溫排水對長江安徽段水溫的影響模擬

張 鵬，黎蘭毅敏，范臣臣

(1.華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450046；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 研究背景

近年來，隨著我國工業(yè)化水平不斷提高，由電力、化工、能源行業(yè)排放引起的大量水體熱污染問題備受關(guān)注[1]。一方面水體熱污染改變受納水體中物化生反應(yīng)速率，加重有毒有害物質(zhì)的生成[2]；另一方面水溫增高會減少水中溶解氧含量[3]，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，威脅水生生物的生存繁衍[4]。長江安徽段水域內(nèi)有生存水溫在4～20 ℃的江豚、對水溫十分敏感的白鰭豚等極危動物，也有中華鰓、達(dá)氏鰓、胭脂魚等其他水生生物棲息生存[5]。因此，熱污染對長江水體水生態(tài)的影響不言而喻。

目前，關(guān)于溫排水的環(huán)境影響分析多采用現(xiàn)場實(shí)測、遙感測量、物理模型及數(shù)值模擬的方法[6]。由于數(shù)值模擬具有節(jié)省人力物力財(cái)力及時(shí)效性的特點(diǎn)，常用于河流、近岸海域等水溫的模擬預(yù)測[7]。以往溫排水模擬大多采用二維平面數(shù)學(xué)模型，但其控制方程中忽略了溫度的垂向變化，而熱源排放擴(kuò)散的過程本身存在三維特性，僅考慮垂向平均溫度具有一定的局限性[9-11]。三維水溫模型由于其考慮溫度和密度的垂向差異，能較好地反映熱源在受納水體中擴(kuò)散和水溫異重分層等效果，對于溫排水的模擬具有重要意義[12]。Lee等[13]利用MIKE 3模型的σ坐標(biāo)變換模擬預(yù)測了科威特濱海電廠附近的流場及水溫變化情況，結(jié)果表明表層水溫吻合較好，而底層水溫預(yù)測值較實(shí)測值偏低；吳宇帆等[14]運(yùn)用三維數(shù)值模式研究了長江河口電廠溫排水的輸運(yùn)擴(kuò)散規(guī)律，分析了溫排水對周邊敏感目標(biāo)的影響；許晟秩等[15]考慮江表面的熱通量，采用改進(jìn)的三維數(shù)值模式ECOM模擬了夏季石洞口電廠溫排水輸運(yùn)擴(kuò)散規(guī)律；顏鈺等[16]利用RMA-10三維有限元模型模擬了鲅魚圈熱電廠周邊水體的溫升場分布情況。筆者根據(jù)長江安徽段水文及河道結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，構(gòu)建δ分層的三維水動力溫度輸運(yùn)模型，在設(shè)計(jì)條件下，通過設(shè)置減排前、減排后兩種排放工況，模擬了熱污染源在周邊水域的擴(kuò)散情況，計(jì)算出熱污染帶影響范圍，預(yù)測分析熱源排放對上、下游水溫的影響，為長江安徽段環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及流域規(guī)劃管理提供依據(jù)。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

長江安徽段地處長江下游流域，全長416 km。沿江地帶地貌概括地描繪為“兩山夾一谷”，長江自谷中流過[17]?！皟缮健蔽挥诤庸葍蓚?cè)外圍，西北部為大別山侵蝕基巖山區(qū)，東部為皖南侵蝕基巖山區(qū)。來水主要為長江上游湖北、江西等省份，干流向東經(jīng)安慶、池州、銅陵、蕪湖等城市，至皖、蘇交界止[18-19]。擬減排項(xiàng)目位于安慶市迎江區(qū)臨江北岸，排水經(jīng)處理后排入長江左岸樅陽無為保留區(qū)。為充分利用長江急促的水流對熱源的擴(kuò)散降溫作用，將排水口設(shè)置于水下1 m排放。研究區(qū)域平均氣溫14.5～16.8 ℃之間。研究水域平均水溫19.6 ℃，冬季水溫在9.3～13.7 ℃之間。區(qū)域內(nèi)大通水位站歷年最高水位18.94 m，最低水位3.56 m。

根據(jù)安徽省水功能區(qū)規(guī)劃，研究區(qū)域涉及的水功能區(qū)劃有長江安慶工業(yè)用水區(qū)和長江左岸樅陽無為保留區(qū)，涉及的保護(hù)目標(biāo)有上游規(guī)劃四水廠取水口、下游前江口國控?cái)嗝妗?/p>

2.2 模型基本方程

模型基本控制方程如下[20]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.3 模型計(jì)算條件設(shè)置

根據(jù)長江安徽段實(shí)際地形圖及相關(guān)實(shí)測資料，將模型劃分為17 128個(gè)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為300 m，對于熱源排放周邊水域進(jìn)行網(wǎng)格加密至邊長為30 m，研究區(qū)域概況及模型網(wǎng)格劃分見圖1。溫度場邊界參考大通水文站溫度實(shí)測資料，模型計(jì)算時(shí)間步長為t= 30 s，初始流速值設(shè)為0，垂向上采用δ分層方式，將模型按水深從水平面至河谷底部依次為1～10層。

