福州市環(huán)境科學(xué)研究院 吳賢忠

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基于溫排水總量控制的羅源灣火電規(guī)模研究

福州市環(huán)境科學(xué)研究院 吳賢忠

該研究采用平面二維水流溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，在流速、水位驗(yàn)證的基礎(chǔ)上對(duì)羅源灣規(guī)劃火電規(guī)模的溫排水進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)灣內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況和影響范圍，從海域溫升控制角度科學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)劃火電規(guī)模的環(huán)境合理性，提出火電溫排水總規(guī)模上限和火電規(guī)?？刂埔螅瑸閰^(qū)域產(chǎn)業(yè)布局規(guī)劃的環(huán)境綜合決策提供科學(xué)依據(jù)。

羅源灣 火電溫排水 數(shù)值模擬 環(huán)境合理性

1 概述

羅源灣屬于半封海域，隨著沿岸區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，規(guī)劃建設(shè)魯能、神華、華電等大型火電廠（火電布局見圖1），電廠利用海水作為冷卻水源，大量冷卻水排入海域，將對(duì)羅源灣產(chǎn)生較為顯著的海洋熱污染。海水溫度升高會(huì)引起水中溶解氧含量降低，影響魚類和其他水生生物的生存和繁殖，并使得灣內(nèi)海域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生重大變化[1]。因此，合理利用海水冷卻，控制海域溫升范圍，是羅源灣發(fā)展火電產(chǎn)業(yè)需要考慮的主要環(huán)境問(wèn)題之一。本文通過(guò)建立溫排水影響預(yù)測(cè)數(shù)值模型，對(duì)規(guī)劃的火電規(guī)模排放的溫排水影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出在近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃所允許的溫升范圍內(nèi)，羅源灣火電規(guī)模的控制要求，為產(chǎn)業(yè)規(guī)劃編制和實(shí)施機(jī)構(gòu)、環(huán)境管理機(jī)構(gòu)提供科學(xué)的技術(shù)依據(jù)。

圖1 規(guī)劃火電廠布局示意圖

2 平面二維數(shù)學(xué)模型

溫排水運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的水力、熱力現(xiàn)象，完善的數(shù)學(xué)模型需要模擬近、遠(yuǎn)區(qū)紊動(dòng)要素的影響，反映水體水平、垂向出流摻混，熱水回歸，反映水面散熱影響、水體浮力作用等要素。目前工程上廣泛應(yīng)用的溫排水?dāng)?shù)值模型多為平面二維模型。

2.1 水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

理論模型采用二維正壓深度平均流動(dòng)力模型，方程如下[2-4]：

采用右旋直角坐標(biāo)系，OXY面與平均海平面重疊，Z軸向上為正。分別為X方向和Y方向的垂向平均流速；為相對(duì)于OXY面的水位，H為瞬時(shí)水深，；為相對(duì)于OXY平面的水深絕對(duì)值；為柯氏參數(shù)；為底摩擦系數(shù)；為重力加速度。

初始條件為：0時(shí)，0

邊界條件為：

對(duì)于開邊界，采用水位強(qiáng)迫作為開邊界。

對(duì)于固體邊界，取流速法向分量為零，u=0

邊界條件：開邊界分別位于黃歧半島北茭到東沖半島東沖連線，并根據(jù)北茭和東沖的K1、K2、M2、N2、O1、P1、Q1、S2八個(gè)分潮確定開邊界水位邊界條件。

2.2 二維溫度對(duì)流擴(kuò)散方程

邊界條件：

開邊界條件：

3 模型計(jì)算結(jié)果分析

3.1 計(jì)算區(qū)域

根據(jù)本次研究的目的，本模型給出了六節(jié)點(diǎn)三角形模型網(wǎng)格。在可門水道對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化以反映精細(xì)岸界及其變化。網(wǎng)格的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為8203，單元數(shù)為3803，最小的六節(jié)點(diǎn)三角形單元面積是3100m2，相當(dāng)于有限差分網(wǎng)格距的27m。

