基于温排水总量控制的罗源湾火电规模研究

福州市环境科学研究院 吴贤忠



基于温排水总量控制的罗源湾火电规模研究

福州市环境科学研究院 吴贤忠

该研究采用平面二维水流温度场数学模型，在流速、水位验证的基础上对罗源湾规划火电规模的温排水进行数值模拟，预测湾内温度场的分布情况和影响范围，从海域温升控制角度科学评价规划火电规模的环境合理性，提出火电温排水总规模上限和火电规模控制要求，为区域产业布局规划的环境综合决策提供科学依据。

罗源湾 火电温排水 数值模拟 环境合理性

1 概述

罗源湾属于半封海域，随着沿岸区域的经济发展，规划建设鲁能、神华、华电等大型火电厂（火电布局见图1），电厂利用海水作为冷却水源，大量冷却水排入海域，将对罗源湾产生较为显著的海洋热污染。海水温度升高会引起水中溶解氧含量降低，影响鱼类和其他水生生物的生存和繁殖，并使得湾内海域生态系统发生重大变化[1]。因此，合理利用海水冷却，控制海域温升范围，是罗源湾发展火电产业需要考虑的主要环境问题之一。本文通过建立温排水影响预测数值模型，对规划的火电规模排放的温排水影响进行预测，提出在近岸海域环境功能区划所允许的温升范围内，罗源湾火电规模的控制要求，为产业规划编制和实施机构、环境管理机构提供科学的技术依据。

图1 规划火电厂布局示意图

2 平面二维数学模型

温排水运动是复杂的水力、热力现象，完善的数学模型需要模拟近、远区紊动要素的影响，反映水体水平、垂向出流掺混，热水回归，反映水面散热影响、水体浮力作用等要素。目前工程上广泛应用的温排水数值模型多为平面二维模型。

2.1 水动力数学模型

理论模型采用二维正压深度平均流动力模型，方程如下[2-4]：

采用右旋直角坐标系，OXY面与平均海平面重叠，Z轴向上为正。分别为X方向和Y方向的垂向平均流速；为相对于OXY面的水位，H为瞬时水深，；为相对于OXY平面的水深绝对值；为柯氏参数；为底摩擦系数；为重力加速度。

初始条件为：0时，0

边界条件为：

对于开边界，采用水位强迫作为开边界。

对于固体边界，取流速法向分量为零，u=0

边界条件：开边界分别位于黄歧半岛北茭到东冲半岛东冲连线，并根据北茭和东冲的K1、K2、M2、N2、O1、P1、Q1、S2八个分潮确定开边界水位边界条件。

2.2 二维温度对流扩散方程

边界条件：

开边界条件：

3 模型计算结果分析

3.1 计算区域

根据本次研究的目的，本模型给出了六节点三角形模型网格。在可门水道对模型网格进行局部细化以反映精细岸界及其变化。网格的总节点数为8203，单元数为3803，最小的六节点三角形单元面积是3100m2，相当于有限差分网格距的27m。

3.2 数学模型验证计算

模型验证水位数据采用福建908项目中国海洋大学罗源湾课题调查组的3个水位观测站（迹头T1、将军帽T2、口门南T3）数据，水位观测开始于2005年9月25日，结束于2005年11月11日。模型验证流速数据采用福建908项目中国海洋大学罗源湾课题调查组于2005年9月26日13：00～2005年9月27日14：00进行的4个连续站（C1、C2、C3、C4）各25小时的海流观测资料。观测站位如图2所示。

图2 计算区域及海流观测站与水位观测站分布网格剖分示意图

从潮位和潮流验证曲线（图3、图4、图5）可知，无论潮水位过程还是高、低水位值，计算与实测均符合良好，高、低潮位出现的时间，计算与实测值都符合得较好，说明数值计算的位相比较准确。从潮流验证曲线看出，不仅潮流流速观测值与计算值接近，潮流方向的模拟值与实测值也极为一致，说明计算的流速位相与实测值吻合良好。以上模型的验证计算结果表明：模型采用的物理参数和计算参数基本合理，计算方法可靠，能够模拟研究海域潮波运动特性。

