长兴岛某电厂温排水数值模拟研究

陈雪峰，刘 松

（大连大学土木工程技术研究与开发中心，大连116622）

长兴岛某电厂温排水数值模拟研究

陈雪峰，刘 松

（大连大学土木工程技术研究与开发中心，大连116622）

在沿海水域冷却水工程中需满足机组对冷却水水量和水质的要求，并且对水域水环境影响做出评价。文章依托大连长兴岛某电厂为背景资料，建立平面二维潮流数学模型，根据实测资料对模型进行验证。在水动力模型的基础上，选取四种典型工况，对潮汐潮流作用下的电厂排水口温排水热扩散特性进行数值模拟。根据计算结果探究温排水在水域内输运、扩散规律并预测温度场最大温升包络线分布及取水口温升，分析取排水口布置方案的合理性。

温排水；温升分布；取水口温升

电厂排水温度比周围环境水域水温高，大量温水排放对局部地区造成热富集，降低水体自净能力［1］，同时会引起受纳水体多种理化性质变化，对鱼类、浮游生物、底栖生物等造成不同程度影响。取水口附近的冷却水水温直接关系到机组运行效率，当水温超过一定限度，还会形成水循环的短路，影响机组安全［2］。

数学模型理论发展已经较为成熟，成为研究水流运动规律的重要手段，而且数值模拟具有研究费用低、速度快、不受试验场地影响、周期短等优点成为研究温排水方面的主要途径。国家海洋局第三海洋研究所李燕初等［3］用二维浅水方程，采用交替方向隐式差分（ADI）方法，对厦门港和汕头港潮汝潮流及污染物扩散进行了数值模拟；郝瑞霞等［4］采用浮力修正的k⁃ε瑞流模型，三维离散型边界拟合坐标变换下的控制体积法，进行了滨海电厂冷却水工程的潮沒水流和热传输的三维数值模拟研究；孙艳涛等［5］采用平面二维水流温度场数学模型，对池州电厂二期工程的温排水排放进行了数值模拟，在流速吻合良好的基础上对温排水的影响进行了预测；McGuirk和Rodi［6］采用深度平均形式k⁃ε的紊流模型计算冷却水岸边排放近区的温度分布。

丹麦水力学研究所（DHI）研制的Mike21流体运动模块在国内外水环境研究领域得到广泛的应用。例如刘海成等［7］和王庆改等［8］分别采用Mike21 FM模型的三角形网格和混合网格对温排水问题进行研究；秦晓［9］通过对温排水计算领域重要影响参数的研究，提出更加适宜的模型边界处理与参数取值方法、范围，对电厂温排水排放环境影响进行预报。上述文献均是利用Mike21的FM模块对某海域进行温排水计算，并给出较为理想的预报结果，所以本文拟采用Mike21 FM无结构三角形网格，基于潮流场实测数据验证较好的基础上，模拟大连长兴岛某电厂附近海域水流规律及温排水输运、扩散规律。

1 Mike21 FM数学模型

控制方程

式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标的坐标轴；h为水面高程；总水深为h=h+d；d为水深；为总水深对应于x、y的垂线平均速度分量；f为柯氏力参数；γ为密度；γ0为相对密度；pa为大气压力；tsx、tsy为x、y方向的风应力；tbx、tby为底部切应力；sxx、sxy为x方向的底坡及能坡；syx、syy为y方向的底坡及能坡；Txx、Txy、Tyx、Tyy为侧向应力；g为重力加速度；S为源汇项流量（us、vs为源汇项对应的速度分量）；Tˉ为沿垂向平均的温度；FT为温度扩散系数；为大气热量交换源项；Ts为源项的温度。

2 水动力模型

2.1 工程背景及工程区域自然条件

大连长兴岛位于渤海中部东海岸，包括葫芦山湾和长兴岛西北海岸。葫芦山湾湾口向西，宽约10 km，水深约20 m，南北两岸分别为西中岛和长兴岛。长兴岛西北海岸从马家咀到高脑山一带沿岸水深在-10 m 到-20 m左右，为开敞水域（如图1）。

图1工程概况Fig.1 General situation of project

据海洋站某年气温资料统计该区域月平均气温最高为23.7°C（8月）、最低为-3°C（1月），全年中以12月～翌年2月为月平均气温较低月份，以6～8月为月平均气温较高的月份。太平洋潮波由北黄海经渤海海峡口传入湾内，分别向渤海湾、辽东湾、莱州湾推进。本海域位于渤海湾湾口北侧。潮汐性质属于不正规半日混合潮型，即一潮汐日内出现二次高潮和二次低潮，潮差相差比较大，时间不等。海域潮流属于不规则半日浅海潮流性质，且涨、落潮流具有往复流的性质。在流速变化上该海域呈现有大潮流速大、小潮流速小、表层流速大、底层流速小的变化规律。涨、落潮平均历时随季节、位置的变化略有不同。

