丁躍平, 郭遠(yuǎn)明, 李鐵軍, 薛 彬, 張玉榮

(浙江省海洋水產(chǎn)研究所, 農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)漁場(chǎng)漁業(yè)資源科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 舟山 316021)

三門灣位于浙江沿海中部, 是一個(gè)西北-東南方向的半封閉海灣, 灣內(nèi)海岸線曲折, 港汊縱橫, 潮灘發(fā)育,主要類型為舌狀潮灘。三門灣流域面積為3 160 km2, 灣內(nèi)河流年徑流量為26.8×104m3, 水域面積約775 km2,其中高泥灘面積約295 km2, 灣內(nèi)主要水道為貓頭水道、滿山水道和石浦水道, 這些水道是灣內(nèi)與外海水交換的主要通道, 并由灣內(nèi)水岔道流入高泥灘水域[1]。

三門核電站地處三門灣內(nèi)的三門縣六敖鎮(zhèn)貓頭山半島, 總占地面積740萬m2, 近期安裝2臺(tái)125萬kW核電機(jī)組, 全面建成后, 將形成6臺(tái)125萬kW核電機(jī)組的發(fā)電能力, 裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到750萬kW, 發(fā)電機(jī)組冷卻水采用海水直接排放循環(huán)方式, 冷卻水進(jìn)入三門灣后將增加海水溫度, 進(jìn)而對(duì)三門灣內(nèi)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

唐建華和徐雪峰等對(duì)三門灣潮流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究, 分析了潮流輸運(yùn)的狀況和圍墾對(duì)動(dòng)力環(huán)境的影響[2-3]。

數(shù)值模擬方法是一個(gè)對(duì)溫排水環(huán)境影響有效的研究工具, 許多學(xué)者采用數(shù)值模式對(duì)溫排水增溫效應(yīng)進(jìn)行了研究[4-8]。為了評(píng)價(jià)冷卻水排放對(duì)三門灣水溫的影響程度, 作者采用三維海洋動(dòng)力-熱力數(shù)值模式, 模擬計(jì)算了在春季氣候條件下, 冷卻水排放對(duì)三門灣海水增溫的影響范圍和程度, 為研究三門灣海洋生態(tài)環(huán)境的變化提供參考。

1 三維海洋動(dòng)力-熱力模式

1.1 模式簡(jiǎn)介

美國普林斯頓大學(xué)Blumberg和Mellor于1977年共同建立了三維斜壓原始方程海洋模式 POM(Princeton Ocean Model), 在20世紀(jì)80年代中期, 發(fā)展了 POM 模式適用淺水的版本 ECOM(Estuarine and Coastal Ocean Model), 再加入一般的開邊界條件及示蹤物、底邊界層、沉積物輸運(yùn)等功能后, 發(fā)展成一個(gè)有多種功能的淺海三維海洋動(dòng)力-熱力-沉積物模式ECOMSED。該模式在我國及世界淺海海域得到廣泛應(yīng)用。

本文采用ECOMSED模式研究三門灣核電機(jī)組冷卻水排放對(duì)海水的增溫效應(yīng)。

ECOMSED模式包含一個(gè)二階湍流閉合子模型提供垂向混合系數(shù); 垂向采用Sigma坐標(biāo)系統(tǒng), 能夠比較方便地處理淺海變化的海底地形; 采用 Arakawa C交錯(cuò)網(wǎng)格; 水平方向時(shí)間差分采用顯式格式, 垂向時(shí)間差分采用隱式格式。后者減小了對(duì)垂向時(shí)間步長的限制, 并允許對(duì)海面邊界和底邊界使用較小的垂直分辨率; 模型有一個(gè)自由面和一個(gè)分離時(shí)間步長。外模態(tài)是二維的, 使用較小的時(shí)間步長, 內(nèi)模態(tài)是三維的, 使用較長的時(shí)間步長; 使用完整的熱力學(xué)方程組。

1.1.1 連續(xù)性方程及動(dòng)量方程

雷諾平均動(dòng)量方程

其中,為水平對(duì)流速度,W為垂向速度。U為水平x軸向速度,V為水平y(tǒng)軸向速度;ρ0為基準(zhǔn)密度,ρ為計(jì)算液體的密度;KM為垂向湍流摻混系數(shù), 其大小決定速度的垂直分布;Fx和Fy為湍流擴(kuò)散項(xiàng),f為科氏參數(shù),g為重力加速度,P是壓力。

