沿海电厂排水口水深与流速对温升影响范围研究

刘 荣，王义刚，黄惠明，华 厦

（河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

沿海电厂排水口水深与流速对温升影响范围研究

刘 荣，王义刚，黄惠明，华 厦

（河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

大量温排水不断地排入海域将引起水温升高，导致不同程度的热污染。本文基于平面二维理想水池数值模拟实验，揭示了沿海电厂温排水热扩散对周围水动力条件的响应机制，分析了温排水在不同水深和流速条件下的最大温升包络面积变化情况。研究结果表明，流速越大温升降低快，高温升（4℃）包络面积越小。在水深为4m时，低温升（1℃）包络面积并没有随流速的增大而减小，而是呈增大的趋势。当水深为6 m、8 m、10 m时，低温升（1℃）包络面积随流速的增大而减小。同一潮差条件下，随着水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃温升包络面积均减小，而且温升等值线的温升值越大，其包络面积平均减小的比例越大。最大温升包络线面积与潮流流速和水深关系密切。

温排水；扩散范围；水动力环境；数值模拟

近年来随着沿海火、核电厂的兴建，大量的温排水不断地随冷却循环系统排入海域，在周围水动力因素作用下进行扩散，对水体产生热影响。有研究表明，一般情况下电厂的低温冷却水在与机组进行热交换后，水温比附近海域海水温度高7℃～10℃［1］。水体受热影响的程度，直接关系到电厂机组容量的确定及冷却水取、排水口布置，也关系到海域水体的生态环境［2-5］。《海水水质标准》中规定：人为造成的海水温升不超过当时当地温度4℃，所以在确定温排水海域使用面积时，通常采用温升4℃的最大包络线面积。目前，对核电站温排水分布规律及温升4℃的最大包络线面积的获取主要通过数值模拟的方法进行，众多学者在此方面有过相关研究。张舒羽［6］采用MIKE21数学模型分析了针对浙江苍南电厂在不同潮型、不同流量及不同季节下的温排水最大温升线包络面积范围和取水口的温升变化。蒋春风［7］针对处于河流的河口段或感潮河段的电厂，根据二维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线温升的函数关系和估算等温升线所包围的表面积的经验公式。邓敏慧［8］以长江口某电厂温排水为例，通过对夏季大潮、冬季大潮和小潮3种不同水文条件进行数值模拟，得到了电厂温排水扩散影响规律，并给出了减小温排水对海域生态系统的相应对策。

在实际预测工作中发现排放点水深和流速的大小对温排水扩散范围影响较大。如某沿海核电厂一期工程（2台机组）温排水排放方式为明渠排水，排水明渠远端底标高-3.0 m，与滩面衔接。二期工程（2台机组，装机容量同一期）采用深排方案，排放口在深槽。4台机组同时运行时，一期工程和二期工程4℃温升最大扩散面积呈分离状态，深排的温升影响范围较浅滩明排的温升影响范围要小百倍，分析原因认为深槽4℃温升影响范围小的主要原因是水深、流急。但是否有如此大的影响，需要在其他参数不变的情况下对影响4℃温升的预测面积的“排放点水深”和“流速”这两个参数做敏感性分析，以此分析预测结果合理性。

目前实际工程中采用的数学模型以二维模型为主，能反映滨海大范围水域热量的输移扩散规律［9］。针对实际问题的需要，本文拟通过采用MIKE21模型建立理想水池数值模拟计算在不同水深和流速条件下的温排水热扩散，计算排水口附近海域温度场分布，得出影响温排水温升范围的规律，为相关研究提供参考。

1 理想模型

1.1 理想模型的建立

沿海建设的电厂水域广阔，冷却水工程通常采用表排深取的方式。本文进行理想水池的温排水数值模拟时，理想水池模型为平底地形的矩形水域。理想水池的长为60 km、宽为20 km，水池由三个开边界和一个陆地边界组成，其中东、西、北三个边界为水池开边界，南边界为陆地边界，排放点源位于水池中心。对模拟区域水平方向上采用三角网格剖分，模型共包括11 642个网格点，23 016个网格单元，间距在50～600 m之间，在排水口附近进行加密。具体模型网格见图1。

