倪培桐， 陳卓英

( 1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510630； 2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510630 )

1 研究背景

濱?；?核電廠抽取海水作為循環(huán)冷卻水，并通過凝汽器進(jìn)行熱交換，海水吸收的廢熱通過排水口排出，并隨海水輸運(yùn)擴(kuò)散。濱?；?核電廠較優(yōu)的取排水工程布置方案需要具備3個(gè)條件：(1)較少?gòu)U熱進(jìn)入取水口，電廠冷卻效率高，可增加發(fā)電量；(2)廢熱窩積區(qū)域面積小，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響?。?3)取排水口工程的工程量及造價(jià)低。溫排水?dāng)U散輸運(yùn)研究是電廠取排水口工程布置重要研究專題。

基巖岬角是華南海岸典型的濱海地貌單元，由于濱海直流火/核電廠對(duì)地質(zhì)、水深、航運(yùn)條件要求較高，因此實(shí)踐中多以基巖岬角作為優(yōu)選廠址。潮流在岬角地形作用下形成環(huán)流、射流、分離流等復(fù)雜動(dòng)力結(jié)構(gòu)，往往會(huì)影響水體的擴(kuò)散輸運(yùn)模式，并進(jìn)一步影響取排水口工程的布置方案。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究了復(fù)雜動(dòng)力結(jié)構(gòu)下的輸運(yùn)問題，吳超羽[1]提出華南沿海廣泛存在地形作用下的小尺度動(dòng)力結(jié)構(gòu)。Wei Xing等[2]指出大亞灣的動(dòng)力結(jié)構(gòu)與其核電廠的廢熱輸運(yùn)路徑密切相關(guān)。岳均堂[3]、陳惠泉等[4]提出了基于輻散、輻合流的差位式取排水口工程布置原則。陳凱麒等[5]研究了海岸凸體形成的分離流及其輸運(yùn)作用。國(guó)內(nèi)廣泛用數(shù)學(xué)模型研究廢熱隨潮流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及優(yōu)化取排水口布置問題[6-13]。

海門電廠位于海門岬角東側(cè)，于2010年建成投產(chǎn)，冷卻水工程運(yùn)行良好。本文總結(jié)了電廠在初步設(shè)計(jì)階段取排水工程布置比選、確定過程[14]，為類似水文、地貌邊界下的電廠取排水工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)自然概況

廣澳灣和海門灣位于為廣東省汕頭市潮陽(yáng)區(qū)境內(nèi)，兩個(gè)海灣之間的尖山、大煙墩、龍頭山等低山丘陵構(gòu)成了兩個(gè)海灣之間的岬角，本文稱為海門岬角。練江在潮陽(yáng)區(qū)海門鎮(zhèn)附近注入海門灣。廣澳灣是復(fù)式螺線海灣，西側(cè)為龍頭角，灣的東西兩側(cè)第一岬角分別為馬耳角和海門角，其灣口弦長(zhǎng)16 km。兩岬角的基巖海岸為侵蝕供沙海岸，由于花崗巖抗蝕能力強(qiáng)，后退緩慢，海岸侵蝕供沙及附近陸地供沙都不多，堆積海岸淤泥也慢，至今仍為限于岬角之間平衡岸線以內(nèi)的袋狀海灘。虎仔至龍頭山，以深海灣地形平緩，坡降為1%～2%。

圖1 工程附近海區(qū)地形及水文測(cè)點(diǎn)圖

2.2 水文觀測(cè)與地形數(shù)據(jù)

研究采用的水文資料為2004年9月(夏秋季)、2005年7月(夏季)海門岬角附近海域大、中、小潮水文觀測(cè)資料[15]，觀測(cè)站位見圖1。對(duì)比附近海域水文觀測(cè)資料，如惠來(lái)電廠1993、2004年水文觀測(cè)資料，可以看出2005年7月實(shí)測(cè)資料可較好地代表夏季潮型。研究采用的地形資料為1∶25000、1∶120000兩種不同比例海圖，海門岬角近區(qū)水下地形圖采用實(shí)測(cè)1∶2000地形圖。

2.3 水文與氣象特征

本地區(qū)屬亞熱帶海洋性氣候，氣候比較溫和，年平均氣溫21.6℃。本地區(qū)常風(fēng)向?yàn)镋NE和NE向，頻率分別為21.9%、14.5%。季風(fēng)變化明顯，冬季多偏北風(fēng)，夏季多偏南風(fēng)，春末和夏初季節(jié)，受冷暖氣團(tuán)交替影響，風(fēng)向多變，其強(qiáng)風(fēng)向和常風(fēng)向?yàn)镹EN向，頻率在20%以上。

