湄洲湾温排水海区水温垂向不均匀特征的数值模拟与观测研究＊

朱子晨，胡泽建，张永强，迟万清，刘建强，边淑华，熊丛博

（国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

近年来我国逐步加强海岸带开发利用活动，在沿海地区兴建了许多热电厂，其具有就近利用海水作为循环冷却水源等优势，但同时向海湾排放温排水，造成海水温度时间、空间分布变化，引发水体中溶解氧浓度降低，富营养化程度加深，藻类生物资源种群及数量变化等问题。针对温排水海区海水温度变化的研究，对搞清温排水热污染状况等课题具有重要意义。目前，温排水数值研究大多数基于二维模型，韩康等对近海海湾温排水造成的环境影响情况使用二维数值模型进行了模拟［1］，研究了多种工况下温排水海区温升场的特征；张细兵等对感潮河段温排水环境影响进行了二维数值模拟［2］，并使用实体模型进行了比对，研究了当地温排水海区温升场特征。然而二维数值模型无法反映温度垂向分布不均匀的特征。曹颖等也有对半封闭海湾进行过三维数值研究［3］，得到了温排水影响的三维结构，但现阶段就此类问题而言，结合观测资料的研究较为缺乏［4］。因此，本文通过建立三维海洋数值模型，结合海上观测资料，对受温排水影响的海区海水温度场特征进行研究。

1 三维非结构网格有限体积海洋数值模型

1.1 水动力模型

FVCOM模型是美国Massachusetts Dartmouth州立大学陈长胜领导的研究小组开发的河口、海岸模型，采用有限体积法，垂向采用σ坐标。σ坐标变换如下：

σ坐标下海水运动方程、连续方程及状态方程为：

在σ坐标系下，水平扩散项可以使用如下定义进行近似：

式中，σ、z分别为σ坐标系与直角坐标系下垂向坐标；ζ为潮位，H为平均海平面下水深值，D为总水深；t为时间，u、v、ω分别为x、y、σ方向的流速分量；ρ与ρ0为海水的密度与参考密度，g为重力加速度，f为科氏力参量，Am和Km为水平及垂向涡动粘滞系数。

1.2 温度对流扩散及热通量方程

σ坐标系下，三维温度对流扩散模型为：

式中，T为温度；Kh、Ah分别为垂向、水平热扩散系数；＾H为短波辐射热通量。

1.3 数值计算方法

FVCOM在计算过程中，使用内外模分开求解的方式，外模采用有限体积计算方法，使动量方程、连续方程在三角形网格区域内积分后，由改进的4阶龙格库塔法求解。内模采用显、隐式结合的差分格式，局部流速变换使用迎风格式，对流项采用2阶龙格库塔时间推进格式，垂向扩散采用隐式求解。温度计算方法与潮流类似。模型在海陆边界采用动边界处理方式。

2 模型的建立与验证

2.1 模型构建

模型水深数据来自解放军司令部航海保证部2005版10月第一版湄洲湾1：40000海图（图号14171），计算开边界选取于湄洲湾外开阔海域。开边界采用水位驱动，输入水位由崇武、平海镇连续一个月观测资料调和分析所得到的调和常数推算并插值得到［5］。

水深地形、观测站位位置及计算区域非结构网格剖分见图1。

图1 计算区域水深地形、观测站位位置及网格剖分Fig.1 Bathymetry in computational domain，locations of observation stations and mesh dissection of finite element

模型主要参数设置如下：

时间步长：5s； 总运行步长数目：276 480（即计算时间15d）；

上午，我到老师办公室领书去，呀，徐老师真是一点也没变，依然是那么和蔼可亲，那么美。她看见了我，笑眯眯地说：“以和呀，想我了没？”我甜甜地回答：“想。”老师笑了，露出了两个小酒窝。

底部应力阻力系数：0.04； 底摩擦层高度：0.003m；

网格节点总数：11 664； 网格单元总数：22 071；

垂向σ坐标分层：5； 电厂排水口循环冷却水排量：44.23m3／s；

电厂排水口温度：35.0℃。

2.2 计算结果验证

采用图1中所示的5个站位连续24h海流同步观测资料垂向平均流速、流向，1个验潮站24h连续潮位观测资料，对模型计算结果进行验证，观测时间为2007－08－14T19：00—08－15T19：00，验证结果（图2）表明，模型较好地模拟出了观测期间各站海流情况。

