渤海湾沿岸电厂高温水排放分布特征研究

余 治

（中交天津航道局海外事业部，天津 300461）

引言

长期稳定的电力供应是渤海湾地区经济可持续发展的保障，为解决这一问题，在曹妃甸工业园区、天津大港和黄骅港工业区内均建有大型电厂用以保证港区及附近居民正常工作生活用电需求。

临海而建的电厂多以海水作为冷却水用于冷却发电机器，并沿岸修建排水口，海水经由电厂进水口进入冷却管道，流经发动机，温度显著升高，再通过排水口直接排入受纳海域。高温海水排入渤海湾后，渤海湾部分水域温度升高，这将导致该区域的浮游生物、藻类、鱼类的生长发育、繁殖受到不利影响，从而破坏该区域生态环境发展、渔业经济发展。因此，利用数值模拟对于渤海湾延岸高温水排海的时空分布具有重大的现实意义。

张舒羽等人采用MIKE21 软件对浙江苍南电厂温排水的数值模拟研究发现电厂冷却水温排放的最大温升包络面积范围与流速和水深的关系密切[1]；李绍武等人采用MIKE21 中的潮流和温度输运模块对越南某电厂进行了潮流和温度场的数值模拟[2]；陈雪峰等人通过建立平面二维潮流数学模型对长兴岛某电厂温排水数值模拟研究[3]；武雅洁等利用三维数学模型对于胶州湾内的高浓热盐水在潮流作用下的输移扩散进行了模拟[4]；王晓萌等人利用POM 模式研究了海水淡化产生的浓盐水对胶州湾盐度分布的影响[5]；佘格格对河道电厂温排水运输扩散进行了数值模拟研究[6]；白玉川等人三维数学模型对渤海湾沿岸电厂高温浓盐水表层排海分布进行了模拟[7]；江洧对惠州LNG 电厂循环冷却水工程海域热污染进行了数值模拟研究[8]；冯佳炜等人应用MIKE 21 FM 模块对秦皇岛海域夏季温排水对流扩散特征进行了研究[9]。由此可见，通过数学模型模拟高温水排海输移扩散过程和对受纳水体的温度影响十分重要。

本文以渤海湾2016 年地形条件，建立三维高温水扩散模型，在考虑当地实际淡水输入的情况下，通过数值模拟对该区域电厂排海高温水在潮流作用下的时空分布特征及规律进行了研究。

1 模型设置

模型以三角形网格进行划分，计算范围为117°35′E～122°30′E，37°N～41°N，其中渤海湾范围为117°35′E～118°51′E，38°N～39°14′N，计算区域及海域等水深线如图1 所示。纵向使用Sigma 坐标将模型延水深方向均匀分为5 层。水深数据以2016 年黄渤海海域海图实测数值插值获得。模型初始流速为零，高温水视为由表层流入，以辐射形式进行运动。模型初始温度设置为17℃，在开边界设置为垂向均一值17℃；盐度为30PSU，在开边界设置为垂向均一值30PSU。海底摩擦系数取0.001，且不考虑海面大气压强及风应力的影响。模型是基于三维不可压缩和雷诺均匀分布的 N-S 方程，并服从Boussinesq 近似和静水压强假定。

图1 河流输入及排放口位置示意图

连续方程：

x方向动量方程：

y方向动量方程：

z方向动量方程：

其中，t是时间；x，y，z是笛卡尔坐标系；η是水位；d是静止水深；h=η+d为总水深；u，v，w分别为流速在x，y，z方向上的分量；f=2Ωsinφ是Coriolis 参数（Ω 是地球自转角速度，φ是地理纬度）；g是重力加速度，ρ是水的密度；sxx，sxy，syx，syy，szx，szy为辐射应力分量；vt是垂向涡粘系数；pa为当地大气压；ρ0是参考水密度；S为源汇项；（us，vs，ws）为源汇项的水流流速。

温度输移扩散公式：

式中，DV为垂向湍流扩散系数；TS代表温度的源项；FT为水平扩散项。

模型选取天津大港、河北黄骅港和曹妃甸工业区高温浓盐水排放口以及当地4 条河流入海口，地理位置见图1，各点流量数据见表1。

表1 高温浓盐水排放口及河流汇入流量

2 高温水扩散数值模拟

2.1 渤海湾潮流场分布

研究选取了2016 年渤海湾地形资料，并对当年1 月21 日至5 月21 日，4 个月的潮流场进行了模拟，在模型中加入了高温水流扩散模块，对湾内曹妃甸工业区、天津大港、黄骅港3 大临海工业园的高温水排海过程进行了模拟,并对其模拟结果进行了详细分析。

