王璐，熊樂航，張遠(yuǎn)，陳焰，馬淑芹，張曉嬌，夏瑞*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.北京師范大學(xué) 3.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司

近年來，我國能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，清潔能源天然氣在一次能源消費(fèi)中的占比持續(xù)提升，以液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)方式進(jìn)口的天然氣數(shù)量逐年增加[1]。LNG接收站作為液化天然氣的接收終端，承擔(dān)了液化天然氣的接收、存儲和氣化等功能。為了滿足市場燃?xì)庑枨?，沿海地區(qū)已陸續(xù)建成多座LNG接收站[2]。海水作為最廉價(jià)又最容易獲取的流體介質(zhì)，被大量用于LNG 的氣化換熱和消防[3]。LNG接收站運(yùn)行過程中，使用海水作為加熱介質(zhì)對LNG進(jìn)行氣化，同時(shí)為了防止海洋生物在設(shè)備中的附著，投入定量的次氯酸鈉。因此，換熱后的海水溫度有所降低，且水體中含有余氯，這會對附近海域水環(huán)境造成一定的影響，主要包括冷排水的排放對海域溫度場的影響和余氯排放對海域生物環(huán)境的影響。LNG接收站冷排水對附近海域水溫及海洋生物影響的研究相對較多。如張繼周[4]研究了LNG接收站冷排水的排放對浮游生物、魚類、蝦類、貝類等海洋生物的定性影響，但沒有運(yùn)用模型計(jì)算進(jìn)行定量研究；柏育材等[5]在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬某LNG接收站冷排水中余氯對大黃魚仔魚和幼魚的毒理效應(yīng)，結(jié)果表明，LNG工程余氯排放短期內(nèi)對海洋魚類影響不顯著；奚泉等[6]通過三維水流溫度場模擬廣東珠海LNG 接收站在運(yùn)行時(shí)溫度場的分布以及不同等溫線的影響范圍，結(jié)果表明，取水口附近為低溫帶，取水口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離岸線。另外，楊青云等[7]運(yùn)用ECOMSED三維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型模擬大鵬灣LNG接收站附近海域溫度場分布情況，得出底層溫降區(qū)域面積大于表層的結(jié)論，且溫降區(qū)域面積在-5～0 ℃范圍內(nèi)逐漸增大；唐俊逸等[8]利用主成分分析法對大鵬灣LNG接收站附近海域的水質(zhì)狀況進(jìn)行了分析，表明水體環(huán)境質(zhì)量幾乎不受影響；畢亞梅等[9-10]研究了余氯造成的漁業(yè)資源損失量，計(jì)算得出余氯排放對工程附近海域浮游植物損失量理論最大值為17.71×1010個(gè)、浮游動物損失量理論最大值為8.06×106個(gè)。綜上，已有的對LNG接收站冷排水的溫降和余氯對附近海域水環(huán)境影響范圍及排水口位置選擇的研究較少。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水環(huán)境模擬軟件不斷被開發(fā)利用于水環(huán)境預(yù)測，如水動力學(xué)模型MIKE[11]、三維水動力-水質(zhì)模型系統(tǒng)(Delft3D)[12]、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋環(huán)流與生態(tài)模型(FVCOM)[13]等。如崔丹等[14]利用二維水動力-水質(zhì)數(shù)值耦合模型(MIKE21)對工業(yè)園區(qū)擬建排污口排放污染物質(zhì)的輸移擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬研究；雷曉玲等[15]利用Delft3D數(shù)學(xué)模型對三峽航道環(huán)保疏浚水質(zhì)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。湄洲灣東吳港區(qū)擬建設(shè)哈納斯莆田L(fēng)NG接收站碼頭，這將對附近海域的水環(huán)境造成一定的影響，但是否會對養(yǎng)殖區(qū)、湄洲島生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)產(chǎn)生不利影響，尚需要進(jìn)一步模擬預(yù)測。筆者采用大海域套小海域、工程區(qū)加密的方法，運(yùn)用丹麥水利研究所(DHI)研發(fā)的MIKE21軟件[11]對工程附近的海域進(jìn)行平面二維的數(shù)值模擬計(jì)算。首先計(jì)算該海域的流速場，明確其潮流的運(yùn)動特性，進(jìn)而預(yù)測LNG接收站冷排水的溫降及余氯對附近海域的影響范圍，判斷排水口位置的合理性，以期為LNG接收站工程作業(yè)及位置選取提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湄洲灣港(118°51′E～119°10′E，24°56′N～25°18′N)位于我國東南沿海中部，北毗福州港，南鄰廈門港，與臺灣隔海相望，與東吳港區(qū)、羅嶼港區(qū)、秀嶼港區(qū)、莆頭港區(qū)進(jìn)行海鐵聯(lián)運(yùn)，構(gòu)成東南最大的物流中心樞紐。哈納斯莆田L(fēng)NG接收站碼頭建設(shè)于湄洲灣東吳港區(qū)(119°4′32.41″E，25°6′21.05″N)，總用海面積為159.117 5萬m2，其中工作船碼頭面積為0.23萬m2，接卸LNG 280萬t/a。排水口冷排水的設(shè)計(jì)流量為15 000 m3/h(4.17 m3/s)。LNG排水口分別距養(yǎng)殖區(qū)、湄洲島生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)1.0、3.2 km(圖1)。

