基于数值模拟和原型观测联合的电厂温排水影响评价

陈小莉，段亚飞，赵懿珺，纪 平，袁 珏

(中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038)

1 研究背景

滨海直流冷却核电厂运行时，会将大量高于环境水体7～10 ℃的温排水持续排入厂址附近海域。对于规划容量为600～800万kW的核电厂，温排水流量可达400～600 m3/s，排热量为电厂发电量的2倍。如此巨大的热量排入环境水体，会直接改变局部海域水温、溶解氧、pH值等水质要素，影响海生物繁殖，甚至直接导致海生物死亡，温排水影响是当前滨海核电站规划、设计、运行面临的重要生态环境问题。在碳减排压力下，大力发展滨海核电已成为国家能源安全的重要战略。截止到2021年底，我国投产运行的核电机组已达52台，在建机组19台[1]。由于国内核电厂址稀缺，未来滨海核电将普遍采用一址多堆的建设模式，单点热排放强度更大，对近岸海域环境影响更加突出。因此，开展已运行核电厂温排水的实际影响后评估，对了解核电温排水影响现状，准确预测后续扩建机组排放的热效应具有重要意义。

电厂温排水的生态影响评价和利益相关分析基于对温排水造成的海域温度升高的准确评估。获取温排水温升影响的方法主要包括物理模型、数学模型和原型观测。在规划阶段，通常采用物理模型和数学模型相结合的模式，假定海域背景温度均一，预测温排水造成的温升范围以及热水回归对取水水温的影响[2]。物理模型能直观反映排水近区掺混、稀释特性，但受模拟范围限制，存在变态效应以及边界处理困难等影响模拟精度的不利因素[3]。数学模型能较好反映潮流作用下温排水的输运特征[4-6]，但难以同时兼顾近、远区模拟[7]，扩散系数是影响数学模型精度的关键因素，在缺少现场观测资料验证时主要依靠经验取值，对预报结果准确性影响较大。在温排水影响后评估阶段，主要采用水面直接测量与红外遥感等原型观测手段，开展温排水物理影响评价。与规划阶段类似，原型观测阶段大多基于全场均一或简单的分块平均背景水温分析温排水温升影响[8-10]。然而，当温排水排放点附近存在潮间带干湿循环[12]或河口区等浅水区域时，背景水温通常呈现出高度的空间非均匀性，并受潮汐、太阳辐射[11]等外部因素的影响而不断变化，已有的背景水温处理方式未反映物理作用机理，取值存在随意性和不合理性，以致从温排水原型观测资料难以准确评价温升影响范围。鉴于温排水扩散范围影响因素的复杂性，采用水面监测、遥感观测和数值模拟手段相结合的方法[13-14]，有助于获取更为准确的评价结果。

影响海岸带水温的热交换涉及近岸水体与外海水体的对流交换、近岸水体与大气和底床的界面热交换等多种机制。大范围海区水温模拟，常采用三维水动力数学模型，主要考虑海流以及大气强迫作用[15-17]，水温模拟精度通常在1 ℃左右。近岸温排水评价，主要关注电厂温排水造成的1 ℃及以上温升区范围，对水温模拟分辨率和精度的要求更高。吴玲娟等[18]基于三维水动力ROMS 模式，建立从西太平洋到中国黄、渤海近岸海域的四重嵌套温盐流模型，与海洋站观测表层海温对比得到72小时预报误差小于0.66 ℃。Salgueirod等[19]利用嵌套网格技术将局部三维水动力模型嵌入区域海洋模型中模拟温排水扩散，固定点验证结果显示排水口附近计算比实测水温平均高出1 ℃(受温排水排放量模拟不准确影响)，外围对照点比实测平均低0.4 ℃。上述研究表明利用嵌套网格技术将海区模拟过渡到近岸高精度模拟具有可行性。

本文采用多重嵌套网格技术，建立水文和气象场耦合作用下的热输运数学模型，模拟海域水温跨尺度动态演变过程，并结合潮汐、潮流、海面遥感温度场观测数据，提出了非均匀海域背景温度场条件下电厂温排水影响范围的分离方法，并应用于某滨海电厂的温排水影响后评估。