在深度z處的壓強(qiáng)為:

其中,Patm大氣壓力 ,η是水位偏差。

1.1.2 溫、鹽守恒方程

其中,θ為位溫(淺水時(shí)可以是現(xiàn)場(chǎng)溫度),S為鹽度,KH為熱鹽垂向湍流混合系數(shù),Fθ, FS表示位溫和鹽度的源匯項(xiàng)。

密度是θ和S的函數(shù), 即:

小尺度過程引起的運(yùn)動(dòng)通過FX,FY,Fθ,S引入模型, 其表達(dá)式如下:

其中AM,AH分別表示水平和垂直分子黏滯系數(shù),Fθ,S表示位溫和鹽度方程中的小尺度過程。

1.1.3 海面和海底邊界條件

a) 在自由海面z=η(x,y)處:

其中(τox,τoy)為海面風(fēng)應(yīng)力。

b) 在底邊界z=H(x,y)處:

其中(τbx,τby)為底摩擦應(yīng)力。

1.2 模式參數(shù)

模式采用四層完整動(dòng)力-熱力方程, 垂直σ值分別為 0.0, –0.38, –0.96, –1.0。水平差分網(wǎng)格采用正方形網(wǎng)格,DX=183 m,DY=184 m,DT=4 s。開邊界潮位采用A站2012年4月28日0時(shí)~6月1日0時(shí)逐時(shí)潮位資料的調(diào)和分析預(yù)報(bào)值作為模式開邊界潮位驅(qū)動(dòng)。

對(duì)6個(gè)潮流測(cè)站(圖1)分別在大潮(2012年5月20日10時(shí)至21日12時(shí))、小潮(2012年5月13日9時(shí)至14日11時(shí))期間連續(xù)27 h觀測(cè)表層潮流與模式計(jì)算表層流比較, 模式水域采用理論深度零線作為模式水域邊界, 計(jì)算的表層流可以較好地?cái)M合觀測(cè)潮流, 其中溫排水口附近的潮流變化擬合較好,見圖2、圖3。

溫度、鹽度模式開邊界采用在23#和26#站觀測(cè)的大潮期間溫、鹽資料做調(diào)和分析, 采用日周期和半日周期調(diào)和常數(shù)計(jì)算出模式計(jì)算期間的逐時(shí)溫、鹽分布。

氣溫、風(fēng)速采用三門氣象臺(tái)2012年5月1日0時(shí)~31日23時(shí)逐時(shí)觀測(cè)氣溫和風(fēng)速。

太陽短波輻射采用在三門灣附近自1999年9月至2005年8月期間258個(gè)無云晴天觀測(cè)資料, 得出春季晴天逐時(shí)總太陽短波輻射量逐時(shí)分布, 云覆蓋系數(shù)取0.4。

取寧波氣象臺(tái)1951年~2004年共計(jì)54年平均年降水量1.380 m。相對(duì)濕度75%, 平均大氣壓1010.0 hPa。

根據(jù)全球海洋蒸發(fā)量客觀分析資料集(ftp://ftp.whoi.edu/pub/science/oaflux/data_v3/monthly/evapora tion/), 取三門灣附近海域 2012年海面年蒸發(fā)量9.974 m。

在ECOMSED模式中取AANDBFLX模塊計(jì)算海氣表面熱力交換過程。

模式初始場(chǎng)為靜止態(tài)動(dòng)力場(chǎng)和恒定溫鹽場(chǎng), 在邊界強(qiáng)迫潮位、溫鹽和太陽短波輻射及觀測(cè)氣溫、風(fēng)速作用下起算, 經(jīng)過 72 h后, 計(jì)入溫排水效應(yīng)計(jì)算序列, 共計(jì)算31 d。

圖1 三門灣溫排水站位、海流、潮汐觀測(cè)站位分布Fig.1 The distribution of stations for warm water discharging, monitoring ocean tide and current in Sanmen bay

圖2 17#站觀測(cè)-計(jì)算潮流比較Fig.2 Comparison between tide monitoring and calculation at station #17

