渤海灣沿岸電廠高溫水排放分布特征研究

余 治

（中交天津航道局海外事業(yè)部，天津 300461）

引言

長(zhǎng)期穩(wěn)定的電力供應(yīng)是渤海灣地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的保障，為解決這一問(wèn)題，在曹妃甸工業(yè)園區(qū)、天津大港和黃驊港工業(yè)區(qū)內(nèi)均建有大型電廠用以保證港區(qū)及附近居民正常工作生活用電需求。

臨海而建的電廠多以海水作為冷卻水用于冷卻發(fā)電機(jī)器，并沿岸修建排水口，海水經(jīng)由電廠進(jìn)水口進(jìn)入冷卻管道，流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，溫度顯著升高，再通過(guò)排水口直接排入受納海域。高溫海水排入渤海灣后，渤海灣部分水域溫度升高，這將導(dǎo)致該區(qū)域的浮游生物、藻類(lèi)、魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖受到不利影響，從而破壞該區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)展、漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，利用數(shù)值模擬對(duì)于渤海灣延岸高溫水排海的時(shí)空分布具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

張舒羽等人采用MIKE21 軟件對(duì)浙江蒼南電廠溫排水的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)電廠冷卻水溫排放的最大溫升包絡(luò)面積范圍與流速和水深的關(guān)系密切[1]；李紹武等人采用MIKE21 中的潮流和溫度輸運(yùn)模塊對(duì)越南某電廠進(jìn)行了潮流和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[2]；陳雪峰等人通過(guò)建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)長(zhǎng)興島某電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬研究[3]；武雅潔等利用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)于膠州灣內(nèi)的高濃熱鹽水在潮流作用下的輸移擴(kuò)散進(jìn)行了模擬[4]；王曉萌等人利用POM 模式研究了海水淡化產(chǎn)生的濃鹽水對(duì)膠州灣鹽度分布的影響[5]；佘格格對(duì)河道電廠溫排水運(yùn)輸擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[6]；白玉川等人三維數(shù)學(xué)模型對(duì)渤海灣沿岸電廠高溫濃鹽水表層排海分布進(jìn)行了模擬[7]；江洧對(duì)惠州LNG 電廠循環(huán)冷卻水工程海域熱污染進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[8]；馮佳煒等人應(yīng)用MIKE 21 FM 模塊對(duì)秦皇島海域夏季溫排水對(duì)流擴(kuò)散特征進(jìn)行了研究[9]。由此可見(jiàn)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型模擬高溫水排海輸移擴(kuò)散過(guò)程和對(duì)受納水體的溫度影響十分重要。

本文以渤海灣2016 年地形條件，建立三維高溫水?dāng)U散模型，在考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際淡水輸入的情況下，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)該區(qū)域電廠排海高溫水在潮流作用下的時(shí)空分布特征及規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 模型設(shè)置

模型以三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，計(jì)算范圍為117°35′E～122°30′E，37°N～41°N，其中渤海灣范圍為117°35′E～118°51′E，38°N～39°14′N(xiāo)，計(jì)算區(qū)域及海域等水深線如圖1 所示?？v向使用Sigma 坐標(biāo)將模型延水深方向均勻分為5 層。水深數(shù)據(jù)以2016 年黃渤海海域海圖實(shí)測(cè)數(shù)值插值獲得。模型初始流速為零，高溫水視為由表層流入，以輻射形式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。模型初始溫度設(shè)置為17℃，在開(kāi)邊界設(shè)置為垂向均一值17℃；鹽度為30PSU，在開(kāi)邊界設(shè)置為垂向均一值30PSU。海底摩擦系數(shù)取0.001，且不考慮海面大氣壓強(qiáng)及風(fēng)應(yīng)力的影響。模型是基于三維不可壓縮和雷諾均勻分布的 N-S 方程，并服從Boussinesq 近似和靜水壓強(qiáng)假定。

圖1 河流輸入及排放口位置示意圖

連續(xù)方程：

x方向動(dòng)量方程：

y方向動(dòng)量方程：

z方向動(dòng)量方程：

其中，t是時(shí)間；x，y，z是笛卡爾坐標(biāo)系；η是水位；d是靜止水深；h=η+d為總水深；u，v，w分別為流速在x，y，z方向上的分量；f=2Ωsinφ是Coriolis 參數(shù)（Ω 是地球自轉(zhuǎn)角速度，φ是地理緯度）；g是重力加速度，ρ是水的密度；sxx，sxy，syx，syy，szx，szy為輻射應(yīng)力分量；vt是垂向渦粘系數(shù)；pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮海沪?是參考水密度；S為源匯項(xiàng)；（us，vs，ws）為源匯項(xiàng)的水流流速。

溫度輸移擴(kuò)散公式：

式中，DV為垂向湍流擴(kuò)散系數(shù)；TS代表溫度的源項(xiàng)；FT為水平擴(kuò)散項(xiàng)。

模型選取天津大港、河北黃驊港和曹妃甸工業(yè)區(qū)高溫濃鹽水排放口以及當(dāng)?shù)? 條河流入海口，地理位置見(jiàn)圖1，各點(diǎn)流量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 高溫濃鹽水排放口及河流匯入流量