2 模型方法及计算条件

数值模拟采用Delft3D三维水动力模型，该模型基于Boussinesq和垂向静水压力假定，水平向采用曲线坐标系，垂向采用σ网格，变量布置在交错网格上，数值离散采用有限差分格式，采用ADI方法求解，模型控制方程及求解方法详见Delft3D-Flow模型手册[20]。该模型适用于近岸海域和河口水动力和温度场模拟研究，在国内外已有广泛应用。与以往计算温排水增温效应的模型不同，本次模拟海气交界面实际的热通量值，自由表面总的热通量Qtot采用下式计算：

Qtot=Qsn-Qeb-Qev-Qco

(1)

式中：Qsn为太阳辐射通量；Qeb为有效长波辐射通量，为水体向外辐射与大气辐射之差；Qev和Qco分别为水体蒸发和对流散热通量。本次太阳辐射通量采用已知值，其余热通量采用Delft3D提供的海洋散热模型计算，具体如下：

(2)

(3)

(4)

案例厂址位于渤海辽东湾东海岸(图1)，计算域选取整个渤海湾，模拟水文气象耦合场作用下的海区水温实时过程，为了提高近区的分辨率采用了4重嵌套网格，其中大区域模拟外海边界范围如图1中①所示，通过②区和③区过渡逐渐缩小到电厂周边局部小区域④，小区域离岸方向约6.5 km，顺岸方向约14.5 km，模拟面积约90 km2。①区域网格平面尺度平均为5000 m×5000 m，第②区域平面网格尺度为1100 m×1100 m，第③区域平面网格尺度为220 m×220 m，第④区域平面网格尺度为44 m×44 m，模型平面采用正交曲面网格，垂向采用σ网格，为了兼顾模拟精度和计算效率，分为6层。大范围海域地形采用航海保证部最新海图数据，厂址周边局部海域采用1∶10000实测地形以提升水动力模拟分辨率。流场开边界采用给定潮位，底部糙率参考以往研究取值范围0.018～0.02 m，静流条件起算。温度场给定开边界水温和初始温度场，温排水采用源汇项加入水动力方程；自由表面采用式(1)计算热通量，固壁绝热，温度求解水平扩散系数经率定取值为1 m2/s。计算起始时间设为验证时刻前一个月，作为预热。

图1 4重嵌套模拟区域位置图

模型开边界潮位采用TPXO潮位边界，由八大分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1的调和常数预报得到。表面热通量计算所需太阳辐射、气温、湿度、风场、气压等实时气象场数据、初始水温场以及开边界实时水温均采用美国NCEP-CFSR全球逐小时再分析资料，水平分辨率为0.2度。并用厂址气象站实测资料以及开边界周边海洋站水温数据对气象和边界水温时间系列数据进行了校验，再分析资料与厂址站实测结果变化规律一致，量值符合较好。

3 模型验证

3.1 潮流场验证计算域渤海海区潮流场模拟一年时长，取最后3个月结果进行潮流调和分析。图2为计算的主要半日分潮M2和主要全日分潮K1同潮时图和潮流椭圆图。M2分潮有两个无潮点，分别位于秦皇岛外海和黄河口外，K1分潮有一个无潮点在渤海海峡。M2分潮和K1分潮的振幅都在辽东湾顶达到最大，分别为1.3 m和0.35 m。本文模拟的主要分潮结果与黄大吉[15]、郑鹏等[16]的研究较一致，表明所采用的模型及参数能正确反映渤海海域的潮流特征。

图2 M2、K1分潮同潮时图和潮流椭圆图(红色表示顺时针旋转，绿色表示逆时针旋转)

在大范围模型验证基础上，选取电厂建设前及电厂运行期间观测资料进行近岸潮流的进一步验证，限于篇幅，这里列出部分验证结果。图3中为2017年7月原观期间厂址排水口附近W1站大潮潮位过程(测点位置见图1)，计算的逐小时潮位与实测值最大偏差0.17 m，平均偏差0.02 m，相位吻合良好。图4为2017年7月原观期间V1、V2测站大潮期潮流流速和流向过程，表1中统计了涨潮和落潮段平均流速和流向，模拟的表层及0.6倍水深处的流速、流向与实测吻合良好。上述验证结果说明模型能够较好模拟工程海域的潮动力过程。图5中为计算的涨潮和落潮时流场分布，可以看出涨潮流向东北，落潮流向西南，流向整体基本与岸线平行，在厂址南侧小湾内有回流存在。

