王俊敏，傅 雷，滑 磊，唐文嘉

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

水溫是水體的一項重要指標參數，水溫的變化將導致水體內部生態(tài)體系發(fā)生一系列的改變[1-4]。溫排水進入受納水體將引起水體水溫的變化，進而影響水體動量、能量及溫度的重新分配和變化[3，5-9]。國外學者從20世紀40年代就開始調查研究電廠溫排水的輸移擴散[8，10-12]，20世紀80年代起，我國學者開始研究溫排水，如韓曾萃[1]等利用二維非恒定水流方程組和對流 — 擴散方程，模擬核電站冷卻廢水的放射性及熱量在大范圍水域中的稀釋過程，曹穎[3]等基于FVCOM模式開發(fā)了三維溫排水對流擴散模型，并應用該模型對象山港內某濱海電廠的溫排水進行計算。但上述研究大多集中在溫排水對河口及近海水域的影響，對湖泊的影響研究較少[13-16]。

浙江華通數據科技有限公司在千島湖（新安江水庫）珍珠半島經濟開發(fā)區(qū)修建的數據中心用于冷卻系統(tǒng)的溫排水，現狀工況1000 m3/h（0.28 m3/s）、規(guī)劃工況1500 m3/h（0.42 m3/s）通過中軸溪景觀河道排入千島湖珍珠半島湖灣，遠期工況4300 m3/h（1.19 m3/s）通過中軸溪景觀河道和珍珠半島廣場管道系統(tǒng)匯合后排入千島湖珍珠半島湖灣（見圖1），將會對出水口附近湖區(qū)（庫區(qū)）造成一定的影響。本文結合現場觀測和數值模型對數據中心溫排水對出水口附近庫區(qū)的影響進行研究，并根據研究結果初步總結溫排水在湖泊中輸移擴散的簡單規(guī)律。

圖1 華通數據中心溫排水工況圖

2 現場監(jiān)測實驗

珍珠半島湖灣數據資料較少，缺乏關鍵的實測水溫和水下地形資料，需要進行現場實地監(jiān)測。在水溫、地形補充測量的基礎上，利用實測數據建立并驗證溫排水數值模型，利用該數值模型預測珍珠半島湖灣的溫排水影響并進行相關評價。

2.1 測點布置

2.1.1 水溫監(jiān)測

近岸扇形湖區(qū)中布置3條主監(jiān)測線，分別為扇形區(qū)域的中心線、左邊界線和右邊界線；中心線上布置7個監(jiān)測斷面，分別距離岸邊0，50，100，200，300，500，700 m；左右邊界線上各布置2個監(jiān)測斷面，分別距岸邊20，200 m；每個監(jiān)測斷面上監(jiān)測3組水溫數據，測點分別為距水面5.00，15.00，30.00 m，水深不足時，按表、中、下層水深讀取水溫。湖區(qū)共需讀取水溫數據11×3 = 33個。水溫監(jiān)測斷面空間布置見圖2。

2.1.2 水下地形（水深）估測

根據相關資料，本次監(jiān)測的近岸湖區(qū)，其水深自岸邊向外側延伸，深度為5.00 ～ 40.00 m，最深不超過50.00 m，由于對水下地形監(jiān)測精度要求不高，可以利用水溫監(jiān)測時讀取的探底水深數據，推算各監(jiān)測斷面的水下地形。最終得到3條主監(jiān)測線上共11個監(jiān)測斷面的水下地形數據（水深）。

圖2 千島湖珍珠半島湖灣監(jiān)測斷面分布圖

2.2 監(jiān)測成果

本次現場監(jiān)測時間為2016年9月22日11∶00 — 15∶00，監(jiān)測當天千島湖水位為100.85 m（接近千島湖常年平均水位），天氣晴轉多云，相對濕度80%，氣溫32.0 ℃。根據華通數據提供的工況數據，監(jiān)測當天華通數據中心溫排水量為1000 m3/h（0.28 m3/s），屬于典型的現狀工況排水。

