熱通量計(jì)算方法在開敞海域溫排水模擬中的應(yīng)用——以田灣核電站為例

鄭曉琴，堵盤軍，徐麗麗，陳昞睿，費(fèi)岳軍

（國家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081）

1 引言

溫排水?dāng)y熱量進(jìn)入海洋后主要有兩個(gè)方面的熱量交換[1]，一是高溫的溫排水與環(huán)境水體之間由于熱湍流產(chǎn)生的海水內(nèi)部的水平和垂直方向的熱量交換；二是在海氣界面處與大氣的熱量交換，包括太陽的短波輻射、海面有效回輻射、海水蒸發(fā)或凝結(jié)引起的潛熱通量、海氣溫差引起的感熱通量。由于有這兩方面熱通量的存在，首先溫差所產(chǎn)生的熱浮力效應(yīng)及熱湍流輸送，使溫排水引起的溫升場(chǎng)具有顯著的三維結(jié)構(gòu)特征，需要建立三維數(shù)學(xué)模型才能更加準(zhǔn)確地模擬溫排水引起的溫升場(chǎng)[2-4]，同時(shí)現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型要考慮海氣熱通量才能更加準(zhǔn)確地模擬溫排水造成的溫升場(chǎng)[5]。

田灣核電站一期工程（1、2號(hào)機(jī)組）自2007年投入運(yùn)行以來，給海洲灣及其附近海域帶來了大量的溫排水，影響了周圍的環(huán)境。對(duì)于田灣核電站海域的溫排水研究，大多基于遙感監(jiān)測(cè)方面[6]。但是，由于遙感近海水溫調(diào)查的應(yīng)用過程中受限于遙感測(cè)量的深度和計(jì)算溫升時(shí)溫度本底值的選取[7]。因此，本文應(yīng)用三維FVCOM數(shù)值模式，采用《物理海洋學(xué)》中的海表面熱通量計(jì)算方法，建立了田灣核電站附近海域溫排水?dāng)?shù)值模型，對(duì)溫排水造成的溫升進(jìn)行了模擬。通過科學(xué)、準(zhǔn)確定量化預(yù)測(cè)電廠溫排水對(duì)海域溫升范圍、溫度垂直與水平結(jié)構(gòu)，為海灣水體污染、生物資源、環(huán)境容量、生態(tài)服務(wù)損失等方面評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是溫排水海域管理的重要技術(shù)支撐。

2 研究海域概況

2.1 電廠概況

圖1 江蘇岸外M2分潮等值線圖[8]

圖2 冬季實(shí)測(cè)大潮表層潮流玫瑰圖

田灣核電站廠址位于江蘇省連云港市后云臺(tái)山南側(cè)，距連云港港口約5 km。廠址所在海域?qū)冱S海北部的海洲灣，海域開闊，其南面為黃海灘地，海灘較為平坦，水深變化緩慢，廠址附近水深僅為5 m以下。取水口水域在洋山島南，水域比較開闊，有利于海水置換交流；排水口位于連云港高公島附近，海域水深僅為2 m，附近潮流為往復(fù)流，溫排水隨漲落潮流來回?cái)[動(dòng)。

田灣核電站海水冷卻水系統(tǒng)是采用以黃海為水源和最終熱阱的直流供水系統(tǒng)。海水取水工程采用輸水隧洞和引水明渠的組合取水方案。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的排水暗溝由循環(huán)水泵房出口經(jīng)虹吸井接至雙孔排水暗渠，最終通過東護(hù)岸處的循環(huán)冷卻水排水口入海。核電站一期工程兩臺(tái)機(jī)組的取水量為102.00 m3/s，取排水溫差為10℃，即排水水溫等于取水水溫加10℃。