圖1 研究區(qū)長江安慶-蕪湖段模擬區(qū)域概況及模型網(wǎng)格劃分

2.4 模型率定及驗(yàn)證

利用枯水期2018年1月20日至22日大通水文站逐時(shí)水位及流量進(jìn)行率定，參考有關(guān)文獻(xiàn)[21]，得到模擬區(qū)域主槽糙率高度的取值范圍為50～65 m1/3/s，河道曼寧系數(shù)為30～65 m1/3/s，模型計(jì)算結(jié)果的水位平均絕對誤差為3.7 cm，最大絕對誤差為7.8 cm，流量平均相對誤差為2.13 %。利用平水期2018年2月27日-3月1日大通水文站逐時(shí)水位及流量值進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果中水位的平均絕對誤差為11.6 cm，最大絕對誤差為19.9 cm，流量平均相對誤差為2.25 %。大通水文站水位、流量率定及驗(yàn)證結(jié)果對比見圖2。由驗(yàn)證結(jié)果可知，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好，所建立的模型適用于該河段的水動力模擬。

圖2 大通水文站水位、流量率定及驗(yàn)證結(jié)果對比

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬工況

為降低對周邊水域的環(huán)境影響，項(xiàng)目通過技術(shù)改進(jìn)減少了排水量，減排前排水量為28 990 t/d，減排后排水量為27 080 t/d。兩種工況的排江水溫均為32.5 ℃。根據(jù)實(shí)際情況，將排水口放置在模型水深的第2層。綜合考慮大通水文站90%水文保證率典型枯水年流量、三峽工程及各種調(diào)水工程的影響，以流量8 533 m3/s作為上游邊界條件，以同時(shí)期蕪湖水位站水位值作為下游邊界條件，選取研究水域水溫本底值為8 ℃，作為模擬的最不利條件。

3.2 縱斷面溫度增量及熱污染帶范圍

利用構(gòu)建的水動力水溫?cái)?shù)學(xué)模型，模擬得到的減排前(工況1)和減排后(工況2)熱源排放對長江水體縱斷面溫度增量及熱污染帶范圍見表1和圖3。由表1和圖3可知，兩種工況條件下表層熱污染帶范圍最大，隨著水深層次的增加，熱污染帶范圍逐漸減?。慌盼劭谒诘牡?層溫度增量最大，隨著水深層次的增加，溫度增量也逐漸減??；工況2條件下排放產(chǎn)生的不同縱斷面熱污染帶范圍以及溫度最大增量均小于工況1。所設(shè)保護(hù)目標(biāo)即規(guī)劃四水廠取水口位于排污口上游8.206 km處，前江口國控?cái)嗝嫖挥谂盼劭谙掠?.574 km處，減排前和減排后溫排放產(chǎn)生的最大熱污染帶長度分別為1.074 km和1.006 km，兩種工況條件下保護(hù)目標(biāo)均在熱污染帶最大范圍之外，水溫增量為0，敏感目標(biāo)未受影響。

表1 不同工況條件下不同水深層次縱斷面水溫增量及熱污染帶范圍

圖3 不同工況條件下不同水深層次縱斷面水溫增量范圍

3.3 橫斷面溫度增量及熱污染帶范圍

利用構(gòu)建的水動力水溫?cái)?shù)學(xué)模型，模擬得到的減排前(工況1)和減排后(工況2)熱源排放對長江水體橫斷面溫度增量及熱污染帶范圍見表2和圖4。由表2和圖4可知：工況2條件下排放產(chǎn)生的不同橫斷面熱污染帶范圍均小于工況1；排污口處溫度增量最大，工況1增量大于0.2 ℃的熱污染帶寬度為6 m，面積為73 m2，工況2增量大于0.2 ℃的熱污染帶寬度為2 m，面積為17 m2；排污口下游120 m處溫升范圍最大，工況1熱污染帶寬度為36 m，橫斷面面積為6 026 m2，工況2熱污染帶寬度為35 m，橫斷面面積為5 801 m2。

表2 不同工況條件下不同橫斷面熱污染帶范圍

圖4 不同工況條件下不同橫斷面水溫增量范圍

4 結(jié) 論

(1)本文構(gòu)建了長江干流安慶至蕪湖段δ分層的三維水動力水溫模型，對排溫口周邊水域進(jìn)行網(wǎng)格加密至邊長為30 m，率定和驗(yàn)證的計(jì)算水位與實(shí)測水位絕對誤差均在0.2 m之內(nèi)，流量平均相對誤差為2.25%，模擬結(jié)果能夠較好地反演長江安慶至蕪湖段水動力情況。

(2)選取大通水文站90%枯水期和研究水域水溫為8 ℃作為模擬的最不利條件，模擬得到減排前和減排后溫排放產(chǎn)生的最大熱污染帶長度分別為1.074 km和1.006 km，最大熱污染帶縱斷面面積分別為0.067 5 km2和0.060 7 km2，水溫最大增量分別為0.343 ℃和0.321 ℃。

(3)減排前和減排后熱排放產(chǎn)生的水體溫升垂向差異顯著，隨著水流向下流動，溫度影響程度逐漸變小，最低層水溫幾乎無變化。溫排放會造成周邊局部水體溫度有所升高，排污口所在的長江左岸樅陽無為保留區(qū)會受到一定影響，但排污口上下游規(guī)劃四水廠取水口及前江口國控?cái)嗝姹Ｗo(hù)目標(biāo)均未受影響。