譚忠華，劉海源，陳漢寶，徐亞男，張亞敬

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

0 引言

印度尼西亞由約17 508個(gè)島嶼組成，是全世界最大的群島國家，水資源非常豐富，位于沿海地區(qū)的電廠基本都采用海水直流冷卻方式。不同機(jī)組容量，其排水水溫通常都比取水水溫高7～10℃[1]。溫排水的排放可能會(huì)帶來系列影響，對(duì)機(jī)組本身可能會(huì)使得取水水溫升高，降低冷卻效率，亦可能會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境帶來影響，形成一定的熱水富集區(qū)域[2-3]。為了減小溫排水排放帶來的影響，通常需要對(duì)取排水平面布置方案進(jìn)行優(yōu)化。嚴(yán)冰[4]等采用數(shù)學(xué)模型，對(duì)取、排水口不同位置方案進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測(cè)，分析了排水口、取水口位置等對(duì)取水溫升的影響。張曉艷[5]等結(jié)合某濱海電廠，通過數(shù)值模擬，分析了不同取排水布置形式下溫排水的輸移規(guī)律，建議取排水方案采用差位式取排水口布置方式。劉海成[6]等通過二維溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型，研究了不同布置方案的溫排水在洋流和季風(fēng)等長(zhǎng)周期動(dòng)力因素條件下的擴(kuò)散規(guī)律。為了減小濱海電廠溫排水對(duì)取水以及周圍的環(huán)境的影響，本研究擬采用Mike21 FM的溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型，針對(duì)印度尼西亞西加里曼丹海岸線某電廠的取排水平面布置進(jìn)行溫排水水質(zhì)模擬，研究不同平面布置方案對(duì)取水溫升的影響，從而為取排水工程的平面布置設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

印尼Kalbar-1 2×100 MW（凈出力）燃煤電站廠址位于印度尼西亞加里曼丹省西部，距離山口洋市約20 km，距離坤甸市約110 km。工程所在地正對(duì)卡里馬塔海峽，概略坐標(biāo)為0°49.2'N，108°50.5'E?，F(xiàn)階段暫考慮同步建設(shè)海水脫硫裝置。工程擬采用明渠取水，取水口位于廠區(qū)西南側(cè)，排水口位于廠區(qū)西北側(cè)。工程冷卻水系統(tǒng)采用海水一次直流冷卻系統(tǒng)，冷卻水水源為卡里馬塔海峽海水。

2 自然條件

工程海域潮汐類型為不規(guī)則半日混合潮，最大潮差為1.30 m，平均潮差在0.72 m左右；平均漲潮歷時(shí)6 h 29 min，平均落潮歷時(shí)5 h 57 min，漲潮歷時(shí)長(zhǎng)于落潮歷時(shí)。

根據(jù)2016年10月—11月工程水域大、中、小潮潮流觀測(cè)資料可知，施測(cè)海域潮流總體呈現(xiàn)往復(fù)流，流向大致與岸線走向一致，主要為NNE—SSW向，有弱旋轉(zhuǎn)流的特征；潮流與潮汐關(guān)系的規(guī)律性不強(qiáng)，即潮流流向隨水位的漲落關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。最大流速1.11 m/s，平均流速0.70 m/s，N向和S向潮流平均流向分別為30°和210°。整體上N向潮流強(qiáng)度略大于S向潮流，中、小潮期間，由北向南的潮流歷時(shí)約為由南向北的潮流歷時(shí)的1.5～2倍。

根據(jù)2016年11月—12月實(shí)測(cè)波浪觀測(cè)資料可知，觀測(cè)期間工程區(qū)有效波高平均值為0.49 m，平均周期為3.2 s，最大有效波高為1.37 m，最大波高為2.18 m。該月（代表雨季）波浪常浪向是NW向，次常浪向NNW向，強(qiáng)浪向出現(xiàn)在NW向，次強(qiáng)浪向?yàn)閃NW向。

本工程所在區(qū)域?qū)儆诘湫偷臒釒Ъ撅L(fēng)氣候，分為旱、雨兩季。旱季一般集中于4月—9月，雨季集中于10月—翌年3月，具有溫度高、降雨多、風(fēng)力小、濕度大的特征。該地區(qū)氣溫常年多在19.9～35.0℃變化，月季變化較大；相對(duì)濕度多年在33%～100%之間變化；蒸發(fā)量多年在1 010～1 625 mm之間變化；年降雨量多年在2 000.4～3 399.0 mm之間變化。

