冷却排水在湖泊中的复温范围研究

王俊敏，傅 雷，滑 磊，唐文嘉

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

水温是水体的一项重要指标参数，水温的变化将导致水体内部生态体系发生一系列的改变[1-4]。温排水进入受纳水体将引起水体水温的变化，进而影响水体动量、能量及温度的重新分配和变化[3，5-9]。国外学者从20世纪40年代就开始调查研究电厂温排水的输移扩散[8，10-12]，20世纪80年代起，我国学者开始研究温排水，如韩曾萃[1]等利用二维非恒定水流方程组和对流 — 扩散方程，模拟核电站冷却废水的放射性及热量在大范围水域中的稀释过程，曹颖[3]等基于FVCOM模式开发了三维温排水对流扩散模型，并应用该模型对象山港内某滨海电厂的温排水进行计算。但上述研究大多集中在温排水对河口及近海水域的影响，对湖泊的影响研究较少[13-16]。

浙江华通数据科技有限公司在千岛湖（新安江水库）珍珠半岛经济开发区修建的数据中心用于冷却系统的温排水，现状工况1000 m3/h（0.28 m3/s）、规划工况1500 m3/h（0.42 m3/s）通过中轴溪景观河道排入千岛湖珍珠半岛湖湾，远期工况4300 m3/h（1.19 m3/s）通过中轴溪景观河道和珍珠半岛广场管道系统汇合后排入千岛湖珍珠半岛湖湾（见图1），将会对出水口附近湖区（库区）造成一定的影响。本文结合现场观测和数值模型对数据中心温排水对出水口附近库区的影响进行研究，并根据研究结果初步总结温排水在湖泊中输移扩散的简单规律。

图1 华通数据中心温排水工况图

2 现场监测实验

珍珠半岛湖湾数据资料较少，缺乏关键的实测水温和水下地形资料，需要进行现场实地监测。在水温、地形补充测量的基础上，利用实测数据建立并验证温排水数值模型，利用该数值模型预测珍珠半岛湖湾的温排水影响并进行相关评价。

2.1 测点布置

2.1.1 水温监测

近岸扇形湖区中布置3条主监测线，分别为扇形区域的中心线、左边界线和右边界线；中心线上布置7个监测断面，分别距离岸边0，50，100，200，300，500，700 m；左右边界线上各布置2个监测断面，分别距岸边20，200 m；每个监测断面上监测3组水温数据，测点分别为距水面5.00，15.00，30.00 m，水深不足时，按表、中、下层水深读取水温。湖区共需读取水温数据11×3 = 33个。水温监测断面空间布置见图2。

2.1.2 水下地形（水深）估测

根据相关资料，本次监测的近岸湖区，其水深自岸边向外侧延伸，深度为5.00 ～ 40.00 m，最深不超过50.00 m，由于对水下地形监测精度要求不高，可以利用水温监测时读取的探底水深数据，推算各监测断面的水下地形。最终得到3条主监测线上共11个监测断面的水下地形数据（水深）。

图2 千岛湖珍珠半岛湖湾监测断面分布图

2.2 监测成果

本次现场监测时间为2016年9月22日11∶00 — 15∶00，监测当天千岛湖水位为100.85 m（接近千岛湖常年平均水位），天气晴转多云，相对湿度80%，气温32.0 ℃。根据华通数据提供的工况数据，监测当天华通数据中心温排水量为1000 m3/h（0.28 m3/s），属于典型的现状工况排水。

本次监测采用水下温度仪及ADCP设备监测方式同步进行，水温测量精度达0.002 ℃，地形测量精度达0.10 m。考虑到模型实际需求，地形测量采用点测量形式，即在每个监测断面上测量水下地形，在数值模型中采用三角差分的方法对整个扇形计算区域进行地形差分，得到珍珠半岛湖湾的水下地形。监测得到的水温分布及水下地形见图3 ～ 4。

图3 现场监测珍珠半岛湖湾水温分布图

3 模型原理

根据温排水影响评价的模拟尺度、精度要求和温排水区域的实际情况，本次采用世界领先的平面二维计算软件对温排水进行数值模拟计算，模型采用的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程[17-19]，其形式为：

图4 珍珠半岛湖湾计算区域水下地形示意图

对温排水计算而言，公式（1）～（6）中的模型关键项为能量输运项ST，ST代表了数值模型中的热交换量，其定义为[17，20-21]：

式中：H为总水深（m）；qin、qout为传质的单位体积入流、出流量（m3/s）；c为质量浓度（w/m3）；cin为来流质量浓度（w/m3）；Qtot为水面热交换（w/m2）。水面热交换主要是各种辐射、反射、蒸发与热传导等热力学因素的集合。采用的公式为：