3.2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證計(jì)算

模型驗(yàn)證水位數(shù)據(jù)采用福建908項(xiàng)目中國(guó)海洋大學(xué)羅源灣課題調(diào)查組的3個(gè)水位觀測(cè)站（跡頭T1、將軍帽T2、口門南T3）數(shù)據(jù)，水位觀測(cè)開始于2005年9月25日，結(jié)束于2005年11月11日。模型驗(yàn)證流速數(shù)據(jù)采用福建908項(xiàng)目中國(guó)海洋大學(xué)羅源灣課題調(diào)查組于2005年9月26日13：00～2005年9月27日14：00進(jìn)行的4個(gè)連續(xù)站（C1、C2、C3、C4）各25小時(shí)的海流觀測(cè)資料。觀測(cè)站位如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域及海流觀測(cè)站與水位觀測(cè)站分布網(wǎng)格剖分示意圖

從潮位和潮流驗(yàn)證曲線（圖3、圖4、圖5）可知，無(wú)論潮水位過(guò)程還是高、低水位值，計(jì)算與實(shí)測(cè)均符合良好，高、低潮位出現(xiàn)的時(shí)間，計(jì)算與實(shí)測(cè)值都符合得較好，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算的位相比較準(zhǔn)確。從潮流驗(yàn)證曲線看出，不僅潮流流速觀測(cè)值與計(jì)算值接近，潮流方向的模擬值與實(shí)測(cè)值也極為一致，說(shuō)明計(jì)算的流速位相與實(shí)測(cè)值吻合良好。以上模型的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果表明：模型采用的物理參數(shù)和計(jì)算參數(shù)基本合理，計(jì)算方法可靠，能夠模擬研究海域潮波運(yùn)動(dòng)特性。

圖3 水文過(guò)程驗(yàn)證曲線

圖4 流速過(guò)程驗(yàn)證曲線

圖5 流向過(guò)程驗(yàn)證曲線

3.3 研究海區(qū)流場(chǎng)分布特征

圖6分別為研究海區(qū)漲急和落急時(shí)刻的流場(chǎng)分布圖。受臺(tái)灣海峽潮波的作用，漲潮時(shí)，潮流從東沖-北茭斷面進(jìn)入研究海區(qū)，潮流分南北兩部分，北部斷面海流向西運(yùn)動(dòng)，然后轉(zhuǎn)向北，通過(guò)東沖口門進(jìn)入三沙灣海域；南部斷面海流先向西運(yùn)動(dòng)，在遇到黃歧半島后向北運(yùn)動(dòng)，然后在可門角轉(zhuǎn)向西南進(jìn)入羅源灣。可門水道狹窄處流速較大，流速超過(guò)1m/s。退潮時(shí)，潮流分別從羅源灣退出，然后向東流出東沖—北茭斷面，流向與漲潮時(shí)基本相反。

4 火電規(guī)劃方案

羅源灣的規(guī)劃火電發(fā)展規(guī)模：方案一為1876萬(wàn)千瓦；方案二為1076萬(wàn)千瓦。冷卻水作為火電廠的機(jī)組冷源，經(jīng)過(guò)熱交換器后，溫度一般升高8℃～10℃，夏季溫排水溫升為8.9℃，冬季溫排水溫升10.5℃[4]。規(guī)劃火電廠不同季節(jié)不同排水口排水量見表1。

表1 規(guī)劃火電廠不同季節(jié)不同排水口排水量分布

5 預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

羅源灣內(nèi)三類海區(qū)執(zhí)行二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，夏季溫排水的影響≤1℃；冬季影響≤2℃。四類海區(qū)執(zhí)行三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，人為造成的海水溫升不超過(guò)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)?4℃。但對(duì)溫升范圍即等溫升包絡(luò)線或熱混合區(qū)沒有相應(yīng)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，如附近海域的寧德核電二期工程后最大包絡(luò)線面積：4℃溫升線為5.12km2，3℃溫升線為7.77km2[5]。

