水庫水源的數(shù)據(jù)中心自然水冷卻系統(tǒng)溫排水影響分析

摘要：水庫水源的低溫水冷卻系統(tǒng)是解決數(shù)據(jù)中心能耗問題的一種有效手段，但產(chǎn)生的溫排水對環(huán)境的影響亦不容忽視。以武當云谷大數(shù)據(jù)中心為例，基于MIKE21 FM軟件建立了丹江口水庫壩下至黃家港水文站的平面二維數(shù)值模型，研究了數(shù)據(jù)中心溫排水退水口設在不同位置對溫排水擴散規(guī)律的影響。結(jié)果表明：隨著溫排水退水口位置處水深和流速的增大，溫排水的最大溫升和相應的溫度混合區(qū)范圍也逐漸減小，當水深超過2 m時，局部最大溫升已低于1 ℃。研究成果可為采用水庫低溫水作為冷卻水源的類似數(shù)據(jù)中心溫排水退水口選址及溫排水影響分析提供借鑒。

關 鍵 詞：溫排水；環(huán)境影響；MIKE21；水庫低溫水；冷卻水源；溫排水退水口；數(shù)據(jù)中心；丹江口水庫；漢江

中圖法分類號：TV124

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.08.024

0 引 言

空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗占數(shù)據(jù)中心總能耗的40%左右^［1］，是制約數(shù)據(jù)中心節(jié)能發(fā)展的重要因素之一^［2-3］。水冷技術是近年來提出的解決數(shù)據(jù)中心能耗問題的熱點技術之一^［4］。水庫下層的低溫水是數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)潛在的高效冷卻水源，但數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)產(chǎn)生的大量溫排水所帶來的水生態(tài)^［5-7］和水環(huán)境^［8-9］影響也不容忽視。

目前中國已建且具有水庫低溫水冷卻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心還較少，相關的溫排水影響研究有待補充。東江湖數(shù)據(jù)中心位于小東江大壩下游，引東江湖水庫大壩下游小東江江水作為數(shù)據(jù)中心冷卻水源。張泉等^［10］對東江湖數(shù)據(jù)中心溫排水溫度場進行了模擬，發(fā)現(xiàn)溫度場的影響范圍隨河流流速的增大而減小，而河道斷面不同位置一般水深流速不同，也就是說退水口位置的選擇對溫排水影響范圍具有一定影響。參考魏新渝等^［11］關于核電站溫排水離岸排放與近岸排放的對比研究可知，溫排水退水口位置確實對溫排水的溫度場分布具有較大影響。

武當云谷大數(shù)據(jù)中心引丹江口水庫低溫水作為數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的冷源，熱交換后的水體排入丹江口大壩下游的漢江河道內(nèi)。本次研究基于MIKE21 FM軟件^［12-13］建立丹江口水庫壩下至黃家港全長6.2 km河段的平面二維數(shù)學模型，對武當云谷大數(shù)據(jù)中心退水口的水動力及水溫進行模擬，分析不同退水口位置條件下數(shù)據(jù)中心的溫排水擴散特性?？紤]到丹江口水庫作為高壩大庫的滯溫效應，以及下泄水體與大氣熱交換導致的溫度沿程恢復現(xiàn)象^［14-15］，模型中也考慮了太陽輻射、風速、氣溫等水文氣象條件的影響。

1 模型構建

1.1 地形文件

研究區(qū)域如圖1所示，數(shù)字地形如圖2所示。鑒于研究區(qū)域內(nèi)洲灘分布，河道岸線邊界復雜，本次研究采用適應邊界較好的三角形網(wǎng)格對地形文件進行概化，具體步驟為：① 利用AutoCAD將丹江口水庫壩下游河道水下地形散點導出，并在MIKE21 FM中進行地形插值，從而生成可用于網(wǎng)格劃分的地形文件；② 利用MIKE21 FM生成三角形網(wǎng)格，在大數(shù)據(jù)中心溫排水退水口附近河段對網(wǎng)格進行局部加密（圖3）。其中，模型的進口為丹江口壩下斷面，模型的出口為黃家港水文站斷面。模型計算網(wǎng)格共計15 638個，計算節(jié)點7 982個，計算網(wǎng)格最小面積為100 m²。