3 數(shù)學(xué)模型

針對(duì)工程所在海域的特點(diǎn)，使用MIKE21軟件包建立適用于該海域的二維潮流溫排數(shù)學(xué)模型。MIKE21是由丹麥水工所（DHI）開發(fā)的二維表面流動(dòng)模擬軟件包，適用于湖泊、河口、海灣和海岸地區(qū)的水力及其相關(guān)現(xiàn)象的平面二維仿真模擬。MIKE21在國內(nèi)外水環(huán)境研究領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，且數(shù)值模擬的科學(xué)性已得到大量工程的驗(yàn)證。

3.1 基本方程

連續(xù)方程：

X方向動(dòng)量方程：

Y方向動(dòng)量方程：

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)系空間坐標(biāo)；η為水面高程；d為水深；h為總水深h=η+d；u、v為流速在x、y方向上的分量；f為科氏力；g為重力加速度；ρ為水體密度；ρ0為參考密度；pa為大氣壓強(qiáng)；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量；（τsx，τsy）和（τbx，τby）分別為水面和底床的切應(yīng)力在 x、y方向上的分量；A為水平渦黏系數(shù)；S為源匯項(xiàng)流量；us、vs為源匯項(xiàng)對(duì)應(yīng)的速度分量；T為沿水深的平均溫度；H?為水體與大氣的熱交換項(xiàng)；Ts為源項(xiàng)的溫度。

3.2 數(shù)值解法

在空間上模型采用有限體積法（FVM）進(jìn)行離散，在時(shí)間上采用顯式的歐拉格式，在固邊界上采用干濕網(wǎng)格技術(shù)。

3.3 邊界條件

水動(dòng)力的初始條件為：u（x、y，0）=0，v（x、y，0）=0。

水動(dòng)力的邊界條件為：1）開邊界采用潮位邊界條件：η=η（x、y，t），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)潮位過程線確定；2）固邊界：Vn=0，即邊界法線方向流速為0。

溫度初始條件為：T=T0，即全場(chǎng)溫度為某一常數(shù)。

溫度邊界條件為：1）開邊界：流入時(shí)水溫為某一常數(shù)，T=T0；流出時(shí)，采用擴(kuò)散梯度為0的條件，Tn=0；2）固邊界：Tn=0。

3.4 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

潮流和溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型計(jì)算域東西方向長(zhǎng)約100 km，南北方向長(zhǎng)約127 km。為了提高計(jì)算效率，同時(shí)又保證工程海域有足夠的分辨率，采用局部加密的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分。外海區(qū)域空間步長(zhǎng)較大，在開邊界約為2 km，工程區(qū)域空間步長(zhǎng)約為10 m。

3.5 模型參數(shù)的選取

在外海給定潮位開邊界，水位過程由MIKE Global Tide Model推算得到。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.05～36 s。使用干濕判別法對(duì)水陸交界、碼頭等進(jìn)行處理，參數(shù)取默認(rèn)值：干水深為0.005 m，淹沒水深為0.05 m，濕水深為0.1 m。需要率定的參數(shù)主要為Smagorinsky公式渦黏系數(shù)Cs和反映海床糙率的曼寧系數(shù)M，率定的結(jié)果為Cs=0.28，M取值60 m1/3/s，邊界處取10 m1/3/s。

3.6 模型驗(yàn)證

模型采用2016年10月—11月期間大、中、小潮及半月潮水文測(cè)驗(yàn)資料作為模型率定資料；模型通過在外海給定潮位開邊界，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后使得模型內(nèi)各個(gè)主要驗(yàn)證點(diǎn)的潮位和流速均滿足要求。根據(jù)模型驗(yàn)證情況，潮位和流速流向驗(yàn)證結(jié)果較好，模擬的潮位、流速和流向過程與實(shí)測(cè)基本吻合，說明建立的數(shù)學(xué)模型能夠較好地反映工程海域的潮汐潮流特征，可進(jìn)一步用于溫排水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算。限于篇幅，圖1僅給出了離工程較近的C4測(cè)站和T1潮位站的大潮期驗(yàn)證過程曲線，從圖中亦可看出計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。

