的溫升分布圖，并結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范區(qū)劃，使用試算法計(jì)算了熱環(huán)境容量，綜合分析得到以下結(jié)論：

1）三處電廠排熱口附近均有一定的熱量積累，3.5 ℃的溫升包絡(luò)面積在大潮漲、落憩時(shí)分別為0.96、1.4 km2；在小潮漲、落憩時(shí)分別為4.1、3.6 km2。

2）潮動(dòng)力對(duì)半封閉海灣湛江灣中溫排水的擴(kuò)散與分布起主導(dǎo)作用。在大潮時(shí)高溫升（3.5 ℃）面積小，低溫升（0.5 ℃）面積大，小潮時(shí)反之。

3）在現(xiàn)有的排放布局下，湛江灣內(nèi)灣水道北端的五里山港海洋保護(hù)區(qū)，在大潮漲憩時(shí)刻2 ℃溫升線深入保護(hù)區(qū)約1.4 km，超出了水質(zhì)限定標(biāo)準(zhǔn)；東海島北側(cè)的東頭山島周邊海域受溫排水作用明顯，有一定的熱量積累。

4）計(jì)算得出湛江灣各電廠附近海域的熱環(huán)境容量：京信電廠>湛江電廠>湛江鋼鐵電廠，分別為4 745、2 952和1 870(m3·℃)/s。進(jìn)一步計(jì)算各電廠附近海域的剩余熱環(huán)境容量，京信電廠附近海域剩余熱環(huán)境容量最大（66.4%），而湛江電廠的熱排放已經(jīng)超標(biāo)77.6%，對(duì)該海域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了熱污染影響。

因此，湛江電廠可通過(guò)削減排熱量，或通過(guò)增加通風(fēng)冷卻塔、循環(huán)水池等優(yōu)改進(jìn)排水工藝，降低電廠排熱對(duì)海域生態(tài)環(huán)境的影響；東海島沿岸兩電廠熱環(huán)境容量仍有剩余，可適當(dāng)加以開(kāi)發(fā)利用，但要注意排熱量過(guò)大會(huì)使兩電廠熱污染產(chǎn)生疊加，避免溫升帶在潮流作用下到達(dá)特呈島海洋二類(lèi)水質(zhì)保護(hù)區(qū)和湛江灣外的湛江-珠海近海農(nóng)漁業(yè)一類(lèi)水質(zhì)區(qū)。