本次監(jiān)測采用水下溫度儀及ADCP設備監(jiān)測方式同步進行，水溫測量精度達0.002 ℃，地形測量精度達0.10 m?？紤]到模型實際需求，地形測量采用點測量形式，即在每個監(jiān)測斷面上測量水下地形，在數值模型中采用三角差分的方法對整個扇形計算區(qū)域進行地形差分，得到珍珠半島湖灣的水下地形。監(jiān)測得到的水溫分布及水下地形見圖3 ～ 4。

圖3 現場監(jiān)測珍珠半島湖灣水溫分布圖

3 模型原理

根據溫排水影響評價的模擬尺度、精度要求和溫排水區(qū)域的實際情況，本次采用世界領先的平面二維計算軟件對溫排水進行數值模擬計算，模型采用的基本方程包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[17-19]，其形式為：

圖4 珍珠半島湖灣計算區(qū)域水下地形示意圖

對溫排水計算而言，公式（1）～（6）中的模型關鍵項為能量輸運項ST，ST代表了數值模型中的熱交換量，其定義為[17，20-21]：

式中：H為總水深（m）；qin、qout為傳質的單位體積入流、出流量（m3/s）；c為質量濃度（w/m3）；cin為來流質量濃度（w/m3）；Qtot為水面熱交換（w/m2）。水面熱交換主要是各種輻射、反射、蒸發(fā)與熱傳導等熱力學因素的集合。采用的公式為：

式中：Qsn為凈太陽短波輻射（w/m2）；Qan為凈長波輻射（w/m2）；Qan= Qa-Qbr-Qw，Qa為大氣長波輻射（w/m2）；Qbr為水面對長波的反射（w/m2）；Qw為水體的長波輻射（w/m2）；Qev為凈蒸發(fā)（w/m2）；Qco為熱傳導（w/m2）[22-26]。

4 湖灣溫排水數值模型

4.1 模型建立及驗證

根據珍珠半島湖灣的平面圖及現場監(jiān)測獲得的湖灣水下地形數據，建立珍珠半島湖灣扇形區(qū)域的數值模型，利用正交化網格對其進行數值離散，得到符合計算要求的數值模型區(qū)域，珍珠半島湖灣概化模型見圖5。

圖5 珍珠半島湖灣計算范圍及概化網格圖

珍珠半島湖灣的總面積約1.7 km2，根據溫排水預估影響范圍及現場監(jiān)測的實際情況，選定本次珍珠半島湖灣的計算范圍為以珍珠半島廣場為圓心的半徑r = 700 m，圓心角約120°的扇形湖區(qū)，計算概化網格為自圓心向圓周的漸變網格，網格尺度長5 ～ 10 m，寬3 ～ 8 m。計算區(qū)域共劃分網格7448個。

利用現場監(jiān)測的水溫數據對所建立的珍珠半島湖灣數值模型進行驗證。9月22日現場監(jiān)測當天，華通數據中心排水為現狀工況排水，其排水量為0.28 m3/s?？紤]到現場監(jiān)測當天中軸溪自中游以下為管道排水，其復溫能力較弱，驗證模型中采用偏不利條件，設定管道湖灣出口處水溫為27.2 ℃（即T設= T推-1）。下游邊界采用水位 — 水溫聯合邊界條件，并采用第二類邊界條件，即：