1.2 模型的初始及边界条件

理想水池的东、西边界采用给定潮位边界条件，东边界潮位条件以三角函数η=ACOS（2πt/T）形式给出，其中T=12.5 h。西部边界条件设置与东部边界条件存在相位差，但潮差设置相同，北部边界水位条件由两边界端点处水位插值获得。陆地边界采用滑动条件，即v.n=0。假设理想水池内水体的初始温度为25℃，温排水在排放点以源项形式排入受纳水体，排放水量为100 m3/s（装机容量为2×1 000 MW的核电厂，需要的冷却水量约为100 m3/s［10］），排放温升为7℃。岸边界采用绝热边界条件，开边界温度为环境水体温度。

1.3 参数的选取

模型考虑扩散过程主要包括水流流速梯度引起的剪切流动、分子运动和紊动引起的热量扩散。本文热量输运方程中扩散系数采用紊动粘滞系数类比公式给定，即将紊动粘滞系数乘以某一比例系数获得扩散系数，本文比例系数取推荐值1［11］。模型的水平紊动粘滞系数采用Smagorinsky公式进行计算。底摩阻由曼宁系数确定，采用推荐值32 m1/3/s。模型不考虑风的影响。

图1 模型计算区域网格划分及排放口位置Fig.1 Calculation grid and location of the outfall

2 温排水数值模拟及变化规律分析

2.1 排水口潮流速对温排水扩散范围的影响

冷却水排放入水域后，受周期性沿岸往复潮流动力控制，若干个潮周期后热扩散可以达到稳定，这一过程的时间长度取决于潮流的强度和水域的地理特征（水深及水域的大小）。模型东部边界处的潮位条件给定，把潮周期过程视为多个相同周期变化过程线，直至后一个潮周期的流场和温度场同前一个潮周期计算的流场和温度场表征值（潮位、流速、温度）相对偏差小于1%时，即认为流场和温度场模拟达到相对稳定平衡［12］。

由于受到潮流往复运动的携带，温水团不断向两头扩展，最后形成以电厂排水口为中心向两端扩展的条状温升带。图2给出了水深设置8 m，边界潮差设置1 m情况下涨憩和落憩时刻温升分布。温水团主体在沿岸往复流作用下主要在沿岸方向扩散，涨潮时向东扩散，落潮时则向西扩散。

图2 温升分布（水深设置8 m,边界潮差设置1 m）Fig.2 Distribution of temperature rise（8 m water depth，1m tidal range）

模型稳定后提取一个潮周期的结果作为模型计算结果，以最大温升1℃、2℃、3℃、4℃为敏感值进行分界，统计得到了不同潮差条件下模型稳定后一个潮过程的最大温升包络面积变化图，统计结果见图3。

模型计算区域开边界给定潮位边界条件，根据模型计算结果，排水口附近潮平均流速与边界潮差条件的关系见图4。对潮差不同的各组次进行比较可知：当水深一定时，潮差越大流速越大，且流速与潮差条件几乎成线性关系；水深越大，趋势线的斜率也越大。在同一潮差条件下，水深越大，排水口附近潮平均流速也越大。

结合图3与图4，对比温排水在不同潮差条件下的温升线包络面积，可知流速对计算结果影响较显著，且流速对温排水不同温升包络面积的影响规律有所差异。由图3可知：在同一水深情况下，随着排水口附近流速增大，4℃温升包络面积均有明显的减小。当边界条件潮差设置由1 m增大到6 m时，环境水体水动力和温升特征为：模型水深为4 m的排水口附近流速由0.21 m/s增加至0.47 m/s，4℃温升包络面积由60.52 km2减小至41.39 km2；模型水深为6 m的排水口附近流速由0.28 m/s增加至0.63 m/s，4℃温升包络面积由36.53 km2减小至5.85 km2；模型水深为8 m的排水口附近流速由0.32 m/s增加至0.80 m/s，4℃温升包络面积由25.59 km2减小至0.78 km2；模型水深为10 m的排水口附近流速由0.36 m/s增加至0.94 m/s，4℃温升包络面积由18.35 km2减小至0.21 km2。潮流水动力作用是温排水热扩散的主要动力机制，流速越大水体携带排放口高温水团运移速度快，温升降低快，高温升（4℃）包络面积越小。

