普兰店电厂温排水数值模拟研究

寿幼平+赵俊杰+刘爱珍

摘要：为解普兰店电厂温排水对海水环境的影响，采用水动力及对流-扩散方程的二维潮流及温度扩散数学模型进行了潮流及温度场数值模拟，分析了温排水排放对周边海水的影响，统计了不同温升的包络面积。结果表明：由温排放导致的温度扩散主要集中在排水口附近区域，冬季温升超过0.5℃的面积约为0.0572 km2，温升大于1℃的范围仅0.0001 km2；夏季温升大于1℃的范围均位于水道内，面积为0.0551 km2，不会影响到水道外侧的普兰店湾海域；温升大于0.5℃的海水面积约为0.0118 km2，影响范围为水道内及水道外侧约0.0045 km2的局部海域。

关键词：温排水；数学模型；水动力模拟；潮流；普兰店

中图分类号：TV143 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）2-0083-05

1 引言

半封闭海湾湾内水体与外海水体交换缓慢，造成海洋生态系统脆弱[1]。近年来，随着我国沿海经济的快速发展，许多半封闭海湾建造了电厂，采用直流供水系统的电厂常年源源不断的将高于环境温度5～12℃的温排水排入受纳海域，会对海水环境产生热影响乃至热污染。

目前，半封闭海湾的热影响问题受到学者的广泛关注。周巧菊采用POM模型对大亚湾核电站的温排水进行了模拟研究[2]；林军采用ECOMSED模型对象山港海域温排水的时空输移路径及范围进行了研究[3]；赵懿珺采用Delft3D模型对铁山湾电厂的温度场进行了数值模拟[1]；陈春亮等为了解决温排水排入湛江湾后的随潮输移扩散，应用ECOMSED模型计算温排水的时空输移路径及温升范围[4]；姚姗姗等采用MIKE21-HD模型对舟山海域冷排水的温度扩散进行了数值研究[5]。数学模型作为主要的模拟手段，已得到了广泛的应用。笔者采用MIKE21-HD模型，对普兰店电厂温排水的输移路径、温升范围进行研究，从温排水扩散角度分析项目建设是否可行。

2 自然条件及计算工况

普兰店海域潮流类型属规则半日潮流性质，日潮不等现象明显，即高、低潮不等较为明显。普兰店湾内地貌主要为海积地貌[6]，海岸地貌都是在海水动力下逐步形成的。海积地貌主要表现为海滩、潮上滩、沿海堤、沙嘴和沖积平原等。大连海湾工业园区主要是坐落在普兰店湾内的海滩上，既是潮间带上堆积的细小泥质物资。工程海区形势图如图1所示。各验潮站潮特征值引自区项目填海可研海洋环评海域使用论证阶段水文测验分析报告》，具体结果列于表1中。海流实测共布设了10个测站，1#测站采用H1潮位，2#、3#、4#测站采用H2潮位，5#～10#测站采用H3潮位，将各个测站的垂线平均流速以落潮为正、涨潮为负绘制潮位及垂线平均流速流向过程线图，具体见图2和图3。根据实测结果，海域潮流类型属规则半日潮流性质。垂线平均潮流的可能最大流速，以6#测站最大，为90.7 cm/s， 10#测站最小，为7.7 cm/s。可能最大流速的流向多为落潮方向。全部8个测站均表现为往复流。余流的变化主要受风场、径流以及地形的支配，从垂线平均的余流结果来看，最大值出现在小潮期间5#测站，达12.6 cm/s，方向为116°，其次是小潮期间7#测站，达11.5 cm/s，方向为71°，其余测站不超过10 cm/s。从各层余流结果看，最大值出现在小潮期间9#测站表层，达15.8 cm/s，方向为305°，其余测站不超过10 cm/s。

项目所在地的多年平均气温为9.7 ℃，多年平均最高气温为15.1℃，平均最低气温为4.9℃，极端最高气温为36.1℃（1999年7月29日），极端最低气温-24.8℃（2001年1月15日）。

为保证局部流场计算符合潮流场的整体物理特性，便于给出开边界条件，采用网格嵌套方法进行计算，第一模型为普兰店湾，取为56 km×45 km的南北向矩形区域，本计算域基本上将工程区及可能受到影响的区域都包括在内，计算网格尺度采用90 m×90 m的固定网格。第二模型为普兰店内湾海域，计算范围取56 km×45 km，网格尺度为30 m×30 m。第三模型为工程附近的局部区域，取为28 km×18 km的南北向矩形区域，计算网格尺度采用10 m×10 m的固定网格。在第一模型计算后，第二第三模型的开边界均由上一层模型的计算结果提供。

模型计算的地形条件分别采用相应的海图中的数据，小范围计算采用工程附近的实测地形。

本项目排水口设置于普兰店湾纵深末端海域与附近支流交汇的水道内，水道相对狭窄，排水口距岸边约430 m。根据本项目工艺要求，夏季温排水的排水量为976 m3/h，温升约为6 ℃。冬季温排水的排水量为335 m3/h，温升约为9.6 ℃。排水口位于一排洪渠内，为明渠，排水口水深较浅，仅0.5 m。

本项目取水口设在厂区西北4.5 km的沈海高速跨海大桥东侧-7 m等深线附近的海底深槽位置（深层取水）；循环水排水管贯穿防浪堤与陆上水管相连，进入电厂冷却水循环系统后，排放进厂区东北侧排洪渠进入普兰店湾。

水运力条件模拟和验证引自《国电电力普兰店热电厂“上大压小”新建工程（2×350 MW）海洋环境影响报告书》，具体验证结果描述如下：“各测站计算值与实测值基本一致，潮位、流速和流向的变化过程也基本吻合，可见该模型所模拟的潮流运动基本能够反映出工程附近海域的水流状况，可以作为进一步分析计算的基础资料”。

3 水动力及温度扩散数值模拟

3.1 水动力模拟理论

水动力模拟采用二维潮流连续方程和运动方程。

连续方程：

ηt+Hux+Hvy=0，

运动方程：

ut+uux+vuy+gηx-fv+guu2+v2C2H=0，

Vt+uvx+vvy+gηy+fu+gvu2+v2C2H=0，

式中：η为水位；H为水深，H=h+η，h为海底到静止海面的距离；u、v为分别为沿x、y方向的垂线平均流速分量； f为柯氏力系数，f=2ωsin，其中ω是地转角速度，∮是地理纬度；C为谢才系数，它与曼宁数M的关系为C=M×h1/6； t为时间； g为重力加速度。

3.2 温度扩散模拟理论

温度扩散采用二维对流扩散模型，水温扩散模式为：

HTt+HuTx+HvTy=Kx2（HT）x2+Ky2（HT）y2+M-KsT，

式中T为温度差；

Kx、Ky分别是x、y方向的扩散系数；Ks为水面综合散热系数，Ks=0.2388（4.6-0.09（Tn+T）+4.06W）exp（0.033（Tn+T）），Tn为基础温度（夏季取为17.7℃，冬季取为0℃）；W为风速；M为温排水源项（=QT0，Q为排放量，T0为温升）；其它符号同上。

4 预测结果分析

4.1 水动力模拟结果

工程所处海域接近普兰店湾纵深末端，因受海岸、岛屿和海底地形的制约，流速较普兰店湾湾口及中段流速小，涨急最大流速一般不超过0.35 m/s，落急最大流速一般不超过0.25 m/s（图4）。中部相对开阔海区，潮流流速相对较大，岸边区域受复杂地形影响流向多变、流速较小。潮流主流向大致与等深线或航道的走向相一致，呈NE—SW向往复流。本项目排水口设置于普兰店湾纵深末端海域与附近支流交汇的水道内，水道相对狭窄，约35 m左右，水深相对较小，流速较湾内流速明显减小，涨落潮最大流速均不超过0.06 m/s，属弱流区（图5）。

4.2 取水点取水对桥墩及潮汐通道的影响分析

海水补给水取水点设在普兰湾大桥附近以东海域，取水戽头在-6.2m处，根据工程分析，夏季取水量为2022m3/h，冬季取水量为654.5 m3/h。为说明取水点取水对桥墩及潮汐通道的影响，在距离取水点最近的沈大高速公路海湾大桥断面上选取5个代表点和4个代表断面，代表点与断面的位置见图6，表2中列出了各代表断面的流量值，可以看出，冬季取水、夏季取水与无取水情况下的断面流量没有发生变化。可见，取水点取水对距离最近的沈大高速公路海灣大桥桥墩及潮汐通道没有明显影响。

4.3 排水口方案布置与预测

本项目拟选排水口设置于普兰店湾纵深末端海域与附近支流交汇的水道内，水道相对狭窄，排水口距岸边约430 m左右。备选方案位于拟选方案以里300 m水道内侧岸边。排水口位置如图7所示，排位口位于引水渠内，预测结果列于表3中。

由预测结果可见，拟选方案与备选方案排水情况下，温升大于1℃的范围均位于水道内，不会影响到普兰店湾海域。拟选方案排水情况下，大于1℃温升的面积约0.0551 km2，备选方案排水情况下，大于1℃温升的面积约0.0588 km2，主要位于水道末端，若选择备选方案进行排水将造成水道内较大面积的高温升浓度范围水体。温升为0.1～0.5℃的水体基本位于水道外侧的普兰店湾海域内，拟选方案的影响面积大于备选方案的情况，但低温升水体对海域环境的影响较小。可见，拟选方案扩散条件优于备选方案，拟选方案高温升水体小于备选方案，低温升水体则大于备选方案。因此，从预测结果可知，扩散条件好的海域设置排水口，对海水温度的影响较小。

4.4 温度扩散模拟

根据上述扩散方程，在水动力条件稳定后对以上计算方案进行预测计算，计算时间为7 d，对7 d的预测结果统计平均值，并给出了同步的排放口断面流量随时间变化过程线以及同步的七日纳潮量。图8分别为冬季和夏季的周平均温升范围包络线图，其中冬季温排水造成的温升超过0.5℃的面积约为0.0572 km2，温升达0.5℃以上的范围位于水道内，温升大于1℃的范围仅0.0001 km2，位于排放口附近的局部区域，不会影响到水道外侧的普兰店湾海域。夏季温排水造成的温升大于1℃的范围均位于水道内，面积为0.0551 km2，不会影响到水道外侧的普兰店湾海域；温升为0.5～1℃之间的海水面积约为0.0118 km2，影响范围为水道内及水道外侧约0.0045 km2的局部海域。

根据工程布局，养殖区位于沈海高速桥西侧，取水戽头位于沈海高速桥东侧120 m处，取水戽头距离排水口水道约4.3 km。根据以上预测结果，大于0.5℃的温升范围为水道内及水道外侧的局部海域（0.0045 km2），温升大于1℃的范围位于水道内，不会对取水口与养殖区产生显著影响。斑海豹自然保护区距离排水口最近距离约32.6 km，本工程温排水产生的温升不会影响到斑海豹自然保护区的自然环境。

可见，冬、夏季温排水排放周平均温升大于1℃的范围均位于排放口所在的内陆水道内，不会影响到普兰店湾海域，也不会影响到普兰店湾海域内的养殖区与取水戽头以及外侧的斑海豹自然保护区。

5 结论

笔者在对普兰店海域自然条件进行分析的基础上，采用经验证的二维潮流数学模型及温度扩散二维数学模型，选取对海水温度影响较小的拟选排水口布置方案，根据项目工艺要求，分冬季、夏季两季的排水量及排水温度作为计算工况，计算了普兰店电厂建成后温排水所致的温度扩散情况，统计了不同温升的包络面积，得到以下结论。

（1）项目排水口设置于普兰店湾纵深末端海域与附近支流交汇的水道内，水道相对狭窄，约35 m左右，水深相对较小，流速较湾内流速明显减小，涨落潮最大流速均不超过0.06 m/s，属弱流区。

（2）冬季取水、夏季取水与无取水情况下的断面流量没有发生变化，取水点取水对距离最近的沈大高速公路海湾大桥桥墩及潮汐通道没有明显影响。

（3）通过对拟选方案与备选方案预测结果对比可知，扩散条件好的排水口影响面积较大，但是高温升浓度水体较小，扩散条件好的排水口对海水温度的影响较小说。

（4）冬季温排水造成的温升超过0.5℃的面积约为0.0572 km2，温升达0.5℃以上的范围位于水道内，温升大于1℃的范围仅位于排放口附近的局部区域，不会影响到水道外侧的普兰店湾海域。夏季温排水造成的温升大于1℃的范围均位于水道内，面积为0.0551 km2，不会影响到水道外侧的普兰店湾海域；温升为0.5～1℃之间的海水面积约为0.0118 km2，影响范围为水道内及水道外侧约0.0045 km2的局部海域。总体而言，由温排放导致的温度扩散主要集中在排水口附近区域，不会影响到普兰店湾海域，其最远扩散距离及影响水域面积均不大。因此，从温排水角度认为，电厂取排水工程的实施，对周边水环境影响较小。

参考文献：

[1]赵懿珺，王清宇，陈小莉.铁山湾内电厂温排水累积热影响数值模拟[J].水利水电科技进展，2015，35（2）：47～51.

[2]周巧菊.大亚湾海域温排水三维数值模拟[J].海洋湖沼通报，2007（4）：37～46.

[3]林 军.象山港海洋牧场规划选址评估的数值模拟研究：滨海电厂温排水温升的影响[J].上海海洋大学学报，2012，21（5）：816～824.

[4]陈春亮，梁春林，卢仕严，等.电厂温排水对湛江湾海水温升的数值模拟及生态影响评价[J].台湾海峡，2012，31（4）：530～533.

[5]姚姗姗，解鸣晓，赵洪波.舟山海域LNG码头工程冷排放数值模拟研究[J].水道港口，2016，37（3）：264～268.

[6] 中国海湾志编委员会.中國海湾志[M].北京：海洋出版社，1992.

Numerical Study on Warm Water Emission for Power Plant in Pulandian

Shou Youping， Zhao Junjie，Liu Aizhen

（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering， M.O.T， Tianjin 300456， China）

Abstract： To research the impact sonsea water environment by warm water emission for power plant in Pulandian， hydrodynamics and advection-diffusion equation， a 2-D numerical model for tidal current and warm water were used. We used this model to understand warm water drainages impact on the surrounding seawater， then made statistics on the envelopes of different temperature rise. The results showedthat thetemperature diffusion caused by the warm water emissions were mainly concentrated in the vicinity of drain. The diffusion area with temperature rise above 0.5 ℃was about 0.0572km2 when the temperature rise above 1 ℃was about 0.0001km2 in winter. The diffusion area with temperature rise above 0.5 ℃was about 0.0118km2 when the temperature rise above 1 ℃was about 0.0551km2 in summer.

Key words： Pulandian； warm water emission； numerical model； temperature rise