2.2 潮流特征

田灣核電站所屬的連云港海域受黃海旋轉(zhuǎn)潮波和東海前進(jìn)潮波的交會(huì)作用（見圖1），多年平均潮差為3.69 m，受旋轉(zhuǎn)流和蘇北沿岸流的作用，該海域潮流特征較復(fù)雜。根據(jù)2010年冬季在田灣核電站及其附近海域觀測(cè)資料的分析得到（見圖2），該海域各測(cè)站大潮期間實(shí)測(cè)流速基本小于100 cm/s，最大流速出現(xiàn)在測(cè)流表層的TW06測(cè)站，約80 cm/s左右，為旋轉(zhuǎn)流。位于排水口附近的TW32和TW53受到岸線影響，為往復(fù)流，流速較小，僅為40 cm/s左右。從表1可以看出，落潮流速普遍比漲潮流速小，該海域?yàn)闈q潮優(yōu)勢(shì)流。

3 溫排水?dāng)?shù)值模型

3.1 三維無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格水動(dòng)力數(shù)值模式FVCOM簡(jiǎn)介

FVCOM是一套基于有限體積法的三維無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)值模式[9-10]。它的網(wǎng)格采用來自有限元法的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，易于擬合岸界和局部加密，而其采用的有限體積法則有離散簡(jiǎn)潔、守恒性好等優(yōu)點(diǎn)。使用FVCOM對(duì)田灣核電站海域計(jì)算，網(wǎng)格可方便地在電廠附近局部加密，使得細(xì)致刻畫溫升的擴(kuò)散范圍成為可能。模式分內(nèi)外模，內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)較大，計(jì)算三維溫度、鹽度和流速，外模時(shí)間步長(zhǎng)較小，計(jì)算垂向平均二維流速和水位。時(shí)間上采用4階-榮格庫塔法。模式整合了Mellor-Yamada的2.5階湍流閉合模型。物質(zhì)輸運(yùn)平流項(xiàng)（包括溫度、鹽度的平流項(xiàng)）則采用MPDATA方法求解。具體控制方程詳見FVCOM用戶手冊(cè)。

表1 研究海域冬季大潮期間各測(cè)站實(shí)測(cè)最大流速單位/（cm/s；/°）

3.2 熱通量計(jì)算方法

海表面和水體內(nèi)部存在熱通量交換，所以需要確定海表面熱通量的計(jì)算方案，水體內(nèi)部的熱通量可由海表面輻射推得。如果海表面熱通量系數(shù)采用常數(shù)或時(shí)間序列插值，那將不能即時(shí)反應(yīng)水溫局部變化對(duì)熱通量變化的影響，無法體現(xiàn)海表高溫水體對(duì)大氣的加速散熱。FVCOM程序默認(rèn)的熱通量計(jì)算方法是給出常數(shù)或時(shí)間序列插值，所以在此替換了原有的熱通量計(jì)算方法，新的方法參考了葉樂安和李鳳岐的《物理海洋學(xué)》中介紹的熱通量計(jì)算方法[11]。

海表面熱通量為：

Qθ=Qs-Qb-Qe-Qh(w/m2)，即單位為焦耳每秒每平方米。其中，Qθ海水吸收的凈熱能,Qs通過海面進(jìn)入水體的輻射能,Qb有效回輻射,Qe海水蒸發(fā)消耗的熱能（潛熱）,Qh水氣之間的顯熱交換的熱能（感熱）。其中在計(jì)算Qs時(shí)，晴空時(shí)到達(dá)海面的總輻射Qs0通過隨時(shí)間變化的日地訂正距離和太陽高度角計(jì)算得到，考慮了晝夜和季節(jié)變化。

熱通量計(jì)算方法中，用到了相對(duì)濕度、氣溫等參數(shù)，這些參數(shù)根據(jù)田灣核電站附近海域歷史實(shí)測(cè)資料設(shè)定[12]。廠址所在區(qū)域?yàn)槟蠝貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為14.3℃，以8月份最高，平均為26.8℃，以1月份最低，為1.1℃。年平均濕度為69%，以7月份最高，平均為83%，12月份最低，平均為61%。根據(jù)這些資料，模式熱通量系數(shù)中氣溫冬季取2，夏季取27；相對(duì)濕度冬季取65%，夏季取85%。

3.3 模式設(shè)置及試驗(yàn)配置

模式垂向分為均勻的6層。網(wǎng)格在田灣電廠海域附近作了局部加密（見圖3，4），最小網(wǎng)格的邊長(zhǎng)約20 m。

模式的外模時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.1 s，內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 s。外海開邊界給出了16個(gè)分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MU2、NU2、T2、L2、2N2、J1、M1、OO1）的調(diào)和常數(shù)以計(jì)算開邊界水位。

