大鹏液化天然气接收站冷排水对附近海域温度场影响的数值模拟

杨青云刘晓东唐俊逸赵振业

(1.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司,广东 深圳518057;2.深圳海岸与大气研究重点实验室,广东 深圳518057)

大鹏湾以及集水区位于深圳市的东南部,集水区内陆地及海洋资源丰富,拥有多样的海洋动植物、红树林生境及珊瑚群落,被深圳政府称为黄金海岸[1]。大鹏液化天然气项目位于大鹏新区大鹏街道下沙秤头角,在液化天然气接收和气化过程中,需要使用海水提供热能,导致LNG接收站向海洋中排放大量温度相对较低的海水,引起一定范围内海水温度异常变化,而温度作为重要的理化指标,直接影响海洋生物生长和繁殖过程,是海洋生态系统的重要影响因子。大鹏湾是个半封闭海湾[2],自然环境十分脆弱,很大程度上受海湾半封闭性、海流弱、海水交换率低和更新周期长等因素的制约[3],水环境一旦受到影响,便很难在短时间内恢复。

为此本文通过分析大鹏LNG接收站冷排水温度、水量和排放时序等相关资料,运用ECOM三维水环境数学模型对大鹏湾海域进行数值模拟,计算大鹏液化天然气接收站冷排水的输运、扩散行为,得到海水温度场温降分布情况,分析接收站冷排水对附近海域海水温度的影响程度。

1 水动力模型的构建

1998年,为缓解我国东南沿海地区能源短缺的现状,国务院批准进口液化天然气在广东先行试点,确定广东大鹏液化天然气项目为我国首个引进LNG试点项目。大鹏液化天然气项目于1999年底正式立项,2003-12 LNG接收站工程正式开工,2006-05首船LNG抵达接收站,该项目占地约40 hm2,库区终端设施包括了4个16万m3的LNG大型储罐,48.4万m3LNG货船停泊卸料码头(1号泊位8.0～21.7万m3,2号泊位主力船型14.7万m3,兼顾3.0～26.7万m3),槽车灌装站,LNG气化装置,天然气计量站,自动中央控制系统及其他配套装置等。大鹏LNG接收站地理位置及模型的模拟范围如图1所示。

图1 大鹏LNG接收站地理位置及模拟范围Fig.1 The geographical location of the Dapeng LNG receiving station and the area of the model covered

1.1 控制方程

本文采用ECOMSED三维水环境数学模型对大鹏湾海域进行模拟,在三维水动力模型的基础上,利用热量守恒模型计算热量的传递,热量守恒方程见式(1)和式(2):

式中,T为热力学温度;u,v,w为x,y,z方向的流速;Dh,Dv为水平向和垂直向的扩散系数;H-为大气热交换;S为源项。

在水面 (z=η)和水底(z=-d),上述方程转化为式(3)和(4):

式中,Qn为表面净热量通量;c p为水体比热,取4.217 kJ/(kg·K)。

1.2 计算区域与网格划分

本文以大鹏湾LNG项目为例,通过数值模型开展对大鹏湾海域的数值模拟,根据研究区域的模拟重点及地形的复杂情况,以及海图数字化得到的水深及岸线文件,使用Delft-3d软件进行曲线贴体网格的绘制工作,模型的网格划分如图2所示,网格的范围西到香港的吉澳,东至惠州大亚湾,南至20 m等深线分布区域,模型采用一套能与海湾岸线吻合良好且分辨率较高的正交曲线坐标网格,网格的总数为15 359个,水平方向剖分为215×145个网格(东西向×南北向),大鹏湾顶部网格的平面空间分辨率为160 m×170 m,到外海最大的网格步长为200 m×400 m,本研究结合大鹏湾海域的实际水深在垂向上等距划分为5个Sigma层,即由上至下各层所占的水深比例均为0.2,能够较好地拟合大鹏湾的地形,模型的模拟范围及水深分布如图3所示。

图2 大鹏湾水动力模型网格划分示意图Fig.2 Grid partition schematic diagram of the hydrodynamic model of the Dapeng Bay

图3 大鹏湾水动力模型网格计算范围及水深分布Fig.3 Calculation range of the hydrodynamic model grid and the water depth of the Dapeng Bay

1.3 水动力模型的设置

本文中水动力模型外模和内模的时间步长分别设为10和30 s,由于流场具有能量耗散的特性,计算区域内的流场和水位场只在积分初始时段会对计算结果产生影响,其后时段的分布则取决于边界条件,所以为了计算的精确度,水动力计算时,要对模型进行预热计算,预热时间为模拟时段的前一个月。根据冷排水对周围水温的影响程度,选取影响冷排水较为不利的水文条件,因此本文选择夏季时期作为典型水文条件进行模拟。