渤海湾潮流为规则半日潮流，图2 为该海域涨急、落急时刻底层、中层、表层的流速分布情况。涨潮时，海水自外海进入渤海湾，在深水航道区域流速增加，流向改变，海水在水工建筑物岬角的挑流作用下，流速增加，流向改变；落潮时，海水自渤海湾流入外海，流速分布与涨潮流速分布相似，流向相反。分别对比涨急、落急时刻各层水体流速情况可知，该海域表层流速最大，底层流速最小，流速分布自底面至自由水面逐渐增加。

图2 渤海湾涨急、落急潮流场分布图

曹妃甸港区是我国为数不多的自然深水良港，由于老龙沟深水航道的开挖，该处水深增加，流速增大。天津港、黄骅港由于建设了深水航道，故该水域流速沿航道轴线方向明显增大。涨潮时，黄骅港南侧受到水工结构物和护坡的阻碍，流速减小，形成南北向往复流。

2.2 水平温度输移扩散特征

渤海湾高温浓盐水自图1 所示排放口排入渤海湾表层水体，在潮汐及重力的作用下，逐渐沿水深向下、向外海扩散。

黄骅港、天津港附近水域温度较周边水域增加明显，局部出现高于24°C 的高温水域。对比图3 涨急各水层温度可知，排海高温水自排放口流出后，逐渐沿水深向外扩散，但潮流的往复作用致使高温水不会无限扩散，而是形成一定区域的高温区。在港区拥有防波堤、水工建筑物的情况下，高温水扩散会受到局部抑制，扩散速度减缓，易出现高温区。曹妃甸港区水深较大，水动力比较强烈，因此该区域没有出现高温区。

图3 涨急、落急时刻水平温度扩散分布图

图4 曹妃甸海域涨急、落急时刻水平温度扩散分布图

曹妃甸排放口的位置设置在老龙沟潮汐通道附近，水深较深，流速较大，高温水排入收纳水体后沿水深方向呈扇形扩散。高温水沿水深向下逐渐扩散，在受到水流阻力作用时，扩散速度逐渐减缓，底层扩散面积小于表层面积，即水体密度随温度升高而减小。

涨急时，海水自外海涌入近岸，流速与水深成反比，对比黄骅港、天津港涨急时刻表层与底层温度分布可知，高温水的扩散速度与流速成正比，其流速越大扩散范围越大。落急时，海水自近岸流向外海，对比黄骅港、天津港、曹妃甸区域落急时刻表层、中层、底层温度分布可知，尽管表层流速较下层流速更大，但在潮汐力的不断作用下，排海高温水随落潮向外海充分扩散，由于没有水工建筑物的阻碍作用，扩散面积较涨急时刻更广。涨急、落急时各水层均未因上下流速差异而导致高温水扩散面积的较大差异。

2.3 垂向温度输移扩散特征

图5 涨急、落急时刻垂向温度分布

涨急时刻，低温海水自外海涌向近岸，高温水在纵向的扩散更为明显，由近岸向外海，温度沿水深呈“S”形扩散；落急时刻，海水自近岸快速流向外海，高温水随落急潮流作用下以扇形的方式向外海扩散，对比图3、4、5 可知，高温水在横向的扩散速度和范围表现较纵向更为明显。

3 结语

随着我国不断加大海洋生态环境保护的重视，研究人类生产活动对于海岸线的影响，尤其是研究围海造陆活动对渤海湾岸线的影响变得尤为重要。本文建立渤海湾三维高温水扩散模型，选取天津港、黄骅港、曹妃甸3 处高温水在潮流作用下的输移扩散规律。通过数值模拟分析，高温水在排海后，温度沿近岸向外海方向及沿水深方向逐渐降低，扩散范围在潮流场沿外海方向逐渐扩散，但在受到水工建筑物及涨落潮的往复作用时，其整体扩散范围有限。温度扩散速度与流速紧密相关，沿自由水面向下其扩散速度减缓，扩散范围减小。