2 近期冷卻水排放影響

根據(jù)工程計(jì)劃, 近期將建設(shè)2座125萬kW機(jī)組,冷卻水采用直排方式, 排放流量為 155.32 m3/s, 溫升 7℃(冷卻水溫度高于排放海域海水溫度的度數(shù)),溫排水位置在工程南部近岸海域。采用該參數(shù), 在三門灣溫排水模式中計(jì)算冷卻水排放引起的增溫效應(yīng)。在相同的動(dòng)力-熱力強(qiáng)迫條件下, 無溫排水與有溫排水模式計(jì)算的溫度場(chǎng)之差為增溫場(chǎng)。

圖3 6#站觀測(cè)-計(jì)算潮流比較Fig.3 Comparison between tide monitoring and calculation at station #6

2.1 溫排水增溫極值影響范圍

溫排水進(jìn)入三門灣后, 在潮流熱輸送、潮混合以及太陽輻射和海氣熱交換的作用下擴(kuò)散, 根據(jù) 1個(gè)月模式時(shí)間計(jì)算的各增溫等級(jí)逐時(shí)增溫場(chǎng)面積分布分析, 增溫面積的大小主要受到潮流熱輸運(yùn)效應(yīng)大小的影響。在大潮期間, 潮流較大, 對(duì)溫排水的熱擴(kuò)散十分有利, 這時(shí)期的增溫面積較小。在小潮期間,潮流流速緩慢, 對(duì)溫排水的熱擴(kuò)散不利, 各增溫等級(jí)的增溫水面積較大。底層溫度增溫面積的月變化比表層小, 是因?yàn)榈讓铀饕看怪被旌虾屯夂彷斔偷淖饔? 其熱慣性比表層大。表層增溫等級(jí)為1、2℃的分級(jí)逐時(shí)面積見圖4~圖5, 最大面積分布見圖6~圖7。

圖4 表層升溫1℃面積分布Fig.4 Distribution of area with surface temperature increasing 1℃ at different time points

圖5 表層升溫2℃面積分布Fig.5 Distribution of area with surface temperature increasing 2℃ at different time points

圖6 表層升溫1℃最大面積分布Fig.6 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 1℃

圖7 表層升溫2℃最大面積分布Fig.7 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 2℃

模式計(jì)算表、底層溫度增溫分布分析表明, 增溫幅度為 1、2℃時(shí), 最大增溫面積多出現(xiàn)在無風(fēng)或風(fēng)小的中午和午后低潮期間, 最小增溫面積多出現(xiàn)在凌晨和夜間漲潮期或高潮期。對(duì)于增溫在3、4℃, 最大增溫面積多出現(xiàn)在夜間高潮期, 最小增溫面積多出現(xiàn)在凌晨的漲潮中間時(shí)刻。

表1是各增溫等級(jí)的極值面積, 表、底層增溫1℃時(shí)面積最大, 表層增溫1℃的面積最大、最小值相差87倍, 底層增溫 1℃的面積最大、最小值相差 464倍;表層增溫 2℃的面積最大、最小值相差 41倍, 底層增溫2℃的面積最大、最小值相差32倍; 表層增溫3℃的面積最大、最小值相差 19倍, 底層增溫 3℃的面積最大、最小值相差2倍; 表層增溫4℃的面積最大、最小值相差8倍, 底層增溫4℃的面積最大、最小值相差11倍。

在月度時(shí)間內(nèi), 三門灣溫排水增溫影響范圍有較大的極值變化, 最大影響范圍與最小影響范圍的差值在表層大于底層, 以1℃影響范圍大小極值變化最大。

表1 表、底層各增溫等級(jí)極值面積Tab.1 The maximum and minimum areas of surface and bottom layers in different temperature increasing grades

2.2 溫排水增溫頻率影響范圍

由于受潮汐和太陽輻射等因素的影響, 三門灣內(nèi)海水溫度有多周期變化, 其中日周期、半日周期和半月周期變化的幅度較大, 另外受到風(fēng)速和氣溫的變化影響也較大。為了確定溫排水在 4個(gè)增溫等級(jí)中面積大小的出現(xiàn)頻率, 作者對(duì)增溫水體出現(xiàn)頻率和位置進(jìn)行了分析。