圖1 潮位及潮流驗(yàn)證曲線Fig.1 Verification curves of tide level and tidal current

4 模擬結(jié)果分析

4.1 模擬工況介紹

本次研究考慮了不同隔熱堤布置形式、不同攔沙堤長(zhǎng)短以及不同排水口位置等因素，對(duì)該電廠取水口的溫升進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。工況1為初始方案1，該方案取水采用深槽引水方式，設(shè)置1條引水深槽，重力自流將海水引入陸地上的明渠內(nèi)。引水深槽將從岸邊向海內(nèi)延伸約690 m。引水深槽底寬20 m，底標(biāo)高為-3.50 m（Ortometrik高程，下同）。取水明渠北側(cè)設(shè)置隔熱堤，總長(zhǎng)約725 m；南側(cè)為攔沙堤，總長(zhǎng)約615 m，兩堤中心線距離130 m；排水口位于隔熱堤北側(cè)，距堤根約180 m；取水口與排水口之間直線距離約225 m。取排水流量為13.58 m3/s；排水溫升為7.83℃。

在初始方案1的基礎(chǔ)上，主要從3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：1）延長(zhǎng)隔熱堤，改變隔熱堤堤頭方向，計(jì)算工況為方案2、方案6和方案7；2）隔熱堤長(zhǎng)度一定，改變攔沙堤長(zhǎng)度，計(jì)算工況為方案2～方案5；3）改變排水口位置，計(jì)算工況為方案8～方案9。所有取排水布置方案如圖2所示，不同取排水布置方案取水口溫升及累積頻率計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

圖2 取排水布置方案圖Fig.2 Layout of water intake and outfall system

表1 不同取排水方案取水口平均溫升與最大溫升計(jì)算結(jié)果Table 1 Average and maximum temperature rise of intake for different plan layouts

表2 各方案取水口處溫升累積頻率結(jié)果Table 2 Cumulative frequency of intake temperature rise of different plan layouts%

4.2 排水口布置對(duì)取水溫升的影響

對(duì)比分析方案1、方案2、方案8和方案9的結(jié)果，排水口位置對(duì)溫排水的平均溫升有一定的影響，最大溫升影響不大，平均溫升均大于1℃。結(jié)合工程區(qū)域的實(shí)測(cè)潮流及水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果來看，工程區(qū)域的潮流基本屬于沿岸往復(fù)流，在隔熱堤長(zhǎng)度一定時(shí)，排水口無論位于北側(cè)或是南側(cè)，在潮流的作用下，均有溫排水進(jìn)入取水口，使得取水口溫升增大。當(dāng)不改變堤長(zhǎng)時(shí)，僅改變排水口位置時(shí)，方案1的平均溫升較方案8大；方案2較方案9的平均溫升大。分析原因，溫排水無論在由南向北的潮流還是由北向南的潮流帶動(dòng)下，均有熱水繞過隔熱堤堤頭進(jìn)入取水明渠和取水口；溫排水在感潮海域，主要在潮流的作用下發(fā)生對(duì)流作用，因此，其輸移的快慢及遠(yuǎn)近主要由潮流動(dòng)力決定。根據(jù)實(shí)測(cè)資料顯示，中、小潮期間，由北向南的潮流歷時(shí)約為由南向北的潮流歷時(shí)的1.5～2倍，這將導(dǎo)致溫排水在由北向南的潮流作用下進(jìn)入明渠的持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，使得取水平均溫升增大。方案8和方案9改變了排水口的位置，從潮流歷時(shí)來看，由南向北的潮流歷時(shí)較由北向南的潮流歷時(shí)短，取水口溫升累積頻率較方案1和方案2有所減?。坏捎诜桨?隔熱堤和攔沙堤的尺寸和方向不變，堤頭水深仍較淺，仍有大量溫水較易進(jìn)入取水明渠內(nèi)，平均溫升仍較高；方案9隔熱堤堤頭水深增加，平均溫升大幅降低。

4.3 隔熱堤布置對(duì)取水溫升的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隔熱堤的布置對(duì)溫排水的影響較大。

1）隔熱堤長(zhǎng)度

對(duì)比方案1和方案2～方案5可知，當(dāng)采取北排南取方式，隔熱堤垂直于岸線段長(zhǎng)度不變，延長(zhǎng)隔熱堤堤頭，并改變其方向，即延長(zhǎng)隔熱堤約300 m，延長(zhǎng)段方向?yàn)镋NE～WSW向，各方案取水口處的平均溫升均降低，取水口處溫升大于1℃的累積頻率大幅降低。這是因?yàn)檠娱L(zhǎng)隔熱堤，一方面增加了取、排水口之間的距離，能夠有效地阻隔溫排水繞過隔熱堤進(jìn)入取水明渠及取水口，大部分溫排水在延長(zhǎng)段堤頭挑流后，直接向S向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，小部分則隨隔熱堤南側(cè)的回流進(jìn)入取水明渠；另一方面，延伸段隔熱堤堤頭處水深較深，溫排水運(yùn)移至深水區(qū)，能夠有效地進(jìn)行垂向混摻和擴(kuò)散，使得越過堤頭的溫排水水溫降低。

