长江河口石洞口水域电厂温排水输运扩散观测和分析

张沈裕， 朱建荣

（1.华能上海石洞口第一电厂，上海　200942；2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海　200062）

长江河口石洞口水域电厂温排水输运扩散观测和分析

张沈裕1， 朱建荣2

（1.华能上海石洞口第一电厂，上海200942；2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062）

本文基于2014年11月23日至12月2日观测资料，分析石洞口附近水域电厂温排水输运扩散.在大潮期间，从水温纵向断面分布看由电厂排放的温排水明显，落潮时段最大温升4.1oC，涨潮时段最大温升达到5.1oC；仅在排水口附近水温出现分层现象，其他地方因潮流的强烈混合作用，水温垂向分布趋于均匀.从水温和温升平面分布看，在落潮时段沿岸水温高，离岸水温低，在华能石洞口电厂排水口附近温升最大量值达到4.0oC，温排水在落潮流和科氏力作用下沿岸向下游输运扩散.在涨潮时段石洞口附近高温水相比于落潮时段偏向上游，离岸范围大，温升最大值达到4.2oC.从定点连续测点的流速、流向和水温随时间变化看，若测点位于电厂上游涨潮期间水温上升，若测点位于电厂下游落潮期间水温上升，水温受附近电厂温排水影响.测点离电厂排水口越近温升越高、垂向变化越明显.小潮期间，由于寒潮过境，因表面失热，水温比大潮期间低，最大水温出现在电厂排水口附近水体中层.温升的分布特征与大潮期间类似，最大量值达到5.0oC，比大潮期间高了0.8oC，原因在于小潮期间潮流和潮混合较小，温排水口高温水不易向外输运扩散.

温排水；输运扩散；现场观测；长江河口

0　引　言

电厂发电机组运行，需要冷却水降温发电机组.冷却水一般取自河流和海水，冷却机组后水温上升，随后排入河流和海洋，称之为温排水.温排水温升一般在7～10℃，会对附近水域带来热污染，尤其是对排水口附近敏感水域，如湿地保护区和水库取水口.温排水的输运扩散与水流、混合以及与大气的热交换密切相关，涉及物质输运扩散的动力过程和热力过程，对此开展研究具有科学意义.电厂取水口一般与排水口较近，若取水口与排水口位置布设不当，会造成排水口温排水输运扩散至取水口，造成取水口水温上升.冷却用水温度每升高2℃，机组效率要降低1%.因此，研究温排水的输运扩散还具有重要的应用意义.

研究温排水输运扩散主要有两种方法，现场观测和数值模拟.现场观测可获得第一手资料，直接了解温排水输运扩散情况，同时可为数值模式验证提供资料.数值模拟可针对不同工况预测电厂建成或扩建后温排水输运扩散，研究工作具有经济和快速的优点.国外从20世纪40年代开始就有关电厂温排水输运扩散做过调查和研究.1968年英国学者Harleman等人针对T.V.A.Browns Ferry核电厂进行了稳定流态和非稳定流态下电厂温排水扩散规律的研究［1］.McGuirk和Rodi最早采用深度平均形式的k-ε紊流模型计算温排水岸边排放近区的温度分布［2］.之后随着计算机的发展，国外学者对温排水输运扩散进行了数值计算及对环境影响作了深入研究［3-6］.国内学者从20世纪80年代开始着手温排水研究，采用现场观测和不同的数值模式，对众多电厂温排水作了数值计算和分析.数值模式大都采用垂向二维平均模式［7-10］，少量的采用三维模式［11-13］.

长江河口石洞口附近电厂有华能上海石洞口第一电厂、华能上海石洞口第二电厂、华能石洞口燃机电厂，浦钢CCPP电厂和宝钢电厂（见图1），各电厂装机容量及取排水工程参数见表1.华能上海石洞口第一电厂高效机组改建工程是将现有的发电机组（一期）改建为更为高效的超临界燃煤发电机组（二期）.华能上海石洞口第一电厂现有装机容量4× 325 MW，取排水流量4×13.6 m3/s，凝汽器循环水温升9°C.改建的规划二期装机容量2× 660 MW，取排水流量2×19.5 m3/s，凝汽器循环水温升9°C.针对石洞口附近电厂温排水输运扩散，需要开展现场观测和数值模拟.本文给出2014年11月23日至12月2日在石洞口附近水域的现场观测和资料分析.

