舟山海域LNG码头工程冷排放数值模拟研究

姚姗姗，解鸣晓，赵洪波

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

舟山海域LNG码头工程冷排放数值模拟研究

姚姗姗，解鸣晓，赵洪波

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

以舟山LNG码头工程为背景，建立基于水动力及对流-扩散方程的二维潮流及温度扩散数学模型，模拟了舟山LNG码头取排水工程由冷排放所致的温度扩散，统计了不同温降包络面积，重点分析了冷排放对周边保护区的影响。结果表明，取排水工程建设后，冷排放主要集中在排水口附近，温降≥1.0℃的扩散面积在0.1 km2，温降≥4°C的扩散面积不足0.01 km2；温度扩散对东海带鱼保护区边界局部略有影响，温降值约0.5℃，影响距离在100 m内。

环境影响；取排水工程；数学模型；温度扩散

舟山国际航运船舶液化天然气（LNG）码头位于中国浙江省舟山市舟山本岛北岸，工程配套建设取、排水设施。舟山海域分布着多个国家级海洋保护区，不管是对渔业水产养殖还是环境资源保护，水环境和水质在该区域都是非常重要的。因此本文对LNG码头取排水工程实施后的水动力及温度扩散进行了模拟研究，重点分析了冷排放对周边保护区的影响，研究采用了数学模型的技术手段，通过计算分析冷排放导致的温度扩散范围评价工程影响，结论可为有关部门决策提供服务。

1 自然条件及计算工况

图1中示意了工程所在地理区位。本工程位于舟山本岛北岸牛头山与梁横山北侧及东侧岸段，属典型岛群地貌［1］，潮汐为不规则半日混合潮，平均潮差2.24 m，受周边岛礁及临近围垦工程影响，潮流流态较为复杂，以往复流为主，涨潮偏NNW向，落潮偏SSE向。工程区附近涨、落潮平均流速介于0.17～0.66 m/s，且有显著回流生成。工程区地处淤积粉沙质海岸，正常天气大潮含沙量在0.4～0.8 kg/m3，该处水深优良，岸滩地貌长期保持了基本稳定、略有冲刷的状态［2-3］。舟山海区夏季平均水温为17.5℃～27.6℃，冬季平均水温约为13.1℃～15.1℃［4］。本次施测期间，工程区水温在21.6℃～21.9℃。

图1 拟建工程海区形势Fig.1 Project location of Zhoushan LNG wharf

图2 工程平面布置图Fig.2 Layout of Zhoushan LNG wharf project

舟山LNG码头工程共建设三座码头，包括两座位于北三堤的26.6万m3LNG码头以及一座位于梁横山东侧的滚装船码头，与码头配套建设的取、排水工程，分期建设最大用水量为64 800 m3/h，其中取水口由两条输送管道由外侧取水，管道长约150 m，排水口设置在近岸排放，温度降低值为5℃，工程布置如图2所示。

2 水动力及温度扩散数值模拟

2.1 模拟理论

潮流计算采用Mike21-HD系列软件中的三角形网格水动力模块（FM模块）。水动力控制方程采用经Navier⁃Stokes方程沿深积分的二维浅水方程组，基本方程形式见式（1）至式（3）。

式中：h为总水深；x，y分别表示横轴和纵轴坐标；t为时间；g为重力加速度；u和v分别为流速；f为科氏力系数；ρ为水体密度；Ex和Ey分别为x，y方向的水平紊动粘性系数；τbx、τby分别为床面剪切力在x、y方向分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy为波浪辐射应力的各向分量，本研究暂不考虑波浪影响。

式中：C为Strickler系数，本次研究中取C=60。水平涡粘性系数E采用Smagorinsky亚网格尺度模型求解。控制方程采用有限体积法显式求解，并采用干湿网格判断法对露滩进现象模拟。模拟采用多尺度模型嵌套手段，大模型为整个东中国海模型；局部模型北边界至南汇嘴附近，南边界至象山港附近，东至60 m等深线附近，如图1所示。大模型开边界潮位过程线由中国海洋大学研发的中国近海潮汐预测程序（ChinaTide）提供，局部模型开边界所需潮位由大范围模型提供。