2）隔熱堤堤頭水深

對(duì)比方案2和方案6，隔熱堤垂直于岸線段長(zhǎng)度不變，隔熱堤延長(zhǎng)段分別為300 m和340 m，方案2的平均溫升較方案6稍小。這是因?yàn)椋m然方案6隔熱堤延長(zhǎng)段增加了長(zhǎng)度，但其堤頭水深較方案2變淺；溫排水運(yùn)移至延長(zhǎng)段堤頭時(shí)，其垂向混摻和擴(kuò)散作用弱于方案2，取水口溫升及累積頻率均較方案2稍大。因此，增加隔熱堤延長(zhǎng)段堤頭處的水深，對(duì)溫排水的排放有利。

結(jié)合方案7，繼續(xù)延長(zhǎng)隔熱堤且增加-5 m水深，取水口處的平均溫升進(jìn)一步降低。

4.4 攔沙堤布置對(duì)取水溫升的影響

根據(jù)方案2～方案6計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)排水口位置一定時(shí)，即排水口位于北側(cè)，且隔熱堤長(zhǎng)度一定時(shí)，改變南側(cè)擋沙堤長(zhǎng)度，對(duì)取水口處的平均溫升影響不大。

4.5 生態(tài)環(huán)保的影響

由上述分析可知，相同堤長(zhǎng)條件下，排水口位于北側(cè)較其位于南側(cè)，取水口的平均溫升有所增大，從取水溫升角度來看，排水口位于南側(cè)較優(yōu)；但據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)知，擋沙堤南側(cè)有三處珊瑚礁，從生態(tài)保護(hù)的角度看，初始設(shè)計(jì)方案1中將排水口布置在隔熱堤北側(cè)是合理的。

4.6 取排水口相對(duì)位置優(yōu)化原則

1）從取排水溫升的角度來講，在感潮段區(qū)域，潮流動(dòng)力的強(qiáng)弱及持續(xù)累積時(shí)間會(huì)對(duì)取排水口的布置產(chǎn)生一定的影響。因此，在項(xiàng)目初期需對(duì)工程區(qū)域的潮流動(dòng)力進(jìn)行分析，將取水口布置在排水口的潮流上游段。

2）從取排水溫升角度來講，應(yīng)盡量增加取排水口之間的溫排水有效擴(kuò)散距離。當(dāng)工程區(qū)域的潮流性質(zhì)屬于沿岸往復(fù)流時(shí)，盡量采用差位式布置原則，“深取淺排”或“淺取深排”；若由于工程造價(jià)等原因，無法深取或深排時(shí)，應(yīng)加大取水口和排水口之間的水平有效擴(kuò)散距離；若由于廠區(qū)條件限制，無法直接增加取水口或排水口之間的直接排放距離，則需在取排水口之間設(shè)置一定長(zhǎng)度的隔熱堤來增加取排水口之間的垂向和水平有效擴(kuò)散距離。

3）從生態(tài)環(huán)保的角度，排水口位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離珊瑚礁、養(yǎng)殖區(qū)或生態(tài)保護(hù)區(qū)等區(qū)域。

5 結(jié)語

本文通過數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)印尼西加里曼丹燃煤電廠不同取排水平面布置方案下的溫排水?dāng)U散進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

1）根據(jù)本工程研究成果可知，排水口位置及隔熱堤長(zhǎng)度、走向?qū)嘏潘绊戄^大。增加取水口上游的隔熱堤長(zhǎng)度，一方面增加了取排水口之間的溫排水水平擴(kuò)散距離，另一方面亦可增加二者之間的垂向擴(kuò)散距離，對(duì)溫排水有利；縮短取水口下游的攔沙堤長(zhǎng)度，對(duì)取排水溫升影響不大。

2）取排水口的一般布置原則需盡量增大二者之間的水平或垂向有效擴(kuò)散距離。

3）取排水口的布置不僅要從工程的角度考慮，還需要考慮對(duì)生態(tài)環(huán)保方面的影響。