图3 W1站潮位过程

图4 V1、V2站流速、流向过程

图5 工程海域涨落潮流场分布

表1 涨落潮时段平均流速、流向统计

3.2 温度场验证图6中为电厂建设前2006年5月28日Landsat7卫星红外遥感与计算的自然背景温度场对比。可以看出计算的温度分布整体与遥感结果呈一致趋势，垂直岸线方向，近岸温度高，离岸温度低；沿岸线方向，厂址南北两侧矶角以外水温高，厂址附近水温低。水温与水深呈现较强相关性，水深浅的区域水温高。遥感影像温度较不均匀，有带状斑块，数模结果则温度分布连续性较好。卫星遥感温度未经过水面测点校验，绝对精度有限，但相对分布能够反映海域温度变化的趋势，验证结果说明数值模拟可以较好反映近岸海域背景温度场的顺岸向、离岸向水温分布规律。

图6 电厂建设前海域表层背景温度场

为进一步明确近岸水温模拟精度，采用工程建设前、后取排水海域定点实测水温进行模型验证。图7为电厂建设前2005年夏季工程海域9个测流点实测和计算的表层水温对比，温差值大部分落在±0.5 ℃区间，统计分析得到计算与实测的表层水温均方根误差为0.44 ℃，表明模型对近岸海域的水温模拟精度相比大范围海区模型有较大的提升。运行期温度场验证采用2017年7月实测资料，测量位置见图1所示，水温观测采用表面固定浮标观测(b1、b2点在夏季小潮，b3、b4在夏季大潮)，定点垂向水温测量(V1、V2)。图8中为浮标点表层水温随潮变化过程，可以看出计算的水温整体随潮变化过程曲线与实测一致。图9给出了V1、V2两测流站大潮的垂向水温对比结果，除V1站低平潮0.2倍水深处外，计算的垂向水温分布随潮态变化整体与实测较为一致。V1距排水口较近，实测水温呈现热水团的不连续性紊动和局部时段温度跳跃，计算模型无法完全模拟上述现象，且模型近区射流模拟精度有限，故而部分潮态计算的高温峰值低于实测值。水温验证结果表明数学模型能较好模拟工程海域水温的时空分布特征，模拟的水温绝对精度与红外遥感相当，可以作为分析遥感温度场背景温度的依据。

图7 2005年水文测验点计算与实测表层水温统计结果

图8 2017年夏季原型观测期间实测和计算表层温度水温随潮变化过程

图9 2017年夏季原型观测期间实测和计算垂向水温分布

4 温排水影响模拟与评价结果

2017年7月和2018年7月均采用无人机红外遥感观测了温排水受纳海域温度场，测量区域120 km2，采用2架无人机同时作业在1小时内完成单次观测，所得准同步温度场视为特征潮态的温度场。图10—13中为不同特征潮态下，计算与遥感表层温度的对比，其中低平潮为2018年7月观测结果，其余三个潮态为2017年7月观测结果。图中最高温度出现在温排水出口附近，以排水口为中心向外扩展的高温带即为温排水影响带。可以看出，计算与实测的温排水随潮变化规律一致：涨潮时温排水贴岸向北扩散；高平潮时温排水在排水口附近扩散，宽度比涨潮时加大，同时受前续涨潮时的影响排水口北侧近岸海域有残余热水带；落潮时温排水向南扩散；低平潮时温排水在排水口附近扩散，受前续落潮影响南侧有残余热水带。在温排水影响带以外，排水口以南矶角附近各潮态均存在较高温度带。计算与实测温度场的差异主要体现在：高平潮时计算温度场北侧存在前续涨潮时残余热水，实测则在排水口北侧呈现两个较大连成一体的低温团，可能是存在云的影响。从温度场整体分布形态看，遥感温度场温度存在众多大小不一的斑块，在涨潮时温排水扩散带呈不连续性紊动热团，在落潮时温排水扩散表现为两股分叉的头部，计算温度场也存在若干与主体温度带不连续的热团或冷团，但主体温度分布连续性相对较好，温度变化边界清晰。对比结果表明数值模拟能较合理捕捉不同潮时温排水以及南侧高温带的轨迹。

