热通量计算方法在开敞海域温排水模拟中的应用——以田湾核电站为例

郑晓琴，堵盘军，徐丽丽，陈昞睿，费岳军

（国家海洋局东海预报中心，上海 200081）

1 引言

温排水携热量进入海洋后主要有两个方面的热量交换[1]，一是高温的温排水与环境水体之间由于热湍流产生的海水内部的水平和垂直方向的热量交换；二是在海气界面处与大气的热量交换，包括太阳的短波辐射、海面有效回辐射、海水蒸发或凝结引起的潜热通量、海气温差引起的感热通量。由于有这两方面热通量的存在，首先温差所产生的热浮力效应及热湍流输送，使温排水引起的温升场具有显著的三维结构特征，需要建立三维数学模型才能更加准确地模拟温排水引起的温升场[2-4]，同时现有的数学模型要考虑海气热通量才能更加准确地模拟温排水造成的温升场[5]。

田湾核电站一期工程（1、2号机组）自2007年投入运行以来，给海洲湾及其附近海域带来了大量的温排水，影响了周围的环境。对于田湾核电站海域的温排水研究，大多基于遥感监测方面[6]。但是，由于遥感近海水温调查的应用过程中受限于遥感测量的深度和计算温升时温度本底值的选取[7]。因此，本文应用三维FVCOM数值模式，采用《物理海洋学》中的海表面热通量计算方法，建立了田湾核电站附近海域温排水数值模型，对温排水造成的温升进行了模拟。通过科学、准确定量化预测电厂温排水对海域温升范围、温度垂直与水平结构，为海湾水体污染、生物资源、环境容量、生态服务损失等方面评估提供数据基础，也是温排水海域管理的重要技术支撑。

2 研究海域概况

2.1 电厂概况

图1 江苏岸外M2分潮等值线图[8]

图2 冬季实测大潮表层潮流玫瑰图

田湾核电站厂址位于江苏省连云港市后云台山南侧，距连云港港口约5 km。厂址所在海域属黄海北部的海洲湾，海域开阔，其南面为黄海滩地，海滩较为平坦，水深变化缓慢，厂址附近水深仅为5 m以下。取水口水域在洋山岛南，水域比较开阔，有利于海水置换交流；排水口位于连云港高公岛附近，海域水深仅为2 m，附近潮流为往复流，温排水随涨落潮流来回摆动。

田湾核电站海水冷却水系统是采用以黄海为水源和最终热阱的直流供水系统。海水取水工程采用输水隧洞和引水明渠的组合取水方案。循环冷却水系统的排水暗沟由循环水泵房出口经虹吸井接至双孔排水暗渠，最终通过东护岸处的循环冷却水排水口入海。核电站一期工程两台机组的取水量为102.00 m3/s，取排水温差为10℃，即排水水温等于取水水温加10℃。

2.2 潮流特征

田湾核电站所属的连云港海域受黄海旋转潮波和东海前进潮波的交会作用（见图1），多年平均潮差为3.69 m，受旋转流和苏北沿岸流的作用，该海域潮流特征较复杂。根据2010年冬季在田湾核电站及其附近海域观测资料的分析得到（见图2），该海域各测站大潮期间实测流速基本小于100 cm/s，最大流速出现在测流表层的TW06测站，约80 cm/s左右，为旋转流。位于排水口附近的TW32和TW53受到岸线影响，为往复流，流速较小，仅为40 cm/s左右。从表1可以看出，落潮流速普遍比涨潮流速小，该海域为涨潮优势流。

3 温排水数值模型

3.1 三维无结构网格水动力数值模式FVCOM简介

FVCOM是一套基于有限体积法的三维无结构网格数值模式[9-10]。它的网格采用来自有限元法的无结构网格，易于拟合岸界和局部加密，而其采用的有限体积法则有离散简洁、守恒性好等优点。使用FVCOM对田湾核电站海域计算，网格可方便地在电厂附近局部加密，使得细致刻画温升的扩散范围成为可能。模式分内外模，内模时间步长较大，计算三维温度、盐度和流速，外模时间步长较小，计算垂向平均二维流速和水位。时间上采用4阶-荣格库塔法。模式整合了Mellor-Yamada的2.5阶湍流闭合模型。物质输运平流项（包括温度、盐度的平流项）则采用MPDATA方法求解。具体控制方程详见FVCOM用户手册。