附近海域西側(cè)的海門灣為不規(guī)則日潮混合潮，而東側(cè)的廣澳灣為不規(guī)則半日潮混合潮。西側(cè)潮差較小，東側(cè)潮差較大。海門灣的漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)短，廣澳灣的灣口東側(cè)附近的漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)長(zhǎng)。

海門灣內(nèi)的潮流為不規(guī)則半日混合潮流，其他區(qū)域測(cè)站各層潮流均為規(guī)則半日潮流。除了廣澳灣和海門灣的灣頂鄰域的潮流較弱外，其他區(qū)域的潮流均較強(qiáng)。根據(jù)2005年7月水文觀測(cè)數(shù)據(jù)[14]，灣口東側(cè)L2站表層最大可能潮流流速、流向?yàn)?9 cm/s、237°；在灣內(nèi)的岬角西南方，廣澳灣與海門灣間的岬角附近L6站的表層最大可能潮流流速、流向?yàn)?7 cm/s、224°。岬角附近海區(qū)的余流主要受夏季粵東沿岸流的影響。海門灣口的L10站表層余流最強(qiáng)，其最大表層余流流速、流向?yàn)?7.6 cm/s、22.0°。在灣內(nèi)岬角的西南方，廣澳灣與海門灣間的岬角附近L7站表層最大余流流速、流向分別為34.4 cm/s、30.6°。

2.4 取排水工程概況

電廠的規(guī)劃總裝機(jī)容量為6×900MW，取水、排水流量為189.6 m3/s，排、取水溫差為8.12℃。排水口、取水口布置設(shè)計(jì)方案與防波堤布置形式密切相關(guān)，根據(jù)防波堤平面布置方案，取、排水工程平面布置有14種組合方案:(1)與防波堤由東北防波堤+南防波堤方案對(duì)應(yīng)的排取水口有4種組合方案(圖2(a))。方案1、方案2均為在港池內(nèi)取水，方案1的排水口位于龍頭角以北，方案2的排水口位于龍頭角以南。方案13、方案14均為南防波堤以南排水，方案13的取水口位置位于港池內(nèi)，方案14的取水口位置位于龍頭山以南。

(2)與無(wú)防波堤方案對(duì)應(yīng)的取排水口布置組合方案為方案3～方案6(圖2(b))；與東北防波堤方案對(duì)應(yīng)的取排水口方案為方案7～方案8(圖2(c))；與南防波堤方案對(duì)應(yīng)的取排水口方案為方案9～方案12(圖2(d))。

2.5 數(shù)學(xué)模型建立

采用平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行冷卻水工程方案比選分析，離散求解方法為建立在三角形單元網(wǎng)格上的破開算子有限元法，該方法已經(jīng)在多個(gè)電廠項(xiàng)目中應(yīng)用[9-12]。根據(jù)實(shí)測(cè)海流的流向及大小，考慮模型東邊界為南澳島，西邊界為靖海鎮(zhèn)，模型范圍包括海門灣、廣澳灣在內(nèi)。模擬水域面積約1 500 km2，綜合考慮計(jì)算效率及精度，計(jì)算范圍內(nèi)三角形網(wǎng)格高度最小約為20 m，模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格剖分見圖3。

圖2 各取排水口方案示意圖

圖3 模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格剖分

結(jié)合預(yù)報(bào)及實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)確定外邊界條件，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試使各主要驗(yàn)證點(diǎn)潮位、流速均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求。模型糙率取值為0.025～0.03，由smagorinsky公式計(jì)算紊動(dòng)黏性系數(shù)。由以往經(jīng)驗(yàn)熱擴(kuò)散系數(shù)取值為5 m2/s，對(duì)于取排水口布置方案比選是可行的。按照全國(guó)統(tǒng)一公式計(jì)算水面綜合散熱系數(shù)，夏季取值約為48.5 W/(m2·℃)。

利用2005夏季大、中、小潮測(cè)流數(shù)據(jù)對(duì)模型計(jì)算流速、潮位及流向進(jìn)行了驗(yàn)證，僅選擇列出夏季中潮H2站潮位、岬角附近L4、L7站及外海區(qū)L2、L10驗(yàn)證點(diǎn)資料(圖4)，其他測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)參見文獻(xiàn)6。結(jié)果表明各個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的計(jì)算流速、潮位及流向過程線與原體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。圖5給出了整個(gè)計(jì)算域內(nèi)漲、落潮流的流速分布情況，漲潮流自西南進(jìn)入廣澳灣，落潮流相反；海門岬角區(qū)流速較大，海門灣、廣澳灣灣頂位置流速較弱，工程附近區(qū)域內(nèi)整體計(jì)算流態(tài)與實(shí)測(cè)流態(tài)符合較好，表明本模型能較好地反映計(jì)算水域的原體潮流運(yùn)動(dòng)特征。

