南海海洋溫差能發(fā)電站冷卻水排放對(duì)周邊海洋環(huán)境的影響分析

黃金華，季新然,2*，陽(yáng)志文

(1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，?？?570228； 2.海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海口 571126； 3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的需求，中國(guó)能源產(chǎn)業(yè)對(duì)海洋能的需求不斷增加，因此開(kāi)發(fā)存儲(chǔ)量巨大的海洋溫差能是實(shí)現(xiàn)可再生能源利用的重要途徑。海洋溫差能是指海洋表層海水(溫度為25～28 ℃)和深層海水(溫度為4～7 ℃)之間的溫差儲(chǔ)藏的熱能。溫差能發(fā)電站的工作原理是利用海洋表層溫海水加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)，使其汽化推動(dòng)渦輪發(fā)電，同時(shí)利用深層冷海水將渦輪排出的乏汽冷凝成液體，再通過(guò)工質(zhì)泵將液體輸送到蒸發(fā)器中，形成循環(huán)[1]。南海位于北回歸線以南，溫差能資源儲(chǔ)量巨大[2-5]，此外，南海平均水深為1 212 m，水深足夠并且水下地形條件適宜，是具備開(kāi)發(fā)海洋溫差能條件的獨(dú)特地理位置[6-7]。

海洋溫差能發(fā)電站在運(yùn)行發(fā)電的過(guò)程中會(huì)排放大量冷卻水，不僅導(dǎo)致局部海域降溫，還會(huì)在一定范圍內(nèi)形成顯著的溫躍層。溫躍層與海洋生物密切相關(guān)，尤其與喜棲在上層水域的魚類有著更為密切的關(guān)系[8]。楊勝龍等[9]研究發(fā)現(xiàn)溫躍層過(guò)淺會(huì)壓縮黃鰭金槍魚的活動(dòng)空間，導(dǎo)致資源量減少；萬(wàn)瑞景等[10]研究發(fā)現(xiàn)溫躍層深度越淺海水垂向分布的鳀魚魚卵數(shù)量越少，溫躍層深度越深海水垂向分布的鳀魚魚卵數(shù)量越多；胡振明等[11]研究發(fā)現(xiàn)鳶烏賊主要棲息在溫躍層以上的水層中，鳶烏賊棲息的空間隨溫躍層上界深度的減小而減??；Furukawa等[12]研究發(fā)現(xiàn)鲯鰍和藍(lán)鰭金槍魚的活動(dòng)范圍與溫躍層深度息息相關(guān)，溫躍層深度越深，其活動(dòng)范圍越大；Huang等[13]研究表明沿海核電廠和火電廠的熱排放引起海水溫度升高造成海水分層，從而影響海洋生物的覓食環(huán)境；Houssard等[14]研究表明溫躍層深度是影響熱帶金槍魚分布的重要因素，溫躍層深度的加深可以增大金槍魚的棲息空間。

此外，海洋溫躍層在潛艇隱蔽、聲吶探測(cè)和水下通信等方面具有重要意義。方書甲[15]研究發(fā)現(xiàn)溫躍層會(huì)使信號(hào)發(fā)生明顯差異，導(dǎo)致聲吶作用距離縮短；王彥磊等[16]研究發(fā)現(xiàn)夏季海面受太陽(yáng)輻射后，表層海水溫度高于底層海水溫度，導(dǎo)致聲波束發(fā)生折射，造成聲吶測(cè)不到近距離的潛艇；楊文等[17]研究發(fā)現(xiàn)在溫躍層處溫度劇烈下降，對(duì)聲吶探測(cè)產(chǎn)生較大影響，作戰(zhàn)潛艇可以利用溫躍層隱蔽發(fā)射武器；李慶紅等[18]研究發(fā)現(xiàn)聲吶的聲線在溫躍層附近會(huì)發(fā)生明顯的折射現(xiàn)象，正、逆躍層均會(huì)影響聲吶作用距離；Zarepoor等[19]研究表明溫躍層的存在對(duì)聲傳播有著顯著影響，溫躍層的溫度梯度越大，聲傳播過(guò)程中損耗越大。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于工業(yè)廢水對(duì)海洋環(huán)境的影響已有不少研究。奚泉等[20]利用三維溫度場(chǎng)模型，對(duì)廣東珠海LNG接收站冷卻水?dāng)U散過(guò)程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明接收站碼頭排放大量的冷卻水進(jìn)入海域，引起周邊海水溫度下降，破壞生態(tài)平衡；Deabes[21]通過(guò)數(shù)值模型，模擬了埃及El-Burullus發(fā)電站溫排水的擴(kuò)散范圍，分析表明發(fā)電站溫排水對(duì)周邊的海洋生物略有影響；Gaeta等[22]采用三維溫度模型，研究了意大利南部Cerano發(fā)電站溫排水?dāng)U散過(guò)程，結(jié)果表明溫水排放對(duì)周邊海洋環(huán)境有潛在影響。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于LNG接收站冷排水及核、火電站溫排水研究工作比較多，而針對(duì)溫差能發(fā)電站的冷卻水排海問(wèn)題的研究還比較少。為此，現(xiàn)基于數(shù)值模擬的方法，構(gòu)建三維水動(dòng)力模型，針對(duì)西沙甘泉島擬建的島基式海洋溫差能發(fā)電站排放的冷卻水，開(kāi)展其對(duì)排放口周邊海域水溫結(jié)構(gòu)的影響分析，以期為海洋溫差能發(fā)電站建設(shè)所涉及的環(huán)境問(wèn)題給予合理評(píng)價(jià)和在生態(tài)環(huán)境管理上提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

