南海海洋温差能发电站冷却水排放对周边海洋环境的影响分析

黄金华，季新然,2*，阳志文

(1.海南大学土木建筑工程学院，海口 570228； 2.海南省海洋与渔业科学院，海口 571126； 3.交通运输部天津水运工程科学研究院港口水工建筑技术国家工程实验室，天津 300456)

随着中国经济的快速发展和“双碳”目标达成的需求，中国能源产业对海洋能的需求不断增加，因此开发存储量巨大的海洋温差能是实现可再生能源利用的重要途径。海洋温差能是指海洋表层海水(温度为25～28 ℃)和深层海水(温度为4～7 ℃)之间的温差储藏的热能。温差能发电站的工作原理是利用海洋表层温海水加热低沸点工质，使其汽化推动涡轮发电，同时利用深层冷海水将涡轮排出的乏汽冷凝成液体，再通过工质泵将液体输送到蒸发器中，形成循环[1]。南海位于北回归线以南，温差能资源储量巨大[2-5]，此外，南海平均水深为1 212 m，水深足够并且水下地形条件适宜，是具备开发海洋温差能条件的独特地理位置[6-7]。

海洋温差能发电站在运行发电的过程中会排放大量冷却水，不仅导致局部海域降温，还会在一定范围内形成显著的温跃层。温跃层与海洋生物密切相关，尤其与喜栖在上层水域的鱼类有着更为密切的关系[8]。杨胜龙等[9]研究发现温跃层过浅会压缩黄鳍金枪鱼的活动空间，导致资源量减少；万瑞景等[10]研究发现温跃层深度越浅海水垂向分布的鳀鱼鱼卵数量越少，温跃层深度越深海水垂向分布的鳀鱼鱼卵数量越多；胡振明等[11]研究发现鸢乌贼主要栖息在温跃层以上的水层中，鸢乌贼栖息的空间随温跃层上界深度的减小而减小；Furukawa等[12]研究发现鲯鳅和蓝鳍金枪鱼的活动范围与温跃层深度息息相关，温跃层深度越深，其活动范围越大；Huang等[13]研究表明沿海核电厂和火电厂的热排放引起海水温度升高造成海水分层，从而影响海洋生物的觅食环境；Houssard等[14]研究表明温跃层深度是影响热带金枪鱼分布的重要因素，温跃层深度的加深可以增大金枪鱼的栖息空间。

此外，海洋温跃层在潜艇隐蔽、声呐探测和水下通信等方面具有重要意义。方书甲[15]研究发现温跃层会使信号发生明显差异，导致声呐作用距离缩短；王彦磊等[16]研究发现夏季海面受太阳辐射后，表层海水温度高于底层海水温度，导致声波束发生折射，造成声呐测不到近距离的潜艇；杨文等[17]研究发现在温跃层处温度剧烈下降，对声呐探测产生较大影响，作战潜艇可以利用温跃层隐蔽发射武器；李庆红等[18]研究发现声呐的声线在温跃层附近会发生明显的折射现象，正、逆跃层均会影响声呐作用距离；Zarepoor等[19]研究表明温跃层的存在对声传播有着显著影响，温跃层的温度梯度越大，声传播过程中损耗越大。

近年来，国内外关于工业废水对海洋环境的影响已有不少研究。奚泉等[20]利用三维温度场模型，对广东珠海LNG接收站冷却水扩散过程进行了模拟，结果表明接收站码头排放大量的冷却水进入海域，引起周边海水温度下降，破坏生态平衡；Deabes[21]通过数值模型，模拟了埃及El-Burullus发电站温排水的扩散范围，分析表明发电站温排水对周边的海洋生物略有影响；Gaeta等[22]采用三维温度模型，研究了意大利南部Cerano发电站温排水扩散过程，结果表明温水排放对周边海洋环境有潜在影响。

目前，国内外关于LNG接收站冷排水及核、火电站温排水研究工作比较多，而针对温差能发电站的冷却水排海问题的研究还比较少。为此，现基于数值模拟的方法，构建三维水动力模型，针对西沙甘泉岛拟建的岛基式海洋温差能发电站排放的冷却水，开展其对排放口周边海域水温结构的影响分析，以期为海洋温差能发电站建设所涉及的环境问题给予合理评价和在生态环境管理上提供科学依据。