式中：Qsn为净太阳短波辐射（w/m2）；Qan为净长波辐射（w/m2）；Qan= Qa-Qbr-Qw，Qa为大气长波辐射（w/m2）；Qbr为水面对长波的反射（w/m2）；Qw为水体的长波辐射（w/m2）；Qev为净蒸发（w/m2）；Qco为热传导（w/m2）[22-26]。

4 湖湾温排水数值模型

4.1 模型建立及验证

根据珍珠半岛湖湾的平面图及现场监测获得的湖湾水下地形数据，建立珍珠半岛湖湾扇形区域的数值模型，利用正交化网格对其进行数值离散，得到符合计算要求的数值模型区域，珍珠半岛湖湾概化模型见图5。

图5 珍珠半岛湖湾计算范围及概化网格图

珍珠半岛湖湾的总面积约1.7 km2，根据温排水预估影响范围及现场监测的实际情况，选定本次珍珠半岛湖湾的计算范围为以珍珠半岛广场为圆心的半径r = 700 m，圆心角约120°的扇形湖区，计算概化网格为自圆心向圆周的渐变网格，网格尺度长5 ～ 10 m，宽3 ～ 8 m。计算区域共划分网格7448个。

利用现场监测的水温数据对所建立的珍珠半岛湖湾数值模型进行验证。9月22日现场监测当天，华通数据中心排水为现状工况排水，其排水量为0.28 m3/s。考虑到现场监测当天中轴溪自中游以下为管道排水，其复温能力较弱，验证模型中采用偏不利条件，设定管道湖湾出口处水温为27.2 ℃（即T设= T推-1）。下游边界采用水位 — 水温联合边界条件，并采用第二类边界条件，即：

初始条件水位为千岛湖当天水位100.85 m，模型糙率设为n = 0.01，背景水温26.8 ℃，云量设置为70%，相对湿度设置为80%，气温设置32.0 ℃。同时，按淳安县多年统计数据，数值模型中的太阳辐射数据设置为180 J/（m2· s）。计算时间步长为0.25 min，计算稳定条件设置为同一网格2个时间步长之间的温差△T＜10-5℃。值得注意的是，验证模型采用双点源入流形式（见图6），与常规排水情况略有不同，这是因为在现场监测当天，中轴溪景观河道由于河道清洁，下游处于封闭状态，华通数据中心温排水最终通过管道排放的形式进入珍珠半岛湖湾，为保证模型的准确性，验证模型中采用和现场监测时同样的排水方式，即双点源入流形式，模型排水点与管道排水口空间位置保持一致。

另外，由于排水流量极小且排水点位于湖湾陆域边界，根据现场监测的数据并参考相关文献[4，11，27-28]，其对5.00 m以下的水温几乎没有影响。因此，本次模型验证点位为扇形湖湾中心线上的7个监测断面的表层水温数据。模型初始条件、边界条件的设置及模型验证点位的选择见图6。

图6 珍珠半岛湖湾验证模型参数设定图

模型验证选择水位验证与水温验证同时进行的方式，珍珠半岛湖湾中心线上的水位及水温数值模拟数据与实测数据的对比见图7 ～ 8。

图7 珍珠半岛湖湾水位验证图

图8 珍珠半岛湖湾水温验证图

由图7可见，本次数值模拟的水位与实测水位几乎完全一致，这是因为华通数据中心温排水现状流量很小，而珍珠半岛湖湾的水域容积远大于华通数据中心的排水量，因此，温排水几乎不会对该区域的水位产生影响，计算水位与实测水位吻合。同理，由图8可知，由于温排水流量远小于整个湖湾水体的水域容积，温排水仅对湖湾表层水体产生一定的影响，对5.00 m以下的垂向水体，几乎不产生影响。

4.2 模型应用

4.2.1 参数及工况设定

参考《华通数据中心工程设计报告》及千岛湖区的水文气象资料，按千岛湖区夏、冬两季的极端天气情况并结合华通数据中心现状、规划及远期3种不同工况，设置6组计算工况（见表1）。

表1 数值模型计算工况设置表

根据淳安县气象资料，其夏季和冬季情况下的气温、云量、湿度、太阳辐射参数均有所不同，同时，风力对温排水扩散效应也会产生影响，在设置计算参数时，应综合考虑以上因素，表1中所有工况的计算参数设置见表2。