图3 水文过程验证曲线

图4 流速过程验证曲线

图5 流向过程验证曲线

3.3 研究海区流场分布特征

图6分别为研究海区涨急和落急时刻的流场分布图。受台湾海峡潮波的作用，涨潮时，潮流从东冲-北茭断面进入研究海区，潮流分南北两部分，北部断面海流向西运动，然后转向北，通过东冲口门进入三沙湾海域；南部断面海流先向西运动，在遇到黄歧半岛后向北运动，然后在可门角转向西南进入罗源湾。可门水道狭窄处流速较大，流速超过1m/s。退潮时，潮流分别从罗源湾退出，然后向东流出东冲—北茭断面，流向与涨潮时基本相反。

4 火电规划方案

罗源湾的规划火电发展规模：方案一为1876万千瓦；方案二为1076万千瓦。冷却水作为火电厂的机组冷源，经过热交换器后，温度一般升高8℃～10℃，夏季温排水温升为8.9℃，冬季温排水温升10.5℃[4]。规划火电厂不同季节不同排水口排水量见表1。

表1 规划火电厂不同季节不同排水口排水量分布

5 预测结果与分析

罗源湾内三类海区执行二类海水水质标准，夏季温排水的影响≤1℃；冬季影响≤2℃。四类海区执行三类海水水质标准，人为造成的海水温升不超过当时当地 4℃。但对温升范围即等温升包络线或热混合区没有相应规定和标准，如附近海域的宁德核电二期工程后最大包络线面积：4℃温升线为5.12km2，3℃温升线为7.77km2[5]。

5.1 规划方案一的温排水影响分析

规划方案一火电规模温排水对海湾温升影响预测结果见表2和图7。计算结果表明，采用月平均的全潮过程温升包络线更能表征单一时刻或潮型对海域温升的影响范围和程度。1℃和2℃温升范围的面积，夏季大于冬季。但排放口周边的4℃温升线范围，冬季大于夏季。大潮周期内的温升影响范围明显大于小潮周期。

夏季全月全潮1℃以上温升范围达34.42 km2。冬季2℃温升范围达17.52 km2。2℃以上温排水影响区域并扩展到执行二类海水水质的三类海区范围，且超标范围较大，可能对养殖区环境造成不利影响。

受海域内扩散条件不同，南岸的温排水影响范围要大于北岸。方案一温排水的主要超标区域出现在南岸，北岸在此规模下温升范围能控制在四类海区范围。

表2 方案一温排水规模下温升包络面积(km2)

方案一夏季温排水全月过程温度包络图

方案一冬季温排水全月过程温度包络图

图7 方案一温排水影响预测图

5.2 规划方案二的温排水影响分析

方案二情形下火电规模温排水对海湾温升影响预测结果见表3和图8。结果表明，温排水温升大于4℃的混合区范围在排放口周边不大于4km2的范围。参照《污水海洋处置工程污染控制标准 GB18486》中，混合区的宽度小于水域1/4宽度的规定。方案二的温排水混合区占用的宽度也符合要求，不会在罗源湾口水域形成温升集中区封锁鱼类生态通道。温排水温升1℃以上范围基本上可控制在四类海区范围内，对执行二类海水水质标准的三类海区影响可以接受。

表3 方案二温排水规模下温升包络面积(km2)

方案二夏季温排水全月过程温度包络图

方案二冬季温排水全月过程温度包络图

图8 方案二温排水影响预测图

6 结论与建议

通过温排水平面二维水流温度场数学模型的计算，对罗源湾内两种火电规划规模的温排水影响进行预测分析，结果表明，1076万千瓦火电规模的温排水影响基本可以接受，温升的影响范围能控制在沿岸较小范围内，且基本都处于四类海区范围内，对罗源湾的影响可以接受。因此，建议罗源湾产业火电规模按照方案二来控制，火电规模控制在1076万千瓦以下。同时应加强温排水导致的海域温升日常监控和预测模拟研究，充分调查温排水的影响范围和对海洋生态影响程度。新建机组应开展温排水预热利用、改进海水冷却方式、采用空气冷凝等综合措施控制温排水规模。

[1] 盛连喜, 侯文礼.电厂冷却系统对梭幼鱼和对虾仔虾卷载效应的初步探讨[J]. 环境科学学报,1994,14(1): 47-55.

[2] 金岚.水域热影响概论[M].北京:高等教育出版社,1993.

[3] 郝瑞霞,齐伟,李海香,等.潮汐水域流速场和温度场的数值模拟研究[J].太原理工大学学报，2005，36(3):2352237.

[4] 西南电力设计院.福州可门火电厂二期工程环境影响报告书[R].2009.

[5] 赵晓冬，陈慧锋，毛佩郁.宁德核电温排水扩散试验研究[C].第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集, 2007.