LNG接收站冷排水的温降及余氯对水环境影响的数值模拟<br/>——以湄洲湾东吴港区为例

LNG接收站冷排水的温降及余氯对水环境影响的数值模拟
——以湄洲湾东吴港区为例

2021-09-19王璐熊乐航张远陈焰马淑芹张晓娇夏瑞

环境工程技术学报 2021年5期

王璐，熊乐航，张远，陈焰，马淑芹，张晓娇，夏瑞*

1.中国环境科学研究院 2.北京师范大学 3.中海石油环保服务(天津)有限公司

近年来，我国能源结构不断调整，清洁能源天然气在一次能源消费中的占比持续提升，以液化天然气(liquefied natural gas，LNG)方式进口的天然气数量逐年增加[1]。LNG接收站作为液化天然气的接收终端，承担了液化天然气的接收、存储和气化等功能。为了满足市场燃气需求，沿海地区已陆续建成多座LNG接收站[2]。海水作为最廉价又最容易获取的流体介质，被大量用于LNG 的气化换热和消防[3]。LNG接收站运行过程中，使用海水作为加热介质对LNG进行气化，同时为了防止海洋生物在设备中的附着，投入定量的次氯酸钠。因此，换热后的海水温度有所降低，且水体中含有余氯，这会对附近海域水环境造成一定的影响，主要包括冷排水的排放对海域温度场的影响和余氯排放对海域生物环境的影响。LNG接收站冷排水对附近海域水温及海洋生物影响的研究相对较多。如张继周[4]研究了LNG接收站冷排水的排放对浮游生物、鱼类、虾类、贝类等海洋生物的定性影响，但没有运用模型计算进行定量研究；柏育材等[5]在实验室条件下模拟某LNG接收站冷排水中余氯对大黄鱼仔鱼和幼鱼的毒理效应，结果表明，LNG工程余氯排放短期内对海洋鱼类影响不显著；奚泉等[6]通过三维水流温度场模拟广东珠海LNG 接收站在运行时温度场的分布以及不同等温线的影响范围，结果表明，取水口附近为低温带，取水口应尽量远离岸线。另外，杨青云等[7]运用ECOMSED三维水环境数学模型模拟大鹏湾LNG接收站附近海域温度场分布情况，得出底层温降区域面积大于表层的结论，且温降区域面积在-5～0 ℃范围内逐渐增大；唐俊逸等[8]利用主成分分析法对大鹏湾LNG接收站附近海域的水质状况进行了分析，表明水体环境质量几乎不受影响；毕亚梅等[9-10]研究了余氯造成的渔业资源损失量，计算得出余氯排放对工程附近海域浮游植物损失量理论最大值为17.71×1010个、浮游动物损失量理论最大值为8.06×106个。综上，已有的对LNG接收站冷排水的温降和余氯对附近海域水环境影响范围及排水口位置选择的研究较少。

随着科学技术的发展，水环境模拟软件不断被开发利用于水环境预测，如水动力学模型MIKE[11]、三维水动力-水质模型系统(Delft3D)[12]、非结构网格海洋环流与生态模型(FVCOM)[13]等。如崔丹等[14]利用二维水动力-水质数值耦合模型(MIKE21)对工业园区拟建排污口排放污染物质的输移扩散进行数值模拟研究；雷晓玲等[15]利用Delft3D数学模型对三峡航道环保疏浚水质变化进行了数值模拟。湄洲湾东吴港区拟建设哈纳斯莆田LNG接收站码头，这将对附近海域的水环境造成一定的影响，但是否会对养殖区、湄洲岛生态系统重点保护区产生不利影响，尚需要进一步模拟预测。笔者采用大海域套小海域、工程区加密的方法，运用丹麦水利研究所(DHI)研发的MIKE21软件[11]对工程附近的海域进行平面二维的数值模拟计算。首先计算该海域的流速场，明确其潮流的运动特性，进而预测LNG接收站冷排水的温降及余氯对附近海域的影响范围，判断排水口位置的合理性，以期为LNG接收站工程作业及位置选取提供科学依据。

