劉 榮，王義剛，黃惠明，華 廈

（河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

沿海電廠排水口水深與流速對(duì)溫升影響范圍研究

劉 榮，王義剛，黃惠明，華 廈

（河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

大量溫排水不斷地排入海域?qū)⒁鹚疁厣?，?dǎo)致不同程度的熱污染。本文基于平面二維理想水池?cái)?shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了沿海電廠溫排水熱擴(kuò)散對(duì)周圍水動(dòng)力條件的響應(yīng)機(jī)制，分析了溫排水在不同水深和流速條件下的最大溫升包絡(luò)面積變化情況。研究結(jié)果表明，流速越大溫升降低快，高溫升（4℃）包絡(luò)面積越小。在水深為4m時(shí)，低溫升（1℃）包絡(luò)面積并沒有隨流速的增大而減小，而是呈增大的趨勢。當(dāng)水深為6 m、8 m、10 m時(shí)，低溫升（1℃）包絡(luò)面積隨流速的增大而減小。同一潮差條件下，隨著水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃溫升包絡(luò)面積均減小，而且溫升等值線的溫升值越大，其包絡(luò)面積平均減小的比例越大。最大溫升包絡(luò)線面積與潮流流速和水深關(guān)系密切。

溫排水；擴(kuò)散范圍；水動(dòng)力環(huán)境；數(shù)值模擬

近年來隨著沿?；?、核電廠的興建，大量的溫排水不斷地隨冷卻循環(huán)系統(tǒng)排入海域，在周圍水動(dòng)力因素作用下進(jìn)行擴(kuò)散，對(duì)水體產(chǎn)生熱影響。有研究表明，一般情況下電廠的低溫冷卻水在與機(jī)組進(jìn)行熱交換后，水溫比附近海域海水溫度高7℃～10℃［1］。水體受熱影響的程度，直接關(guān)系到電廠機(jī)組容量的確定及冷卻水取、排水口布置，也關(guān)系到海域水體的生態(tài)環(huán)境［2-5］?！逗Ｋ|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：人為造成的海水溫升不超過當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販囟?℃，所以在確定溫排水海域使用面積時(shí)，通常采用溫升4℃的最大包絡(luò)線面積。目前，對(duì)核電站溫排水分布規(guī)律及溫升4℃的最大包絡(luò)線面積的獲取主要通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行，眾多學(xué)者在此方面有過相關(guān)研究。張舒羽［6］采用MIKE21數(shù)學(xué)模型分析了針對(duì)浙江蒼南電廠在不同潮型、不同流量及不同季節(jié)下的溫排水最大溫升線包絡(luò)面積范圍和取水口的溫升變化。蔣春風(fēng)［7］針對(duì)處于河流的河口段或感潮河段的電廠，根據(jù)二維平面浮射流的基本概念及感潮河段水文特征，建立了估算射流中心線溫升的函數(shù)關(guān)系和估算等溫升線所包圍的表面積的經(jīng)驗(yàn)公式。鄧敏慧［8］以長江口某電廠溫排水為例，通過對(duì)夏季大潮、冬季大潮和小潮3種不同水文條件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了電廠溫排水?dāng)U散影響規(guī)律，并給出了減小溫排水對(duì)海域生態(tài)系統(tǒng)的相應(yīng)對(duì)策。

在實(shí)際預(yù)測工作中發(fā)現(xiàn)排放點(diǎn)水深和流速的大小對(duì)溫排水?dāng)U散范圍影響較大。如某沿海核電廠一期工程（2臺(tái)機(jī)組）溫排水排放方式為明渠排水，排水明渠遠(yuǎn)端底標(biāo)高-3.0 m，與灘面銜接。二期工程（2臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)容量同一期）采用深排方案，排放口在深槽。4臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，一期工程和二期工程4℃溫升最大擴(kuò)散面積呈分離狀態(tài)，深排的溫升影響范圍較淺灘明排的溫升影響范圍要小百倍，分析原因認(rèn)為深槽4℃溫升影響范圍小的主要原因是水深、流急。但是否有如此大的影響，需要在其他參數(shù)不變的情況下對(duì)影響4℃溫升的預(yù)測面積的“排放點(diǎn)水深”和“流速”這兩個(gè)參數(shù)做敏感性分析，以此分析預(yù)測結(jié)果合理性。