模型的外海边界采用美国俄勒冈州立大学开发的OTIS(OSU Tidal Data Inversion Software)全球潮汐同化数据[4],以8个分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1)的潮汐数据驱动水动力模型。模型中的外海温盐边界条件及初场采用全球同化的SODA数据[5],其空间分辨率0.25°,时间分辨率为1个月,而太阳短波辐射、云量、海表温度、湿度、大气压等气象条件则采用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)发布的气象数据(空间分辨率0.5°,时间分辨率为6 h)[6]。由于整个计算区域与所使用的气象数据空间分辨相比较少,在计算中气象边界条件在整个计算域保持空间一致,但会随时间进行变化。

2 水动力模型的验证及模拟结果分析

2.1 水动力模型的验证

模型的验证即为模拟值和实测值之间的比较结果,本文对模型的模拟效果主要从潮位、流速、流向和温度四个方面进行验证,潮位验证数据采用2008-05-26—28(农历四月廿二至四月廿四,小潮期)大鹏湾(盐田港)潮汐表[7],流速、流向验证的站点为V2和V8,温度验证的站点为V4,温度和流的实测数据均为逐时监测,监测时间为2008-05-21,2008-05-26和2008-05-28,验证结果见下文。

潮位模拟验证结果(图4)显示,模型的模拟值和实测值较为吻合,潮位的平均误差为0.01 m,潮汐表预测值和模拟值的相关性系数为0.95。

图4 潮位模拟验证图Fig.4 Diagram of the water level verification

2008-05大鹏湾V4站点表、底层温度的模拟值与实测值的比较结果如图5所示,可以看到,2008-05模拟的温度变化趋势与实测较为吻合。

本研究主要对V2和V8两个站点大、小潮的流速、流向的实测值和模拟值进行了比较,结果如图6和图7所示,由于本文研究区域水深较浅,所以只进行垂向平均流速的验证,2个站点平均流速和流向的验证结果显示,模型所模拟的变化过程与实测的结果基本一致,只有在转流时才会出现一定的偏差。

图5 大鹏湾V4站点表底层温度模拟值与实测值比较Fig.5 Comparison between simulated and measured values of the surface and the bottom temperature at station V4 in the Dapeng Bay

图6 大鹏湾V2,V8站点大潮流速流向模拟值与实测值比较(2008-05-21)Fig.6 Comparison between simulated and measured values of the velocity and direction of the spring tide at the stations in the Dapeng Bay(2008-05-21)

图7 大鹏湾V2,V8站点小潮流速、流向模拟值与实测值比较(2008-05-28)Fig.7 Comparison between simulated and measured values of the velocity and direction of the neap tide at the stations in the Dapeng Bay(2008-05-28)

误差分析的结果表明,2个站点大、小潮的流速60%以上的相对误差都低于流速的10%,V2站点大、小潮流速的标准偏差分别是0.03和0.05 m/s,V8站点大、小潮流速的标准偏差分别是0.03和0.02 m/s,2个站点大、小潮的流向87%以上的平均误差低于60°。

2.2 模拟结果分析

大鹏湾无大型河流注入,流场主要由风和潮汐所控制[8],大鹏湾5月份大潮期和小潮期表底层的涨落潮流场如图8所示。从计算结果可以看出,涨潮时海水呈向湾内流动的趋势,落潮时海水向湾外流动,表层流速明显大于低层流速;无论是涨潮还是落潮,湾顶部的流速较小,越靠近湾口流速越大,最大流速多出现在湾口附近海域,湾外海域涨潮以偏NE向为主,落潮以偏SW向为主,整个流场的变化呈往复流特征,流场情况符合大鹏湾的流动态势,即模型的水动力模拟效果较为满意。

图8 大鹏湾表底层涨落潮流场(模拟结果)Fig.8 The surface and the bottom current fields during the flood and the ebb tides in the Dapeng Bay

3 冷排水温度场模拟结果分析

3.1 模型的设置

结合率定验证后的大鹏湾海域水动力模型,对大鹏LNG接收站冷排水温度场进行模拟。在上述水动力模型的基础上,将大鹏湾LNG接收站冷排水的排放以入海河流的方式作为模型的初始条件进行模拟,根据温排水、冷排水的相关资料文献[9-13]和对接收站的实际测量,将大鹏湾LNG冷排水的排水量取为44 940 m3/h,即为12.5 m3/s,相对于周围海水,冷排水的温降取为-5℃,模型涉及的温度扩散系数通过实测水温资料进行率定与验证,根据大鹏湾LNG接收站排水口的地理位置对应其网格坐标,将冷排水的排放量平均分布于对应的4个边界网格,模型模拟的时间为夏季时期,其中冷启和热启的时间各为1个月,本次模拟主要分析大小潮底层水温温降的分布特征,模型其他条件的设置同上述水动力模型。