表1 研究海域冬季大潮期间各测站实测最大流速单位/（cm/s；/°）

3.2 热通量计算方法

海表面和水体内部存在热通量交换，所以需要确定海表面热通量的计算方案，水体内部的热通量可由海表面辐射推得。如果海表面热通量系数采用常数或时间序列插值，那将不能即时反应水温局部变化对热通量变化的影响，无法体现海表高温水体对大气的加速散热。FVCOM程序默认的热通量计算方法是给出常数或时间序列插值，所以在此替换了原有的热通量计算方法，新的方法参考了叶乐安和李凤岐的《物理海洋学》中介绍的热通量计算方法[11]。

海表面热通量为：

Qθ=Qs-Qb-Qe-Qh(w/m2)，即单位为焦耳每秒每平方米。其中，Qθ海水吸收的净热能,Qs通过海面进入水体的辐射能,Qb有效回辐射,Qe海水蒸发消耗的热能（潜热）,Qh水气之间的显热交换的热能（感热）。其中在计算Qs时，晴空时到达海面的总辐射Qs0通过随时间变化的日地订正距离和太阳高度角计算得到，考虑了昼夜和季节变化。

热通量计算方法中，用到了相对湿度、气温等参数，这些参数根据田湾核电站附近海域历史实测资料设定[12]。厂址所在区域为南温带半湿润季风气候区，年平均气温为14.3℃，以8月份最高，平均为26.8℃，以1月份最低，为1.1℃。年平均湿度为69%，以7月份最高，平均为83%，12月份最低，平均为61%。根据这些资料，模式热通量系数中气温冬季取2，夏季取27；相对湿度冬季取65%，夏季取85%。

3.3 模式设置及试验配置

模式垂向分为均匀的6层。网格在田湾电厂海域附近作了局部加密（见图3，4），最小网格的边长约20 m。

模式的外模时间步长设为0.1 s，内模时间步长设为1 s。外海开边界给出了16个分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MU2、NU2、T2、L2、2N2、J1、M1、OO1）的调和常数以计算开边界水位。

在电厂排水口位置（见图5）设置径流以考虑底层温排水，同时在取水口设置与排水等量的底层取水。由于连云港海域温盐水平变化较小，这里温盐初始场取为均值。选取冬季和夏季作为特征季节进行有、无温排放两种情况进行模拟计算，将计算后温度场直接相减，得到海域电厂温排水排放后造成的海域温升。具体参数设置详见表2。

图3 模式的网格图

图4 田湾核电站海域的网格

表2 数值试验基本设置表

3.4 模型验证

采用2010年12月21—22日（大潮）期间的海流观测数据进行模式的验证。图5分别给出了三个测站的表、底流速流向的计算值和实测值的比对情况，可见模型计算值与实测值趋势基本一致。此外，利用车牛山测站（2010年12月15—18日和2010年12月21—24日）、连云港测站（2010年12月15—25日）的潮位资料进行水位验证（见图6—8）。通过大小潮实测资料的验证，模型计算值与实测值基本一致。

实测水温资料采用2011年7月2—3日（大潮）和7月7—8日（小潮）tw32和tw53测站水温的实测数据。验证结果显示：模拟的温度在潮周期里面均有高低变化，模式计算的温度与实际温度趋势一致，表明热通量的计算是有效的（见图9）。

4 温升模拟结果

利用验证后的三维无结构网格FVCOM数值模式，分别对冬季和夏季进行了模拟，得到典型时刻的温升分布图。

图5 测站的大潮表底层流速流向对比（单位/d）

图6 水位验证点位置

4.1 冬季

图10是计算海域冬季大潮温升分布图。可以发现，涨急时刻，高温水从排水口分别向南北两支扩散，南支的温升较高，4℃温升等值线以逆时针向北延伸，中心温升值可达6—8℃，小于实际的排水温升。由于关注海域水深较浅，仅为5 m以下，表底层的形态相似，但表层影响范围大于底层。温升分布与流场特征紧密相关，根据流场分布图（见图11）看出，涨潮期间，涨潮流自东向西涌入本海区，潮流有沿近岸自东南向西北方向运动的趋势；在排水口处有一明显流速较大的出流区，但排水口周围区域流速较小，仅为20—30 cm/s，且流场成逆时针向往北流。这表明从排水口出来的高温水首先沿岸向南流，其后随着涨潮流的顶托作用，温升场向东北方向移动，呈逆时针旋转的扩散场，然而在排水口东南向有一相对温升低值，可能该区域是受转流影响。