在數(shù)值模型構(gòu)建時(shí)，采用由丹麥水利研究所開(kāi)發(fā)的MIKE3軟件，其具有模擬海洋、海灣、港口、水庫(kù)及河流的水動(dòng)力、泥沙輸移、溫鹽度擴(kuò)散等功能。在計(jì)算過(guò)程中采用有限體積法，并且在垂直方向上采用σ坐標(biāo)變換公式來(lái)簡(jiǎn)化算法，以提高計(jì)算模型的穩(wěn)定性。MIKE3模型廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外水環(huán)境研究領(lǐng)域，其數(shù)值模擬的科學(xué)性已被世界公認(rèn)[23]。

1.1 控制方程

計(jì)算模型是基于三維不可壓縮和雷諾均布的Navier-Stokes方程，并符合Boussinesq假設(shè)和靜水壓強(qiáng)假定。

連續(xù)方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

(3)

式中：t為時(shí)間；d為靜水深度；η為水面高程；h為總水深(h=η+d)；f為科式力參數(shù)；ρ0為參考水密度；ρ為水體密度；g為重力加速度；vt為垂向渦黏系數(shù)；u、v、w分別為x、y、z方向上的流速分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy為輻射應(yīng)力張量的分量；S為源匯項(xiàng)；Pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；Fu、Fv為水平應(yīng)力項(xiàng)；uS和vS為源匯項(xiàng)的水流流速。

溫度運(yùn)輸方程為

(4)

在垂直方向上采用σ坐標(biāo)系，則控制方程可寫為

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 模型網(wǎng)格及邊界的建立

為了研究溫差能發(fā)電站冷卻水對(duì)附近海域水溫結(jié)構(gòu)的影響，以永樂(lè)環(huán)礁周邊海域?yàn)槟M范圍，如圖1所示，但主要關(guān)注排放口周圍的水溫變化。模型采用WGS84坐標(biāo)系，計(jì)算域范圍為111°53′～111°80′ E，16°21′～16°55′ N，計(jì)算水域面積約4 876 km2。在水平方向上采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，以精確擬合島礁岸線，并對(duì)排水口附近區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密，從而提高模型計(jì)算精度，整個(gè)計(jì)算區(qū)域共包括單元11 574個(gè)和節(jié)點(diǎn)6 017個(gè)。在垂直方向上采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且采用等距分層模式，即各層沿水深等距分布，在垂直方向上分為50層。圖1中E、W、S和N分別代表模型的東、西、南以及北開(kāi)邊界，其中開(kāi)邊界的潮位數(shù)據(jù)取自于MIKE軟件自帶的全球潮汐預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格及邊界Fig.1 Computational grid and boundary

