普蘭店電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬研究

壽幼平+趙俊杰+劉愛珍

摘要：為解普蘭店電廠溫排水對海水環(huán)境的影響，采用水動力及對流-擴(kuò)散方程的二維潮流及溫度擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了潮流及溫度場數(shù)值模擬，分析了溫排水排放對周邊海水的影響，統(tǒng)計了不同溫升的包絡(luò)面積。結(jié)果表明：由溫排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散主要集中在排水口附近區(qū)域，冬季溫升超過0.5℃的面積約為0.0572 km2，溫升大于1℃的范圍僅0.0001 km2；夏季溫升大于1℃的范圍均位于水道內(nèi)，面積為0.0551 km2，不會影響到水道外側(cè)的普蘭店灣海域；溫升大于0.5℃的海水面積約為0.0118 km2，影響范圍為水道內(nèi)及水道外側(cè)約0.0045 km2的局部海域。

關(guān)鍵詞：溫排水；數(shù)學(xué)模型；水動力模擬；潮流；普蘭店

中圖分類號：TV143 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）2-0083-05

1 引言

半封閉海灣灣內(nèi)水體與外海水體交換緩慢，造成海洋生態(tài)系統(tǒng)脆弱[1]。近年來，隨著我國沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多半封閉海灣建造了電廠，采用直流供水系統(tǒng)的電廠常年源源不斷的將高于環(huán)境溫度5～12℃的溫排水排入受納海域，會對海水環(huán)境產(chǎn)生熱影響乃至熱污染。

目前，半封閉海灣的熱影響問題受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。周巧菊采用POM模型對大亞灣核電站的溫排水進(jìn)行了模擬研究[2]；林軍采用ECOMSED模型對象山港海域溫排水的時空輸移路徑及范圍進(jìn)行了研究[3]；趙懿珺采用Delft3D模型對鐵山灣電廠的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬[1]；陳春亮等為了解決溫排水排入湛江灣后的隨潮輸移擴(kuò)散，應(yīng)用ECOMSED模型計算溫排水的時空輸移路徑及溫升范圍[4]；姚姍姍等采用MIKE21-HD模型對舟山海域冷排水的溫度擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值研究[5]。數(shù)學(xué)模型作為主要的模擬手段，已得到了廣泛的應(yīng)用。筆者采用MIKE21-HD模型，對普蘭店電廠溫排水的輸移路徑、溫升范圍進(jìn)行研究，從溫排水?dāng)U散角度分析項目建設(shè)是否可行。

2 自然條件及計算工況

普蘭店海域潮流類型屬規(guī)則半日潮流性質(zhì)，日潮不等現(xiàn)象明顯，即高、低潮不等較為明顯。普蘭店灣內(nèi)地貌主要為海積地貌[6]，海岸地貌都是在海水動力下逐步形成的。海積地貌主要表現(xiàn)為海灘、潮上灘、沿海堤、沙嘴和沖積平原等。大連海灣工業(yè)園區(qū)主要是坐落在普蘭店灣內(nèi)的海灘上，既是潮間帶上堆積的細(xì)小泥質(zhì)物資。工程海區(qū)形勢圖如圖1所示。各驗潮站潮特征值引自區(qū)項目填?？裳泻Ｑ蟓h(huán)評海域使用論證階段水文測驗分析報告》，具體結(jié)果列于表1中。海流實測共布設(shè)了10個測站，1#測站采用H1潮位，2#、3#、4#測站采用H2潮位，5#～10#測站采用H3潮位，將各個測站的垂線平均流速以落潮為正、漲潮為負(fù)繪制潮位及垂線平均流速流向過程線圖，具體見圖2和圖3。根據(jù)實測結(jié)果，海域潮流類型屬規(guī)則半日潮流性質(zhì)。垂線平均潮流的可能最大流速，以6#測站最大，為90.7 cm/s， 10#測站最小，為7.7 cm/s?？赡茏畲罅魉俚牧飨蚨酁槁涑狈较?。全部8個測站均表現(xiàn)為往復(fù)流。余流的變化主要受風(fēng)場、徑流以及地形的支配，從垂線平均的余流結(jié)果來看，最大值出現(xiàn)在小潮期間5#測站，達(dá)12.6 cm/s，方向為116°，其次是小潮期間7#測站，達(dá)11.5 cm/s，方向為71°，其余測站不超過10 cm/s。從各層余流結(jié)果看，最大值出現(xiàn)在小潮期間9#測站表層，達(dá)15.8 cm/s，方向為305°，其余測站不超過10 cm/s。