图7 车牛山测站水位验证

图8 连云港测站水位验证

图9 测站大小潮期间表层温度验证结果（点为实测，线为计算）

从落急流场来看，落潮流呈自北向南运动，并逐渐调整为西北至东南向流动，落潮流速沿岸向外逐渐增大，因此整个温升区域在落潮流的带动下，到达很远，其中2℃等温线几乎与岸平行。在排水口的东北侧仍留有涨潮时残留的高温水。

经过温升距离计算和面积统计，大潮涨急时刻的温升面积最大，1℃温升面积为54 km2，温排水扩散距离可达15.5 km，表层面积大于底层，但是扩散距离表底层相差不大。小潮落急时刻的扩散面积最小，1℃温升面积为7.6 km2，扩散距离为9.6 km。表3、表4给出了大潮平均的温升距离和面积统计。

表3 冬季大潮平均的温升距离统计表(单位/km)

表4 冬季大潮平均的温升面积统计表（单位/km2）

图10 冬季大潮期间涨落急温升平面分布

图11 冬季大潮期间涨落急流场平面分布

图12 夏季大潮期间涨落急温升平面分布

图13 夏季大潮期间涨落急流场平面分布

4.2 夏季

在排水口区域高温水分别向南北扩展，涨急时刻（见图12）南部的温度等值线以逆时针向东北方向扩展，中心温升值超过6℃，从温升距离和面积统计（见表5、表6）来看，表层的扩散范围明显大于底层，海洲湾内受温排放影响，水温维持高值。与冬季形态相似的是，从排水口出来的温升场有一个逆时针旋转的扩散；落潮时整个高温水沿岸向两边流动，南边沿岸的扩展范围比较远（见图13）。

从大潮平均温升平面图和面积统计表来看，各温升值的扩散距离表底层差距不大，但是温升面积相差较大，表层温升面积远大于中底层。其中表层1℃温升值面积可达36.54 km2，2℃温升值面积可达15.62 km2，3℃温升值面积可达7.48 km2，4℃温升值面积可达3.87 km2。

可以看出，夏季由于本底温度较高，热交换均匀。整体的温升扩散距离和面积比冬季来得大。

表5 夏季大潮平均的温升距离统计表(单位/km)

表6 夏季大潮平均的温升面积统计表（单位/km2）

5 结论

通过采用三维FVCOM数值模式，考虑海表面热通量计算方法，本文对田湾核电站一期工程的温排水造成的温升在冬季和夏季分别进行了模拟，主要得到以下结论：

（1）利用海气热界面平衡方程，综合考虑太阳辐射、海面有效回辐射、潜热通量和感热通量，在模型中嵌入块体公式计算感热和潜热通量，对在温排水影响下田湾的温度场进行了数值模拟。模型结果表明：考虑了海气界面的热通量的模型结果能比较真实反映海域温度；

（2）从涨落潮模拟结果得出：涨潮期间，从排水口出来的高温水首先沿岸向南流，其后随着涨潮流的顶托作用，温升场向东北方向移动。受旋转流的影响，从排水口排出的高温水有一个呈逆时针旋转的扩散场。落潮期间，整个高温水沿岸向南扩展范围比较远；

（3）冬、夏季各温升值的扩散最远距离表底层差距不大，但是温升面积相差较大，表层温升面积远大于中底。温升面积最大值出现在大潮的涨急时刻，最小值出现在小潮的落急时刻；

（4）在同等温排水量的情况下，夏季温升面积和温升距离大于冬季，这是由于夏季本底温度较高，热交换均匀的原因。

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