表2是各等級(jí)表、底層增溫頻率面積分布。增溫水體主要出現(xiàn)在排水口南北兩側(cè)沿岸海域, 其中以增溫 1℃時(shí), 表、底層 10%頻率出現(xiàn)的面積最大,80%頻率出現(xiàn)的增溫面積最小。

表2 表、底層各增溫等級(jí)頻率下的面積分布(km2)Tab.2 Area distribution of frequency in surface and bottom layers in different temperature increasing grades (unit:square kilometer)

3 遠(yuǎn)期冷卻水排放影響

根據(jù)工程計(jì)劃, 遠(yuǎn)期建成6座125萬kW機(jī)組,冷卻水采用直排方式, 排放流量465.96 m3/s, 溫升7℃。采用該參數(shù), 在三門灣溫排水模式中計(jì)算冷卻水排放引起的增溫效應(yīng)。

3.1 溫排水增溫極值影響范圍

遠(yuǎn)期溫排水量增大后, 對(duì)三門灣海水溫度環(huán)境增加了較大壓力, 表現(xiàn)在水溫增溫 1、2℃面積大幅增加, 對(duì)三門灣海洋環(huán)境產(chǎn)生一定影響, 見圖8~圖9。但是 3、4℃增溫的水體面積較小, 高增溫水體的影響范圍依然較小。表層增溫水平分布見圖10~圖11。

三門灣潮汐漲落的熱輸送作用依然是溫排水熱擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿C(jī)制, 但是在溫排水量大幅增加的情況下, 潮汐熱輸送作用沒有變化, 所以, 溫排水增溫對(duì)三門灣內(nèi)的環(huán)境影響范圍有大幅增加。

增溫水體的面積在低潮期出現(xiàn)最大值, 在高潮期出現(xiàn)最小值, 底層海水增溫范圍較小, 增溫范圍主要出現(xiàn)在表層。

表3是各增溫等級(jí)極值面積, 最大的增溫水體面積出現(xiàn)在表層1、2℃等級(jí), 底層增溫水體面積比較小。

3.2 溫排水增溫頻率影響范圍

遠(yuǎn)期增加溫排水量后, 增溫面積增大主要出現(xiàn)在表層, 表、底層海水增溫1℃的10%頻率面積幾乎占據(jù)整個(gè)三門灣(表4)。表、底層海水增溫2℃的10%頻率面積也較大, 3、4℃的增溫10%頻率面積都比較小。表、底層水體增溫1℃的較大面積將產(chǎn)生持久穩(wěn)定影響, 表、底層水體2℃增溫也產(chǎn)生較大范圍的影響, 其他增溫水體的影響范圍都比較小。

圖8 表層升溫1℃面積分布Fig.8 Distribution of area with surface temperature increasing 1℃ at different time points

圖9 表層升溫2℃面積分布Fig.9 Distribution of area with surface temperature increasing 2℃ at different time points

圖10 表層升溫1℃最大面積分布Fig.10 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 1℃

表3 表、底層各增溫等級(jí)極值面積Tab.3 The maximum and minimum areas of surface and bottom layers in different temperature increasing grades

圖11 表層升溫2℃最大面積分布Fig.11 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 2℃

表4 表、底層各增溫等級(jí)頻率的面積分布( km2)Table 4 Area distribution of frequency in surface and bottom layers in different temperature increasing grades (square kilometer)

4 結(jié)論

(1) 近期工程建設(shè)后, 在 5月份氣候狀況下, 溫排水進(jìn)入三門灣海域?qū)?duì)工程附近海域溫度產(chǎn)生增溫影響, 最大增溫影響在表層, 底層增溫影響較小。增溫 1℃的影響范圍最大, 增溫 4℃的影響范圍最小。增溫水體范圍有較大的日變化, 1℃增溫范圍的最大日變化可達(dá) 20 km2。增溫水體短期侵占(頻率10%)的海域面積較大, 長期侵占(頻率 80%)的海域面積較小。

(2) 遠(yuǎn)期工程建成后, 溫排水量大幅增高, 在 5月份氣候狀況下, 溫排水對(duì)三門灣海水溫度影響范圍大幅增加, 其中以1℃增溫范圍增加最大, 4℃增溫范圍增加較小。增溫水體面積的日變化將增大。溫排水增溫 1℃的水體將對(duì)三門灣內(nèi)海域產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的大范圍影響。

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