图2 各站位物理参数验证曲线Fig.2 Validation curves of physical parameters at individual stations

3 垂向温度不均匀特征分析

3.1 湄洲湾海区流场特征与温排水影响范围

观测资料与数值模型计算结果均显示，湄洲湾海区潮流场呈明显往复流态，流速较大，涨落急时刻流速均达到60cm／s以上。中央深槽附近落潮流速达到110cm／s，且落潮流速大于涨潮流速。由于表层温排水影响范围较中层、下层广，因此以表层海水温度场平面分布代表温排水影响范围［6］，图3所示的为与潮流矢量图相对应的涨、落急时刻表层海水温度分布。涨落急时刻温度分布情况一定程度上反映了温排水影响范围，但温排水最大影响范围发生在涨、落憩时刻。

图3 涨、落急时刻潮流矢量图及海水温度分布Fig.3 Vector diagrams of tidal current and distribution of water temperature at maximum flood and maximum ebb

3.2 观测资料与计算结果中海水温度变化趋势分析

从图4中5站同步温度观测资料来看，距离温排水排放口较远的L2、L4站除转流时刻外，24h内温度垂向分布较均匀，表层与0.6H层、底层基本一致，没有明显差异，仅随潮流场呈周期性变化，这与近岸海域水深相对较浅，垂向混合均匀有关。但上述站位普遍在转流时刻（涨憩、落憩时刻）1h后出现不同程度的垂向温度不均匀特征，这种特征持续时间约为3h。在距离排放口较近的L1、L3站同样在转流时刻出现垂向温度不均匀分布，持续时间较长，约为6～7h。与海上观测资料相对应，数值模型同样模拟出了这一特征。此外，L5站观测资料说明，在涨憩时刻后也出现约持续3h的温度垂向分布不均特征。

图4 各站位计算、观测海水温度Fig.4 Water temperatures calculated and observed at individual stations

3.3 特征潮时表底层海水温差值平面分布

为了表现海区垂向水温不均匀程度，使用数值模型计算区域表层水温与底层水温之差，得到表底层水温差在海区的平面分布，如图5所示。

图5 各潮时表底层海水温差平面分布Fig.5 Horizontal distribution of temperature difference between the surface and the bottom waters at each time of tide

3.4 断面温度变化特征

由于涨憩时刻S1－S2断面温差较大，因此以涨憩时刻该断面垂向温度分布代表垂直于海区主流向断面的变化趋势。另外，以涨急时刻S1－S3断面及落急时刻S1－S4断面温度垂向分布代表与海流流向相近断面的变化情况。

从S1－S2断面垂向温度分布情况来看，在排水口附近、中央深槽内，温度垂向上差异较大。S1－S3断面则表明，温排水沿涨潮流方向运动，且高温水团集中在海水表层，底层温度相对较低。S1－S4断面温度垂向分布则说明，表层高温海水沿落潮流方向运动较底层快，随着海水向水深增加的区域运动，垂向温差逐渐显现。

图6 断面位置图Fig.6 Locations of the sections

图7 S1－S2断面涨憩时刻温度垂向分布Fig.7 Vertical distribution of water temperature along Section S1－S2at high water level

图8 S1－S3断面涨急时刻温度垂向分布Fig.8 Vertical distribution of water temperature along Section S1－S3at maximum flood

图9 S1－S4断面落急时刻温度垂向分布Fig.9 Vertical distribution of water temperature along Section S1－S4at maximum ebb

3.5 垂向温度分布不均匀的成因分析

从观测资料及数值模拟结果来看，电厂温排水是湄洲湾海区温度垂向分布不均匀的主要诱因。除此以外，这种不均匀分布特征在空间上与水深地形具有较大关系，在时间上与潮时具有相关性。

3.5.1 与排水口相对位置对垂向温度分布的影响

数值模型计算结果表明，出现垂向温度不均匀的区域在涨潮、落潮过程中，分别集中出现在排水口北侧、南侧，由于排水口附近平面温度梯度最大，容易在潮流作用下形成高温水舌［7］，且高温海水密度较低，趋于在海水表层运动，因此排水口附近始终存在垂向温差，且温差高于其他区域。海上观测资料基本与模型计算结果一致，距离排水口较近的L1、L3站位，相比于L2、L4、L5站，温差更加显著，且这种温度在垂向上分布不均匀的特征持续时间较长。

