小清河感潮河段与河口区温排水模拟及对地貌的响应

2014-12-15金玉休朱龙海吴建政胡日军姜胜辉

海洋科学 2014年11期

金玉休, 朱龙海,2, 吴建政,2, 胡日军,2, 张伟, 姜胜辉,2

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东青岛 266100; 2.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东青岛 266100)

随着海洋经济的快速发展及用电需求的日益增长, 沿海地区电厂的建设和规划也随之增多[1]。滨海电厂多采用海水作为冷却水, 将废热释放到海洋中,温排水成为影响海洋环境的主要因子[2]。温排水排放量大, 通常1 000MW的电站, 需要30~40 m3/s的冷却水[3], 不仅使受纳水体的温度升高, 还对生态环境产生影响, 并引发环境问题[4]。例如, 水温的升高会使水中饱和溶解氧降低, 容易引发赤潮, 许多对温度敏感的动物(如鱼类), 因水温升高将会受到迁徙、死亡的威胁[5]; 如果电厂温排水影响到自身的取水冷却, 必将给电厂冷却系统的效率带来影响[6-7]。因此, 温排水的扩散影响是电厂建设项目关注的重点之一[5]。

20世纪 40年代开始, 国外海洋学家对电厂温排水的影响进行了研究。1968年英国学者Harleman等[8]针对TVA Browns Ferry核电厂进行了稳定和非稳定流态下电厂冷却水热扩散的研究。McGruik和Rodi[9]最早采用深度平均形式的k-ε紊流模型计算冷却水岸边排放近区的温度分布。随着计算机的发展,国外学者[10-13]采用数值计算方法对温排水输运扩散进行了深入研究。

20世纪80年代以来, 中国学者开始对温排水的影响进行研究[14], 数值模型采用二维模式[15-19]或三维模式[20-23], 研究区域包括河道[24]、湖泊水库[25]、感潮河段[26]、海湾[23,27]等, 同时也有不少学者[28-31]对取水口温升、温排水中余氯的影响、超温水体蒸发系数进行研究。

不同地形地貌, 其水动力条件会有所不同, 温排水稀释、扩散强度也存在差异[32]。如当河道水流为单向流时, 温升影响一般分布在排水口附近及其下游, 并形成一条扁长状的沿岸热污染带。而在感潮河段中, 由于水流为非恒定往复流, 温水受潮汐水流的影响, 会在排水口上、下游沿岸往复运动, 情况较为复杂[18]。

在河口附近海域, 温排水扩散同时受河口地貌、径流和海洋水文动力条件的影响, 情况更为复杂。本文研究了河口附近海域温排水扩散影响, 对于滨海电厂建设和温排水研究具有一定的指导意义。

1 研究区概况

小清河口位于莱州湾西南角, 河口潮滩宽阔,平均坡度 0.02%～0.03%, 近口门附近有牡蛎滩和拦门沙两段碍航浅滩[33]。该区潮汐属于不正规半日潮,河口处平均海平面117 cm, 平均潮差125 cm; 涨落潮流向SSW-NNE, 平均流速30～40 cm/s; 涨潮流速略大于落潮流速, 小清河口外的潮流为顺时针方向的旋转流[33-34]。

该区常风向为SE, 但风速较小, 强风向为NE。海区波浪主要为风浪, 河口位置N、NNE 和NE 向波浪最强[33]。海区沉积物质有极细砂、粉砂质砂、砂质粉砂及黏土质粉砂等[33-35]。周边海域入海河流主要有小清河、黄河、淄脉沟、弥河、白浪河和潍河等[36]。

2 数学模型

2.1 潮流模型控制方程

(1) 控制方程

质量守恒方程:

动量方程:

式中:ζ为水位;h为静水深;H为总水深,H=h+ζ;u、v分别为x、y方向垂向平均流速; g为重力加速度;f为科氏力参数(f=2ωsinф,ф为计算海域所处地理纬度);CZ为谢才系数,为曼宁系数;εx、εy分别为x、y方向水平涡动黏滞系数。