3.2 模型结果与分析

根据对大鹏湾LNG接收站附近海域的数值模拟,得出温降分布图,并将温降区域划为包含-5～-4℃,-4～-3℃,-3～-2℃,-2～-1℃和-1～0℃的区域,估算出夏季大鹏LNG接收站不同梯度温降冷排水的影响面积如表1所示,无论是在大潮时期还是在小潮时期,表底层温降区域的面积在-5～0℃ 的范围内逐渐增大,在-1～0℃ 区域内面积最大,并且底层温降区域的面积明显大于表层。

表1 表底层最大温降包络线的覆盖面积Table 1 The coverage area of the maximum temperature drop envelopes at the surface and the bottom in the study area

3.2.1 大鹏湾大、小潮时刻底部温降分布图

大、小潮时期,大鹏LNG接收站冷排水造成附近海域底层温降分布情况如图9和图10所示:根据水动力模型模拟的大鹏湾流场结果来看,由于大鹏湾LNG接收站排水口方式采取直排方式,冷排水的温降取为-5℃,因此在近排水口海域存在温降为-5℃的水体。冷排水进入受纳水体后,温差导致的浮力效应驱使其主要在水体下层运移,因此底层海水受冷排水的影响较大。底层的温降以接收站为中心开始扩散,因此排水口附件海域存在温降为-5～0℃的水体,由于大潮时期海水流动性较强,底层-5～-3℃温降包络线的范围比较小,-3～-2℃的温降包络线比-5～-3℃的温降范围更大,-5～0℃范围内温降包络线的范围依次增大,-1～0℃温降包络线的范围最大,随后冷排水温度趋向于周围海水温度。

图9 夏季大潮时刻底部温降分布Fig.9 Distribution of the bottom temperature drop during the spring tide in summer

图10 夏季小潮时刻底部温降分布Fig.10 Distribution of the bottom temperature drop during the neap tide in summer

3.2.2 大、小潮时期的温降分布对比分析

通过大小潮时期底部温降分布的对比分析可得,小潮时期相对于大潮时期,一方面由于小潮潮位较低,受纳冷排水的海水体积也相对较小,另一方面由于小潮时期的海水流速比大潮时的流速缓慢,使得潮水对冷排水的混合和影响相对较小,小潮时期海水表层-4℃以上温降包络线包含的范围大于大潮时期同一时刻的范围,这一现象在表层表现较为显著。由于大潮时期底层的潮流明显大于小潮时期,因此海水底层大潮时期温降区域的范围大于小潮时期。

根据冷排水的温降包络线的区域面积对比分析得出:

1)表层冷排水扩散总面积:小潮时期＞大潮时期,小潮冷排水影响总面积大于大潮时期,但是彼此之间相差不大。分析其原因在于相对于大潮,小潮时期的水位比大潮低,受纳冷排水的海水体积也相对小;小潮时期的海水流速比大潮时的流速缓慢,使潮水对冷排水的混合和影响相对较小。相对于整个温降区域面积来说,-2～0℃温降水域面积相对较大,小于-4℃温降水域面积最小。

2)底层冷排水扩散总面积:大潮时期＞小潮时期,分析其原因在于,大潮时期底部流速大于小潮时期的底部流速,因此大潮冷排水的扩散面积也相应大于小潮时期。温降区域面积同表层,-1～0℃温降水域面积相对较大。

4 结 论

本文通过ECOMSED三维水环境数学模型对大鹏湾海域进行数值模拟,在模型率定和验证的基础上,结合资料收集和实测数据,对夏季大鹏湾液化天然气接收站冷排水温度场进行模拟,分析大、小潮时期底层水温的温降分布特征。从夏季大鹏LNG接收站附近海域大小潮底层温降分布图以及表底层不同温降包络线的区域面积可以得出:

1)大鹏LNG接收站附近海域表层和底层的冷排水扩散面积大多数分布在-2～0℃范围内;

2)无论在大潮时期还是在小潮时期,底层存在小范围的温降水体,而表层总体的温降水域面积微乎其微;

3)同一潮时,同一区域,底层冷排水扩散总面积总大于表层,扩散趋势相同。

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