1 研究区概况

湄洲湾港(118°51′E～119°10′E，24°56′N～25°18′N)位于我国东南沿海中部，北毗福州港，南邻厦门港，与台湾隔海相望，与东吴港区、罗屿港区、秀屿港区、莆头港区进行海铁联运，构成东南最大的物流中心枢纽。哈纳斯莆田LNG接收站码头建设于湄洲湾东吴港区(119°4′32.41″E，25°6′21.05″N)，总用海面积为159.117 5万m2，其中工作船码头面积为0.23万m2，接卸LNG 280万t/a。排水口冷排水的设计流量为15 000 m3/h(4.17 m3/s)。LNG排水口分别距养殖区、湄洲岛生态系统重点保护区1.0、3.2 km(图1)。

2 模型的建立与验证

采用大海域嵌套小海域、工程区加密的方法，建立LNG接收站附近海域二维水动力场，在模型模拟可靠的基础上，分别计算得到夏季、冬季大潮时湄洲湾东吴港区LNG冷排水温降和余氯浓度包络线，分析冷排水对水环境及周围海域敏感目标的影响，判断排水口位置设置的合理性。

2.1 计算域及网格、水深

计算域模拟范围及网格、水深情况见图2。建立的海域数学模型计算域为118.62°E～119.56°E，24.77°N～25.29°N，即为图2中A、B、C点以及岸线围成的海域。模拟采用非结构三角网格，整个区域由 10 510 个节点和 19 971 个三角单元组成，在LNG接收站附近进行加密，加密后网格空间步长约20～50 m。水深摘自中国人民解放军海军航海保证部制作的湄洲湾最新水深地形海图(编号14171，2012年监测，比例为1∶40 000)、南日群岛至深沪湾水深地形海图(编号14170，2010年监测，比例为1∶120 000)，LNG接收站附近水深根据福建省港航管理局勘探中心于2015年7月勘测的1∶5 000的地形图绘制。

图2 计算域网格及水深Fig.2 Calculate field grid and water depth

2.2 参数设置

根据湄洲湾海区口外的崇武海洋站的多年潮位观测资料及1984年4—6月东吴潮位站3个月的潮位观测结果，潮汐性质属正规半日潮，湾内外潮时几乎一致，各地潮位基本上同涨同落，高、低潮出现时间同步。模拟时长为1个月，2015年8月26日—9月27日。模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整，确保模型计算稳定进行，最小时间步长为0.05 s。底床糙率通过曼宁系数(M)进行控制，M取20～60 m1/3/s。夏季、冬季的温度场均选择连续半月潮进行计算。

根据2002年通过原国家环境保护总局审批的《广东LNG接收站和输气干线项目一期工程环境影响报告书》中采纳的标准，建议排放口冷排水温差标准为≤5 ℃。结合排放口的温差监控设置，要求在5 ℃以内警报，因此排水温度根据取水口温度减少5 ℃计算。按照设计文件，余氯排放浓度不大于0.2 mg/L，计算中以此作为计算源强，排放位置与冷排口位置相同。水面综合散热系数根据GB/T 50102—2014《工业循环水冷却设计规范》计算，可得夏季的水面综合散热系数为41 W/(m2·℃)，冬季的水面综合散热系数为36 W/(m2·℃)。

2.3 边界条件与初始条件

采用的数值模式中，水动力模块需给定闭边界和开边界2种边界条件。其中，开边界选择俄勒冈州立大学建立的TPXO全球潮波预报模型，其在中国海域附近的精度为1/30°×1/30°。用TPXO全球潮波预报模型提取8个主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)的调和常数，利用MIKE内置的潮位预报工具箱调和出水位边界数据作为开边界。选择以大海域和工程周边的岸线作为闭边界。开边界条件即水域边界条件，本研究开边界给定潮位，即η=η(x,y,t)；闭边界条件即水陆交界条件，在该边界上水质点的法向流速(Vn)为0。

计算开始时HD模块“冷态”起动，设定初始条件为0，即所有网格点上的初始水位、流速均为0。采用稳态启动，初值的误差会随着计算的进行逐步消失，模型验证的数据取模型计算稳定后的模拟值。温度场根据美国国家环境预报中心(NCEP)提供的温度逐日资料，结合现状监测资料给出。夏季因各月的温度逐日变化不大，结合现状资料取平均值，设为27.3 ℃。冬季温度逐日变化可在1.0 ℃以上，故本底温度场为计算多次后的稳定温度场。