項目所在地的多年平均氣溫為9.7 ℃，多年平均最高氣溫為15.1℃，平均最低氣溫為4.9℃，極端最高氣溫為36.1℃（1999年7月29日），極端最低氣溫-24.8℃（2001年1月15日）。

為保證局部流場計算符合潮流場的整體物理特性，便于給出開邊界條件，采用網(wǎng)格嵌套方法進(jìn)行計算，第一模型為普蘭店灣，取為56 km×45 km的南北向矩形區(qū)域，本計算域基本上將工程區(qū)及可能受到影響的區(qū)域都包括在內(nèi)，計算網(wǎng)格尺度采用90 m×90 m的固定網(wǎng)格。第二模型為普蘭店內(nèi)灣海域，計算范圍取56 km×45 km，網(wǎng)格尺度為30 m×30 m。第三模型為工程附近的局部區(qū)域，取為28 km×18 km的南北向矩形區(qū)域，計算網(wǎng)格尺度采用10 m×10 m的固定網(wǎng)格。在第一模型計算后，第二第三模型的開邊界均由上一層模型的計算結(jié)果提供。

模型計算的地形條件分別采用相應(yīng)的海圖中的數(shù)據(jù)，小范圍計算采用工程附近的實測地形。

本項目排水口設(shè)置于普蘭店灣縱深末端海域與附近支流交匯的水道內(nèi)，水道相對狹窄，排水口距岸邊約430 m。根據(jù)本項目工藝要求，夏季溫排水的排水量為976 m3/h，溫升約為6 ℃。冬季溫排水的排水量為335 m3/h，溫升約為9.6 ℃。排水口位于一排洪渠內(nèi)，為明渠，排水口水深較淺，僅0.5 m。

本項目取水口設(shè)在廠區(qū)西北4.5 km的沈海高速跨海大橋東側(cè)-7 m等深線附近的海底深槽位置（深層取水）；循環(huán)水排水管貫穿防浪堤與陸上水管相連，進(jìn)入電廠冷卻水循環(huán)系統(tǒng)后，排放進(jìn)廠區(qū)東北側(cè)排洪渠進(jìn)入普蘭店灣。

水運(yùn)力條件模擬和驗證引自《國電電力普蘭店熱電廠“上大壓小”新建工程（2×350 MW）海洋環(huán)境影響報告書》，具體驗證結(jié)果描述如下：“各測站計算值與實測值基本一致，潮位、流速和流向的變化過程也基本吻合，可見該模型所模擬的潮流運(yùn)動基本能夠反映出工程附近海域的水流狀況，可以作為進(jìn)一步分析計算的基礎(chǔ)資料”。

3 水動力及溫度擴(kuò)散數(shù)值模擬

3.1 水動力模擬理論

水動力模擬采用二維潮流連續(xù)方程和運(yùn)動方程。

連續(xù)方程：

ηt+Hux+Hvy=0，

運(yùn)動方程：

ut+uux+vuy+gηx-fv+guu2+v2C2H=0，

Vt+uvx+vvy+gηy+fu+gvu2+v2C2H=0，

式中：η為水位；H為水深，H=h+η，h為海底到靜止海面的距離；u、v為分別為沿x、y方向的垂線平均流速分量； f為柯氏力系數(shù)，f=2ωsin，其中ω是地轉(zhuǎn)角速度，∮是地理緯度；C為謝才系數(shù)，它與曼寧數(shù)M的關(guān)系為C=M×h1/6； t為時間； g為重力加速度。

3.2 溫度擴(kuò)散模擬理論

溫度擴(kuò)散采用二維對流擴(kuò)散模型，水溫擴(kuò)散模式為：

HTt+HuTx+HvTy=Kx2（HT）x2+Ky2（HT）y2+M-KsT，

式中T為溫度差；

Kx、Ky分別是x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)；Ks為水面綜合散熱系數(shù)，Ks=0.2388（4.6-0.09（Tn+T）+4.06W）exp（0.033（Tn+T）），Tn為基礎(chǔ)溫度（夏季取為17.7℃，冬季取為0℃）；W為風(fēng)速；M為溫排水源項（=QT0，Q為排放量，T0為溫升）；其它符號同上。