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

在本模擬中，潮流場(chǎng)模擬的初始條件采用零啟動(dòng)，初始流速值和初始潮位值均設(shè)為0。溫度和鹽度數(shù)據(jù)資料取自國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://mds.nmdis.org.cn/)的日平均溫鹽度數(shù)據(jù)庫(kù)。氣象條件取自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。溫差能發(fā)電站冷卻水排水口(111°34′43″E，16°30′19.4″N)位于甘泉島西側(cè)500 m處。該海域模擬時(shí)間為15 d，時(shí)間為2022年1月1日8：00—16日8：00，時(shí)間步長(zhǎng)為7.2 s，時(shí)間步數(shù)為180 000，CFL數(shù)設(shè)置為0.8。底床糙率取常數(shù)值為1 m。水平渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式，水平渦黏系數(shù)取定值為0.28。垂向渦黏系數(shù)選用Log-law公式，表達(dá)式為

(9)

Uτ=max(Uτs,Uτb)

(10)

h=η+d

(11)

式中：d為靜水深；vt為垂向渦黏系數(shù)；h為水面高程；Uτs為與表層應(yīng)力相關(guān)的摩阻流速；Uτb為與底層應(yīng)力相關(guān)的摩阻流速；c1和c2是定值，分別為0.41和-0.41。

1.4 模型驗(yàn)證與分析

先對(duì)永樂(lè)環(huán)礁周邊海域建立潮流場(chǎng)模型，之后在潮流場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行冷卻水排海的數(shù)值模擬，從而得到水溫的時(shí)空分布，分析冷卻水對(duì)海域水溫結(jié)構(gòu)的影響，因此需要對(duì)潮流場(chǎng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。潮位實(shí)測(cè)值取自于國(guó)家海洋信息中心(http://global-tide.nmdis.org.cn/)永興島監(jiān)測(cè)站(112°19′59.88″E，16°49′59.88″N)公開(kāi)發(fā)布的潮汐表數(shù)據(jù)，選取2022年1月1日8：00—12日8：00的潮位實(shí)測(cè)值與模型潮位模擬值進(jìn)行對(duì)比。驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示，可以看出模擬潮位與永興島監(jiān)測(cè)站的實(shí)測(cè)潮位吻合較好，基本能夠反映模擬海域的大、中、小潮期間的潮位變化過(guò)程，由此可認(rèn)為所建立的模型是合理的，可以滿足預(yù)測(cè)要求。

圖2 潮位驗(yàn)證Fig.2 Verification of tide level

由于自然系統(tǒng)的實(shí)際情況較為復(fù)雜多變，又因?yàn)槔鋮s水?dāng)U散的動(dòng)力主要來(lái)自潮流場(chǎng)，因此未考慮風(fēng)應(yīng)力和波浪場(chǎng)的影響，僅在潮流場(chǎng)作用下，對(duì)海水水溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同排水溫度下溫躍層包絡(luò)面積分析

采用《海洋調(diào)查規(guī)范》中的垂直梯度法來(lái)定義溫躍層，即設(shè)立一個(gè)溫度梯度臨界值，將垂直溫度梯度超出此臨界值的水層定義為溫躍層。臨界值分為深海(水深>200 m)和淺海(水深≤200 m)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別為0.05 ℃/m和0.2 ℃/m。由于重點(diǎn)研究的排水口所在位置水深不到200 m，因此溫躍層的溫度梯度臨界值為0.2 ℃/m。垂直梯度法基本原理如下。

將海水從表層至底層分為n層，各層的溫度和深度分別標(biāo)記為T1，T2，…，Tn和Z1，Z2，…，Zn。則溫躍層溫度梯度為

(12)

在冷卻水排放前，排水口所處海層的溫度梯度小于0.2 ℃/m，沒(méi)有出現(xiàn)溫躍層。當(dāng)溫差能發(fā)電站冷卻水排放在海水中時(shí)，會(huì)造成較大的溫度梯度，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定范圍的溫躍層。若受溫差能發(fā)電站冷卻水影響導(dǎo)致垂向溫度梯度超過(guò)0.2 ℃/m的區(qū)域，即可認(rèn)為是受到溫躍層影響的區(qū)域，計(jì)算其溫躍層包絡(luò)面積。

為進(jìn)一步研究不同排水溫度形成的溫躍層包絡(luò)面積，在溫差能發(fā)電站排水流量為50 m3/s，排水深度為2 m，排水溫度分別為13、15、17 ℃的3個(gè)工況下，計(jì)算得到排水口所處海層的溫降場(chǎng)與潮流場(chǎng)如圖3所示。從圖3可知，溫降范圍主要集中在排水口附近，并且隨著潮流流向擴(kuò)散。由于溫度場(chǎng)模擬15 d后，溫躍層包絡(luò)面積基本穩(wěn)定如圖4所示，故統(tǒng)計(jì)15 d內(nèi)溫躍層包絡(luò)面積(如圖5所示)進(jìn)行分析。