圖4 模型計(jì)算與原體實(shí)測(cè)潮位、流速及流向過程線對(duì)比

圖5 夏季小潮流場(chǎng)圖

3 結(jié)果與討論

3.1 溫排水輸運(yùn)擴(kuò)散

由于小潮期間的潮流流速相對(duì)較小，熱污染輸運(yùn)擴(kuò)散較慢，廢熱容易窩積，從工程運(yùn)行安全的角度，選擇2005年夏季小潮作為排取水口布置方案比選的代表潮型，時(shí)間為2005年6月30日10時(shí)-7月1日11時(shí)。不同取排水方案溫升等值線圖見圖6。從計(jì)算結(jié)果看，不同方案的溫排水輸運(yùn)擴(kuò)散有以下特點(diǎn)：

(1)各方案溫排水的輸運(yùn)擴(kuò)散形態(tài)總體上類似，特別是1℃和0.5℃等溫升線形態(tài)。溫排水主要分布在海門岬角東北的廣澳灣內(nèi)，很少向西越過海門岬角進(jìn)入海門灣。這與廣澳灣漲潮流強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且落潮流較弱有關(guān)。不同方案取、排水口附近的等溫升線有較大差別，反映了不同防波堤型式及取排水口布置方案形成的排水口附近的水流結(jié)構(gòu)差異和廢熱輸運(yùn)能力不相同(圖6)。

(2)東北防波堤+南防波堤方案：取水溫升隨取排水口距離增加而降低，是分列式布置方案的典型特征。方案1的平均取水溫升較方案2低約0.21℃，主要是方案1的取水、排水口距離較方案2長(zhǎng)約1km。方案13、14取排水口距離較近，發(fā)生溫排水的“短路”現(xiàn)象，表現(xiàn)為熱水自排水口直接流入取水口，取水溫升較高。與方案1、2相比，排水口布置在南側(cè)違反了分列式布置中排水口在下游的一般原則。

(3)無(wú)防波堤方案：方案3、4、5均為北排南取方案，溫升分布等值線沿岸線分布，在落潮期間溫排水隨水流更易進(jìn)入取水口，造成一次取水溫升，出現(xiàn)溫排水的“短路”效應(yīng)，如方案4可達(dá)3.97℃，而在漲潮期間溫升較低，如方案4最低溫升僅為0.5℃，表明在無(wú)防波堤條件下，仍需要加大取排水口之間的距離，才可以降低取水溫升。方案6為南排北取方案，無(wú)論漲潮落潮都呈現(xiàn)溫排水的“短路”效應(yīng)。

(4) 單東北防波堤方案:溫排水運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與方案1、2類似，方案8的排水口位于龍頭角以南，與方案7相比，溫升等值線偏南。方案8的平均取水溫升較方案7高0.2℃。

(5) 單南防波堤方案:方案9的取、排水口均位于南防波堤的北側(cè)，溫排水受南防波堤的阻擋，窩積于南防波堤北側(cè)，無(wú)論漲潮、落潮取水溫升都較高。方案10的排水口位于南防波堤的南側(cè)，屬于南排北取方案，無(wú)論漲潮落潮都呈現(xiàn)溫排水的“短路”效應(yīng)。方案11、12屬于北排南取方案，溫排水向東北方向擴(kuò)散為主，同時(shí)南防波堤阻止了溫排水隨落潮水流進(jìn)入取水口，兩方案取水溫升都較低，平均取水溫升小于0.6℃。

各方案溫升面積及取水溫升值見表1。

圖6 不同取排水方案溫升等值線圖

方案東北堤南堤排水口位置取水口位置溫升面積/km2>4℃>3℃>2℃>1℃>0.5℃取水溫升/℃最大最小平均1有有龍頭山以北港池內(nèi)北端5.237.8813.4328.7559.060.85 0.61 0.71 2龍頭山以南3.907.0814.0133.5068.281.17 0.81 0.98 3龍頭山以北港池北端5.488.7913.9329.6255.565.09 0.39 2.53 4無(wú)無(wú)龍頭山以北港池南端6.048.9815.1431.8260.233.97 0.50 1.65 5龍頭山以南6.519.6816.0034.5365.634.34 0.95 2.11 6南堤以南港池北端2.697.3714.9631.9966.285.61 3.18 4.09 7有無(wú)龍頭山以北港池內(nèi)北端4.857.1812.8727.9959.370.82 0.74 0.78 8龍頭山以南3.556.4813.2932.8967.361.06 0.95 1.01 9龍頭山以北港池內(nèi)北端5.036.8012.2829.9262.755.92 4.93 5.43 10無(wú)有南堤以南1.774.428.7529.1967.263.43 2.89 3.17 11龍頭山以南南堤以南3.625.5210.1025.8360.670.66 0.55 0.59 12龍頭山以北3.295.1910.8829.9463.740.60 0.50 0.53 13有有南堤以南港池內(nèi)北端2.945.3613.4831.8668.225.56 4.46 5.08 14南堤以南龍頭山以南3.585.6611.6930.4768.862.81 2.18 2.56