表2 温排水模型不同工况下参数取值表

图9 夏季工况温排水影响范围等温云图

图10 冬季工况温排水影响范围等温云图

为便于比较分析，本次计算中不同工况条件下温排水的影响范围采用等温云图表示，夏季与冬季不同工况下的温排水影响范围云图见图9 ～ 10。

4.2.2 温排水影响范围分析

图9、图10分别显示夏季、冬季工况温排水影响范围计算结果图。由图9 ～ 10可知，夏季工况下华通数据中心的温排水，仅对珍珠半岛湖湾表层水体的水温产生影响，对水深5.00 m以下的水体不产生影响；冬季工况下，现状工况W1及规划工况W2的温排水一进入湖区，表层水体的混合水温立即达到13.7 ℃的复温目标，现状工况W1和规划工况W2的预测影响范围均为0，不会对珍珠半岛湖湾造成影响。

夏季远期工况S3由于湖湾岸边排水中加入了珍珠半岛工业园区额外0.77 m3/s流量的排水，其对珍珠半岛湖湾的影响范围较工况S1和S2有明显扩大。由图9可知，远期工况S3由于其流量增大且排水水温降低，等温云图范围明显增大。根据数值计算结果，以温降2.0 ℃为评价标准，其影响范围为近岸约290 m半径的扇形区域，面积约88000 m2，约占整个珍珠半岛湖湾面积的5.000%。

同样，冬季远期工况W3由于湖湾岸边排水中加入了珍珠半岛工业园区额外0.77 m3/s流量的排水，其对珍珠半岛湖湾的影响范围较工况W1和W2略有扩大。由图10可知，远期工况W3由于其流量增大且排水水温进一步降低，温排水对珍珠半岛湖湾呈现出一定的影响，根据数值计算结果，以温降2.0 ℃为评价标准，其影响范围为近岸约10 m半径的扇形区域，面积约100 m2，约占整个湖湾计算区域面积的0.006%。不同工况下温排水影响范围见表3。

表3 不同工况条件下温排水影响范围表

4.2.3 湖湾中心线水温分布及分析

对计算区域内珍珠半岛湖湾中心线的水温分布进行分析。夏季工况珍珠半岛湖湾的背景水温值为31.6 ℃，冬季工况珍珠半岛湖湾的背景水温值为15.7 ℃，参考《地表水环境质量标准》和《环境影响评价技术导则》，以最大温降≤2.0 ℃为评价标准，夏季工况复温目标为29.6 ℃，冬季工况复温目标为13.7 ℃。根据复温目标绘制的湖湾中心线的表层复温曲线见图11 ～ 12。

图11 夏季工况珍珠半岛湖湾中心线表层水温计算结果图

图12 冬季工况珍珠半岛湖湾中心线表层水温计算结果图

图11为夏季工况珍珠半岛湖湾中心线水温计算结果曲线图。由图11可知，夏季现状工况S1排水水温较高，达28.6 ℃，且其流量仅为0.28 m3/s，计算结果显示，湖湾中心线水温恢复较快。规划工况S2排水水温24.3 ℃，低于现状工况，且流量0.42 m3/s，高于现状工况，因此，湖湾中心线水温恢复较慢。夏季远期工况S3的总流量达到1.19 m3/s，且排水水温下降至19.3 ℃，在高排水流量和低排水水温的双重作用下，其复温距离大于工况S1和工况S2。

图12为冬季工况珍珠半岛湖湾中心线水温计算结果曲线图。由图12可知，冬季工况条件下，珍珠半岛湖湾中心线的水温分布趋势与夏季工况类似，但水体复温情况与夏季工况有明显区别。冬季情况下，现状工况W1和规划工况W2由于其入流水温与湖湾背景水温接近，温排水进入湖湾后即达到或超过复温目标水温13.7 ℃。冬季远期工况W3由于其流量大、水温低，在近湖岸约10 m距离内，水温小于13.6 ℃，但随即达到复温目标水温13.7 ℃。与夏季工况比较，冬季工况条件下，珍珠半岛湖湾中心线水温在距离湖岸非常近的距离上就可以达到复温要求。

5 结 语

温排水的排水流量和排水水温是2个较为明显且敏感的影响要素：温排水的排水流量越小、排水水温越接近湖湾背景水温，其对珍珠半岛湖湾的影响范围越小，反之亦然。

温排水对湖湾水温的影响集中体现在对湖湾表层水体，也即水深5.00 m以内水体的影响上，且体现出一定的季节特性：以温差2.0 ℃为评价标准，夏季工况温排水对珍珠半岛湖湾的影响范围根据温排水流量的不同而有所不同，总体而言，温排水流量越大，其影响范围越大；冬季工况则由于温排水本身与湖湾水温接近，其对珍珠半岛湖湾基本不产生影响。