目前實(shí)際工程中采用的數(shù)學(xué)模型以二維模型為主，能反映濱海大范圍水域熱量的輸移擴(kuò)散規(guī)律［9］。針對(duì)實(shí)際問題的需要，本文擬通過采用MIKE21模型建立理想水池?cái)?shù)值模擬計(jì)算在不同水深和流速條件下的溫排水熱擴(kuò)散，計(jì)算排水口附近海域溫度場分布，得出影響溫排水溫升范圍的規(guī)律，為相關(guān)研究提供參考。

1 理想模型

1.1 理想模型的建立

沿海建設(shè)的電廠水域廣闊，冷卻水工程通常采用表排深取的方式。本文進(jìn)行理想水池的溫排水?dāng)?shù)值模擬時(shí)，理想水池模型為平底地形的矩形水域。理想水池的長為60 km、寬為20 km，水池由三個(gè)開邊界和一個(gè)陸地邊界組成，其中東、西、北三個(gè)邊界為水池開邊界，南邊界為陸地邊界，排放點(diǎn)源位于水池中心。對(duì)模擬區(qū)域水平方向上采用三角網(wǎng)格剖分，模型共包括11 642個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，23 016個(gè)網(wǎng)格單元，間距在50～600 m之間，在排水口附近進(jìn)行加密。具體模型網(wǎng)格見圖1。

1.2 模型的初始及邊界條件

理想水池的東、西邊界采用給定潮位邊界條件，東邊界潮位條件以三角函數(shù)η=ACOS（2πt/T）形式給出，其中T=12.5 h。西部邊界條件設(shè)置與東部邊界條件存在相位差，但潮差設(shè)置相同，北部邊界水位條件由兩邊界端點(diǎn)處水位插值獲得。陸地邊界采用滑動(dòng)條件，即v.n=0。假設(shè)理想水池內(nèi)水體的初始溫度為25℃，溫排水在排放點(diǎn)以源項(xiàng)形式排入受納水體，排放水量為100 m3/s（裝機(jī)容量為2×1 000 MW的核電廠，需要的冷卻水量約為100 m3/s［10］），排放溫升為7℃。岸邊界采用絕熱邊界條件，開邊界溫度為環(huán)境水體溫度。

1.3 參數(shù)的選取

模型考慮擴(kuò)散過程主要包括水流流速梯度引起的剪切流動(dòng)、分子運(yùn)動(dòng)和紊動(dòng)引起的熱量擴(kuò)散。本文熱量輸運(yùn)方程中擴(kuò)散系數(shù)采用紊動(dòng)粘滯系數(shù)類比公式給定，即將紊動(dòng)粘滯系數(shù)乘以某一比例系數(shù)獲得擴(kuò)散系數(shù)，本文比例系數(shù)取推薦值1［11］。模型的水平紊動(dòng)粘滯系數(shù)采用Smagorinsky公式進(jìn)行計(jì)算。底摩阻由曼寧系數(shù)確定，采用推薦值32 m1/3/s。模型不考慮風(fēng)的影響。

圖1 模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及排放口位置Fig.1 Calculation grid and location of the outfall

2 溫排水?dāng)?shù)值模擬及變化規(guī)律分析

2.1 排水口潮流速對(duì)溫排水?dāng)U散范圍的影響

冷卻水排放入水域后，受周期性沿岸往復(fù)潮流動(dòng)力控制，若干個(gè)潮周期后熱擴(kuò)散可以達(dá)到穩(wěn)定，這一過程的時(shí)間長度取決于潮流的強(qiáng)度和水域的地理特征（水深及水域的大小）。模型東部邊界處的潮位條件給定，把潮周期過程視為多個(gè)相同周期變化過程線，直至后一個(gè)潮周期的流場和溫度場同前一個(gè)潮周期計(jì)算的流場和溫度場表征值（潮位、流速、溫度）相對(duì)偏差小于1%時(shí)，即認(rèn)為流場和溫度場模擬達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定平衡［12］。

由于受到潮流往復(fù)運(yùn)動(dòng)的攜帶，溫水團(tuán)不斷向兩頭擴(kuò)展，最后形成以電廠排水口為中心向兩端擴(kuò)展的條狀溫升帶。圖2給出了水深設(shè)置8 m，邊界潮差設(shè)置1 m情況下漲憩和落憩時(shí)刻溫升分布。溫水團(tuán)主體在沿岸往復(fù)流作用下主要在沿岸方向擴(kuò)散，漲潮時(shí)向東擴(kuò)散，落潮時(shí)則向西擴(kuò)散。

圖2 溫升分布（水深設(shè)置8 m,邊界潮差設(shè)置1 m）Fig.2 Distribution of temperature rise（8 m water depth，1m tidal range）