初始條件水位為千島湖當天水位100.85 m，模型糙率設為n = 0.01，背景水溫26.8 ℃，云量設置為70%，相對濕度設置為80%，氣溫設置32.0 ℃。同時，按淳安縣多年統(tǒng)計數據，數值模型中的太陽輻射數據設置為180 J/（m2· s）。計算時間步長為0.25 min，計算穩(wěn)定條件設置為同一網格2個時間步長之間的溫差△T＜10-5℃。值得注意的是，驗證模型采用雙點源入流形式（見圖6），與常規(guī)排水情況略有不同，這是因為在現場監(jiān)測當天，中軸溪景觀河道由于河道清潔，下游處于封閉狀態(tài)，華通數據中心溫排水最終通過管道排放的形式進入珍珠半島湖灣，為保證模型的準確性，驗證模型中采用和現場監(jiān)測時同樣的排水方式，即雙點源入流形式，模型排水點與管道排水口空間位置保持一致。

另外，由于排水流量極小且排水點位于湖灣陸域邊界，根據現場監(jiān)測的數據并參考相關文獻[4，11，27-28]，其對5.00 m以下的水溫幾乎沒有影響。因此，本次模型驗證點位為扇形湖灣中心線上的7個監(jiān)測斷面的表層水溫數據。模型初始條件、邊界條件的設置及模型驗證點位的選擇見圖6。

圖6 珍珠半島湖灣驗證模型參數設定圖

模型驗證選擇水位驗證與水溫驗證同時進行的方式，珍珠半島湖灣中心線上的水位及水溫數值模擬數據與實測數據的對比見圖7 ～ 8。

圖7 珍珠半島湖灣水位驗證圖

圖8 珍珠半島湖灣水溫驗證圖

由圖7可見，本次數值模擬的水位與實測水位幾乎完全一致，這是因為華通數據中心溫排水現狀流量很小，而珍珠半島湖灣的水域容積遠大于華通數據中心的排水量，因此，溫排水幾乎不會對該區(qū)域的水位產生影響，計算水位與實測水位吻合。同理，由圖8可知，由于溫排水流量遠小于整個湖灣水體的水域容積，溫排水僅對湖灣表層水體產生一定的影響，對5.00 m以下的垂向水體，幾乎不產生影響。

4.2 模型應用

4.2.1 參數及工況設定

參考《華通數據中心工程設計報告》及千島湖區(qū)的水文氣象資料，按千島湖區(qū)夏、冬兩季的極端天氣情況并結合華通數據中心現狀、規(guī)劃及遠期3種不同工況，設置6組計算工況（見表1）。

表1 數值模型計算工況設置表

根據淳安縣氣象資料，其夏季和冬季情況下的氣溫、云量、濕度、太陽輻射參數均有所不同，同時，風力對溫排水擴散效應也會產生影響，在設置計算參數時，應綜合考慮以上因素，表1中所有工況的計算參數設置見表2。

表2 溫排水模型不同工況下參數取值表

圖9 夏季工況溫排水影響范圍等溫云圖

圖10 冬季工況溫排水影響范圍等溫云圖

為便于比較分析，本次計算中不同工況條件下溫排水的影響范圍采用等溫云圖表示，夏季與冬季不同工況下的溫排水影響范圍云圖見圖9 ～ 10。

4.2.2 溫排水影響范圍分析

圖9、圖10分別顯示夏季、冬季工況溫排水影響范圍計算結果圖。由圖9 ～ 10可知，夏季工況下華通數據中心的溫排水，僅對珍珠半島湖灣表層水體的水溫產生影響，對水深5.00 m以下的水體不產生影響；冬季工況下，現狀工況W1及規(guī)劃工況W2的溫排水一進入湖區(qū)，表層水體的混合水溫立即達到13.7 ℃的復溫目標，現狀工況W1和規(guī)劃工況W2的預測影響范圍均為0，不會對珍珠半島湖灣造成影響。

夏季遠期工況S3由于湖灣岸邊排水中加入了珍珠半島工業(yè)園區(qū)額外0.77 m3/s流量的排水，其對珍珠半島湖灣的影響范圍較工況S1和S2有明顯擴大。由圖9可知，遠期工況S3由于其流量增大且排水水溫降低，等溫云圖范圍明顯增大。根據數值計算結果，以溫降2.0 ℃為評價標準，其影響范圍為近岸約290 m半徑的扇形區(qū)域，面積約88000 m2，約占整個珍珠半島湖灣面積的5.000%。