2 高溫水?dāng)U散數(shù)值模擬

2.1 渤海灣潮流場(chǎng)分布

研究選取了2016 年渤海灣地形資料，并對(duì)當(dāng)年1 月21 日至5 月21 日，4 個(gè)月的潮流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，在模型中加入了高溫水流擴(kuò)散模塊，對(duì)灣內(nèi)曹妃甸工業(yè)區(qū)、天津大港、黃驊港3 大臨海工業(yè)園的高溫水排海過(guò)程進(jìn)行了模擬,并對(duì)其模擬結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。

渤海灣潮流為規(guī)則半日潮流，圖2 為該海域漲急、落急時(shí)刻底層、中層、表層的流速分布情況。漲潮時(shí)，海水自外海進(jìn)入渤海灣，在深水航道區(qū)域流速增加，流向改變，海水在水工建筑物岬角的挑流作用下，流速增加，流向改變；落潮時(shí)，海水自渤海灣流入外海，流速分布與漲潮流速分布相似，流向相反。分別對(duì)比漲急、落急時(shí)刻各層水體流速情況可知，該海域表層流速最大，底層流速最小，流速分布自底面至自由水面逐漸增加。

圖2 渤海灣漲急、落急潮流場(chǎng)分布圖

曹妃甸港區(qū)是我國(guó)為數(shù)不多的自然深水良港，由于老龍溝深水航道的開(kāi)挖，該處水深增加，流速增大。天津港、黃驊港由于建設(shè)了深水航道，故該水域流速沿航道軸線方向明顯增大。漲潮時(shí)，黃驊港南側(cè)受到水工結(jié)構(gòu)物和護(hù)坡的阻礙，流速減小，形成南北向往復(fù)流。

2.2 水平溫度輸移擴(kuò)散特征

渤海灣高溫濃鹽水自圖1 所示排放口排入渤海灣表層水體，在潮汐及重力的作用下，逐漸沿水深向下、向外海擴(kuò)散。

黃驊港、天津港附近水域溫度較周邊水域增加明顯，局部出現(xiàn)高于24°C 的高溫水域。對(duì)比圖3 漲急各水層溫度可知，排海高溫水自排放口流出后，逐漸沿水深向外擴(kuò)散，但潮流的往復(fù)作用致使高溫水不會(huì)無(wú)限擴(kuò)散，而是形成一定區(qū)域的高溫區(qū)。在港區(qū)擁有防波堤、水工建筑物的情況下，高溫水?dāng)U散會(huì)受到局部抑制，擴(kuò)散速度減緩，易出現(xiàn)高溫區(qū)。曹妃甸港區(qū)水深較大，水動(dòng)力比較強(qiáng)烈，因此該區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)高溫區(qū)。

圖3 漲急、落急時(shí)刻水平溫度擴(kuò)散分布圖

圖4 曹妃甸海域漲急、落急時(shí)刻水平溫度擴(kuò)散分布圖

曹妃甸排放口的位置設(shè)置在老龍溝潮汐通道附近，水深較深，流速較大，高溫水排入收納水體后沿水深方向呈扇形擴(kuò)散。高溫水沿水深向下逐漸擴(kuò)散，在受到水流阻力作用時(shí)，擴(kuò)散速度逐漸減緩，底層擴(kuò)散面積小于表層面積，即水體密度隨溫度升高而減小。

漲急時(shí)，海水自外海涌入近岸，流速與水深成反比，對(duì)比黃驊港、天津港漲急時(shí)刻表層與底層溫度分布可知，高溫水的擴(kuò)散速度與流速成正比，其流速越大擴(kuò)散范圍越大。落急時(shí)，海水自近岸流向外海，對(duì)比黃驊港、天津港、曹妃甸區(qū)域落急時(shí)刻表層、中層、底層溫度分布可知，盡管表層流速較下層流速更大，但在潮汐力的不斷作用下，排海高溫水隨落潮向外海充分?jǐn)U散，由于沒(méi)有水工建筑物的阻礙作用，擴(kuò)散面積較漲急時(shí)刻更廣。漲急、落急時(shí)各水層均未因上下流速差異而導(dǎo)致高溫水?dāng)U散面積的較大差異。

2.3 垂向溫度輸移擴(kuò)散特征

圖5 漲急、落急時(shí)刻垂向溫度分布

漲急時(shí)刻，低溫海水自外海涌向近岸，高溫水在縱向的擴(kuò)散更為明顯，由近岸向外海，溫度沿水深呈“S”形擴(kuò)散；落急時(shí)刻，海水自近岸快速流向外海，高溫水隨落急潮流作用下以扇形的方式向外海擴(kuò)散，對(duì)比圖3、4、5 可知，高溫水在橫向的擴(kuò)散速度和范圍表現(xiàn)較縱向更為明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)不斷加大海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，研究人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)于海岸線的影響，尤其是研究圍海造陸活動(dòng)對(duì)渤海灣岸線的影響變得尤為重要。本文建立渤海灣三維高溫水?dāng)U散模型，選取天津港、黃驊港、曹妃甸3 處高溫水在潮流作用下的輸移擴(kuò)散規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬分析，高溫水在排海后，溫度沿近岸向外海方向及沿水深方向逐漸降低，擴(kuò)散范圍在潮流場(chǎng)沿外海方向逐漸擴(kuò)散，但在受到水工建筑物及漲落潮的往復(fù)作用時(shí)，其整體擴(kuò)散范圍有限。溫度擴(kuò)散速度與流速緊密相關(guān)，沿自由水面向下其擴(kuò)散速度減緩，擴(kuò)散范圍減小。