1.2 平面二維水動力水溫數(shù)學模型

MIKE21 FM采用水深平均的二維非恒定淺水方程組作為河道水流數(shù)值模擬的控制方程，水量守恒和動量守恒方程組具體如下：

式中：u，v分別為垂線平均流速在x，y方向上的分量；z，h分別為水位和水深；q為單位面積上水流的源匯強度；u₀，v₀分別為沿水深平均的源匯速度在x，y方向上的分量；g為重力加速度；v_t為水流紊動黏性系數(shù)；n為糙率系數(shù)；f為科氏力系數(shù)，f=2ωsinΦ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，Φ為計算河段所處緯度。

求解水溫的對流擴散方程為

式中：T為溫度；D_x，D_y為x，y方向上的紊動擴散系數(shù)；T₀為熱源處溫度；?是水體與大氣的熱交換產(chǎn)生的源項。

式中：c_p是水的比熱容；ρ₀為水的標準密度；q_v為潛熱通量；q_c為顯熱通量；q_sr，net為凈短波輻射；q_lr，net為凈長波輻射。這些物理量與風速、溫度、大氣壓、日照強度等有關。

1.3 邊界條件

研究河段的邊界條件主要有河床河岸邊界、上下游進出口邊界、大數(shù)據(jù)中心溫排水退水口內(nèi)源邊界以及水文模擬需要的氣象條件。

（1）河床河岸邊界。在模型中，將丹江口—黃家港河段河岸設置為陸地邊界，不考慮水體與陸地邊界的物質(zhì)和能量交換。

（2）河道上下游進出口邊界。模型中需要設置的上下游進出口邊界主要有兩個：河流上邊界和下邊界。水動力模擬中，上邊界為丹江口水庫的下泄流量，下邊界為黃家港斷面的水位。本次計算的下邊界——黃家港斷面的水位由丹江口水庫下泄流量（表1）在黃家港斷面水位流量曲線上插值得到。水溫模擬中，上邊界為丹江口水庫下泄水溫，下邊界為黃家港斷面實測的月平均水溫。黃家港斷面的水位-流量關系曲線見圖4。

（3）大數(shù)據(jù)中心溫排水退水口內(nèi)源邊界。由于本次研究主要考慮退水口位置對武當云谷大數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)溫排水擴散特性的影響，因此忽略溫排水退水口出流流速的影響，僅將其設置為具有流量和溫度屬性的內(nèi)源邊界。大數(shù)據(jù)中心溫排水退水口的出流流量及水溫如表2所列。

（4）氣象條件。MIKE21 FM軟件中考慮了水體與大氣的熱交換過程。在進行水溫模擬時，需要已知空氣溫度、濕度、大氣壓、風速、日照強度等氣象條件作為熱交換過程模擬的基礎數(shù)據(jù)。丹江口地區(qū)氣象數(shù)據(jù)見表3。

1.4 初始條件

在水動力及水溫計算中需要給定模型的初始水位和初始水溫。模型計算中，研究河段初始水位為87.00 m，初始水溫采用不受丹江口水庫下泄水影響的自然水溫。襄陽站距離丹江口壩址約200 km，可認為該水溫基本為自然水溫。根據(jù)文獻［16］，獲得丹江口大壩加高后2013～2019年襄陽站多年月均水溫（表4），將其作為自然水溫導入到MIKE21 FM中作為初始水溫。

2 模型率定與驗證

2.1 糙率率定

根據(jù)2020年9月1日00：00至10日00：00丹江口水庫水文站實測流量及黃家港水文站實測水位，對模型水動力參數(shù)糙率系數(shù)n進行率定，并采用同時段王家營水位站實測水位進行驗證。當n=0.028 6時，王家營水位站的實測水位與計算水位對比見圖5。從圖5中可以看出，王家營水位站的水位計算值與實測值相吻合，說明糙率取值較為合理。

2.2 水溫模擬驗證

本文采用黃家港站多年月均水溫作為水溫計算的驗證數(shù)據(jù)。在進行水溫驗證時，上邊界給定為丹江口水庫的下泄水溫，下邊界則給定為紐曼邊界條件，即溫度梯度為0。溫度驗證時的初始溫度采用襄陽站多年月均水溫，水動力條件同上。黃家港站的水溫實測值與計算值對比見圖6。

由圖6可知，除3月、4月份黃家港水溫計算值略有偏大外，其余月份的黃家港水溫計算值基本與實測值吻合。初步推測3、4月份計算值偏高的原因是此時氣象數(shù)據(jù)精度較低。由于本文后續(xù)研究中主要計算的是2月份的不利組合工況，因此3月、4月份水溫計算值偏高不會對后續(xù)研究帶來較大影響。綜上所述，本文建立的水溫模擬模型其計算結(jié)果可信，可以用于后續(xù)計算使用。