图1　长江河口石洞口附近电厂分布Fig.1　Positions of the power plants near Shidongkou area in the Changjiang Estuary

表1　石洞口附近电厂装机容量及取排水参数Tab.1　Installed capacities and intake and drainage water parameters of the power plants near Shidongkou area

1　现场观测

图2　四船沿纵断面A、B、C和D同步走航观测测点位置Fig.2　Cruse measurement sites carried out synchronously by 4 ships along the A，B，C and D longitudinal sections

图3　石洞口电厂排水口附近水域汽艇走航测站位置Fig.3　Cruse measurement sites carried out by a motorboat along the coast near the power plants

图4　定点连续观测测点位置Fig.4　Continuous measurement sites by the anchored ships

受华能上海石洞口第一电厂委托，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室于2014年11月24—27日大潮期间和11月30日至12月2日小潮期间开展石洞口附近水域温排水输运扩散观测.观测分纵断面走航（见图2和图3）和定点连续观测（见图4），在石洞口附近水域栈桥和码头众多，一般水温测量船不能从栈桥下面通过，故采用小汽艇测量.四条水文测量船同步走航，分别沿纵观测A、B、C和D作涨潮和落潮测量.走航测量结束后，作定点连续观测，一条船作2个定点观测，每测点连续27 h.应用ADCP、OBS和CTD测量仪器，测量流速、流向、水温、盐度和浊度.

2　资料分析

2.1径流量和气象参数

大通实测径流量在11月11日为28 000 m3/s，之后逐渐下降，到大潮观测开始日期24日约为19 000 m3/s，至大潮观测结束日期26日约为17 500 m3/s（见图5）.小潮观测期间径流量在17 500～18 800 m3/s.与多年月平均的径流量相比，本次观测期间的径流量偏低.

图5　长江大通实测径流量随时间变化Fig.5　Temporal variation of the river discharge at Datong station

在崇明东滩河口海岸学国家重点实验室设有气象观测站.观测期间长江口的风况为偏北风，大潮期间风速大于8 m/s的时间近4 h，小潮期间超过1 d.气温具有明显的日变化，大潮观测期间气温在9.5—19.0oC.小潮观测期间遇到寒潮，气温下降显著，最低气温仅为1.0oC.气压在1 020 Pa上下波动，寒潮过境时上升至1 030 Pa.相对比湿在30～100之间变化，寒潮过境时相对比湿显著下降.

2.2流速和水温走航纵向剖面分布

本文重点分析大潮期间温排水输运扩散，由于本次观测期间盐度很小，在0.2 psu以下，并且空间分布较均匀，故不给出和分析盐度的分布和变化.

沿纵断面A，落潮时段流速和水温分布见图6，横坐标为距离，从该断面测点1起算，轴上的三角形为测点，注有测站号.于24日早上5：57时刻开始在测点1测量，至8：54时刻到达测点19，结束落潮走航断面观测.在测站1，处于落潮流，流速达到1.2 m/s，至测点17—19，尽管仍处于落潮流状态，但流速已很小，整个纵断面观测均处于落潮流状态.石洞口附近电厂位于测点4—7之间，观测期间未见到高温水，原因在于受栈桥和码头阻隔，测量船离岸较远.在断面的下游，出现了明显的高温水，表层最高水温达到18.0oC，比上游的17oC高了1.0oC，这是由于该处的外高桥发电厂排放的温排水所致.在外高桥电厂附近，水温垂向分层明显，其它地方因强烈的潮混合作用，水温垂向分布均匀.

涨潮时段流速和水温分布见图7，在测点19于10：22开始开测，涨潮流速约为0.5 m/s，于13：28时刻至测点1结束时涨潮流速约为1 m/s，整个纵断面观测均处于涨潮流状态.走航观测是从刚涨潮时进行的，是处于落憩后转涨潮流开始的，故1号测点流速小，随着走航观测进行，船至8—16测点，潮流为涨急时刻，故该这几个测点处涨潮流速最大，走航至19号测站潮流将处于涨憩前，故流速变小.在下游的测点17—19，出现高温水，表层最高温度达到18. 0oC，同样是由外高桥电厂温排水造成的.在测点3，出现相对较高的水温，温度达到17.1oC.

图6　大潮落潮时段沿纵断面A流速、水温走航剖面分布Fig.6　Profile distributions of current speed and water temperature along longitudinal section A during ebb in spring tide

图7　大潮涨潮时段沿纵断面A流速、水温走航剖面分布Fig.7　Profile distributions of current speed and water temperature along longitudinal section A during flood in spring tide

沿石洞口电厂附近江岸，由汽艇测量的水温沿纵断面分布见图8.石洞口附近电厂位于测点10—12之间，落潮时段由电厂排放的高温水明显，表层最高水温达到了20.8oC，比外侧航道最低水温（16.7oC）高了4.1oC，显然是由石洞口华能第一和第二电厂温排水排放所致.涨潮时段最高水温位于测点4—7之间，表层最高水温达到了21.8oC，比周围水域水温高了5.1oC，主要是由华能石洞口发电厂排放造成的.从近岸汽艇测量的纵断面水温分布看，仅在排水口附近水温出现分层现象，其它地方因潮流的强烈混合作用，水温垂向分布趋于均匀.