4 預(yù)測結(jié)果分析

4.1 水動力模擬結(jié)果

工程所處海域接近普蘭店灣縱深末端，因受海岸、島嶼和海底地形的制約，流速較普蘭店灣灣口及中段流速小，漲急最大流速一般不超過0.35 m/s，落急最大流速一般不超過0.25 m/s（圖4）。中部相對開闊海區(qū)，潮流流速相對較大，岸邊區(qū)域受復(fù)雜地形影響流向多變、流速較小。潮流主流向大致與等深線或航道的走向相一致，呈NE—SW向往復(fù)流。本項目排水口設(shè)置于普蘭店灣縱深末端海域與附近支流交匯的水道內(nèi)，水道相對狹窄，約35 m左右，水深相對較小，流速較灣內(nèi)流速明顯減小，漲落潮最大流速均不超過0.06 m/s，屬弱流區(qū)（圖5）。

4.2 取水點(diǎn)取水對橋墩及潮汐通道的影響分析

海水補(bǔ)給水取水點(diǎn)設(shè)在普蘭灣大橋附近以東海域，取水戽頭在-6.2m處，根據(jù)工程分析，夏季取水量為2022m3/h，冬季取水量為654.5 m3/h。為說明取水點(diǎn)取水對橋墩及潮汐通道的影響，在距離取水點(diǎn)最近的沈大高速公路海灣大橋斷面上選取5個代表點(diǎn)和4個代表斷面，代表點(diǎn)與斷面的位置見圖6，表2中列出了各代表斷面的流量值，可以看出，冬季取水、夏季取水與無取水情況下的斷面流量沒有發(fā)生變化?？梢?，取水點(diǎn)取水對距離最近的沈大高速公路海灣大橋橋墩及潮汐通道沒有明顯影響。

4.3 排水口方案布置與預(yù)測

本項目擬選排水口設(shè)置于普蘭店灣縱深末端海域與附近支流交匯的水道內(nèi)，水道相對狹窄，排水口距岸邊約430 m左右。備選方案位于擬選方案以里300 m水道內(nèi)側(cè)岸邊。排水口位置如圖7所示，排位口位于引水渠內(nèi)，預(yù)測結(jié)果列于表3中。

由預(yù)測結(jié)果可見，擬選方案與備選方案排水情況下，溫升大于1℃的范圍均位于水道內(nèi)，不會影響到普蘭店灣海域。擬選方案排水情況下，大于1℃溫升的面積約0.0551 km2，備選方案排水情況下，大于1℃溫升的面積約0.0588 km2，主要位于水道末端，若選擇備選方案進(jìn)行排水將造成水道內(nèi)較大面積的高溫升濃度范圍水體。溫升為0.1～0.5℃的水體基本位于水道外側(cè)的普蘭店灣海域內(nèi)，擬選方案的影響面積大于備選方案的情況，但低溫升水體對海域環(huán)境的影響較小。可見，擬選方案擴(kuò)散條件優(yōu)于備選方案，擬選方案高溫升水體小于備選方案，低溫升水體則大于備選方案。因此，從預(yù)測結(jié)果可知，擴(kuò)散條件好的海域設(shè)置排水口，對海水溫度的影響較小。

4.4 溫度擴(kuò)散模擬

根據(jù)上述擴(kuò)散方程，在水動力條件穩(wěn)定后對以上計算方案進(jìn)行預(yù)測計算，計算時間為7 d，對7 d的預(yù)測結(jié)果統(tǒng)計平均值，并給出了同步的排放口斷面流量隨時間變化過程線以及同步的七日納潮量。圖8分別為冬季和夏季的周平均溫升范圍包絡(luò)線圖，其中冬季溫排水造成的溫升超過0.5℃的面積約為0.0572 km2，溫升達(dá)0.5℃以上的范圍位于水道內(nèi)，溫升大于1℃的范圍僅0.0001 km2，位于排放口附近的局部區(qū)域，不會影響到水道外側(cè)的普蘭店灣海域。夏季溫排水造成的溫升大于1℃的范圍均位于水道內(nèi)，面積為0.0551 km2，不會影響到水道外側(cè)的普蘭店灣海域；溫升為0.5～1℃之間的海水面積約為0.0118 km2，影響范圍為水道內(nèi)及水道外側(cè)約0.0045 km2的局部海域。

