温排水对长江安徽段水温的影响模拟

2021-04-23黎兰毅敏范臣臣

水资源与水工程学报 2021年1期

张鹏，黎兰毅敏，范臣臣

(1.华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南郑州 450046；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

1 研究背景

近年来，随着我国工业化水平不断提高，由电力、化工、能源行业排放引起的大量水体热污染问题备受关注[1]。一方面水体热污染改变受纳水体中物化生反应速率，加重有毒有害物质的生成[2]；另一方面水温增高会减少水中溶解氧含量[3]，导致水质恶化，威胁水生生物的生存繁衍[4]。长江安徽段水域内有生存水温在4～20 ℃的江豚、对水温十分敏感的白鳍豚等极危动物，也有中华鳃、达氏鳃、胭脂鱼等其他水生生物栖息生存[5]。因此，热污染对长江水体水生态的影响不言而喻。

目前，关于温排水的环境影响分析多采用现场实测、遥感测量、物理模型及数值模拟的方法[6]。由于数值模拟具有节省人力物力财力及时效性的特点，常用于河流、近岸海域等水温的模拟预测[7]。以往温排水模拟大多采用二维平面数学模型，但其控制方程中忽略了温度的垂向变化，而热源排放扩散的过程本身存在三维特性，仅考虑垂向平均温度具有一定的局限性[9-11]。三维水温模型由于其考虑温度和密度的垂向差异，能较好地反映热源在受纳水体中扩散和水温异重分层等效果，对于温排水的模拟具有重要意义[12]。Lee等[13]利用MIKE 3模型的σ坐标变换模拟预测了科威特滨海电厂附近的流场及水温变化情况，结果表明表层水温吻合较好，而底层水温预测值较实测值偏低；吴宇帆等[14]运用三维数值模式研究了长江河口电厂温排水的输运扩散规律，分析了温排水对周边敏感目标的影响；许晟秩等[15]考虑江表面的热通量，采用改进的三维数值模式ECOM模拟了夏季石洞口电厂温排水输运扩散规律；颜钰等[16]利用RMA-10三维有限元模型模拟了鲅鱼圈热电厂周边水体的温升场分布情况。笔者根据长江安徽段水文及河道结构等特点，构建δ分层的三维水动力温度输运模型，在设计条件下，通过设置减排前、减排后两种排放工况，模拟了热污染源在周边水域的扩散情况，计算出热污染带影响范围，预测分析热源排放对上、下游水温的影响，为长江安徽段环境风险评价及流域规划管理提供依据。

2 资料来源与研究方法

2.1 研究区域概况

长江安徽段地处长江下游流域，全长416 km。沿江地带地貌概括地描绘为“两山夹一谷”，长江自谷中流过[17]。“两山”位于河谷两侧外围，西北部为大别山侵蚀基岩山区，东部为皖南侵蚀基岩山区。来水主要为长江上游湖北、江西等省份，干流向东经安庆、池州、铜陵、芜湖等城市，至皖、苏交界止[18-19]。拟减排项目位于安庆市迎江区临江北岸，排水经处理后排入长江左岸枞阳无为保留区。为充分利用长江急促的水流对热源的扩散降温作用，将排水口设置于水下1 m排放。研究区域平均气温14.5～16.8 ℃之间。研究水域平均水温19.6 ℃，冬季水温在9.3～13.7 ℃之间。区域内大通水位站历年最高水位18.94 m，最低水位3.56 m。

根据安徽省水功能区规划，研究区域涉及的水功能区划有长江安庆工业用水区和长江左岸枞阳无为保留区，涉及的保护目标有上游规划四水厂取水口、下游前江口国控断面。

2.2 模型基本方程

模型基本控制方程如下[20]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.3 模型计算条件设置

根据长江安徽段实际地形图及相关实测资料，将模型划分为17 128个三角形网格，网格边长为300 m，对于热源排放周边水域进行网格加密至边长为30 m，研究区域概况及模型网格划分见图1。温度场边界参考大通水文站温度实测资料，模型计算时间步长为t= 30 s，初始流速值设为0，垂向上采用δ分层方式，将模型按水深从水平面至河谷底部依次为1～10层。

图1 研究区长江安庆-芜湖段模拟区域概况及模型网格划分

2.4 模型率定及验证

利用枯水期2018年1月20日至22日大通水文站逐时水位及流量进行率定，参考有关文献[21]，得到模拟区域主槽糙率高度的取值范围为50～65 m1/3/s，河道曼宁系数为30～65 m1/3/s，模型计算结果的水位平均绝对误差为3.7 cm，最大绝对误差为7.8 cm，流量平均相对误差为2.13 %。利用平水期2018年2月27日-3月1日大通水文站逐时水位及流量值进行验证，计算结果中水位的平均绝对误差为11.6 cm，最大绝对误差为19.9 cm，流量平均相对误差为2.25 %。大通水文站水位、流量率定及验证结果对比见图2。由验证结果可知，模拟计算结果与实测结果吻合较好，所建立的模型适用于该河段的水动力模拟。

图2 大通水文站水位、流量率定及验证结果对比

3 结果与分析

3.1 模拟工况

为降低对周边水域的环境影响，项目通过技术改进减少了排水量，减排前排水量为28 990 t/d，减排后排水量为27 080 t/d。两种工况的排江水温均为32.5 ℃。根据实际情况，将排水口放置在模型水深的第2层。综合考虑大通水文站90%水文保证率典型枯水年流量、三峡工程及各种调水工程的影响，以流量8 533 m3/s作为上游边界条件，以同时期芜湖水位站水位值作为下游边界条件，选取研究水域水温本底值为8 ℃，作为模拟的最不利条件。

3.2 纵断面温度增量及热污染带范围

利用构建的水动力水温数学模型，模拟得到的减排前(工况1)和减排后(工况2)热源排放对长江水体纵断面温度增量及热污染带范围见表1和图3。由表1和图3可知，两种工况条件下表层热污染带范围最大，随着水深层次的增加，热污染带范围逐渐减小；排污口所在的第2层温度增量最大，随着水深层次的增加，温度增量也逐渐减小；工况2条件下排放产生的不同纵断面热污染带范围以及温度最大增量均小于工况1。所设保护目标即规划四水厂取水口位于排污口上游8.206 km处，前江口国控断面位于排污口下游5.574 km处，减排前和减排后温排放产生的最大热污染带长度分别为1.074 km和1.006 km，两种工况条件下保护目标均在热污染带最大范围之外，水温增量为0，敏感目标未受影响。

表1 不同工况条件下不同水深层次纵断面水温增量及热污染带范围

图3 不同工况条件下不同水深层次纵断面水温增量范围

3.3 横断面温度增量及热污染带范围

利用构建的水动力水温数学模型，模拟得到的减排前(工况1)和减排后(工况2)热源排放对长江水体横断面温度增量及热污染带范围见表2和图4。由表2和图4可知：工况2条件下排放产生的不同横断面热污染带范围均小于工况1；排污口处温度增量最大，工况1增量大于0.2 ℃的热污染带宽度为6 m，面积为73 m2，工况2增量大于0.2 ℃的热污染带宽度为2 m，面积为17 m2；排污口下游120 m处温升范围最大，工况1热污染带宽度为36 m，横断面面积为6 026 m2，工况2热污染带宽度为35 m，横断面面积为5 801 m2。