图8　大潮落潮时段（上）和涨潮期间（下）沿石洞口近岸纵断面水温剖面分布Fig.8　Profile distributions of water temperature along the coast near Shidongkou during ebb（upper）and flood（lower）in spring tide

2.3水温和温升走航平面分布

本节给出船只走航观测水域内水温和温升的平面分布，各层温升由测点水温减去该层的最低水温.在0 m层，大潮期间落潮时段水温表现为沿岸水温高，离岸水温低，在华能石洞口电厂排水口附近水温高达20.8oC，温排水在落潮流和科氏力作用下沿岸向下游输运扩散（见图9）.温升在石洞口电厂附近最为显著，最大量值达到4.0oC，外高桥外侧也出现温升较明显的区域，这是由外高桥电厂温排水造成的（见图10）.对陈行水库水源区，最大温升达到了1.2oC.在大潮涨潮时段，石洞口附近高温水比落潮时段偏向上游，最高水温达到21oC，并且范围大，温升最大值达到4.2oC.对陈行水库水源区，最大温升达到2.0oC.

2 m、4 m、6 m、8 m和10 m层大潮落潮时段和涨潮时段水温和温升分布特征仍与0 m层一致，在石洞口电厂附近水温和温升较高，随着水深增加而下降.在下游出现高温水，是由外高桥电厂温排水所致.对陈行水库水源区，随着水深增加，影响逐渐减小，最大温升小于0.6oC.

图9　大潮落潮时段（上）和涨潮时段（下）0 m层水温分布Fig.9　Distributions of water temperature at 0 m layer during ebb（upper）and flood（lower）in spring tide

图10　大潮落潮时段（上）和涨潮时段（下）0 m层温升分布Fig.10　Distributions of water temperature rise at 0 m layer during ebb（upper）and flood（lower）in spring tide

2.4定点连续测站流速、流向和水温随时间变化

定点连续测站流速、流向和水温随时间变化图中横坐标为观测时刻，其基准时刻为该测点测量当天的0点，按从上到下的顺序分别为流速、流向和水温，红线代表表层，绿线代表中层，蓝线代表底层.定点连续观测测点2位于浦钢电厂与华能上海石洞口第二电厂排水口之间，最大涨潮流速0.66 cm/s，最大落潮流速0.68 cm/s，落潮和涨潮流速垂向变化不显著（见图11）.涨潮历时约为5.5 h，落潮历时约为7.5 h，落潮历时大于涨潮历时.测点水温在落潮期间变化不大，垂向分层不明显，受大气降温，表层水温略小于底层水温，量值在17.0oC上下波动.在涨潮期间，表层和中层水温明显升高，表层最大值达到19.6oC，与南支航道背景水温16.8oC比，温升达到2.8oC.因华能石洞口电厂位于该测点上游，明显是由电厂温排水随涨潮流带来的.

图11　在连续观测点2流速（上）、流向（中）和水温（下）随时间变化Fig.11　Temporal variations of current speed（upper），direction（middle）and water temperature（lower）at continues measured site 2

定点连续观测测点5位于华能上海石洞口第一电厂和宝钢电厂之间，接近宝钢电厂排水口附近上游.最大涨潮流速1.45 cm/s，最大落潮流速0.95 cm/s，最大涨潮流速大于最大落潮流速，落潮和涨潮流速垂向变化较显著（见图12）.落潮历时大于涨潮历时.测点水温高值出现在涨潮期间，表层最大量值达到19.6oC，温升达到2.8oC，对应时刻垂向分层明显，在其他时段垂向分层不明显，量值在17.5oC上下波动，温升0.8oC.在涨潮期间，表层水温明显升高，因宝钢电厂位于该测点下游，说明高温水主要是由该电厂温排水随涨潮流带来的.