根據(jù)工程布局，養(yǎng)殖區(qū)位于沈海高速橋西側(cè)，取水戽頭位于沈海高速橋東側(cè)120 m處，取水戽頭距離排水口水道約4.3 km。根據(jù)以上預(yù)測結(jié)果，大于0.5℃的溫升范圍為水道內(nèi)及水道外側(cè)的局部海域（0.0045 km2），溫升大于1℃的范圍位于水道內(nèi)，不會對取水口與養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)生顯著影響。斑海豹自然保護(hù)區(qū)距離排水口最近距離約32.6 km，本工程溫排水產(chǎn)生的溫升不會影響到斑海豹自然保護(hù)區(qū)的自然環(huán)境。

可見，冬、夏季溫排水排放周平均溫升大于1℃的范圍均位于排放口所在的內(nèi)陸水道內(nèi)，不會影響到普蘭店灣海域，也不會影響到普蘭店灣海域內(nèi)的養(yǎng)殖區(qū)與取水戽頭以及外側(cè)的斑海豹自然保護(hù)區(qū)。

5 結(jié)論

筆者在對普蘭店海域自然條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)驗證的二維潮流數(shù)學(xué)模型及溫度擴(kuò)散二維數(shù)學(xué)模型，選取對海水溫度影響較小的擬選排水口布置方案，根據(jù)項目工藝要求，分冬季、夏季兩季的排水量及排水溫度作為計算工況，計算了普蘭店電廠建成后溫排水所致的溫度擴(kuò)散情況，統(tǒng)計了不同溫升的包絡(luò)面積，得到以下結(jié)論。

（1）項目排水口設(shè)置于普蘭店灣縱深末端海域與附近支流交匯的水道內(nèi)，水道相對狹窄，約35 m左右，水深相對較小，流速較灣內(nèi)流速明顯減小，漲落潮最大流速均不超過0.06 m/s，屬弱流區(qū)。

（2）冬季取水、夏季取水與無取水情況下的斷面流量沒有發(fā)生變化，取水點(diǎn)取水對距離最近的沈大高速公路海灣大橋橋墩及潮汐通道沒有明顯影響。

（3）通過對擬選方案與備選方案預(yù)測結(jié)果對比可知，擴(kuò)散條件好的排水口影響面積較大，但是高溫升濃度水體較小，擴(kuò)散條件好的排水口對海水溫度的影響較小說。

（4）冬季溫排水造成的溫升超過0.5℃的面積約為0.0572 km2，溫升達(dá)0.5℃以上的范圍位于水道內(nèi)，溫升大于1℃的范圍僅位于排放口附近的局部區(qū)域，不會影響到水道外側(cè)的普蘭店灣海域。夏季溫排水造成的溫升大于1℃的范圍均位于水道內(nèi)，面積為0.0551 km2，不會影響到水道外側(cè)的普蘭店灣海域；溫升為0.5～1℃之間的海水面積約為0.0118 km2，影響范圍為水道內(nèi)及水道外側(cè)約0.0045 km2的局部海域?？傮w而言，由溫排放導(dǎo)致的溫度擴(kuò)散主要集中在排水口附近區(qū)域，不會影響到普蘭店灣海域，其最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離及影響水域面積均不大。因此，從溫排水角度認(rèn)為，電廠取排水工程的實施，對周邊水環(huán)境影響較小。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 中國海灣志編委員會.中國海灣志[M].北京：海洋出版社，1992.

Numerical Study on Warm Water Emission for Power Plant in Pulandian

Shou Youping， Zhao Junjie，Liu Aizhen

（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering， M.O.T， Tianjin 300456， China）

Abstract： To research the impact sonsea water environment by warm water emission for power plant in Pulandian， hydrodynamics and advection-diffusion equation， a 2-D numerical model for tidal current and warm water were used. We used this model to understand warm water drainages impact on the surrounding seawater， then made statistics on the envelopes of different temperature rise. The results showedthat thetemperature diffusion caused by the warm water emissions were mainly concentrated in the vicinity of drain. The diffusion area with temperature rise above 0.5 ℃was about 0.0572km2 when the temperature rise above 1 ℃was about 0.0001km2 in winter. The diffusion area with temperature rise above 0.5 ℃was about 0.0118km2 when the temperature rise above 1 ℃was about 0.0551km2 in summer.

Key words： Pulandian； warm water emission； numerical model； temperature rise