2.2 计算区域网格划分

本研究采用无结构三角形网格对模型进行划分，使用三级嵌套网格，对工程区域附近进行重点加密，保证了计算结果的准确性（如图2）。整个模型共包括52 235个节点和103 071个单元，其中在工程区域内三角形最小边长为60 m，在工程区域外适当增大网格尺寸，可以节省模型计算时间，并且满足工程需要。

2.3 参数设置

式中：u0、v0、η0分别为初始流速和初始潮位。在本研究中，初始流速为0 m/s，初始潮位为0 m。

边界条件：开边界采用潮位边界条件，固边界采用干湿边界条件。

计算参数：柯氏力系数根据地形文件及柯氏力计算公式由Mike21 FM自动计算出计算域不同位置处的柯氏力系数，并应用到模型的计算中。水平涡粘系数采用Smagorinsky方程计算，模型中采用推荐值0.3。底摩阻由曼宁系数确定，采用推荐值32 m1/3/s。

图2 模拟海域网格划分Fig.2 Computing grid of simulation section

图3 临时潮位站、潮流站工程布置图Fig.3 Engineering plan of temporary tide level station and tide station

图4 马家咀测站潮位验证Fig.4 Validation results of tide level in Majiaju

2.4 模型验证

根据大连海洋环境监测中心某年夏季及冬季测验资料，有4个潮位测站可验证计算域内夏季（大潮、小潮）和冬季（大潮、小潮）潮位过程，潮流验证有8个测流点的垂向平均流速及流向进行验证（见图3）。潮位测站和潮流点的分布表明此模型可以很好地反映出该海域内的潮流特性。为节省篇幅，图4仅给出位于工程附近的马家咀潮位站（39°33′0.6″N，121°14′52.5″E）夏季小潮潮位实测值与计算值的对比验证结果，数值计算结果与实测结果吻和较好。图5给出了6#潮流点（39°35′25″N，121°15′10″E）、8#潮流点（39°30′28″N，121°12′16″E）的流速、流向验证结果，从图中可以看出，流速的计算结果与实测值吻合较好。综上所述，温排水数值模拟可以在此水动力模型的基础上进行计算。

图5 6#、8#潮流流速、流向验证结果（夏季小潮）Fig.5 Validation results of 6#、8#current velocity and current direction

3 温排水数值模拟

3.1 计算工况及参数

基于潮流场潮位和流速吻合较好的基础上，对长兴岛某电厂沿岸温排放进行数值计算，计算工况分别为：夏季（大潮、小潮）和冬季（大潮、小潮）四种典型工况条件。

定解条件：在Mik21 FM模型中采取相对温度场预测模式对温度场进行数值模拟，初始温升及边界温升设为0，排水口附近温升采用温度升高值，即排放口水温与自然水温之差。温排水水温冬季低，夏季高，与受纳水体的温差夏季小、冬季大，在本研究中夏季排水口设计温升为10℃，冬季排水口设计温升为15℃。

扩散系数：扩散过程主要包括水流流速梯度引起的剪切流动、分子运动和紊动引起的物质扩散。在温度场模型中由于缺少温度扩散系数率定，此处采用比例系数，即模型软件中的Scaled eddy viscosity formulation选项下Scaling factor采用推荐值1.1［10］。

热交换项：根据系统默认参数进行设置。

本研究根据排水口位置不同，采用两种方案。方案一采取1#排水口（39°34′45″N，121°15′36″E）单口排放方式，方案二在方案一的基础上增加了2#排水口（39°33′38″N，121°14′22.56″E），取水口（39°34′21.36″N，121°15′12.96″E）位置保持不变，取、排水口工程平面位置如图6所示。表1分别给出了各方案下不同排水口排水量。

表1 排水口方案Tab.1 Scheme for water outfall

3.2 温升分布及取水口温升

温排水主要是研究电厂在不同季节、不同潮型条件作用下温排水排放对工程区域及邻近海域影响范围及取水口影响。沿海电厂温排水输运扩散规律除受电厂排水口尺寸、排放方式、排水口附近地形条件影响外，还取决于潮汐动力等因素的影响。

根据模型计算潮流分布结果可以看出，涨、落潮憩流一般发生在高、低潮前后，最大流速一般发生在半潮；复州湾涨、落潮流向呈东北—西南向，基本沿湾岸流动；葫芦湾涨、落潮流向除湾顶也呈东北—西南向外，湾口水域流向基本呈北—南向。

图6 取排水口位置Fig.6 Location of water intake and outfall

图7 方案一温升包络线Fig.7 Envelope diagram for temperature rise in scheme 1

图8 方案二温升包络线Fig.8 Envelope diagram for temperature rise in scheme 2

图7、图8分别给出了夏季小潮期不同方案下的温升分布，可以看出，涨潮时温水受潮汐潮流作用紧贴岸线进入复州湾，在高潮位时范围达到最大，落潮时温水向相反的方向进入葫芦山湾，由于受葫芦山湾落潮流影响，温水并未完全进入葫芦山湾，一部分继续向南移动，在低潮位时温水范围最大，温水在潮周期内沿岸线作往复运动，符合本地潮流性质。