1 数学模型

在数值模型构建时，采用由丹麦水利研究所开发的MIKE3软件，其具有模拟海洋、海湾、港口、水库及河流的水动力、泥沙输移、温盐度扩散等功能。在计算过程中采用有限体积法，并且在垂直方向上采用σ坐标变换公式来简化算法，以提高计算模型的稳定性。MIKE3模型广泛应用于国内外水环境研究领域，其数值模拟的科学性已被世界公认[23]。

1.1 控制方程

计算模型是基于三维不可压缩和雷诺均布的Navier-Stokes方程，并符合Boussinesq假设和静水压强假定。

连续方程为

(1)

动量方程为

(2)

(3)

式中：t为时间；d为静水深度；η为水面高程；h为总水深(h=η+d)；f为科式力参数；ρ0为参考水密度；ρ为水体密度；g为重力加速度；vt为垂向涡黏系数；u、v、w分别为x、y、z方向上的流速分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy为辐射应力张量的分量；S为源汇项；Pa为当地大气压；Fu、Fv为水平应力项；uS和vS为源汇项的水流流速。

温度运输方程为

(4)

在垂直方向上采用σ坐标系，则控制方程可写为

(5)

(6)

(7)

(8)

1.2 模型网格及边界的建立

为了研究温差能发电站冷却水对附近海域水温结构的影响，以永乐环礁周边海域为模拟范围，如图1所示，但主要关注排放口周围的水温变化。模型采用WGS84坐标系，计算域范围为111°53′～111°80′ E，16°21′～16°55′ N，计算水域面积约4 876 km2。在水平方向上采用非结构化三角网格划分计算区域，以精确拟合岛礁岸线，并对排水口附近区域进行适当加密，从而提高模型计算精度，整个计算区域共包括单元11 574个和节点6 017个。在垂直方向上采用结构化网格，并且采用等距分层模式，即各层沿水深等距分布，在垂直方向上分为50层。图1中E、W、S和N分别代表模型的东、西、南以及北开边界，其中开边界的潮位数据取自于MIKE软件自带的全球潮汐预报系统。

图1 计算网格及边界Fig.1 Computational grid and boundary

1.3 模型参数设置

在本模拟中，潮流场模拟的初始条件采用零启动，初始流速值和初始潮位值均设为0。温度和盐度数据资料取自国家海洋科学数据中心(http://mds.nmdis.org.cn/)的日平均温盐度数据库。气象条件取自国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/)。温差能发电站冷却水排水口(111°34′43″E，16°30′19.4″N)位于甘泉岛西侧500 m处。该海域模拟时间为15 d，时间为2022年1月1日8：00—16日8：00，时间步长为7.2 s，时间步数为180 000，CFL数设置为0.8。底床糙率取常数值为1 m。水平涡黏系数采用Smagorinsky公式，水平涡黏系数取定值为0.28。垂向涡黏系数选用Log-law公式，表达式为

(9)

Uτ=max(Uτs,Uτb)

(10)

h=η+d

(11)

式中：d为静水深；vt为垂向涡黏系数；h为水面高程；Uτs为与表层应力相关的摩阻流速；Uτb为与底层应力相关的摩阻流速；c1和c2是定值，分别为0.41和-0.41。

1.4 模型验证与分析

先对永乐环礁周边海域建立潮流场模型，之后在潮流场模型的基础上进行冷却水排海的数值模拟，从而得到水温的时空分布，分析冷却水对海域水温结构的影响，因此需要对潮流场的可靠性进行验证。潮位实测值取自于国家海洋信息中心(http://global-tide.nmdis.org.cn/)永兴岛监测站(112°19′59.88″E，16°49′59.88″N)公开发布的潮汐表数据，选取2022年1月1日8：00—12日8：00的潮位实测值与模型潮位模拟值进行对比。验证结果如图2所示，可以看出模拟潮位与永兴岛监测站的实测潮位吻合较好，基本能够反映模拟海域的大、中、小潮期间的潮位变化过程，由此可认为所建立的模型是合理的，可以满足预测要求。