2 模型的建立與驗(yàn)證

采用大海域嵌套小海域、工程區(qū)加密的方法，建立LNG接收站附近海域二維水動力場，在模型模擬可靠的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算得到夏季、冬季大潮時(shí)湄洲灣東吳港區(qū)LNG冷排水溫降和余氯濃度包絡(luò)線，分析冷排水對水環(huán)境及周圍海域敏感目標(biāo)的影響，判斷排水口位置設(shè)置的合理性。

2.1 計(jì)算域及網(wǎng)格、水深

計(jì)算域模擬范圍及網(wǎng)格、水深情況見圖2。建立的海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算域?yàn)?18.62°E～119.56°E，24.77°N～25.29°N，即為圖2中A、B、C點(diǎn)以及岸線圍成的海域。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，整個(gè)區(qū)域由 10 510 個(gè)節(jié)點(diǎn)和 19 971 個(gè)三角單元組成，在LNG接收站附近進(jìn)行加密，加密后網(wǎng)格空間步長約20～50 m。水深摘自中國人民解放軍海軍航海保證部制作的湄洲灣最新水深地形海圖(編號14171，2012年監(jiān)測，比例為1∶40 000)、南日群島至深滬灣水深地形海圖(編號14170，2010年監(jiān)測，比例為1∶120 000)，LNG接收站附近水深根據(jù)福建省港航管理局勘探中心于2015年7月勘測的1∶5 000的地形圖繪制。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格及水深Fig.2 Calculate field grid and water depth

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)湄洲灣海區(qū)口外的崇武海洋站的多年潮位觀測資料及1984年4—6月東吳潮位站3個(gè)月的潮位觀測結(jié)果，潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮，灣內(nèi)外潮時(shí)幾乎一致，各地潮位基本上同漲同落，高、低潮出現(xiàn)時(shí)間同步。模擬時(shí)長為1個(gè)月，2015年8月26日—9月27日。模型計(jì)算時(shí)間步長根據(jù)CFL條件進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，最小時(shí)間步長為0.05 s。底床糙率通過曼寧系數(shù)(M)進(jìn)行控制，M取20～60 m1/3/s。夏季、冬季的溫度場均選擇連續(xù)半月潮進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)2002年通過原國家環(huán)境保護(hù)總局審批的《廣東LNG接收站和輸氣干線項(xiàng)目一期工程環(huán)境影響報(bào)告書》中采納的標(biāo)準(zhǔn)，建議排放口冷排水溫差標(biāo)準(zhǔn)為≤5 ℃。結(jié)合排放口的溫差監(jiān)控設(shè)置，要求在5 ℃以內(nèi)警報(bào)，因此排水溫度根據(jù)取水口溫度減少5 ℃計(jì)算。按照設(shè)計(jì)文件，余氯排放濃度不大于0.2 mg/L，計(jì)算中以此作為計(jì)算源強(qiáng)，排放位置與冷排口位置相同。水面綜合散熱系數(shù)根據(jù)GB/T 50102—2014《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，可得夏季的水面綜合散熱系數(shù)為41 W/(m2·℃)，冬季的水面綜合散熱系數(shù)為36 W/(m2·℃)。