注：潮平均等超溫線面積是對(duì)全潮過程中，對(duì)每一位置的溫升取平均后得到的溫升包絡(luò)線面積。

3.2 討 論

選擇相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化取排水口工程布置，對(duì)于降低工程投資、提高工程運(yùn)行效率、減輕廢熱的環(huán)境生態(tài)影響有重要意義。上文的溫排水?dāng)U散輸運(yùn)及取水溫升結(jié)果說(shuō)明了方案的優(yōu)劣。為了進(jìn)一步分析工程布置的合理性，需要分析不同時(shí)空尺度的流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)溫排水輸運(yùn)的影響,其中粵東沿岸流、岬角分離流、潮流、排水口射流對(duì)均有重要意義。按照明渠寬100 m、排水流速2.5 m/s估計(jì)射流核心區(qū)長(zhǎng)度約500 m，另外排水口附近回流有利于熱水與環(huán)境水體的摻混，但尺度僅102m，對(duì)取排水口布置的方案比選影響較小。

夏季粵東沿岸流的空間尺度為104～105m,自西南流向東北方向。與潮流疊加后在廣澳灣表現(xiàn)為漲潮流強(qiáng)于落潮流，且漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)長(zhǎng)。因此對(duì)于分列式取排水口布置而言，南取北排是合理的布置方案。如方案1、2、7、8、11、12的取水溫升在整個(gè)潮周期內(nèi)都較低，最大值小于1.2℃，表明這些方案從取水溫升的角度是可行的。

北取南排方案如方案6、9、10、13、14，排水口布置在廠區(qū)的西南側(cè)，受潮流及沿岸流影響，溫排水向北、東輸運(yùn)為主，致使取水溫升漲潮、落潮均較大，方案不可行。

分列式方案要求取水口與排水口之間有足夠的距離和水域，以便溫排水通過熱氣交換達(dá)到平衡。如方案3、4、5雖然是北排南取方案，由于取排水口距離稍短，排水口排出的熱水會(huì)隨落潮流進(jìn)入取水口，造成一次短路現(xiàn)象，表現(xiàn)為取水溫升隨潮波動(dòng)較大。

防波堤體現(xiàn)了人工岬角作用，對(duì)于分列式而言，相當(dāng)于延長(zhǎng)了兩側(cè)熱水漲落潮流的流線距離，防止溫排水直接進(jìn)入取水口，如方案1、2、7、8、11、12的取水溫升較低且溫升過程線平穩(wěn)，從電廠取水溫升角度看方案可行。

海門岬角東西兩側(cè)分別是海門灣和廣澳灣，漲、落潮流流向基本與岸線平行(與岬角延伸方向垂直)，岬角兩側(cè)形成的岬角分離流結(jié)構(gòu)。相對(duì)于管道取水、排水而言，近岸明渠取水、排水具有投資低、易于施工和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文比選的14種取排水工程方案均為分列式明渠取水、排水方案，這主要與工程廠區(qū)平面位置，偏于岬角東側(cè)有關(guān)，取水口與排水口也都布置在廠區(qū)東側(cè)。事實(shí)上，如果廠區(qū)平面位置西移500 m左右，使得取水口布置在海門灣、排水口布置在廣澳灣，則可以利用岬角形成的分離流，使得取水和排水位于不同的流道，可以達(dá)到取水溫升最佳的效果。雖然是明渠取水、排水模式，但是由于充分利用了岬角分離流結(jié)構(gòu)，在取排水口布置上則定義為差位式取排水口布置方式，這種布置方式對(duì)于取排水工程而言，具有投資低、易于施工，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1)粵東沿岸流及海門岬角西側(cè)廣澳灣漲潮流速及歷時(shí)強(qiáng)于落潮流速及歷時(shí)的近岸流動(dòng)規(guī)律決定了分列式取排水方案中南取北排方案是合理的布置方案。防波堤體現(xiàn)了人工岬角作用，延長(zhǎng)了兩側(cè)熱水漲落潮流的流線距離，但不足以使南取北排方案成立。

(2)方案1、2、7、8、11、12從取水溫升的角度是可行方案。方案6、9、10、13、14的排水口布置在南側(cè)違反了分列式布置中排水口在下游的一般原則，方案不可行。 方案3、4、5取排水口距離稍短存在一次短路現(xiàn)象，方案也不可行。另外取水、排水口也可選擇分別布置在海門灣和廣澳灣，明渠取水、排水模式，是適應(yīng)海門岬角動(dòng)力結(jié)構(gòu)的差位式取排水口布置方式。