图2 潮位验证Fig.2 Verification of tide level

由于自然系统的实际情况较为复杂多变，又因为冷却水扩散的动力主要来自潮流场，因此未考虑风应力和波浪场的影响，仅在潮流场作用下，对海水水温结构进行了模拟分析。

2 结果与分析

2.1 不同排水温度下温跃层包络面积分析

采用《海洋调查规范》中的垂直梯度法来定义温跃层，即设立一个温度梯度临界值，将垂直温度梯度超出此临界值的水层定义为温跃层。临界值分为深海(水深>200 m)和浅海(水深≤200 m)两个标准，分别为0.05 ℃/m和0.2 ℃/m。由于重点研究的排水口所在位置水深不到200 m，因此温跃层的温度梯度临界值为0.2 ℃/m。垂直梯度法基本原理如下。

将海水从表层至底层分为n层，各层的温度和深度分别标记为T1，T2，…，Tn和Z1，Z2，…，Zn。则温跃层温度梯度为

(12)

在冷却水排放前，排水口所处海层的温度梯度小于0.2 ℃/m，没有出现温跃层。当温差能发电站冷却水排放在海水中时，会造成较大的温度梯度，此时会产生一定范围的温跃层。若受温差能发电站冷却水影响导致垂向温度梯度超过0.2 ℃/m的区域，即可认为是受到温跃层影响的区域，计算其温跃层包络面积。

为进一步研究不同排水温度形成的温跃层包络面积，在温差能发电站排水流量为50 m3/s，排水深度为2 m，排水温度分别为13、15、17 ℃的3个工况下，计算得到排水口所处海层的温降场与潮流场如图3所示。从图3可知，温降范围主要集中在排水口附近，并且随着潮流流向扩散。由于温度场模拟15 d后，温跃层包络面积基本稳定如图4所示，故统计15 d内温跃层包络面积(如图5所示)进行分析。

图3 涨、落潮时刻排水口所处海层的温降场与潮流场Fig.3 Temperature drop distributions and current fields of the sea layer where the outfall is located during the flood and the ebb tides

图4 不同排水温度下排水口所处海层的温降范围Fig.4 The temperature drop ranges of the sea layer where the outfall is located under different drainage temperatures

由图5可以看出，当温差能发电站排水温度为13 ℃时，温跃层包络面积为0.601 km2；当排水温度为15 ℃时，温跃层包络面积为0.478 km2；当排水温度为17 ℃时，温跃层包络面积为0.346 km2。这表明，随着排水温度从13 ℃增加到17 ℃，温跃层包络面积减小。这是因为冷却水温度越高与自然海水温度造成的温差越小，温跃层包络面积则越小，反之越大。

图5 不同排水温度下温跃层包络面积Fig.5 Envelope areas of thermocline under different drainage temperatures

2.2 不同排水流量下温跃层包络面积分析

为进一步观察不同排水流量形成的温跃层包络面积，在温差能发电站排水温度为13 ℃，排水深度为2 m，排水流量分别为50、60、70 m3/s的3个工况下，计算得到15 d内排水口所处海层的温降范围如图6所示，并统计15 d内温跃层包络面积(如图7所示)进行分析。

图6 不同排水流量下排水口所处海层的温降范围Fig.6 The temperature drop ranges of the sea layer where the outfall is located under different drainage flows

图7 不同排水流量下温跃层包络面积Fig.7 Envelope areas of thermocline under different drainage flows

由图7可以看出，当温差能发电站排水流量为50 m3/s时，温跃层包络面积为0.601 km2；当排水流量为60 m3/s时，温跃层包络面积为0.707 km2；当排水流量为70 m3/s时，温跃层包络面积为0.794 km2。这表明，随着冷却水排水流量源强的增加，温跃层包络面积逐渐增大。这是由于冷却水流量越大其受海水稀释作用越小，所以温跃层包络面积则越大，反之越小。