(2) 定解条件

初始条件:

边界条件:

固定边界取法向流速为零, 即V·n=0; 在潮滩区采用动边界处理。

2.2 温排水模型控制方程

(1) 温升控制方程

式中:H为水深;ρ为海水密度;T为温排水温升;Dx、Dy分别表示x、y方向上的热扩散系数;Cp为海水定压比热;u、v表示x、y方向的流速;Q0表示源项;Ks表示散热系数。

(2) 边界条件

边界条件: 开边界水流计算均以潮位过程线作为其边界条件, 温度场计算入流边界给定水温, 出流边界公式如下:

n为出流边界法向单位矢量。

2.3 模型范围

本研究所建立模型范围如图1所示, 为莱州港、渤中、大清河口连线以及岸线围成的海域。模拟采用非结构三角网格, 整个模拟区域内由20 885个节点和32 871个三角单元组成, 最小空间步长约为10 m。

图1 研究区位置及模型范围图Fig.1 Location of the study area and scope of the model

2.4 水深地形与岸线

岸线依据2013年3月3日Landsat TM+卫星影像确定。水深地形根据中国人民解放军海军航海保证部制作的11840号海图(1∶150000)与2007年3月长江委水文局长江下游水文水资源勘测局在弥河(1∶2000)、小清河(1∶5000)及其河口(1∶10000)的水深地形测量资料确定。海图经扫描后采用AutoCAD软件进行数字化。海图均采用WGS-84坐标系统、墨卡托投影坐标, 海图数字化后统一变换为高斯-克吕格投影下的坐标。

2.5 模型水边界输入

开边界: 收集了莱州港、渤中、大清河口的潮位观测资料, 经调和分析后求得M2、S2、K1和O1四个分潮的调和常数, 按下式输入计算:

这里,σi是第i个分潮(这里共取四分潮: M2、S2、O1和K1)的角速度;Hi和gi是调和常数, 分别为分潮的振幅和迟角;fi、vi、ui为天文变量。

闭边界: 以海域岸线作为闭边界。

2.6 参数设置

电厂2×1 000 MW机组温排水量取53.1 m3/s,直流冷却排水温升取9.88℃。

根据小清河羊角沟站 1957~2006年径流量统计结果, 平均径流量取32.6 m3/s。由于寿光市已建成弥河王口、寒桥、杨庄、郝柳等多座拦河闸坝, 正常情况下无下泄径流量, 弥河径流量取0 m3/s。

扩散系数Dx,Dy选择与流速相关的方式, 比例系数取1[24]。根据当地气象和水文统计资料, 采用毛世民和陈惠泉[31]提出的超温水体蒸发系数通用公式计算得到散热系数Ks=45 W/(m2·℃)。

3 结果与讨论

3.1 模型检验

(1) 潮位检验

利用天津港、黄河口外、潍河口和弥河口的潮位观测资料经调和分析后, 选用 M2、S2、K1、O1四个分潮的调和常数预报出大潮期的潮位进行验证,计算值与实测值比较如图2所示。

图2 潮位验证曲线Fig.2 Verifying curve of tide

(2) 潮流检验

采用长江委水文局长江下游水文水资源勘测局于2007年3月6日至3月8日在小清河感潮河段及河口外海域进行的大潮水文测验资料进行潮流验证,验证点为C1、C2、C3、C4, 验证点位置如图1所示,验证曲线如图3所示。由于未收集到C2站位附近海域近期的水深地形资料, 采用的历史海图水深与实际水深存在差异, 导致C2站位计算流速值整体小于实测流速值。C3、C4站位位于小清河河道内, 模拟采用小清河多年平均径流量与观测期间的径流量存在一定差异, 导致C3、C4站模拟与实测值存在一定的误差。

