秦 曉，袁 玨

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

某電廠采用直流供水系統(tǒng)，以南海海水作為冷卻水源。海水含有的海生物易黏附在冷凝器銅管內(nèi)壁，造成銅管壁熱阻迅速增大，嚴(yán)重影響冷卻效果，甚至阻塞銅管，迫使凝汽器停運，危及電廠的安全運行。因此，為了防止海生物黏附于管壁，冷卻水進(jìn)入管道前，一般采用加氯進(jìn)行處理。這種方法會導(dǎo)致一定量的余氯隨冷卻水排出，影響受納水域的水質(zhì)。本文采用二維數(shù)學(xué)模型，針對電廠不同潮型下的溫排水和余氯排放進(jìn)行模擬研究，為電廠境影響評價提供依據(jù)。

電廠取排水口平面布置見圖1。電廠一期工程(5×600 MW)排水量為112.5 m3/s，取排水溫升10℃；二期工程(2×1 000 MW)排水量為68.8 m3/s，取排水溫升9℃。

圖1 取排水口平面布置圖

1 基礎(chǔ)資料

1) 潮汐、潮流。工程海區(qū)潮汐類型屬于不正規(guī)半日潮，平均漲潮歷時為5 h 48 min，平均落潮歷時為6 h 37 min。潮流性質(zhì)為不正規(guī)半日潮流，以往復(fù)流為主導(dǎo)。

2) 廠址鄰近海域，近岸處水溫高，遠(yuǎn)岸處低。近岸淺水區(qū)(水深在5 m以內(nèi))水溫垂向分布比較均勻；10 m以上深水區(qū)，水溫垂向變化在0.16℃～0.20℃。

3) 電廠附近海區(qū)地處熱帶北緣，面臨南海，氣候潮濕、溫暖，降水充沛，夏季長、冬季短，呈熱帶海洋性季風(fēng)氣候。全年氣溫較高，歷年平均氣溫為22.5℃，氣溫平均年較差13.7℃。最熱月是7月份，其多年月平均氣溫28.4℃；最冷月是1月份，其多年月平均氣溫為14.7℃

4) 電廠地處季風(fēng)區(qū)，同時受地形影響，形成本海灣風(fēng)向、風(fēng)速季節(jié)變化明顯的特點。冬季以NNE向為主，春秋季以E向為主，夏季以SSW向為主。風(fēng)速多年平均值為4.7 m/s。

2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法

2.1 數(shù)學(xué)模型介紹

本文采用MIKE21模型進(jìn)行潮流場、濃度場、溫度場的模擬研究，該模型[1]是由丹麥DHI開發(fā)的模型，是河口海岸潮流場、水質(zhì)模型世界范圍內(nèi)通用的商業(yè)軟件包。

平面直角坐標(biāo)系下，帶自由水面垂向平均的二維瞬態(tài)水動力方程及熱輸運方程組如下：

連續(xù)方程：

(1)

運動方程：

X方向：

(2)

Y方向：

(3)

物質(zhì)輸運方程：

(4)

能量輸運方程:

(5)

2.2 定解條件

2.2.1 流場定解條件

1) 邊界條件：對于開邊界，采用給定水位過程。

2) 初始條件：采用靜水位條件。

2.2.2 濃度場和溫度場計算定解條件

邊界條件：

1) 開邊界：流出計算邊界，按邊界內(nèi)點插值給定；流入計算邊界，用給定值。

2) 陸邊界：采用絕熱邊界條件。

2.3 計算區(qū)域和網(wǎng)格剖分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度能反映水工構(gòu)筑物及沿岸地形對研究細(xì)部流場和物質(zhì)輸運的影響，同時考慮經(jīng)濟(jì)的工作量，數(shù)值模擬范圍面積約1 800 km2，見圖2；網(wǎng)格剖分見圖3。

圖2 模擬范圍示意圖

圖3 網(wǎng)格剖分示意圖

2.4 參數(shù)選擇

1) 糙率系數(shù)n：根據(jù)模型潮流率定結(jié)果確定為0.025。

2) 渦黏性系數(shù)E：采用Smagorinsky公式。

式中：U、V分別為水深方向平均的X、Y方向流速；Δ為網(wǎng)格大?。籆s取值范圍是0.25～1.0。具體數(shù)值需模型驗證確定。

3) 余氯衰減系數(shù)(λ)：余氯的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，遇到還原性物質(zhì)會發(fā)生氧化還原反應(yīng)而分解；在光化學(xué)作用下也會分解，因而在特定的水環(huán)境下存在一定的“半衰期”。根據(jù)工程經(jīng)驗[2-4]，“半衰期”取為1 h。