同樣，冬季遠期工況W3由于湖灣岸邊排水中加入了珍珠半島工業(yè)園區(qū)額外0.77 m3/s流量的排水，其對珍珠半島湖灣的影響范圍較工況W1和W2略有擴大。由圖10可知，遠期工況W3由于其流量增大且排水水溫進一步降低，溫排水對珍珠半島湖灣呈現出一定的影響，根據數值計算結果，以溫降2.0 ℃為評價標準，其影響范圍為近岸約10 m半徑的扇形區(qū)域，面積約100 m2，約占整個湖灣計算區(qū)域面積的0.006%。不同工況下溫排水影響范圍見表3。

表3 不同工況條件下溫排水影響范圍表

4.2.3 湖灣中心線水溫分布及分析

對計算區(qū)域內珍珠半島湖灣中心線的水溫分布進行分析。夏季工況珍珠半島湖灣的背景水溫值為31.6 ℃，冬季工況珍珠半島湖灣的背景水溫值為15.7 ℃，參考《地表水環(huán)境質量標準》和《環(huán)境影響評價技術導則》，以最大溫降≤2.0 ℃為評價標準，夏季工況復溫目標為29.6 ℃，冬季工況復溫目標為13.7 ℃。根據復溫目標繪制的湖灣中心線的表層復溫曲線見圖11 ～ 12。

圖11 夏季工況珍珠半島湖灣中心線表層水溫計算結果圖

圖12 冬季工況珍珠半島湖灣中心線表層水溫計算結果圖

圖11為夏季工況珍珠半島湖灣中心線水溫計算結果曲線圖。由圖11可知，夏季現狀工況S1排水水溫較高，達28.6 ℃，且其流量僅為0.28 m3/s，計算結果顯示，湖灣中心線水溫恢復較快。規(guī)劃工況S2排水水溫24.3 ℃，低于現狀工況，且流量0.42 m3/s，高于現狀工況，因此，湖灣中心線水溫恢復較慢。夏季遠期工況S3的總流量達到1.19 m3/s，且排水水溫下降至19.3 ℃，在高排水流量和低排水水溫的雙重作用下，其復溫距離大于工況S1和工況S2。

圖12為冬季工況珍珠半島湖灣中心線水溫計算結果曲線圖。由圖12可知，冬季工況條件下，珍珠半島湖灣中心線的水溫分布趨勢與夏季工況類似，但水體復溫情況與夏季工況有明顯區(qū)別。冬季情況下，現狀工況W1和規(guī)劃工況W2由于其入流水溫與湖灣背景水溫接近，溫排水進入湖灣后即達到或超過復溫目標水溫13.7 ℃。冬季遠期工況W3由于其流量大、水溫低，在近湖岸約10 m距離內，水溫小于13.6 ℃，但隨即達到復溫目標水溫13.7 ℃。與夏季工況比較，冬季工況條件下，珍珠半島湖灣中心線水溫在距離湖岸非常近的距離上就可以達到復溫要求。

5 結 語

溫排水的排水流量和排水水溫是2個較為明顯且敏感的影響要素：溫排水的排水流量越小、排水水溫越接近湖灣背景水溫，其對珍珠半島湖灣的影響范圍越小，反之亦然。

溫排水對湖灣水溫的影響集中體現在對湖灣表層水體，也即水深5.00 m以內水體的影響上，且體現出一定的季節(jié)特性：以溫差2.0 ℃為評價標準，夏季工況溫排水對珍珠半島湖灣的影響范圍根據溫排水流量的不同而有所不同，總體而言，溫排水流量越大，其影響范圍越大；冬季工況則由于溫排水本身與湖灣水溫接近，其對珍珠半島湖灣基本不產生影響。