模型穩(wěn)定后提取一個(gè)潮周期的結(jié)果作為模型計(jì)算結(jié)果，以最大溫升1℃、2℃、3℃、4℃為敏感值進(jìn)行分界，統(tǒng)計(jì)得到了不同潮差條件下模型穩(wěn)定后一個(gè)潮過程的最大溫升包絡(luò)面積變化圖，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。

模型計(jì)算區(qū)域開邊界給定潮位邊界條件，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，排水口附近潮平均流速與邊界潮差條件的關(guān)系見圖4。對(duì)潮差不同的各組次進(jìn)行比較可知：當(dāng)水深一定時(shí)，潮差越大流速越大，且流速與潮差條件幾乎成線性關(guān)系；水深越大，趨勢線的斜率也越大。在同一潮差條件下，水深越大，排水口附近潮平均流速也越大。

結(jié)合圖3與圖4，對(duì)比溫排水在不同潮差條件下的溫升線包絡(luò)面積，可知流速對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較顯著，且流速對(duì)溫排水不同溫升包絡(luò)面積的影響規(guī)律有所差異。由圖3可知：在同一水深情況下，隨著排水口附近流速增大，4℃溫升包絡(luò)面積均有明顯的減小。當(dāng)邊界條件潮差設(shè)置由1 m增大到6 m時(shí)，環(huán)境水體水動(dòng)力和溫升特征為：模型水深為4 m的排水口附近流速由0.21 m/s增加至0.47 m/s，4℃溫升包絡(luò)面積由60.52 km2減小至41.39 km2；模型水深為6 m的排水口附近流速由0.28 m/s增加至0.63 m/s，4℃溫升包絡(luò)面積由36.53 km2減小至5.85 km2；模型水深為8 m的排水口附近流速由0.32 m/s增加至0.80 m/s，4℃溫升包絡(luò)面積由25.59 km2減小至0.78 km2；模型水深為10 m的排水口附近流速由0.36 m/s增加至0.94 m/s，4℃溫升包絡(luò)面積由18.35 km2減小至0.21 km2。潮流水動(dòng)力作用是溫排水熱擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿C(jī)制，流速越大水體攜帶排放口高溫水團(tuán)運(yùn)移速度快，溫升降低快，高溫升（4℃）包絡(luò)面積越小。

與高溫升包絡(luò)面積變化情況不同的是，低溫升（1℃）包絡(luò)面積在水深為4 m時(shí)并沒有隨流速的增大而減小，而是呈增大的趨勢，當(dāng)水深為6 m、8 m、10 m時(shí)，1℃包絡(luò)面積是隨流速的增大而減小。熱水排入受納水體后首先在排水口附近進(jìn)行初始摻混，水深4 m時(shí)由于水淺流緩，參與稀釋的環(huán)境水體少，熱水稀釋能力弱，熱水團(tuán)在排水口附近聚集較多。此時(shí)高溫?zé)崴畧F(tuán)在被往復(fù)流輸運(yùn)過程中由于水深始終較淺，平流作用較強(qiáng)，會(huì)對(duì)熱水對(duì)流擴(kuò)散產(chǎn)生正向作用，垂岸方向擴(kuò)散較其他水深擴(kuò)散距離大，因此水深4 m時(shí)環(huán)境水體流速越大低溫升（1℃）擴(kuò)散范圍越大。

圖3 不同潮差條件下最大溫升包絡(luò)面積Fig.3 Envelope area for the maximum temperature rise under different boundary conditions

圖4 排水口附近平均流速與邊界潮差條件的關(guān)系Fig.4 Relation between mean velocity of outfall area and boundary condition

圖5 不同水深條件下最大溫升包絡(luò)面積Fig.5 Envelope area for the maximum temperature rise under different water depth conditions

2.2 排水口水深對(duì)溫排水?dāng)U散范圍的影響

將上文的數(shù)模結(jié)果按不同水深條件進(jìn)行劃分統(tǒng)計(jì)，得到了不同水深條件下的最大溫升包絡(luò)面積變化圖，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。

從圖中可以看出，同一潮差條件下，隨著水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃溫升包絡(luò)面積均減小，表1給出了水深增大時(shí)，各溫升等值線包絡(luò)面的變化比例。由表1可知：溫升等值線的溫升值越大，其包絡(luò)面積平均減小的比例越大。由于計(jì)算采用水深平均的二維水動(dòng)力數(shù)值模型，溫排水在進(jìn)入模型網(wǎng)格單元后，平均擴(kuò)散到該網(wǎng)格單元的受納水體，水深越大，相同尺寸下網(wǎng)格單元受納水體的體積越大，會(huì)對(duì)溫水的對(duì)流擴(kuò)散產(chǎn)生正向作用，利于溫水的稀釋。