圖3 漲、落潮時(shí)刻排水口所處海層的溫降場(chǎng)與潮流場(chǎng)Fig.3 Temperature drop distributions and current fields of the sea layer where the outfall is located during the flood and the ebb tides

圖4 不同排水溫度下排水口所處海層的溫降范圍Fig.4 The temperature drop ranges of the sea layer where the outfall is located under different drainage temperatures

由圖5可以看出，當(dāng)溫差能發(fā)電站排水溫度為13 ℃時(shí)，溫躍層包絡(luò)面積為0.601 km2；當(dāng)排水溫度為15 ℃時(shí)，溫躍層包絡(luò)面積為0.478 km2；當(dāng)排水溫度為17 ℃時(shí)，溫躍層包絡(luò)面積為0.346 km2。這表明，隨著排水溫度從13 ℃增加到17 ℃，溫躍層包絡(luò)面積減小。這是因?yàn)槔鋮s水溫度越高與自然海水溫度造成的溫差越小，溫躍層包絡(luò)面積則越小，反之越大。

圖5 不同排水溫度下溫躍層包絡(luò)面積Fig.5 Envelope areas of thermocline under different drainage temperatures

2.2 不同排水流量下溫躍層包絡(luò)面積分析

為進(jìn)一步觀察不同排水流量形成的溫躍層包絡(luò)面積，在溫差能發(fā)電站排水溫度為13 ℃，排水深度為2 m，排水流量分別為50、60、70 m3/s的3個(gè)工況下，計(jì)算得到15 d內(nèi)排水口所處海層的溫降范圍如圖6所示，并統(tǒng)計(jì)15 d內(nèi)溫躍層包絡(luò)面積(如圖7所示)進(jìn)行分析。

圖6 不同排水流量下排水口所處海層的溫降范圍Fig.6 The temperature drop ranges of the sea layer where the outfall is located under different drainage flows

圖7 不同排水流量下溫躍層包絡(luò)面積Fig.7 Envelope areas of thermocline under different drainage flows

由圖7可以看出，當(dāng)溫差能發(fā)電站排水流量為50 m3/s時(shí)，溫躍層包絡(luò)面積為0.601 km2；當(dāng)排水流量為60 m3/s時(shí)，溫躍層包絡(luò)面積為0.707 km2；當(dāng)排水流量為70 m3/s時(shí)，溫躍層包絡(luò)面積為0.794 km2。這表明，隨著冷卻水排水流量源強(qiáng)的增加，溫躍層包絡(luò)面積逐漸增大。這是由于冷卻水流量越大其受海水稀釋作用越小，所以溫躍層包絡(luò)面積則越大，反之越小。

2.3 不同排水深度下海水水溫結(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步考察溫差能發(fā)電站不同排水深度對(duì)垂向海水水溫結(jié)構(gòu)的影響，在溫差能發(fā)電站排水溫度為13 ℃，排水流量為50 m3/s，排水深度分別設(shè)定為2、8、15 m時(shí)，計(jì)算海水的垂向溫度分布情況，并在排水口處提取垂向剖面進(jìn)行分析。圖8為大潮漲急時(shí)不同排水深度下排水口溫度剖面圖，其中各分圖的垂直剖面均沿坐標(biāo)(561 500，1 824 920)與坐標(biāo)(562 300，1 824 920)連接線段間截取。從圖8可以看出排水口處溫降最大，且距離排水口越遠(yuǎn)溫度梯度越小。這是由于距離排水口越遠(yuǎn)受冷卻水影響越小，溫度梯度自然越小。

圖8 大潮漲急時(shí)刻不同排水深度下排水口溫度剖面圖Fig.8 The temperature profiles of the outfall at different drainage depths at flood in spring tide

