温排水对水环境影响的数值模拟

姚姗姗，张 鹏， 张 娜

(1.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; 2.中交天航港湾建设工程有限公司,天津 300450)

近年来随着沿海核电站、火电站的兴建、大量温排水涌入近岸水域，使得海洋热污染问题逐渐突出。集中排放的冷却水，不仅会使周围的水体升温，造成热富集，还会影响水质，进而对水体生态环境带来巨大影响，由于温排水会使得取水口同步升温，排放口位置的选择也将大大影响机组效率[1-3]。从20世纪80年代初，国内许多学者开始进行温排水的模拟研究。李燕初[4]年采用ADI差分方法，对篙屿电厂的温排水对附近海域影响进行了数值模拟；华祖林等[5]对长江口两座大型电厂的温排水进行了数值和物模研究，预测了温排水影响范围及温升分布；刘海成等[6]应用Mike21-FM模块，考虑了洋流和季风等长周期动力因素，研究了印尼亚齐电厂温排水在长周期动力条件下的扩散规律；严冰等[7]采用非结构网格，比选了不同取、排水口位置对温排水范围和取水温升的影响。

本文以华电湛江煤电项目为背景，采用平面二维潮流及温度扩散模型，模拟了煤电取排水工程建设后温排水扩散的范围，统计了取水口的温升，分析了对周边保护区和水环境的影响，为排水口平面布局优化提供了参考，结果可为有关部门决策提供服务。

1 模型介绍

1.1 控制方程

控制方程主要包括平面二维浅水方程和温度输移扩散方程。

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1.2 定解条件

初始条件：u(x,y,0)=0，v(x,y,0)=0，ζ=ζ0；温度初始值T=T0。

图1 工程位置示意图 图2 水文测站及取排水工程平面布置图 Fig.1 Location of the Project Fig.2 Location of the measuring points and layout of the project

2 模型建立及验证

2.1 自然条件概述

本工程位于广东省西部的安铺港，安铺港位于广东省雷州半岛西北部，西与北部湾相通。潮汐属不规则全日混合潮，平均潮差2.42 m，潮流兼有不规则全日潮流和不规则半日潮流的性质，拟建码头水域潮流呈现往复流动，涨潮基本为ESE—ENE向，落潮基本为WSW—W向，大潮平均流速为0.14～0.53 m/s，最大流速为0.30～0.79 m/s。湾内流速不大，潮汐动力较弱。工程海域多年平均气温为22.4℃，夏季多年平均气温为28.6℃，冬季多年平均气温为14.9℃。水文测验期间，水温在31.69℃～32.69℃之间。

2.2 计算域的确定及网格剖分

本模型计算范围水平尺度约150 m×120 km，外海至涠洲岛以西30 m等深线。采用非结构化的三角网格对计算域进行剖分，并在工程区附近对网格局部加密，共35 000个网格节点，相邻网格节点最大步长约5 000 m，最小空间步长约10 m(图3)。

2.3 参数选择

(1)水平涡粘系数采用Smagorinsky 方程进行计算，模型参数取推荐值0.28。

(2)底部摩阻由谢才系数确定，取值为70 m1/3/s。

图3 计算区域网格剖分图Fig.3 Mesh generation of the computational area

(3)排水流量及排水口温升：取排水为循环用水，均为115 m3/s，排水口温升为8℃。

(4)温度扩散模型中的海面热交换项 ，考虑了空气温度、水面与大气的紊动交换等因素影响。折算为海水表面温度综合交换系数ks取为 45W/ ( m2℃ )。

2.4 潮位及潮流验证

采用2014 年7月5日～12日实测大、中、小潮水文全潮资料对模型进行了验证，水文测站包括3个潮位站和9个流速测站(图2)，图4为部分潮位、流速和流向验证结果。从模型的验证过程来看，潮位、流速、流向在连续变化过程中均与实测值吻合较好，满足相关规范要求[9]。所建模型能较好反映工程区海域潮流运动特性，可用于后续温排水的数值模拟研究。

图4 大潮潮位及流速流向验证Fig.4 Validation of spring tidal level and velocity

3 温排水数值模拟

考虑到温度扩散自初排至稳定状态时需要一定时间，选取了实测大、中、小潮作为不利潮型，拟合得到30 d的连续潮型，作为温排水扩散的计算潮型。下述图表均为连续运转至稳定状态下的模拟及分析结果。