2.3 溫升4℃預(yù)測結(jié)果分析

通過上述內(nèi)容可知：采用水深平均的二維數(shù)模計(jì)算，排水口水深和流速對(duì)4℃溫升包絡(luò)面積的影響顯著，隨著水深的增大，4℃溫升包絡(luò)面積明顯減小，而流速對(duì)4℃溫升包絡(luò)面積的影響小于水深的影響。為分析某沿海核電廠一期和二期溫排水工程中4℃溫升擴(kuò)散面積差異上百倍的預(yù)測是否合理，在已建數(shù)模基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際工程情況，對(duì)比數(shù)模結(jié)果中不同水深和流速情況下，分析4℃溫升包絡(luò)面積的不同。表2給出了不同條件下4℃溫升包絡(luò)線面積。

結(jié)合圖4和表2可知：邊界潮差條件設(shè)置為6 m時(shí)，水深4 m較水深10 m的排水口附近平均流速小，水深10 m表現(xiàn)為水深流急，二者的4℃溫升包絡(luò)面積相差近200倍，這表明在實(shí)際溫排水工程預(yù)測工作中，不同排放點(diǎn)水深和流速對(duì)4℃溫升包絡(luò)面積的影響達(dá)百倍以上是相對(duì)較為合理的。

表1 各溫升包絡(luò)面積對(duì)水深的敏感性Tab.1 Decreasing rate of the envelope area with water depth

表2 4℃溫升包絡(luò)面積Tab.2 Envelope area of temperature increase of 4℃

3 結(jié)語

研究溫升場最大溫升包絡(luò)面積有利于取排水口優(yōu)化布置及對(duì)環(huán)境影響做出評(píng)價(jià)，本文通過采用二維數(shù)值模擬溫排水在不同水深和流速條件下的溫升擴(kuò)散范圍，得到以下結(jié)論：（1）同一水深條件，潮差越大流速越大，水體攜帶排放口高溫水團(tuán)運(yùn)移速度快，溫升降低快，高溫升（4℃）包絡(luò)面積越小。與高溫升包絡(luò)面積變化情況不同的是，低溫升（1℃）包絡(luò)面積在水深為4 m時(shí)并沒有隨流速的增大而減小，而是呈增大的趨勢，當(dāng)水深為6 m、8 m、10 m時(shí)，1℃包絡(luò)面積隨流速的增大而減小。（2）同一潮差條件下，隨著水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃溫升包絡(luò)面積均減小，而且溫升等值線的溫升值越大，其包絡(luò)面積平均減小的比例越大。（3）最大溫升包絡(luò)線面積與潮流流速和水深關(guān)系密切。在實(shí)際溫排水工程預(yù)測工作中，不同的排放點(diǎn)水深和流速對(duì)4℃溫升預(yù)測面積的影響達(dá)百倍以上是相對(duì)合理的。

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Research on effect of water depth and flow intensity in coastal power plant outfall on warming area

LIU Rong,WANG Yi-gang,HUANG Hui-ming，HUA Xia
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing210098,China）

Water temperature is increased by a large amount of warm water discharge,and therefore resulting in thermal pollution.A 2-D numerical model was used to simulate an idealized water area.Based on the model,the impact of hydrodynamic condition on warm water diffusion scope was studied,and the effect of water depth and flow intensity where coastal power plant outfall located on warming area was investigated.Results show that with increasing water velocity,the temperature increase is easier to diffuse,which means the area of temperature increase of 4℃is smaller.However,for the 4 m water depth,the area of temperature increase of 1℃increases with increasing velocity.For the 6 m,8 m,and 10 m water depth,the area of temperature increase of 1℃decreases with increasing velocity.For the same boundary condition,the temperature increase area decreases with increasing water depth. Furthermore,for a higher temperature contour,the decreasing rate of temperature increase area is larger.The water depth and velocity have a significant effect on the maximum temperature contour.

warm water discharge;diffusion scope;hydrodynamic environment;numerical simulation

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0026-05

2016-09-30；

2016-11-24

劉榮（1993-），男，江西省新余人，碩士研究生，主要從事河口海岸水動(dòng)力及泥沙研究。

Biography：LIU Rong（1993-），male,master student.