3.5.2 水深地形与潮流场共同作用下垂向海水温差在平面上的分布

图7～图9表明，表底层海水温度差在平面上的分布与水深地形有密切联系，在不考虑盐度影响的条件下，海水温度越高，其密度越低，低密度海水趋向于在海水上层运动，而下层海水温度变化，主要依靠热扩散与热传导，变化相对缓慢。同时，由于潮流场作用，表层高温水团的分布范围沿流向增大，在更大范围区域体现了各层海水温度变化的差异。因为上述运动趋势，当水深较浅处的高温水团经过水深梯度较大的区域，向深水区域运动时，高温海水趋向于在上层运动，而深水区水温变化相对缓慢，将显著出现水温在垂向上的不均匀分布。断面S1－S2涨憩时刻垂向温度分布说明，当断面与流速基本成垂直趋势时，由于高温水体向水温较低的深水区扩散，将产生垂向温差，差异相对较弱，而断面S1－S3、S1－S4则说明，高温水团沿流向向水深较深处运动时，将产生显著的垂向温度差异。

湄洲湾海区岛屿与水道交错，有多处水深明显变化区域，且水动力条件较强。罗屿南侧水域位于中央深槽以东，自中央深槽至该水域，水深迅速变化，因此该区域表底层存在显著水温差异，从观测资料来看，L3站位于水道，与数值模型相吻合。中央深槽向东南延伸，经过盘屿、大竹岛时分为三条支水道，分别为大竹岛西南侧水道、盘屿北侧水道及大竹岛屿盘屿之间的支水道，三条支水道与各自北侧海区均具有明显的水深梯度。排水口附近水深较浅，温排水在随落潮流向南运动时，首先经过盘屿北侧支水道，由于水深发生较大变化，海水温度垂向差异明显。当温排水随落潮流继续向南运动并到达大竹岛南侧水道及大竹岛屿盘屿之间支水道后，由于水道内水深显著变化，高温水团在表层形成锋面，与底层温度变化缓慢的海水形成温度差异。但因上述两条支水道距离排水口较远，温排水仅在落憩时刻前后能够传递至水道口门，该区域出现垂向温度不均匀特征的时段较短。对于中央深槽北部而言，由数值模型得到的L2站各层温度变化曲线也说明，约在落憩时刻1h后，由于涨潮流作用，该站位出现了表层水温高于底层水温的模拟结果。

4 结 论

通过数值模型与观测资料相结合的研究，本研究得出了受温排水影响下，湄洲湾局部海区垂向水温不均匀特征的分布情况与变化规律：

1）由于湄洲湾温排水热源的影响，近岸浅海水域原本混合均匀的水体，垂向上可能产生温度差异，当潮流场作用程度与水深梯度较小时，这种垂向温度不均匀特征，在距离排水口越近的区域越显著，持续时间也越长。

2）温排水随潮流运动，当潮流流向与等深线交叉，且水深梯度明显时，高温水团将于很长一段时间内持续在上层海水运动，水温在垂向上呈现出显著不均匀特征。

3）垂向温度不均匀特征的分布范围随流场持续作用积累，并表现为沿流向运动，在转流时刻前分布范围积累到最大面积。

（References）：

［1］ HAN K，ZHANG C Z.Numerical simulation of warm water disposal in Sanya Power Plant［J］.Marine Environmental Science，1998，17（2）：54－57.韩康，张存智.三亚电厂温排水数值模拟［J］.海洋环境科学，1998，17（2）：54－57.

［2］ ZHANG X B，JIN K，LIN M S.2DNumerical simulation for warm water drainage in tide river reach［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2006，23（3）：13－16.张细兵，金琨，林木松.潮流河段温排水影响的平面二维数值模拟［J］.长江科学院院报，2006，23（3）：13－16.

［3］ CAO Y，ZHU J Z.Numerical simulation of 3Dcooling water based on FVCOM［J］.Chinese Journal of Hydrodynamic，2009，24（4）：432－439.曹颖，朱军政，基于FVCOM 模式的温排水三维数值模拟研究［J］.水动力学研究与进展，2009，24（4）：432－439.

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