温度扩散的二维数学模型，基本原理为二维对流扩散方程，见式（5）

式中：Dh为水平扩散系数，与涡粘系数有关，，其中σT为Prandtl数。

二维水动力数学模型采用2010年10月全潮水文测验数据对工程海域潮位、流速流向进行了验证，为节省篇幅，模型验证过程所遵循的规程及验证结果见参考文献［5-6］。

2.2 水动力模拟

潮流动力是影响温度扩散的主要动力，因此在计算温度扩散之前，首先对工程后的潮流场进行了模拟，图3～图4给出了大潮条件下，工程海域大范围及取排水口局部表层的涨、落急流场矢量图。工程海域流态较为复杂，无论是北三堤，还是梁横山，均有回流生成，前者为逆时针，后者为顺时针，呈椭圆形分布，最长可持续整个全潮过程。取排水工程实施后，排水口局部呈现明显出流，取水口采用泵房伸出外海取水，背景潮流流速较大，该处流态无明显变化。经计算，两种工况下排水口流速基本介于0.8～1.5 m/s，但流速仅在局部略有增加，影响距离在50 m以内，不足栈桥长度的1/3。因此从潮流角度来看，取排水口对周边影响距离十分有限，对大范围流态基本无影响。

2.3 温度扩散模拟

在水动力模拟的基础上，进一步分析了冷排放导致的温度扩散对周边保护区的影响。考虑到冷排水自初排至最终稳定需一定时间，从而在模拟中考虑实际大、中、小潮连续作用，持续计算30 d。经分析，15 d连续潮作用下温度扩散已基本达到稳定。图5给出了舟山海域周边保护区示意图，图6则给出了连续运转至稳定状态下的最大温降包络范围。可见：

图3 工程后大范围涨、落急流场矢量图Fig.3 Tidal current field vector of maximum flood and ebb in a large area near project

图4 工程后取排水口局部涨、落急流场矢量图Fig.4 Tidal current field vector of maximum flood and ebb in a local area near water intake and outlet

图5 舟山海域大范围及工程区周边保护区示意图Fig.5 Sketch of natural resources reserve in Zhoushan waters

（1）取排水工程实施后，由于排水口位于北三堤段且近岸排放，受该处回流影响，冷排放导致的温度扩散呈窄条状分布，主要自排水口向东西两侧顺岸对流、扩散，南北向扩散距离较短，梁横山东侧虽然也存在大范围的回流，但大、小麦秆礁及周边岛屿的存在一定程度上抑制了冷水向取水口处扩散。

（2）温度扩散的范围，最大温降≥1℃的扩散面积均在0.1 km2左右，温降≥4℃的扩散面积不足0.01 km2；排水口处最大温降可达4℃以上，取水口处最大温降不足0.5℃（表1）。

（3）总的来说，由冷排放导致的温度扩散主要集中在排水口附近区域，其最远的扩散距离及影响水域面积均不大，温度扩散对东海带鱼保护区边界局部略有影响，但温降值在0.5℃左右，影响距离在100 m内。因此从冷排放温度扩散角度认为，LNG码头取排水工程的实施，对周边水环境影响较小，对临近保护区基本无影响。

3 结论

本文在对舟山海域自然条件进行分析的基础上，采用经验证的潮流数学模型以及温度扩散二维数学模型，选取最大取排水量作为计算工况，计算了舟山LNG码头取排水工程建成后，冷排放所致的温度扩散情况，研究暂不考虑波浪影响，统计了不同温降的包络面积，重点分析了冷排放对舟山海域周边保护区的影响，为本项目环评工作提供了相关参数和依据，得到以下主要结论：

（1）工程海区潮汐属不正规半日混合潮，潮流运动以往复流为主，拟建码头海域流态复杂，无论是北三堤一侧码头还是梁横山一侧码头，均不同程度地受到回流影响，回流历时最长可持续整个全潮过程。工程区水深条件优良，目前岸滩地貌处于基本稳定、略有冲刷的状态。