在電廠排水口位置（見圖5）設(shè)置徑流以考慮底層溫排水，同時(shí)在取水口設(shè)置與排水等量的底層取水。由于連云港海域溫鹽水平變化較小，這里溫鹽初始場(chǎng)取為均值。選取冬季和夏季作為特征季節(jié)進(jìn)行有、無溫排放兩種情況進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算后溫度場(chǎng)直接相減，得到海域電廠溫排水排放后造成的海域溫升。具體參數(shù)設(shè)置詳見表2。

圖3 模式的網(wǎng)格圖

圖4 田灣核電站海域的網(wǎng)格

表2 數(shù)值試驗(yàn)基本設(shè)置表

3.4 模型驗(yàn)證

采用2010年12月21—22日（大潮）期間的海流觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模式的驗(yàn)證。圖5分別給出了三個(gè)測(cè)站的表、底流速流向的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比對(duì)情況，可見模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)基本一致。此外，利用車牛山測(cè)站（2010年12月15—18日和2010年12月21—24日）、連云港測(cè)站（2010年12月15—25日）的潮位資料進(jìn)行水位驗(yàn)證（見圖6—8）。通過大小潮實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。

實(shí)測(cè)水溫資料采用2011年7月2—3日（大潮）和7月7—8日（小潮）tw32和tw53測(cè)站水溫的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。驗(yàn)證結(jié)果顯示：模擬的溫度在潮周期里面均有高低變化，模式計(jì)算的溫度與實(shí)際溫度趨勢(shì)一致，表明熱通量的計(jì)算是有效的（見圖9）。

4 溫升模擬結(jié)果

利用驗(yàn)證后的三維無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格FVCOM數(shù)值模式，分別對(duì)冬季和夏季進(jìn)行了模擬，得到典型時(shí)刻的溫升分布圖。

圖5 測(cè)站的大潮表底層流速流向?qū)Ρ龋▎挝?d）

圖6 水位驗(yàn)證點(diǎn)位置

4.1 冬季

圖10是計(jì)算海域冬季大潮溫升分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，漲急時(shí)刻，高溫水從排水口分別向南北兩支擴(kuò)散，南支的溫升較高，4℃溫升等值線以逆時(shí)針向北延伸，中心溫升值可達(dá)6—8℃，小于實(shí)際的排水溫升。由于關(guān)注海域水深較淺，僅為5 m以下，表底層的形態(tài)相似，但表層影響范圍大于底層。溫升分布與流場(chǎng)特征緊密相關(guān)，根據(jù)流場(chǎng)分布圖（見圖11）看出，漲潮期間，漲潮流自東向西涌入本海區(qū)，潮流有沿近岸自東南向西北方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；在排水口處有一明顯流速較大的出流區(qū)，但排水口周圍區(qū)域流速較小，僅為20—30 cm/s，且流場(chǎng)成逆時(shí)針向往北流。這表明從排水口出來的高溫水首先沿岸向南流，其后隨著漲潮流的頂托作用，溫升場(chǎng)向東北方向移動(dòng)，呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散場(chǎng)，然而在排水口東南向有一相對(duì)溫升低值，可能該區(qū)域是受轉(zhuǎn)流影響。

圖7 車牛山測(cè)站水位驗(yàn)證

圖8 連云港測(cè)站水位驗(yàn)證

圖9 測(cè)站大小潮期間表層溫度驗(yàn)證結(jié)果（點(diǎn)為實(shí)測(cè)，線為計(jì)算）

從落急流場(chǎng)來看，落潮流呈自北向南運(yùn)動(dòng)，并逐漸調(diào)整為西北至東南向流動(dòng)，落潮流速沿岸向外逐漸增大，因此整個(gè)溫升區(qū)域在落潮流的帶動(dòng)下，到達(dá)很遠(yuǎn)，其中2℃等溫線幾乎與岸平行。在排水口的東北側(cè)仍留有漲潮時(shí)殘留的高溫水。