图3 潮流验证曲线Fig.3 Verifying curve of tidal current

验证结果表明, 对应观测点上潮位和潮流模拟结果与实测潮位和潮流资料基本吻合, 能够较好地反映工程周边海域潮流状况。

3.2 小清河河口岸线和水深地形特征

目前, 小清河、弥河下游及河口两侧主要分布养殖池、盐田及港口, 河堤、港口码头、防潮坝、盐田河养殖池堤坝等人工岸线成为研究区的主要岸线类型(图4)。小清河下游感潮河段内水深一般在–1~–6 m(1985国家高程基准), 最大水深为–7.5 m。小清河河口分布有拦门沙, 河口两侧水深一般小于–3.0 m。小清河河口外海域海底坡度较缓, 平均坡度一般在

图4 Landsat ETM+ 卫星影像(2013年3月3日)Fig.4 Landsat ETM+ satellite image(2013-03-03)

3.3 模型网格设置对地形地貌的影响

针对小清河感潮河段弯曲河道、非常宽阔的潮滩等特点, 分析比较了采用三角形网格、矩形网格以及三角形网格与矩形网格相嵌套的方法对河道和河口水深地形的影响, 如图6、表1所示。三角形网格与矩形网格相嵌套的方法更能有效地拟合小清河弯曲河道和潮滩的地形地貌特征, 单独采用矩形网格或三角形网格在网格空间步长足够小的情况下, 也可以拟合地形特征, 但会大大增加网格数量, 加大运算时间。

图5 水深(m)地形图Fig.5 Bathymetric charts

小清河口两侧老河口与淄脉沟之间潮滩的面积约46 km2, 在不考虑漫滩的情况下, 不能准确反映河口区潮流场和温排水扩散特征。本次研究采用动边界, 能够更为准确地反映河口温排水扩散影响情况。

3.4 温排水对地形地貌的响应特征

本文对大潮水文条件下2×1 000 MW机组运行后的温排水影响进行了预测, 温排水排放20 d温升场稳定后, 提取大潮温升最大包络线。为了比较不同径流量条件下的温升扩散特征, 以小清河多年平均径流量32.6 m3/s为基础, 同时分别模拟预测了小于平均径流量(取10 m3/s)和大于平均径流量(取50 m3/s)条件下的温排水扩散, 结果如图7所示。

图6 网格设置及对应水深(m)地形Fig.6 Grid settings and corresponding depth

表1 不同网格设置比较一览表Tab.1 Comparison of different grid settings

图7 小清河不同径流量(m3/s)条件下最大温升(℃)包络图Fig.7 Temperature rise envelope under different runoff

由图7可以看出, 由于小清河河口外海域水深较小、潮滩宽阔, 温排水扩散面积较大, 而浅水区温排水扩散范围占主导。如小清河径流量为32.6 m3/s时,>1℃温升包络面积达到 35.80 km2。水深浅于–1.0,–2.0和 –3.0 m 时, >1℃温升包络面积分别占相应总面积的47%~48%, 73%~80%和86%~95%, >2℃温升包络面积分别占相应总面积的47%~49%, 68%~81%和 81%~94%, >4℃温升包络面积分别占相应总面积的 40%~48%, 56%~79%和 72%~92%(表2)。

3.5 温升与潮位之间的关系分析

小清河感潮河段及河口外海域不同位置温升存在较大差异, 其与潮位之间的对应关系也有所不同。

小清河口外海域(1#, 位置如图7所示)温升与潮位之间存在负相关, 随着潮位升高, 潮水上涨, 将高温水向河口上游顶托, 温升逐渐减小, 高潮时温升达到最小值, 接近0℃(如图8a中1#点所示); 随着潮位下降, 温排水随潮水向河口外海域扩散, 温升逐渐增加, 低潮时温升达最大值, 最大温升在 5.6~9.5℃(如图8中1#点、表3所示)。

弥河口温升与潮位之间相关性不明显(2#, 位置如图7所示), 由于弥河基本无下泄径流, 弥河口温升较高, 最大温升在 9.5~10.1℃(如图8中 2#点、表3 所示)。

取水口(3#, 位置如图7所示)温升与潮位之间存在正相关关系, 高潮时, 温升达最大值, 为 7.8~10.0℃(如表3所示); 低潮时, 温升达最小值, 为0℃(如图8中3#点所示)。