（2）取水口水域潮流流速和水深均较大，该处潮流无明显变化。排水口处呈现明显出流，但流速仅在局部略有增加，影响最远距离在50 m以内，不足栈桥长度的三分之一。因此从潮流角度认为，取排水工程实施对周边影响距离十分有限，对大范围流态基本无影响。

（3）冷排放导致的温度扩散呈窄条状分布，主要自排水口向东西两侧顺岸对流、扩散，南北向扩散距离较短，最大温降≥1.0℃的扩散面积在0.1 km2左右，温降≥4°C的扩散面积不足0.01 km2。总的来说，由冷排放导致的温度扩散主要集中在排水口附近区域，其最远的扩散距离及影响水域面积均不大，温度扩散对东海带鱼保护区边界局部略有影响，但温降值在0.5℃左右，影响距离不足100 m。因此从冷排放温度扩散角度认为，LNG码头取排水工程的实施，对周边水环境影响较小，对临近保护区基本无影响。

［1］中国海湾志编纂委员会.中国海湾志（第五分册）［M］.北京：海洋出版社，1992.

［2］杨金中，赵玉灵.浙江东部穿山半岛岸线及潮滩演变的遥感调查［J］.国土资源遥感，2004（1）：122-128. YANG J Z，ZHAO Y L.Remote sensing investigation of peninsula coast in eastern Zhejiang［J］.Land and Resources Remote Sens⁃ing，2004（1）：122-128.

［3］黄世昌，张舒羽，余炯.杭州湾灰鳖洋海域海床演变趋势研究［J］.泥沙研究，2005（1）：196-202. HUANG S C，ZHANG S Y，YU J.Study on the seabed evolution trend of Huibie sea area in Hangzhou Bay［J］.Sediment Research，2005（1）：196-202.

表1 不同取排水流量下温降扩散最大包络面积统计Tab.1 Envelope area statistics for the maximum temperature reduction diffusion

图6 取排水口工程冷排放最大温降包络范围图Fig.6 Envelope of the maximum temperature reduction

［4］侯伟芬，俞成根，陈小庆.舟山渔场的水温分布特征分析［J］.宁波大学学报（理工版），2013，26（3）：31-34. HOU W F，YU C G，CHEN X Q.Temperature distribution in Zhoushan Fishing Ground［J］.Journal of Ningbo University（NSEE），2013，26（3）：31-34.

［5］JTS/T 231-2-2010，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程［S］.

［6］交通运输部天津水运工程科学研究院.浙江舟山国际航运船舶液化天然气（LNG）加注站试点项目冷排水数学模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究院，2013.

Numerical study on cold water emission for LNG project in Zhoushan sea area

YAO Shan⁃shan,XIE Ming⁃xiao,ZHAO Hong⁃bo
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Taking Zhoushan LNG wharf project as background,based on the hydrodynamics and advection⁃dif⁃fusion equation,a 2⁃D numerical model for tidal current and temperature diffusion was set up,using this model to simulate the temperature diffusion range caused by the cold water emission after the intake⁃outlet project,then make statistics on the envelopes of different temperature reduction,emphatically analyze the influence on the envi⁃ronmental reserves nearby.Research results show that after the construction of the LNG project,cold water emission is mainly concentrated around the outlet.The diffusion area with temperature reduction more than 1.0℃is about 0.1 km2,and it is less than 0.01 km2when the temperature reduction is more than 4℃.Therefore,although the tem⁃perature diffusion slightly affected the local area at the border of the East China Sea Hairtail Reserve,temperature decreased only 0.5℃,and the influence distance is within 100 m.

environmental influence;intake⁃outlet project;numerical model;temperature diffusion

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0264-05

2015-06-01；

2015-08-07

姚姗姗（1987-），女，天津市人，工程师，主要从事河口、海岸及近海工程研究。

Biography：YAO Shan⁃shan（1987-），female，engineer.