2.4 预测模式

2.4.1冷排水对水环境影响预测

采用水流模型与水温扩散模式相结合的方法预测冷排水的温降对水环境的影响范围，计算公式如下：

(1)

(2)

式中：H为静止时河道的水深，m；T为二维垂向平均温度，℃；h为常规水位，m；u、v分别为流速笛卡尔坐标系中的分量；FT为水平温度扩散项，g/s；Ts为冷排水源项，g/s；S为源项，g/s；Dh为温度水平扩散系数，Dh=A/σT；σT为普朗特常数，取0.9；A为水平紊动黏性系数，取1.0。

2.4.2余氯对水环境影响预测

采用水流模型与耗散模式相结合的方法预测冷排水中余氯对水环境的影响范围，耗散模式计算公式如下：

(3)

S=qC0

(4)

Q=KC

(5)

式中：C为水环境中余氯浓度，mg/L；Q为耗散项，g/s；q为排放量，m3；C0为排放余氯浓度，mg/L；K为衰减系数，K=ln 2/T1/2;T1/2为半衰期，取1 h。

2.5 模型验证

选取有实测水文资料的P1、P2点作为潮位验证点，C1、C2、C3、C4点为潮流验证点(图3)。利用2015年8月30—31日大潮期25 h同步连续观测数据进一步验证模型的模拟结果。潮位的验证结果见图4，P1、P2点的纳什效率系数分别为0.90、0.87；潮流的验证结果见图5，C1、C2、C3、C4点的流速纳什效率系数分别为0.75、0.63、0.65、0.81，流向纳什效率系数分别为0.72、0.55、0.53、0.52。可见，此模型能够比较准确地模拟湄洲湾东吴港区的潮流场情况。

图3 验证点位置Fig.3 Location of validation point

图4 8月30日大潮期潮位验证曲线Fig.4 Validation curve of tidal level during high tide period on August 30

图5 8月30—31日大潮期潮流验证曲线Fig.5 Validation curve of tidal current during high tide period from August 30 to 31

3 结果与讨论

3.1 冷排水温降对水环境影响范围的预测

LNG接收站冷排水在海域内逐渐向外扩散，本次预测中，冷排水扩散方向主要是沿岸扩散。图6为夏季和冬季一个潮周期内冷排水温降包络线与周边保护目标的叠置图。从图6可以看出，不同温降条件下的最大影响范围不同，温降条件越低，影响范围越大。不同温降条件下的最大影响范围如表1所示。由表1可知，温降≥4 ℃的等温线在夏季扩散面积达0.012 km2，冬季为0.014 km2；温降≥2 ℃的等温线在夏季扩散面积达0.062 km2，冬季为0.068 km2；温降≥1 ℃的等温线在夏季扩散面积达0.142 km2，冬季为0.128 km2；温降≥0.5 ℃的等温线在夏季扩散面积达0.200 km2，冬季为0.202 km2。

图6 夏、冬季冷排水温降包络线Fig.6 Envelope diagram of temperature drop of cold drainage in summer and winter

表1 不同温降条件下的最大影响范围Table 1 Maximum influence range under different temperature drop conditions

根据张继周[4]的研究，水温低于适宜温度范围，将会抑制鱼类的新陈代谢和生长发育，如果超过其忍受限度，还会导致死亡。温降达3 ℃以上时，虾类幼体的生长可能会受到抑制，其存活率可能会降低。从图6可以看出，在整个潮周期间内，温降≥0.5 ℃条件下的影响范围最大，此时距湄洲岛生态系统重点保护区和养殖区分别约为2.81和0.53 km，不会对保护目标的水温产生直接影响。

3.2 冷排水中余氯对水环境影响范围的预测

根据耗散方程及源强，计算LNG接收站排水口冷排水中余氯的扩散范围，统计1个月内余氯的扩散范围，结果见图7。从图7可以看出，不同余氯浓度下的最大影响范围不同，余氯浓度越低，影响范围越大。不同季节余氯最大影响范围如表2所示。由表2可知，夏季余氯浓度为0.02 mg/L的排水口包络线面积为0.257 km2，而余氯浓度为0.01 mg/L的排水口包络线面积为0.434 km2，此时排水口的影响范围为0.628 km。故LNG接收站冷排水中的余氯不会对周边敏感目标产生直接影响。