福州市環(huán)境科學研究院 吳賢忠

?

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)境科學研究院 吳賢忠

該研究采用平面二維水流溫度場數(shù)學模型，在流速、水位驗證的基礎上對羅源灣規(guī)劃火電規(guī)模的溫排水進行數(shù)值模擬，預測灣內(nèi)溫度場的分布情況和影響范圍，從海域溫升控制角度科學評價規(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)濟發(fā)展，規(guī)劃建設魯能、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，將對羅源灣產(chǎn)生較為顯著的海洋熱污染。海水溫度升高會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)境問題之一。本文通過建立溫排水影響預測數(shù)值模型，對規(guī)劃的火電規(guī)模排放的溫排水影響進行預測，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)劃編制和實施機構、環(huán)境管理機構提供科學的技術依據(jù)。

圖1 規(guī)劃火電廠布局示意圖

2 平面二維數(shù)學模型

溫排水運動是復雜的水力、熱力現(xiàn)象，完善的數(shù)學模型需要模擬近、遠區(qū)紊動要素的影響，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。目前工程上廣泛應用的溫排水數(shù)值模型多為平面二維模型。

2.1 水動力數(shù)學模型

理論模型采用二維正壓深度平均流動力模型，方程如下[2-4]：

采用右旋直角坐標系，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；為相對于OXY面的水位，H為瞬時水深，；為相對于OXY平面的水深絕對值；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，0

邊界條件為：

對于開邊界，采用水位強迫作為開邊界。

對于固體邊界，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、S2八個分潮確定開邊界水位邊界條件。

2.2 二維溫度對流擴散方程

邊界條件：

開邊界條件：

3 模型計算結果分析

3.1 計算區(qū)域

根據(jù)本次研究的目的，本模型給出了六節(jié)點三角形模型網(wǎng)格。在可門水道對模型網(wǎng)格進行局部細化以反映精細岸界及其變化。網(wǎng)格的總節(jié)點數(shù)為8203，單元數(shù)為3803，最小的六節(jié)點三角形單元面積是3100m2，相當于有限差分網(wǎng)格距的27m。

3.2 數(shù)學模型驗證計算

模型驗證水位數(shù)據(jù)采用福建908項目中國海洋大學羅源灣課題調(diào)查組的3個水位觀測站（跡頭T1、將軍帽T2、口門南T3）數(shù)據(jù)，水位觀測開始于2005年9月25日，結束于2005年11月11日。模型驗證流速數(shù)據(jù)采用福建908項目中國海洋大學羅源灣課題調(diào)查組于2005年9月26日13：00～2005年9月27日14：00進行的4個連續(xù)站（C1、C2、C3、C4）各25小時的海流觀測資料。觀測站位如圖2所示。

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

從潮位和潮流驗證曲線（圖3、圖4、圖5）可知，無論潮水位過程還是高、低水位值，計算與實測均符合良好，高、低潮位出現(xiàn)的時間，計算與實測值都符合得較好，說明數(shù)值計算的位相比較準確。從潮流驗證曲線看出，不僅潮流流速觀測值與計算值接近，潮流方向的模擬值與實測值也極為一致，說明計算的流速位相與實測值吻合良好。以上模型的驗證計算結果表明：模型采用的物理參數(shù)和計算參數(shù)基本合理，計算方法可靠，能夠模擬研究海域潮波運動特性。

圖3 水文過程驗證曲線

圖4 流速過程驗證曲線

圖5 流向過程驗證曲線

3.3 研究海區(qū)流場分布特征

圖6分別為研究海區(qū)漲急和落急時刻的流場分布圖。受臺灣海峽潮波的作用，漲潮時，潮流從東沖-北茭斷面進入研究海區(qū)，潮流分南北兩部分，北部斷面海流向西運動，然后轉(zhuǎn)向北，通過東沖口門進入三沙灣海域；南部斷面海流先向西運動，在遇到黃歧半島后向北運動，然后在可門角轉(zhuǎn)向西南進入羅源灣。可門水道狹窄處流速較大，流速超過1m/s。退潮時，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1876萬千瓦；方案二為1076萬千瓦。冷卻水作為火電廠的機組冷源，經(jīng)過熱交換器后，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 預測結果與分析

羅源灣內(nèi)三類海區(qū)執(zhí)行二類海水水質(zhì)標準，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)標準，人為造成的海水溫升不超過當時當?shù)?4℃。但對溫升范圍即等溫升包絡線或熱混合區(qū)沒有相應規(guī)定和標準，如附近海域的寧德核電二期工程后最大包絡線面積：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)模溫排水對海灣溫升影響預測結果見表2和圖7。計算結果表明，采用月平均的全潮過程溫升包絡線更能表征單一時刻或潮型對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34.42 km2。冬季2℃溫升范圍達17.52 km2。2℃以上溫排水影響區(qū)域并擴展到執(zhí)行二類海水水質(zhì)的三類海區(qū)范圍，且超標范圍較大，可能對養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境造成不利影響。

受海域內(nèi)擴散條件不同，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)模下溫升包絡面積(km2)

方案一夏季溫排水全月過程溫度包絡圖

方案一冬季溫排水全月過程溫度包絡圖

圖7 方案一溫排水影響預測圖

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)模溫排水對海灣溫升影響預測結果見表3和圖8。結果表明，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準 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)，對執(zhí)行二類海水水質(zhì)標準的三類海區(qū)影響可以接受。

表3 方案二溫排水規(guī)模下溫升包絡面積(km2)

方案二夏季溫排水全月過程溫度包絡圖

方案二冬季溫排水全月過程溫度包絡圖

圖8 方案二溫排水影響預測圖

6 結論與建議

通過溫排水平面二維水流溫度場數(shù)學模型的計算，對羅源灣內(nèi)兩種火電規(guī)劃規(guī)模的溫排水影響進行預測分析，結果表明，1076萬千瓦火電規(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)模按照方案二來控制，火電規(guī)模控制在1076萬千瓦以下。同時應加強溫排水導致的海域溫升日常監(jiān)控和預測模擬研究，充分調(diào)查溫排水的影響范圍和對海洋生態(tài)影響程度。新建機組應開展溫排水預熱利用、改進海水冷卻方式、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)對梭幼魚和對蝦仔蝦卷載效應的初步探討[J]. 環(huán)境科學學報,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.潮汐水域流速場和溫度場的數(shù)值模擬研究[J].太原理工大學學報，2005，36(3):2352237.

[4] 西南電力設計院.福州可門火電廠二期工程環(huán)境影響報告書[R].2009.

[5] 趙曉冬，陳慧鋒，毛佩郁.寧德核電溫排水擴散試驗研究[C].第十三屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集, 2007.