3 溫排水退水口位置影響分析

3.1 計算方案擬定

在同樣的水文、氣象條件下，當?shù)そ谒畮煜滦沽髁孔钚?、退水口出流流量最大且丹江口水庫下泄水體溫度與退水口出流溫度溫差最大時，退水口溫排水對下游河道溫度影響最大。根據(jù)《丹江口水利樞紐調(diào)度規(guī)程（試行）》，當庫水位位于降低供水區(qū)、且低于150.00 m時，若來水大于350 m³/s，漢江中下游供水按不小于490 m³/s控制；若來水小于350 m³/s，漢江中下游供水按400 m³/s控制。結(jié)合表1中丹江口水庫實際運行過程中的月均流量情況，以黃家港斷面的最小實測流量490 m³/s作為本次研究中最不利情況下的丹江口下泄流量。而退水口設計的最大出流流量為0.23 m³/s。退水口出流溫度與水庫下泄水溫度之差最大的月份為2月。綜上所述，本次研究最終確定的研究工況為：丹江口水庫下泄流量490 m³/s（黃家港斷面最小下泄流量），退水口最大退水流量0.23 m³/s，以2月份水文氣象條件作為計算條件（水庫下泄水溫為9.11 ℃，退水水溫為19 ℃，溫差最大）。

在確定以上研究工況的基礎上，共設置4組退水口位置方案，具體見圖1。退水口位置A、B、C、D距離河岸距離依次增加，水深也依次增大，其中，位置A接近河岸，位置D靠近河道中心。為了使模擬結(jié)果更為直觀，且便于查看溫排水造成的局部溫升范圍，分別模擬了有大數(shù)據(jù)中心退水口溫排水和無大數(shù)據(jù)中心退水口溫排水兩種情況下的河段水溫分布情況，并將兩者的結(jié)果相減，得到了由大數(shù)據(jù)中心退水口溫排水導致的研究河段水體溫升場。

3.2 水動力模擬結(jié)果

經(jīng)模擬計算，退水口附近及下游600 m范圍內(nèi)的水深分布如圖7所示?？梢钥吹剑拥乐髁髟趫D中的右上角，水深在6 m以上；研究擬定的退水口位置處水深大致在1～4 m。圖中底部區(qū)域存在地勢較低的低洼區(qū)域，但這此區(qū)域并不與河道連通，不會影響后續(xù)的水溫計算。

由圖7和表5可知，退水口位置A、B、C、D逐步向主流靠近，水深分別為1.01，2.07，3.11，4.05 m左右，流速分別為0.07，0.11，0.19，0.3 m/s。不同退水口位置處的水深、流速存在較大差異，退水口布置相對合理。

3.3 水溫模擬結(jié)果

退水口位于位置A、B、C、D時退水口附近的河道水體溫升場模擬結(jié)果見圖8。

由圖8（a）結(jié)合表5可以看出：當退水口位于接近河岸的A處時，退水口網(wǎng)格處局部溫升在2.18 ℃左右，此處水深約為1 m，水體流速約為0.07 m/s。1 ℃溫升線沿水體流動方向分布，大致在退水口至下游0.3 km左右的范圍內(nèi)，且1 ℃溫升范圍主要集中在靠近河岸的低流速、低水深區(qū)域；0.5 ℃溫升范圍相比1 ℃溫升范圍略大，大致在退水口至下游0.4 km左右的范圍內(nèi)，垂直流向大致寬度約為100 m左右。

由圖8（b）結(jié)合表5可以看出：當退水口位于位置B處時，退水口網(wǎng)格處局部溫升驟降至0.68 ℃左右，此處水深約為2 m，水體流速約為0.11 m/s，此時不存在1 ℃溫升線。位置B處更為靠近主流，水體流速、水深相對較大，摻混作用較強，因此對應的高溫升混合區(qū)域較小，0.5℃溫升范圍僅分布在退水口位置B至下游50 m范圍內(nèi)的若干網(wǎng)格區(qū)域。