表2 方案一各工况条件下最大温升包络面积Tab.2 Envelope area for the maximum temperature rise under several operation conditions in scheme 1km2

葫芦山湾地处工程海域附近，湾口向西偏南，湾口以内呈葫芦形，水深较浅。在落潮期，受潮汐潮流的影响，温水会向葫芦山湾附近聚集。《海水水质标准GB 3097-19976》按照海域的使用功能和保护目标，海水水质分为四类，规定在一、二类地区人为造成的海水温升夏季不超过1℃，其它季节不超过2℃，在三、四类地区人为造成的海水温升不超过4℃［11］。根据最大温升包络线可以看出，夏季小潮期1℃最大温升包络线只到达湾口而并未进入湾里，因此这两种方案都没有对葫芦山湾海域水环境产生较大影响，满足水质要求。

表3 方案二各工况条件下最大温升包络面积Tab.3 Envelope area for the maximum temperature rise under several operation conditions in scheme 2km2

表4 方案一取水口温升Tab.4 Temperature rise for water intake of scheme 1℃

表5 方案二取水口温升Tab.5 Temperature rise for water intake of scheme 2℃

研究温升场最大温升包络面积有利于对取排水口优化布置及对环境影响作出评价，最大温升包络面积与水深、流速关系密切。表2、表3给出了各典型工况条件下两种方案的温排水最大温升包络面积。由表2、表3可以看出，在小潮潮型条件下，夏季最大温升包络面积均比冬季大；大潮潮型条件下，夏季最大温升包络面积比冬季要小。在各潮型期夏季均比冬季取水口平均温升高，主要原因在于夏季温排水水温高，冬季温排水水温低的原因。

随潮位过程的变化，取水口温升在不同时刻变化明显。温升进入海域后，先经历初始掺混，温升高低取决于水量的大小。由于取水口在排水口上游，温水会进入到取水口。涨潮初期阶段，温水主要向东北方向移动，同时在排水口周围进行扩散。随着潮流流速增大，温水大部分流向取水口，在潮流达到高潮位时，取水口温升达到最大。涨潮转化为落潮阶段，温水流向排水口附近，并继续沿岸线向南移动。落潮流速逐渐增大，温水远离取水口，进入葫芦山湾海域，此时取水口温升最小。表4、表5分别给出了方案一、方案二在不同工况条件下取水口平均温升和最大温升，两种方案都符合电厂设计。

4 结论

应用Mike21 FM建立水深平均二维水动力和温度场模型模拟了长兴岛某电厂温排水附近水域水流规律及温排水的输运、扩散，通过对各典型工况条件下温排水最大温升包络面积及取水口温升分析，模型模拟结果较好地反应了该海域水力热力特性，并对工程区域附近环境影响作出了正确评价。

（1）模型采用无结构化三角形网格，很好地拟合边界地形，并且对工程区域进行局部加密，水动力模型验证结果表明此模型良好地反映了工程区域附近水力特性。

（2）分析、比较电厂温排水输运、扩散规律，得出各典型工况条件下的温升包络线分布。夏季小潮期最大温升包络面积均比冬季大，冬季大潮期最大温升包络面积比夏季要大。在各潮型期取水口平均温升夏季均比冬季高。两种方案条件下，取水口温升都符合设计要求。

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［11］GB/T 50102-2003，工业循环水冷却设计规范［S］.

Numerical simulation for the plant of Changxing Island in Dalian

CHEN Xue⁃feng,LIU Song
（Dalian University R&D Center of the Civil Engineering Technology,Dalian 116622,China）

The machine set met the demands of water yield and water quality in the cooling water project of coastal waters,and the assessment of the influence on water environment was made.Based on the background of the plant of Changxing Island in Dalian in this paper,the two⁃dimensional tide mathematical model was established, and according to the measured data,the model was validated.On the basis of hydrodynamic model,four typical con⁃ditions were chosen,and the diffusion feature of the cooling water of the power plant was numerically simulated un⁃der the action of the tide and tidal current.According to the calculation results,the rules of the transportation and diffusion of the cooling water were studied,then the envelope program of the maximum temperature rise and the tem⁃perature rise of water intake were predicted,finally the rationality of the arrangement schemes of water intake and drainage exit were analyzed.

thermal discharge;temperature distribution;temperature rise for water intake

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0269-06

2015-10-27；

2015-12-29

陈雪峰（1973-），女，辽宁省大连人，教授，主要从事近海工程研究。

Biography：CHEN Xue⁃feng（1973-），female，professor.