5.1 規(guī)劃方案一的溫排水影響分析

規(guī)劃方案一火電規(guī)模溫排水對(duì)海灣溫升影響預(yù)測(cè)結(jié)果見表2和圖7。計(jì)算結(jié)果表明，采用月平均的全潮過(guò)程溫升包絡(luò)線更能表征單一時(shí)刻或潮型對(duì)海域溫升的影響范圍和程度。1℃和2℃溫升范圍的面積，夏季大于冬季。但排放口周邊的4℃溫升線范圍，冬季大于夏季。大潮周期內(nèi)的溫升影響范圍明顯大于小潮周期。

夏季全月全潮1℃以上溫升范圍達(dá)34.42 km2。冬季2℃溫升范圍達(dá)17.52 km2。2℃以上溫排水影響區(qū)域并擴(kuò)展到執(zhí)行二類海水水質(zhì)的三類海區(qū)范圍，且超標(biāo)范圍較大，可能對(duì)養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境造成不利影響。

受海域內(nèi)擴(kuò)散條件不同，南岸的溫排水影響范圍要大于北岸。方案一溫排水的主要超標(biāo)區(qū)域出現(xiàn)在南岸，北岸在此規(guī)模下溫升范圍能控制在四類海區(qū)范圍。

表2 方案一溫排水規(guī)模下溫升包絡(luò)面積(km2)

方案一夏季溫排水全月過(guò)程溫度包絡(luò)圖

方案一冬季溫排水全月過(guò)程溫度包絡(luò)圖

圖7 方案一溫排水影響預(yù)測(cè)圖

5.2 規(guī)劃方案二的溫排水影響分析

方案二情形下火電規(guī)模溫排水對(duì)海灣溫升影響預(yù)測(cè)結(jié)果見表3和圖8。結(jié)果表明，溫排水溫升大于4℃的混合區(qū)范圍在排放口周邊不大于4km2的范圍。參照《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn) GB18486》中，混合區(qū)的寬度小于水域1/4寬度的規(guī)定。方案二的溫排水混合區(qū)占用的寬度也符合要求，不會(huì)在羅源灣口水域形成溫升集中區(qū)封鎖魚類生態(tài)通道。溫排水溫升1℃以上范圍基本上可控制在四類海區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)執(zhí)行二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的三類海區(qū)影響可以接受。

表3 方案二溫排水規(guī)模下溫升包絡(luò)面積(km2)

方案二夏季溫排水全月過(guò)程溫度包絡(luò)圖

方案二冬季溫排水全月過(guò)程溫度包絡(luò)圖

圖8 方案二溫排水影響預(yù)測(cè)圖

6 結(jié)論與建議

通過(guò)溫排水平面二維水流溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，對(duì)羅源灣內(nèi)兩種火電規(guī)劃規(guī)模的溫排水影響進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明，1076萬(wàn)千瓦火電規(guī)模的溫排水影響基本可以接受，溫升的影響范圍能控制在沿岸較小范圍內(nèi)，且基本都處于四類海區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)羅源灣的影響可以接受。因此，建議羅源灣產(chǎn)業(yè)火電規(guī)模按照方案二來(lái)控制，火電規(guī)?？刂圃?076萬(wàn)千瓦以下。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)溫排水導(dǎo)致的海域溫升日常監(jiān)控和預(yù)測(cè)模擬研究，充分調(diào)查溫排水的影響范圍和對(duì)海洋生態(tài)影響程度。新建機(jī)組應(yīng)開展溫排水預(yù)熱利用、改進(jìn)海水冷卻方式、采用空氣冷凝等綜合措施控制溫排水規(guī)模。

[1] 盛連喜, 侯文禮.電廠冷卻系統(tǒng)對(duì)梭幼魚和對(duì)蝦仔蝦卷載效應(yīng)的初步探討[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1994,14(1): 47-55.

[2] 金嵐.水域熱影響概論[M].北京:高等教育出版社,1993.

[3] 郝瑞霞,齊偉,李海香,等.潮汐水域流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36(3):2352237.

[4] 西南電力設(shè)計(jì)院.福州可門火電廠二期工程環(huán)境影響報(bào)告書[R].2009.

[5] 趙曉冬，陳慧鋒，毛佩郁.寧德核電溫排水?dāng)U散試驗(yàn)研究[C].第十三屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集, 2007.