由圖8（c）結(jié)合表5可以看出：當退水口位于位置C處時，退水口網(wǎng)格處局部溫升僅為0.37 ℃左右，此處水深約為3 m，水體流速約為0.19 m/s，不存在1 ℃溫升線。此時，由于位置C處更為靠近主流，水深流速都較大，退水口附近的水體摻混作用更強，已經(jīng)不存在0.5 ℃的溫升范圍，即使是0.2 ℃的溫升區(qū)域也僅分布在退水口至下游100 m范圍內(nèi)，且0.2 ℃的溫升區(qū)域垂直流向?qū)挾葍H為1個網(wǎng)格尺度。

由圖8（d）結(jié)合表5可以看出：當退水口位于位置D處時，退水口網(wǎng)格處局部溫升僅為0.17 ℃左右，由于位置D接近河道主流，水深高達4 m，流速為0.3 m/s，此時不存在1 ℃溫升線。此時的退水口附近水體水深及流速很大，摻混作用強，退水口排出的高溫水體可迅速與河道內(nèi)高流速大水深水體混合，溫升混合區(qū)幾乎變?yōu)榱艘粭l線。

結(jié)合圖7～8及表5來看，隨著退水口位置遠離河岸，水深、流速均在增大，水體的摻混作用增強，退水口網(wǎng)格處局部溫升逐漸降低，高溫升混合區(qū)域也越來越小?？偟膩砜矗斔畛^2 m時，退水口網(wǎng)格處局部溫升已經(jīng)低于1 ℃。

根據(jù)退水口位于位置A、B、C、D時退水口及下游水體的溫升場，沿著溫升梯度衰減的方向從中選取相應的點，統(tǒng)計其溫升，以此探究退水口下游水體溫升的沿程衰減規(guī)律，具體結(jié)果見圖9。從圖9中可以看出：大體而言，溫升的衰減表現(xiàn)為兩個階段：在退水口下游100 m范圍內(nèi)迅速衰減；超出100 m范圍后，衰減速率明顯變緩。

4 結(jié) 論

本文采用MIKE21 FM軟件的溫度和鹽度模塊構建了丹江口水庫壩下至黃家港河段的二維水動力及水溫模型，并基于此對武當云谷大數(shù)據(jù)中心退水口溫排水的影響展開了模擬分析，研究了不同退水口位置對溫排水擴散特性的影響，具體結(jié)論如下：

（1）利用王家營水位站實測水位數(shù)據(jù)、黃家港水文站實測水溫數(shù)據(jù)對本文建立的水動力水溫模型進行驗證，結(jié)果表明此模型參數(shù)取值合理，計算結(jié)果可信，可供后續(xù)模擬分析采用。

（2）通過對比不同水深的4組退水口位置方案發(fā)現(xiàn)，當水深大于2 m時，退水口網(wǎng)格處局部溫升低于1 ℃，退水口附近不會有1 ℃溫升包絡線。

（3）退水口位置越靠近河道深泓，水深和流速越大，水體的摻混作用越強，退水口附近水域最大溫升和相同溫升溫度下的包絡線范圍越小。

（4）退水口下游水體溫升衰減大體上表現(xiàn)為兩個階段：退水口下游100 m范圍內(nèi)水體溫升衰減迅速，超出100 m后，衰減速率明顯變緩。

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（編輯：胡旭東）

Influence analysis on thermal discharge of cooling system of a large data center using

low-temperature reservoir water as cooling water source

JING Pingfei¹，LI Xiaonan¹，HUANG Qingping²，LU Jun¹，F(xiàn)U Qiaoping¹

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China; 2.Wudang Yungu Big Data Technology Co.，Ltd.，Shiyan 442700，China）

Abstract：Low-temperature water cooling is an effective means to solve the energy consumption problem of data centers，but its environmental influence of the generated thermal drainage cannot be ignored.Take Wudang cloud valley big data center as an example，based on the MIKE21 FM software，a two-dimensional numerical simulation model from Danjiangkou Reservoir Dam to Huangjiagang Hydrological Station was established，and the influence of different locations of the cooling water outlet of the data center cooling system on the diffusion law of thermal discharge was studied.The results showed that with the increasing of water depth and flow velocity at outlet，the maximum temperature rise of the thermal discharge and the corresponding temperature mixing zone gradually decrease.When the water depth exceeds 2 m，the local maximum temperature rise is less than 1 ℃.The research results can provide reference for the site selection of the data center cooling water outlet and the analysis on influence of thermal discharge using low temperature reservoir water as the cooling water source.

Key words：thermal discharge simulation; environment influence; MIKE21; low-temperature water from reservoir; colling water resource; thermal discharge outlet; data center; Danjiangkou Reservoir; Hanjiang River