c=c0e-λt，c為濃度，當(dāng)c=0.5c0，t=3 600時，λ=0.001 93。

4) 表面綜合散熱系數(shù)Ks：采用文獻(xiàn)[5]通用公式計算，得出Ks=46.8 W·m2·℃-1。

3 流場驗證

利用工程海域?qū)崪y海洋水文觀測資料進(jìn)行流場驗證，驗證點位置見圖1。實測大小潮潮位及部分站點流速流向驗證結(jié)果見圖4-圖6。

圖4 潮位過程線驗證圖

圖5 大潮流速流向驗證圖

圖6 小潮流速流向驗證圖

從驗證結(jié)果可以看出, 潮位計算值與實測值吻合良好，流速、流向計算值與實測的各層平均值基本一致，說明所采用的流場數(shù)值模型及選定的參數(shù)是合適的，能夠反映本海區(qū)的潮流特性，可以用于電廠溫排水和余氯排放對環(huán)境影響的數(shù)值預(yù)報。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 流 場

漲潮時，潮流從南邊界進(jìn)入計算域，在廠址附近分為兩股潮流，見圖7。落潮時，電廠兩側(cè)的海水在廠址附近海域匯合后退出計算域，見圖8。漲落潮流的分流、會合區(qū)在電廠排水口東南大約5 km處。

圖7 大潮漲潮流場圖

圖8 大潮落潮流場圖

4.2 余氯濃度場計算結(jié)果

余氯濃度場計算工況見表1。

表1 余氯濃度場計算工況

各計算工況余氯等濃度線分布見圖9-圖12；包絡(luò)面積見表2。

圖9 大潮漲急落急時刻余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

圖10 大潮全潮平均和全潮最大余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

圖11 小潮漲急落急時刻余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

圖12 小潮全潮平均和全潮最大余氯分布圖(等值線單位：mg/L)

表2 余氯等濃度包絡(luò)面積

從上述計算結(jié)果可以看出：

1) 漲潮時，余氯被潮水向排水口所在海灣的底部推進(jìn)；落潮時，余氯隨潮沿東南向外海擴(kuò)展。

2) 余氯在海水中的輸移擴(kuò)散過程中，由于其自身的快速衰減、排水口附近較弱的潮流，各工況余氯的平面分布形態(tài)相近，0.000 2 mg/L及以上等濃度線的影響范圍分布在排水口半徑3.4 km范圍內(nèi)。

3) 因潮流強(qiáng)度和水深的不同，大小潮條件下全潮最大和全潮平均包絡(luò)面積有所差異，0.000 2 mg/L等值線全潮最大包絡(luò)面積：工況1大于工況2；0.000 2 mg/L等值線全潮平均包絡(luò)面積：工況1小于工況2。

4.3 溫度場計算結(jié)果

溫度場計算工況見表3。

表3 溫度場計算工況

各計算工況溫度等值線分布見圖13-圖16，包絡(luò)面積見表4。

圖13 大潮漲急落急時刻溫升分布圖

圖14 大潮全潮平均和全潮最大溫升分布圖

圖15 小潮漲急落急時刻溫升分布圖

圖16 小潮全潮平均和全潮最大溫升分布圖

表4 溫升等值線包絡(luò)面積

從上述計算結(jié)果可以看出：

1) 落潮時，溫排水隨潮沿東南方向運動，落至最低潮位后，溫度場偏東南分布；漲潮時，溫排水沿港池東防波堤逐漸向港池口門外輸移，隨著潮流的增強(qiáng)溫排水進(jìn)入港池。高平后轉(zhuǎn)落初期，潮流較弱，之前隨漲潮西行的熱水在港池口門外堆積，并進(jìn)入港池。

2) 大小潮條件下，4℃等值線全潮最大溫升包絡(luò)面積約3.28 km2，1℃等值線全潮最大溫升包絡(luò)面積約38.5 km2。

5 結(jié) 語

1) 本文采用MIKE21模型對電廠余氯排放進(jìn)行了數(shù)值模擬，流場驗證結(jié)果良好，能夠反映電廠附近海域的潮流特性，能夠用于電廠溫排水和余氯排放的數(shù)值預(yù)報。

2) 裝機(jī)容量為5×600 MW+2×1 000 MW時，大小潮條件下，0.02 mg/L等值線包絡(luò)面積不大于0.8 km2，0.000 2 mg/L等值線包絡(luò)面積不大于7 km2。從研究結(jié)果可以看出，余氯隨冷卻水排至海域，因自身衰減很快，0.000 2 mg/L的影響區(qū)僅局限于以排水口為圓心半徑3.4 km范圍內(nèi)。

3) 裝機(jī)容量為5×600 MW+2×1 000 MW時，大小潮條件下，4℃等值線全潮最大溫升包絡(luò)面積不超過3.28 km2，1℃等值線全潮最大溫升包絡(luò)面積不超過38.5 km2。