經(jīng)過溫升距離計(jì)算和面積統(tǒng)計(jì)，大潮漲急時(shí)刻的溫升面積最大，1℃溫升面積為54 km2，溫排水?dāng)U散距離可達(dá)15.5 km，表層面積大于底層，但是擴(kuò)散距離表底層相差不大。小潮落急時(shí)刻的擴(kuò)散面積最小，1℃溫升面積為7.6 km2，擴(kuò)散距離為9.6 km。表3、表4給出了大潮平均的溫升距離和面積統(tǒng)計(jì)。

表3 冬季大潮平均的溫升距離統(tǒng)計(jì)表(單位/km)

表4 冬季大潮平均的溫升面積統(tǒng)計(jì)表（單位/km2）

圖10 冬季大潮期間漲落急溫升平面分布

圖11 冬季大潮期間漲落急流場(chǎng)平面分布

圖12 夏季大潮期間漲落急溫升平面分布

圖13 夏季大潮期間漲落急流場(chǎng)平面分布

4.2 夏季

在排水口區(qū)域高溫水分別向南北擴(kuò)展，漲急時(shí)刻（見圖12）南部的溫度等值線以逆時(shí)針向東北方向擴(kuò)展，中心溫升值超過6℃，從溫升距離和面積統(tǒng)計(jì)（見表5、表6）來看，表層的擴(kuò)散范圍明顯大于底層，海洲灣內(nèi)受溫排放影響，水溫維持高值。與冬季形態(tài)相似的是，從排水口出來的溫升場(chǎng)有一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散；落潮時(shí)整個(gè)高溫水沿岸向兩邊流動(dòng)，南邊沿岸的擴(kuò)展范圍比較遠(yuǎn)（見圖13）。

從大潮平均溫升平面圖和面積統(tǒng)計(jì)表來看，各溫升值的擴(kuò)散距離表底層差距不大，但是溫升面積相差較大，表層溫升面積遠(yuǎn)大于中底層。其中表層1℃溫升值面積可達(dá)36.54 km2，2℃溫升值面積可達(dá)15.62 km2，3℃溫升值面積可達(dá)7.48 km2，4℃溫升值面積可達(dá)3.87 km2。

可以看出，夏季由于本底溫度較高，熱交換均勻。整體的溫升擴(kuò)散距離和面積比冬季來得大。

表5 夏季大潮平均的溫升距離統(tǒng)計(jì)表(單位/km)

表6 夏季大潮平均的溫升面積統(tǒng)計(jì)表（單位/km2）

5 結(jié)論

通過采用三維FVCOM數(shù)值模式，考慮海表面熱通量計(jì)算方法，本文對(duì)田灣核電站一期工程的溫排水造成的溫升在冬季和夏季分別進(jìn)行了模擬，主要得到以下結(jié)論：

（1）利用海氣熱界面平衡方程，綜合考慮太陽輻射、海面有效回輻射、潛熱通量和感熱通量，在模型中嵌入塊體公式計(jì)算感熱和潛熱通量，對(duì)在溫排水影響下田灣的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型結(jié)果表明：考慮了海氣界面的熱通量的模型結(jié)果能比較真實(shí)反映海域溫度；

（2）從漲落潮模擬結(jié)果得出：漲潮期間，從排水口出來的高溫水首先沿岸向南流，其后隨著漲潮流的頂托作用，溫升場(chǎng)向東北方向移動(dòng)。受旋轉(zhuǎn)流的影響，從排水口排出的高溫水有一個(gè)呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散場(chǎng)。落潮期間，整個(gè)高溫水沿岸向南擴(kuò)展范圍比較遠(yuǎn)；

（3）冬、夏季各溫升值的擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離表底層差距不大，但是溫升面積相差較大，表層溫升面積遠(yuǎn)大于中底。溫升面積最大值出現(xiàn)在大潮的漲急時(shí)刻，最小值出現(xiàn)在小潮的落急時(shí)刻；

（4）在同等溫排水量的情況下，夏季溫升面積和溫升距離大于冬季，這是由于夏季本底溫度較高，熱交換均勻的原因。

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