将电厂温排水源项关闭，其它计算条件不变，模拟得到的温度场即为无温排水影响的背景温度场，各潮态背景温度场见图10—13所示。计算背景温度分布可以看出，水温在垂直岸线方向上表现为近岸高、离岸低，符合夏季近岸海域水温分布的一般特点。在顺岸方向上，整体为南高北低，南侧矶角近岸存在较高温度区，其原因是矶角南侧区域存在较大范围浅水区域，受太阳辐射作用水温较高，在潮流带动下这部分高温水向北运动绕过了矶角，这在图6中大范围温度分布中已有体现。高平潮时南侧矶角附近背景高温带范围最大，落潮和低平潮时范围最小，遥感测量范围内背景温度空间最大变幅达2 ℃，不同潮态对比显示背景温度的日变化幅度超过1 ℃。背景温度场与有温排水情况的实际温度场对比可以看出：涨急和高平潮时排水南侧矶角附近的高温涡团在有、无温排水时均存在，且范围相当，为外来热源的影响，非温排水在潮流作用下的回归影响；落急和低平潮时，无温排水时南侧湾内存在受矶角以南的背景高温带北溯的残余影响，有温排水时南侧背景高温带与温排水影响存在叠加，以致无法区分温排水影响的南侧边界。

实测和计算的绝对温度场扣除模拟的背景温度场后，分别得到实测和计算的温排水温升范围，1 ℃温升等值线见图10～13(c)。可以看出，通过扣减非均匀背景温度，实现了原观温度场中与温排水影响不连续和连续两种背景高温团的分离。提取的1 ℃温升区范围背景场温度差异在0.5～1 ℃之间，南侧背景高温带范围及日温度变幅则与温排水1 ℃温升区温升变化相当。如忽略背景温度场的空间差异，以扣除一个固定背景值来获取温排水影响区，难以确认涨急和高平潮期间与温排水不连续的高温热团是否温排水的影响，对于落急和低平潮，则很难实现温排水与背景场的合理分离，背景温度取值偏大则获得的温升场比实际偏小，取值偏小则会将背景高温带视为温排水影响。因此对于温排水影响与背景高温带区域叠加的情况，采用非均匀背景场进行温升影响提取十分必要。

图10—13中还对比了计算温度场扣减本底得到的由计算温度场和遥感实测温度场分别扣减非均匀本底得到的1 ℃温升线，可以看出计算的各潮态温升分布形态与实测接近，温升影响范围与实测具有可比性，说明本文采用的数学模型用于模拟温升场亦具有较好的可信度，可以进一步用于扩建机组温排水预报。

图10 涨急潮时温度场分布

图11 高平潮时温度场分布

图12 落急潮时温度场分布

图13 低平潮时温度场分布

值得注意的是，本案例中海域近岸背景高温带与温排水高温升区并没有高度重叠，背景高温带在北向涨潮时进入温排水南影响区，此时温排水亦向北扩散。倘若温排水从靠近背景高温带岸边排出，可以预见两者叠加的高温影响会显著增大。近年来季节性的温升值变化以及生物的极限致死温度持续时间等也有相关报道[21-22]，因此评估温排水对海域的环境影响时，除了温排水造成的“温升”影响外，温排水和背景高温度带叠加的实际绝对温度极限值和持续时间也值得关注。

5 结论

获取可靠的海域背景温度场是核电厂温排水环境影响后评估关心的重要问题。本文将区域海洋水温实时模拟方法引入到近岸海域温排水输运模拟，实现了水文和气象因素协同作用下温排水受纳水域水温的跨尺度分辨。模拟计算的潮位、潮流、水温与实测资料吻合较好，可较好地反映背景水温的高温热团分布特征与温排水扩散形态，为辨识与温排水主体不连续的热团是否受温排水影响，以及分离与温排水主体相连的外热源高温带提供了可靠依据。案例厂址模拟结果表明：温排水扩散区与背景温度场均呈现出显著的空间非均匀性，背景水温的日变化幅度与温排水1 ℃影响区的变化强度相当，应当在温排水热影响评价中予以充分考虑。

致谢：本文中的遥感和水上观测数据为中国水利水电科学研究院、大连航天北斗科技有限公司和天津水运工程勘察设计院共同完成，在此对参与观测的单位和个人表示感谢。