圖9為典型時(shí)刻不同排水深度下排水口垂向溫度圖和溫度梯度圖，其中溫度梯度圖中的兩條豎向虛線分別代表溫度梯度為0.2 ℃/m的正躍層臨界值和溫度梯度為-0.2 ℃/m的逆躍層臨界值，同色虛線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度為溫躍層上界深度。排水口附近原始海水溫度梯度較小，當(dāng)溫差能發(fā)電站冷卻水在一定深度海水中排放時(shí)，海水中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)冷水團(tuán)，此時(shí)冷水團(tuán)上方溫度梯度大于0.2 ℃/m產(chǎn)生一個(gè)正躍層，下方溫度梯度小于-0.2 ℃/m則產(chǎn)生一個(gè)逆躍層。在大潮漲、落急時(shí)刻，原始海水的整體垂向溫度梯度較小，在冷卻水排入后，排水口附近溫度梯度發(fā)生顯著改變，但在排水口下方一定距離外溫度梯度變化極小，與原始溫度梯度基本保持一致。在小潮漲急時(shí)刻，原始底部海水存在強(qiáng)度較小的溫躍層，在冷卻水排放后，導(dǎo)致底部溫度梯度減小，底部溫躍層消失，冷卻水造成的溫降在排水口附近最大。在小潮落急時(shí)刻，原始海水的整體垂向溫度梯度很小且相差不大，溫度梯度圖呈豎線分布，冷卻水排放后造成底層紊動(dòng)，產(chǎn)生小強(qiáng)度溫躍層，且排水口附近溫降最大。此外，從圖9還可以看出不同排水深度造成的溫躍層上界深度不同，溫躍層上界深度隨著排水深度的增大而增大。

圖9 典型時(shí)刻不同排水深度下排水口垂向溫度圖和溫度梯度圖Fig.9 The vertical temperatures and temperature gradients of the outfall at different drainage depths at typical times

3 結(jié)論

采用MIKE3建立了水動(dòng)力模型和溫度場(chǎng)模型，基于潮流場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證較好的基礎(chǔ)上，模擬了永樂(lè)環(huán)礁附近海域流場(chǎng)規(guī)律及冷卻水的擴(kuò)散過(guò)程，統(tǒng)計(jì)了15 d內(nèi)不同排水溫度、排水流量條件下的溫躍層包絡(luò)面積和典型時(shí)刻不同排水深度下溫躍層上界深度，重點(diǎn)分析了溫差能發(fā)電站冷卻水排放對(duì)甘泉島附近海域海水水溫結(jié)構(gòu)的影響，得到以下主要結(jié)論。

(1)應(yīng)用MIKE3模型對(duì)永樂(lè)環(huán)礁附近海域建立了水動(dòng)力模型，計(jì)算得到的潮位結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證結(jié)果基本能夠反映模擬海域的大、中、小潮期間的潮位變化過(guò)程，能夠應(yīng)用于模擬溫差能發(fā)電站冷卻水?dāng)U散過(guò)程；溫度模型模擬的結(jié)果也能夠良好地反映溫差能發(fā)電站冷卻水的擴(kuò)散過(guò)程，并能夠?qū)ξ魃掣嗜獚u擬建島基式海洋溫差能發(fā)電站所涉及的環(huán)境問(wèn)題給予合理評(píng)價(jià)和在生態(tài)環(huán)境管理上提供科學(xué)依據(jù)。

(2)溫差能發(fā)電站冷卻水會(huì)引起排放口周邊溫度的急劇下降，進(jìn)而會(huì)在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生溫躍層，但溫降范圍主要集中在排水口附近，并且隨著潮流流向擴(kuò)散；排水口處溫降最大，且距離排水口越遠(yuǎn)橫向溫度梯度越小；溫躍層包絡(luò)面積隨排水溫度的升高而減小，隨排水流量的增大而增大。

(3)溫差能發(fā)電站冷卻水顯著影響了垂向海水水溫結(jié)構(gòu)，并在海水中會(huì)形成一個(gè)冷水團(tuán)，冷水團(tuán)上方溫度梯度大于0.2 ℃/m出現(xiàn)一個(gè)正躍層，下方溫度梯度小于-0.2 ℃/m則出現(xiàn)一個(gè)逆躍層；在排水口附近垂向溫度梯度最大，此外冷卻水的排放有可能會(huì)造成海水底部原始溫躍層的消失甚至造成紊動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)度較小的溫躍層；不同排水深度造成的溫躍層上界深度不同，隨著排水深度的增大，溫躍層上界深度隨之增大。