2.3 不同排水深度下海水水温结构分析

为进一步考察温差能发电站不同排水深度对垂向海水水温结构的影响，在温差能发电站排水温度为13 ℃，排水流量为50 m3/s，排水深度分别设定为2、8、15 m时，计算海水的垂向温度分布情况，并在排水口处提取垂向剖面进行分析。图8为大潮涨急时不同排水深度下排水口温度剖面图，其中各分图的垂直剖面均沿坐标(561 500，1 824 920)与坐标(562 300，1 824 920)连接线段间截取。从图8可以看出排水口处温降最大，且距离排水口越远温度梯度越小。这是由于距离排水口越远受冷却水影响越小，温度梯度自然越小。

图8 大潮涨急时刻不同排水深度下排水口温度剖面图Fig.8 The temperature profiles of the outfall at different drainage depths at flood in spring tide

图9为典型时刻不同排水深度下排水口垂向温度图和温度梯度图，其中温度梯度图中的两条竖向虚线分别代表温度梯度为0.2 ℃/m的正跃层临界值和温度梯度为-0.2 ℃/m的逆跃层临界值，同色虚线的交点对应的深度为温跃层上界深度。排水口附近原始海水温度梯度较小，当温差能发电站冷却水在一定深度海水中排放时，海水中会出现一个冷水团，此时冷水团上方温度梯度大于0.2 ℃/m产生一个正跃层，下方温度梯度小于-0.2 ℃/m则产生一个逆跃层。在大潮涨、落急时刻，原始海水的整体垂向温度梯度较小，在冷却水排入后，排水口附近温度梯度发生显著改变，但在排水口下方一定距离外温度梯度变化极小，与原始温度梯度基本保持一致。在小潮涨急时刻，原始底部海水存在强度较小的温跃层，在冷却水排放后，导致底部温度梯度减小，底部温跃层消失，冷却水造成的温降在排水口附近最大。在小潮落急时刻，原始海水的整体垂向温度梯度很小且相差不大，温度梯度图呈竖线分布，冷却水排放后造成底层紊动，产生小强度温跃层，且排水口附近温降最大。此外，从图9还可以看出不同排水深度造成的温跃层上界深度不同，温跃层上界深度随着排水深度的增大而增大。

图9 典型时刻不同排水深度下排水口垂向温度图和温度梯度图Fig.9 The vertical temperatures and temperature gradients of the outfall at different drainage depths at typical times

3 结论

采用MIKE3建立了水动力模型和温度场模型，基于潮流场模拟结果与实测结果验证较好的基础上，模拟了永乐环礁附近海域流场规律及冷却水的扩散过程，统计了15 d内不同排水温度、排水流量条件下的温跃层包络面积和典型时刻不同排水深度下温跃层上界深度，重点分析了温差能发电站冷却水排放对甘泉岛附近海域海水水温结构的影响，得到以下主要结论。

(1)应用MIKE3模型对永乐环礁附近海域建立了水动力模型，计算得到的潮位结果与实测结果吻合良好，验证结果基本能够反映模拟海域的大、中、小潮期间的潮位变化过程，能够应用于模拟温差能发电站冷却水扩散过程；温度模型模拟的结果也能够良好地反映温差能发电站冷却水的扩散过程，并能够对西沙甘泉岛拟建岛基式海洋温差能发电站所涉及的环境问题给予合理评价和在生态环境管理上提供科学依据。

(2)温差能发电站冷却水会引起排放口周边温度的急剧下降，进而会在局部范围内产生温跃层，但温降范围主要集中在排水口附近，并且随着潮流流向扩散；排水口处温降最大，且距离排水口越远横向温度梯度越小；温跃层包络面积随排水温度的升高而减小，随排水流量的增大而增大。

(3)温差能发电站冷却水显著影响了垂向海水水温结构，并在海水中会形成一个冷水团，冷水团上方温度梯度大于0.2 ℃/m出现一个正跃层，下方温度梯度小于-0.2 ℃/m则出现一个逆跃层；在排水口附近垂向温度梯度最大，此外冷却水的排放有可能会造成海水底部原始温跃层的消失甚至造成紊动，产生强度较小的温跃层；不同排水深度造成的温跃层上界深度不同，随着排水深度的增大，温跃层上界深度随之增大。