3.1 温排水扩散范围

(1)取排水工程实施后，由于排水口所在水域存在大面积的浅滩，滩面上的流速不大，且流向相对分散，因此最大温升分布在顺岸(东西向)和离岸(南北向)均存在一定距离，但顺岸对流扩散的距离稍长。排水口以东为大面积浅水区，热容量较低，不利于温度扩散，加之该海域实测涨潮时间较长，因此温度自排水口向东北扩散的距离稍大，而西南侧水深大，热容量高，向西南扩散的距离要稍小，这种分布特征对于取水安全较为有利。

(2)温度扩散的范围，经统计最大温升≥1℃的包络面积在29.0 km2左右，温升≥4°C的包络面积在7.0 km2左右；最大温升≥1℃的扩散距离，自排水口向东和向西分别为7.8 km和4.0 km，最大温升≥4℃扩散距离，自排水口向东和向西分别为3.8 km和0.8 km。

图5 最大温升分布图Fig.5 Distribution of temperature rise

表1温度包络范围及扩散距离统计

Tab.1 Statistics for the envelope area and diffusion distance

取排水流量温度升高(℃)面积(km2)自排水口向东(km)自排水口向西(km)115 m3/s≥129.07.84.0≥218.76.82.6≥312.74.71.0≥47.03.80.8

3.2 取水口温升

表2 取水口处温升特征值统计Tab.2 Temperature rise statistics for the intake

(1)排水口位置处在电厂东侧，也即取水口东侧，涨潮时，水流自SW向NE方向流动，落潮反之，因此涨潮阶段取水温升较小，落潮阶段取水温升稍大。取水口最大温升基本出现在低潮位(落憩)，而最小温升则出现在高潮位(涨憩)，这种分布规律与实际潮涨落输送过程相对应。

(2)经统计取水口处平均温升为0.98℃，最大温升分别为1.95℃。

3.3 温排水对周边保护区影响

图6 温度扩散对周边保护区影响Fig.6 Influence on the surrounding protected area caused by temperature diffusion

本工程煤电项目厂址位于安铺港工业与城镇用海区，在其周边分布有角头沙东北部海洋保护区、角头沙西海洋保护区以及英罗港海洋保护区。图5将最大包络线与保护区边线绘制于同一图中，以便更清晰反映取排水工程的实施对这些周边保护区的影响，分析认为：

(1)从温升包络范围来看，取排水工程的实施，对周边保护区未产生直接影响，1℃温升线尚未抵达各保护边缘，因此电厂温排水对保护区的海洋生物不会构成明显的热影响。

(2)尽管电厂温排水对保护区无直接影响，但由于规划方案位于安铺港工业与城镇用海区域，经统计1℃温升线向西将超出用海边界，顺水流方向超出最远距离在1.6 km左右，后续可围绕此问题对本方案进行优化。

4 结论

本文以华电湛江煤电项目为背景，建立了平面二维潮流及温度扩散模型，并根据实测资料对模型进行了充分验证。采用经验证的模型模拟了煤电取排水工程建设后温排水扩散的范围，统计了取水口的温升，分析了对周边保护区和水环境的影响，得到如下结论：(1)工程海域潮汐属不规则全日混合潮，平均潮差2.42 m，潮流兼有不规则全日潮流和不规则半日潮流的性质，拟建码头水域潮流呈现往复流动，涨潮基本为ESE—ENE向，落潮基本为WSW—W向，大潮平均流速为0.14～0.53 m/s，工程海域多年平均气温为22.4℃；(2)最大温升分布在顺岸方向和离岸方向均存在一定距离，但顺岸对流扩散的距离稍长，且温度自排水口向东北扩散的距离要大于向西南扩散的距离，这种分布特征对取水安全较为有利。最大温升≥1℃和≥4°C的包络面积分别在29.0 km2和7.0 km2左右，最大温升≥1℃的扩散距离，自排水口向东和向西分别为7.8 km和4.0 km，最大温升≥4℃扩散距离，自排水口向东和向西分别为3.8 km和0.8 km。取水口处平均温升为0.98℃，最大温升分别为1.95℃；(3)从温升包络范围来看，取排水工程的实施，对周边保护区未产生直接影响，1℃温升线尚未抵达各保护边缘，因此电厂温排水对保护区的海洋生物不会构成明显的热影响。但由于规划方案位于安铺港工业与城镇用海区域，1℃温升线向西将超出用海边界，顺水流方向超出最远距离在1.6 km左右，后续可围绕此问题对本方案进行优化。