与高温升包络面积变化情况不同的是，低温升（1℃）包络面积在水深为4 m时并没有随流速的增大而减小，而是呈增大的趋势，当水深为6 m、8 m、10 m时，1℃包络面积是随流速的增大而减小。热水排入受纳水体后首先在排水口附近进行初始掺混，水深4 m时由于水浅流缓，参与稀释的环境水体少，热水稀释能力弱，热水团在排水口附近聚集较多。此时高温热水团在被往复流输运过程中由于水深始终较浅，平流作用较强，会对热水对流扩散产生正向作用，垂岸方向扩散较其他水深扩散距离大，因此水深4 m时环境水体流速越大低温升（1℃）扩散范围越大。

图3 不同潮差条件下最大温升包络面积Fig.3 Envelope area for the maximum temperature rise under different boundary conditions

图4 排水口附近平均流速与边界潮差条件的关系Fig.4 Relation between mean velocity of outfall area and boundary condition

图5 不同水深条件下最大温升包络面积Fig.5 Envelope area for the maximum temperature rise under different water depth conditions

2.2 排水口水深对温排水扩散范围的影响

将上文的数模结果按不同水深条件进行划分统计，得到了不同水深条件下的最大温升包络面积变化图，统计结果见图5。

从图中可以看出，同一潮差条件下，随着水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃温升包络面积均减小，表1给出了水深增大时，各温升等值线包络面的变化比例。由表1可知：温升等值线的温升值越大，其包络面积平均减小的比例越大。由于计算采用水深平均的二维水动力数值模型，温排水在进入模型网格单元后，平均扩散到该网格单元的受纳水体，水深越大，相同尺寸下网格单元受纳水体的体积越大，会对温水的对流扩散产生正向作用，利于温水的稀释。

2.3 温升4℃预测结果分析

通过上述内容可知：采用水深平均的二维数模计算，排水口水深和流速对4℃温升包络面积的影响显著，随着水深的增大，4℃温升包络面积明显减小，而流速对4℃温升包络面积的影响小于水深的影响。为分析某沿海核电厂一期和二期温排水工程中4℃温升扩散面积差异上百倍的预测是否合理，在已建数模基础上结合实际工程情况，对比数模结果中不同水深和流速情况下，分析4℃温升包络面积的不同。表2给出了不同条件下4℃温升包络线面积。

结合图4和表2可知：边界潮差条件设置为6 m时，水深4 m较水深10 m的排水口附近平均流速小，水深10 m表现为水深流急，二者的4℃温升包络面积相差近200倍，这表明在实际温排水工程预测工作中，不同排放点水深和流速对4℃温升包络面积的影响达百倍以上是相对较为合理的。

表1 各温升包络面积对水深的敏感性Tab.1 Decreasing rate of the envelope area with water depth

表2 4℃温升包络面积Tab.2 Envelope area of temperature increase of 4℃

3 结语

研究温升场最大温升包络面积有利于取排水口优化布置及对环境影响做出评价，本文通过采用二维数值模拟温排水在不同水深和流速条件下的温升扩散范围，得到以下结论：（1）同一水深条件，潮差越大流速越大，水体携带排放口高温水团运移速度快，温升降低快，高温升（4℃）包络面积越小。与高温升包络面积变化情况不同的是，低温升（1℃）包络面积在水深为4 m时并没有随流速的增大而减小，而是呈增大的趋势，当水深为6 m、8 m、10 m时，1℃包络面积随流速的增大而减小。（2）同一潮差条件下，随着水深的增大，1℃、2℃、3℃、4℃温升包络面积均减小，而且温升等值线的温升值越大，其包络面积平均减小的比例越大。（3）最大温升包络线面积与潮流流速和水深关系密切。在实际温排水工程预测工作中，不同的排放点水深和流速对4℃温升预测面积的影响达百倍以上是相对合理的。

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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

刘荣（1993-），男，江西省新余人，硕士研究生，主要从事河口海岸水动力及泥沙研究。

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