图12　在连续观测点5流速（上）、流向（中）和水温（下）随时间变化Fig.12　Temporal variations of current speed（upper），direction（middle）and water temperature（lower）at continues measured site 5

3　结论

长江河口石洞口附近有较多的电厂，总的温排水流量达到218.3 m3/s，温升9°C.本文基于2014年11月23日至12月2日在石洞口附近水域的走航和定点流速、流向和水温观测资料，分析温排水的输运扩散情况.观测期间大通径流量在18 000 m3/s左右，与多年月平均径流量相比偏低，风况为偏北风.从大潮期间水温纵向断面分布看，沿码头外侧的纵断面，断面下游外高桥电厂附近出现明显的高温水，温升约为1.2oC，是由外高桥发电厂排放的温排水所致.沿石洞口电厂排水口附近纵断面，由电厂排放的温排水明显，落潮时段最大温升4.1oC，涨潮时段温升达到5.1oC，仅在排水口附近水温出现分层现象，其它地方因潮流的强烈混合作用，水温垂向分布趋于均匀.从大潮期间水温和温升表层平面分布看，在落潮时段水温表现为沿岸水温高，离岸水温低，在华能石洞口电厂排水口附近水温高达20.8oC，温排水在落潮流和科氏力作用下沿岸向下游输运扩散.温升在石洞口电厂附近最为显著，最大量值达到4.0oC.对陈行水库水源保护区，最大温升达到了1.2oC.在涨潮时段石洞口附近高温水比落潮时段偏向上游，最高水温达到21oC，并且离岸范围大，温升最大值达到4.2oC.对陈行水库水源区，最大温升达到2.0oC.从大潮期间定点连续测点的流速、流向和水温随时间变化看，若测点位于电厂上游涨潮期间水温上升，若测点位于电厂下游落潮期间水温上升，水温受附近电厂温排水影响，测点离电厂排水口越近温升越高、垂向变化越明显.

小潮期间，由于寒潮过境，因表面失热，水温下降，最大水温出现在电厂排水口水体中层.温升的分布特征与大潮期间类似，最大量值达到5.0oC，比大潮期间高了0.8oC，原因在于小潮期间潮流和潮混合较小，温排水口高温水不易向外输运扩散.

［1］HARLEMAN D R F，HALL L C.Thermal diffusion of condenser water in a river during steady and unsteady flows with application to the T.V.A.Browns Ferry nuclear power plant［J］.Hydrodynamics Laboratory Report，1968（3）：98-115.

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（责任编辑：李万会）

Observation and analyses of transport and diffusion of warm discharge water from the power plants near Shidongkou in the Changjiang Estuary

ZHANG Shen-yu1， ZHU Jian-rong2
（1.The First Power Plant of Huaneng Shanghai Shidongkou，Shanghai 200942，China；2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

The transport and diffusion of warm discharge water from the power plants near Shidongkou in the Changjiang Estuary were analyzed based on the observation data from November 23 to December 2 in 2014.During the spring tide，in terms of the longitudinal distribution of water temperature，warm discharge water from the power plants was evident，and had the maximum water temperature rise of 4.1oC in ebb tide，and of 5.1oC in flood tide；water temperature was stratification only near the discharge port，and trended to vertical uniform in other area due to strong mixing induced by tidal current.In terms of horizontal distribution of water temperature and water temperature rise，water temperature was higher along the coast and lower away from the coast，and reached the maximum value of 4. 0oC near the discharge ports of Huaneng Shidongkou power plants during the ebb tide.The warm discharge water was transported and diffused downstream along the coast forced by the ebb current and Coriolis force.Compared during ebb tide，the higher temperature water near the Shidongkou move upstream and farer away the coast during flood tide，the maximum water temperature rise reached to 4. 2oC.In terms of current speed and direction，water temperature measured at the continuous sites，water temperature rise during flood tide if the measured sites located in the upper reaches of the power plant，and descend during ebb tide if the measured sites located in the lower reaches of the power plant，was influenced distinctly by the near warm discharge water from the power plants.The more the measured site closer to discharge port of power plant，the higher the water temperature was，and the more obvious the vertical variation was.During the neap tide，water temperature was lower than during spring tide due to the passage of the cold front and heat loss at the river surface，the maximum water temperature near the power plant appeared at the middle water layer.The distribution characteristic of warm water rise was similar to the one during spring tide.The maximum warm water rise reached to 5. 0oC which was higher 0.8oC than the one during spring tide because the tidal current and mixing was weaker during neap tide，and the higher temperature water near the warm water discharge port was not easy to be outward transport and diffusion.

warm discharge water； transport and diffusion； field observation； Changjiang Estuary

Q948

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2016.02.013

1000-5641（2016）02-0101-11

2015-03

张沈裕，女，工程师，从事火电厂土木、水工专业工作.E-mail：wish_for_lz@163.com.

朱建荣，男，教授，博士生导师，从事河口海洋学研究.E-mail：jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn.