越南某电厂温排水数值模拟

李绍武，韩 飞，陈汉宝

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

越南某电厂温排水数值模拟

李绍武1，韩 飞1，陈汉宝2

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

为了解越南某电厂新建一期三期工程对已投入运行的二期工程取水口温升的影响，采用MIKE 21中的潮流和温度输运模块进行了潮流和温度场的数值模拟。选取冬季和夏季两种气象背景，模拟了典型大潮、小潮情况下一、二、三期工程同时运行时的温度场扩散过程，得出不同工况下的温升包络图。模拟结果表明：一期和三期工程投入运营后，二期工程取水口温升不超过1℃，符合使用条件。针对工程中的透水防波堤，文章提出了杜比公式与MIKE模型相结合的模拟方法，并根据计算结果分析了防波堤的透水性对温度场扩散的影响。结果表明，防波堤透水性对温度场扩散影响显著。

MIKE21；温排水；透水防波堤；杜比公式

数值模拟方法是一种工程中广泛采用的较为成熟的研究温排水运动过程的常规方法[1-5]，既有效且经济，许多开源程序或商业软件中都有浅水和温排模块，但无法直接处理透水堤情况。一般斜坡式防波堤由于抛石孔隙率较大，难以阻挡潮流的穿透，而透过堤身的温排水对港内水体的温度影响相当显著。MIKE软件是在国内外应用十分普遍的水动力数值模拟软件。本文提出一种将杜比公式与MIKE21模型相结合的方法，实现了透水防波堤温度场输运过程的模拟。

1 模型理论

1.1浅水波水动力模块

质量守恒方程

(1)

(2)

(3)

1.2温度模块

MIKE21 FM的温度模块的控制方程为二维热输运方程[6]

(4)

2 工程概况

图1 电厂布置及水文测点Fig.1 Plane layout of the power plant and location of observation stations for tide and current

越南某燃煤电厂工程位于越南南部。电厂包括：一期2×600 MW 二期2×600 MW 和三期2×1 000 MW，其中二期工程已投入运行，一期与三期工程正在建设。电厂循环水系统采用海水直流循环冷却系统，排水口设置在电厂防波堤外侧，取水口设置在港池内部，采用港池明渠取水方案，一、三期工程共用取水明渠(图1)。

厂址附近海域的潮汐类型属于不规则全日潮，全日分潮占主导，其间夹杂不规则半日潮，每月有6～7 d呈半日潮特征。海平面变化在雨季较小，符合海平面的月际变化规律，最高潮位一般出现在10月，最低潮位出现在8月。由实测流速资料分析可知，该海域流场为从东北到西南方向的单向流，涨潮时流速较大，落潮时流速较小。根据1981～1991年的水温统计资料，该地区属于热带气候，年内各月的平均水温变化不大，在26.4～28.0℃，多年平均水温为27.4℃，最高水温为32.4℃，最低水温为22.3℃ 。年内各月平均气温在25.2～28.4℃，多年平均气温为26.7℃，最高气温为37.2℃，最低气温为16.7℃ 。

3 数值模型的建立及计算结果讨论

3.1计算区域和网格划分

2-a计算区域地形 2-b计算区域网格剖分图2 计算区域地形及网格划分Fig.2 Numerical domain and meshes

根据电厂周边区域的岸线特点，结合电厂取排水工程布置及地形情况，确定模型计算区域(图2)，面积约为234.9 km2。采用非结构化三角形网格，节点数9 811，网格单元数19 110，并对取水口、排水口及进港航道进行网格加密，分辨率最小约12 m。

3.2模型的初始和边界条件

潮流场计算的初始条件采用零启动条件，即全场流速给定为零。岸边界采用滑移陆地边界。活动边界采用干湿网格法，干网格、半淹没网格和湿水网格截断水深分别为0.005 m、0.05 m、0.1 m，当水深小于干水深时视为干网格，水深大于湿水深时视为湿网格，水深处于干水深与湿水深之间时不计算动量方程，只计算连续方程。水边界采用潮位和流速过程。

温度场计算的初始条件为环境水体温度，冬季取30.8℃，夏季取32.4℃。陆边界采用绝热条件，对于开边界，水流流出，边界温度由计算给出，水流流入，边界温度为环境水体温度。排水口温度与取水口温度关联，为取水温度加排水温差，一期工程循环水流量为61 m3s，二、三期工程循环水流量均为56 m3s，取、排水温差为7℃ 。

3.3模型参数设置

水流和温排模型参数主要包括底部糙率和热交换系数。海床底部糙率根据实测水文资料，通过模型调试确定。本次计算取曼宁系数为27～50 m13s。水体与大气的热量交换主要包括潜热通量、可感热通量、短波辐射、长波辐射4个基本物理过程，取决于赤纬角、与太阳的距离、纬度、地外辐射、风速、蒸发量、云量、气温、相对湿度等[7]。模型中指定电厂所在时区为东七区。考虑电厂最不利条件，夏季和冬季气温分别取月平均气温37.2℃、35.3℃，相对湿度分别取为88%和83%，其他相关系数通过模型率定确定。

表1 模拟工况Tab.1 Cases of simulation

3.4模拟方案

本次模拟根据二期工程单独运行和一、二、三期工程同时运行、冬季和夏季、典型大潮和典型小潮等不同情况共设置8种不同计算工况(表1)，其中二期工程单独运行工况用来验证模型，一、二、三期工程同时运行工况用来预测一、三期工程投入运行之后对二期取水口温升的影响。

图3 WL1大潮潮位验证图 图4 WL1小潮潮位验证图 图5 CS1大潮流速验证图Fig.3 Verification of water surface elevation for spring tide at WL1 Fig.4 Verification of water surface elevation for neap tide at WL1 Fig.5 Verification of velocity for spring tide at CS1

图6 CS1小潮流速验证图 图7 CS2大潮流速验证图 图8 CS2小潮流速验证图Fig.6 Verification of velocity for neap tide at CS1 Fig.7 Verification of velocity for spring tide at CS2 Fig.8 Verification of velocity for neap tide at CS2

3.5模型验证

3.5.1 潮位和流速验证

潮位验证点为WL1，流速验证点为CS1、CS2(图1)。通过模型调试，水位及流速模拟结果与实测结果对比分别如图3～8所示，实测与模拟值吻合良好。

3.5.2 温升

电厂产生的热水源源不断地由排水口排入环境水体，并随着潮流向周围输移，造成周围水体温度升高。在相同的动力-热力强迫条件下，有温排水与无温排水模式计算的温度场之差为增温场。根据稳定后的增温场做出的最大温升包络图，可以得出模型区域范围内的任何位置可能出现的最大温升值。8种情况得出的最大温升包络图如图9～16所示。

由图9～12可以看出，温排水输移的情况与模型区域流场情况相对应，由于流场以单向流为主，所以温度场为单方向输移。防波堤在温排水的输移过程中起到较好的阻隔作用，在夏季情况下，较少的温排水进入港池内部从而对取水口水温产生影响，在冬季情况下，从口门处进入港池的温排水较夏季增加，但0.5℃等温升线仍未到达二期工程取水口位置，对取水口水温的影响仍然较小。二期工程的数值模拟结果与实际情况基本吻合。

图9 大潮夏季二期温升包络图 图10 小潮夏季二期温升包络图Fig.9 Temperature rising envelope of spring tide in summer for PhaseⅡ Fig.10 Temperature rising envelope of neap tide in summer for PhaseⅡ

图11 大潮冬季二期温升包络图 图12 小潮冬季二期温升包络图Fig.11 Temperature rising envelope of spring tide in winter for PhaseⅡ Fig.12 Temperature rising envelope of neap tide in winter for PhaseⅡ

图13 大潮夏季一二三期温升包络图 图14 小潮夏季一二三期温升包络图Fig.13 Temperature rising envelope of spring tide in summer for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ Fig.14 Temperature rising envelope of neap tide in summer for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ

图15 大潮冬季一二三期温升包络图 图16 小潮冬季一二三期温升包络图Fig.15 Temperature rising envelope of spring tide in winter for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ Fig.16 Temperature rising envelope of neap tide in winter for PhaseⅠ,Ⅱ and Ⅲ

由图13～16可以看出，当一二三期工程同时投入运营之后，由于单位时间内排放到环境水体的温排水大量增加，造成较多的温排水通过口门进入港池内部，在夏季情况下，港池内部温升均超过0.5℃，部分区域达到1℃，在冬季情况下，港池内部大部分温升超过了1℃，但由于二期工程取水口位于港池最内侧，1℃等温升线仍未到达二期工程取水口位置。

由图9～16可以看出，由于典型大、小潮的平均流速比较接近，温度场的输移与潮型关系不大，且由于冬季水温相对较低，有利于温排水的输移，导致较多的温排水进入港池，使港池内部温升增大。

表2 不同工况下二期工程取水口温升特征值Tab.2 Numerical results of water temperature rise at intakes of Phase Ⅱ for each case

不同工况下二期工程取水口的温升值如表2所示。由表2可以看出，在一二三期工程同时运行的情况下，取水口的最大平均温升为0.7℃，最大温升为0.9℃，均小于1℃，符合使用要求。

3.6透水防波堤的模拟

斜坡式抛石堤有一定透水性，港外温排水在港内外水位差影响下可以向港内渗透，从而引起港内取水口处水温升高，影响机组冷却效果。MIKE21 FM水流模型中没有直接考虑结构透水性的方法。为此，提出以下近似处理方法。

根据杜比公式[8]，渗流速度可表示为

(5)

图17 简化渗透模型示意图Fig.17 Sketch of permeable model

图17为水平地基上的防波堤示意图，防波堤外侧液体通过边界AB渗入堤内，在堤内形成自由表面光(浸润面)AC，C点为逸出点，ABCD区域为渗流区。防波堤渗流采用“分段法”进行计算，A′B′GC为外侧段(将上游楔形体ABE用矩形体AEB′A′取代)，内侧段为GCD。

等效矩形体的宽度

(6)

由杜比公式可以推导得出水平不透水层上防波堤的渗流计算公式

防波堤外侧

(7)

防波堤内侧

(8)

式中：m1,m2分别为防波堤外侧和内侧的边坡；H1,H2分别为防波堤外侧和内侧的水位；hk为逸出点高度；q为渗流单宽流量；k为渗透系数。

通过式(6)、式(7)、式(8)三式联立即可求出防波堤的单宽渗流量和逸出点高度。

首先，在模型中将透水堤按不透水考虑，得到堤内外的水位和水温的变化过程；再假设渗流不引起堤内外水位变化，利用式(6)、式(7)计算出单宽渗流量的变化过程。以单宽渗流量作为流量源，以防波堤内外测的水温差作为热源，加入到模型中进行二次计算，即可求出防波堤的透水性对温度场扩散的影响。

由于防波堤地基和堤身填土材料的差异，渗透系数也有所不同[9]。本文选取靠近取水口1 100 m长的两段防波堤(图1)按透水堤处理，分别取渗流系数为0、0.2、0.4和 0.6 cms共4种情况进行计算，得到不同透水性对二期工程取水口温升的影响(表3)。

表3 不同渗透系数下二期工程取水口温升特征值Tab.3 Numerical results of water temperature rise at intakes of Phase Ⅱ for different permeability coefficient

从表3可以看出，防波堤的渗透性对取水口的温升有显著影响。抛石堤的堤心石一般为10～100 kg的块石，其透水系数目前尚无较准确的取值方法。本研究参照卵石渗透系数取0.2 cms。

由上述可知，对于取水口处于温排口下游的情况，若防波堤结构选用斜坡式抛石堤结构，对于兼做隔热和防波双重作用的斜坡式抛石堤，应考虑采取适当的防渗措施，以免影响取水口取水的水质。

4 结论

本文采用MIKE21FM模型对越南某电厂的潮流场和温度场进行了数值模拟。计算结果表明，在增加一、三期工程之后，二期工程取水口最大温升值均未达到1℃，符合工程要求。在考虑防波堤的渗透性时，本文提出了杜比公式与MIKE21FM模型相结合的方法，并对不同渗透系数下防波堤透水性对温排水过程的影响进行了模拟，结果表明，防波堤的透水性对港池内部水体温升的影响显著，并且随着渗透系数的增大而增大，在进行与温排水相关的工程建设时，建筑物的透水性应该引起高度重视。

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[9]王向峰.马銮海堤开口改造防渗技术研究[D] .成都：西南交通大学, 2009.

Numerical simulation study on the thermal water discharge of one power plant in Vietnam

LIShao-wu1,HANFei1,CHENHan-bao2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity，Tianjin300072,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

In order to understand the effect of the newly-built Phase I and III project on the Phase II project of one power plant of Vietnam, a hydrodynamic and transport model of MIKE 21 were adopted to simulate tidal flow field and water temperature field. The thermal water diffusion process in the synchronizing operating case of Phase I, II and III, for both the case of spring tide and neap tide, summer and winter, were simulated. The simulation results show that the rise of water temperature around the water intakes in Phase II project does not exceed 1℃ after the Phase I and II projects putting into operation, which meets the requirements of operation. A combination method of Dupuit formula and MIKE 21 model was proposed to simulate the permeable breakwater, based on which, the effect of the permeability of the rubble mound breakwater on thermal water diffusion was evaluated. The results show that the permeability of breakwater has a great effect on thermal water diffusion.

MIKE 21; thermal discharge; permeable breakwater; Dupuit formula

TM 621;O 242.1

：A

：1005-8443(2017)04-0361-07

2016-09-30;

：2016-10-27

李绍武(1962-)，男，山东莱州人，教授，主要从事海岸动力学及岸滩演变、海岸建筑物波浪数值模型研究。

Biography： LI Shao-wu (1962-) , male, professor.