3.6 温升与径流量之间的关系分析

温升与小清河径流之间也存在一定的相关性。(如表3所示)。

小清河口外海域(1#, 位置如图7所示)温升与小清河径流量之间存在正相关, 随着径流量增大, 平均温升有所增加, 小清河径流量为10.0, 32.6和50 m3/s时,1#点平均温升分别为1.6, 3.9和4.7℃(如表3所示)。

取水口(3#, 位置如图7所示)温升与小清河径流量之间存在负相关, 随着径流量增大, 平均温升有所减小(如表3所示)。

如果弥河温排水不对小清河取水产生影响, 可不考虑取水口、排水口温升的耦合。由于本电厂弥河温排水通过小清河上溯至取水口及上游, 导致取水口温度上升, 高于环境本底温度。因此, 模型中考虑了取水口、排水口温升的耦合。考虑耦合关系后,假设环境本底温度为10 ℃, 排水温升为9.88 ℃, 则排水口温度为 19.88 ℃, 由于潮流上溯影响, 取水口温度有所升高, 按照升高 2 ℃计算, 取水口温度为12 ℃, 通过电厂循环后, 排水口的温度则为 21.88 ℃,这时排水口温度较环境本底温度高11.88 ℃。如此反复循环, 导致弥河及小清河内的温升不断升高, 使得特征点温升超过9.88 ℃(如图8、表3所示)。

3.7 模型误差分析

(1) 水深地形和岸线

岸线根据2013年卫星影像确定, 水深地形采用2007年测量资料, 不能准确反映2007年后岸线变化导致的水深地形变化情况。

(2) 径流

由于径流量的年际变化、丰水期和枯水期的变化, 采用小清河羊角沟站 1957~2006年平均径流量输入模型计算, 不能准确反映小清河径流和潮流的相互作用影响。

(3) 盐度

河口淡、咸水交汇处流场较为复杂。由于模型未考虑河流和海域盐度的变化的影响, 导致潮流场与温排水扩散范围与实际存在一定的偏差。

(4) 网格

本研究采用二维数值模型, 不能说明表层和底层海水的垂向交换以及河口淡、咸水交汇处温升的变化情况, 会与实际流场和温升存在差异。

图8 小清河不同径流量条件下温升与潮位过程关系曲线Fig.8 Curve of temperature rise and tidal

表3 不同径流量条件下特征点温升Tab.3 Temperature rise under different runoff

(5) 扩散系数和散热系数

扩散系数大, 温排水扩散范围大, 温升相对较低; 反之, 扩散系数小, 温排水扩散范围小, 温升相对较高。散热系数小, 水气热交换速率慢, 温排水扩散范围大、温升相对较高; 散热系数大, 水气热交换速率快, 温排水扩散范围小、温升相对较低。因此,扩散系数和散热系数的取值会对温排水扩散范围和温升产生影响。

4 结论

本文针对河口海域温排水扩散进行了二维数值模拟研究, 探讨了温排水与河口地形地貌、潮位和径流量之间的响应关系, 结论如下:

(1) 小清河感潮河段弯曲、河道狭窄、河口两侧潮滩宽阔, 适宜采用三角形与矩形网格嵌套的方法,能更为准确地拟合实际地形地貌特征; 采用动边界处理方法能较好地反映河口潮滩潮流场和温排水扩散特征。

(2) 河口地形地貌特征是温排水扩散的重要制约因素。由于小清河口海域滩宽水浅, 导致温排水扩散范围大、温升高。

(3) 径流量对温排水扩散范围和温升有重要影响。径流量大时, 温排水扩散范围大, 取水口温升偏低; 反之, 径流量小时, 温排水扩散范围小, 取水口温升偏高。

(4) 温排水扩散与潮位之间具有较好的对应关系。高潮时, 小清河口外海域温升低, 而取水口温升高; 反之, 低潮时, 小清河口外海域温升高, 而取水口温升低。

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