2.3 邊界條件與初始條件

采用的數(shù)值模式中，水動力模塊需給定閉邊界和開邊界2種邊界條件。其中，開邊界選擇俄勒岡州立大學(xué)建立的TPXO全球潮波預(yù)報(bào)模型，其在中國海域附近的精度為1/30°×1/30°。用TPXO全球潮波預(yù)報(bào)模型提取8個(gè)主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)的調(diào)和常數(shù)，利用MIKE內(nèi)置的潮位預(yù)報(bào)工具箱調(diào)和出水位邊界數(shù)據(jù)作為開邊界。選擇以大海域和工程周邊的岸線作為閉邊界。開邊界條件即水域邊界條件，本研究開邊界給定潮位，即η=η(x,y,t)；閉邊界條件即水陸交界條件，在該邊界上水質(zhì)點(diǎn)的法向流速(Vn)為0。

計(jì)算開始時(shí)HD模塊“冷態(tài)”起動，設(shè)定初始條件為0，即所有網(wǎng)格點(diǎn)上的初始水位、流速均為0。采用穩(wěn)態(tài)啟動，初值的誤差會隨著計(jì)算的進(jìn)行逐步消失，模型驗(yàn)證的數(shù)據(jù)取模型計(jì)算穩(wěn)定后的模擬值。溫度場根據(jù)美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的溫度逐日資料，結(jié)合現(xiàn)狀監(jiān)測資料給出。夏季因各月的溫度逐日變化不大，結(jié)合現(xiàn)狀資料取平均值，設(shè)為27.3 ℃。冬季溫度逐日變化可在1.0 ℃以上，故本底溫度場為計(jì)算多次后的穩(wěn)定溫度場。

2.4 預(yù)測模式

2.4.1冷排水對水環(huán)境影響預(yù)測

采用水流模型與水溫?cái)U(kuò)散模式相結(jié)合的方法預(yù)測冷排水的溫降對水環(huán)境的影響范圍，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：H為靜止時(shí)河道的水深，m；T為二維垂向平均溫度，℃；h為常規(guī)水位，m；u、v分別為流速笛卡爾坐標(biāo)系中的分量；FT為水平溫度擴(kuò)散項(xiàng)，g/s；Ts為冷排水源項(xiàng)，g/s；S為源項(xiàng)，g/s；Dh為溫度水平擴(kuò)散系數(shù)，Dh=A/σT；σT為普朗特常數(shù)，取0.9；A為水平紊動黏性系數(shù)，取1.0。

2.4.2余氯對水環(huán)境影響預(yù)測

采用水流模型與耗散模式相結(jié)合的方法預(yù)測冷排水中余氯對水環(huán)境的影響范圍，耗散模式計(jì)算公式如下：

(3)

S=qC0

(4)

Q=KC

(5)

式中：C為水環(huán)境中余氯濃度，mg/L；Q為耗散項(xiàng)，g/s；q為排放量，m3；C0為排放余氯濃度，mg/L；K為衰減系數(shù)，K=ln 2/T1/2;T1/2為半衰期，取1 h。

2.5 模型驗(yàn)證

選取有實(shí)測水文資料的P1、P2點(diǎn)作為潮位驗(yàn)證點(diǎn)，C1、C2、C3、C4點(diǎn)為潮流驗(yàn)證點(diǎn)(圖3)。利用2015年8月30—31日大潮期25 h同步連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的模擬結(jié)果。潮位的驗(yàn)證結(jié)果見圖4，P1、P2點(diǎn)的納什效率系數(shù)分別為0.90、0.87；潮流的驗(yàn)證結(jié)果見圖5，C1、C2、C3、C4點(diǎn)的流速納什效率系數(shù)分別為0.75、0.63、0.65、0.81，流向納什效率系數(shù)分別為0.72、0.55、0.53、0.52。可見，此模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬湄洲灣東吳港區(qū)的潮流場情況。

圖3 驗(yàn)證點(diǎn)位置Fig.3 Location of validation point

圖4 8月30日大潮期潮位驗(yàn)證曲線Fig.4 Validation curve of tidal level during high tide period on August 30

圖5 8月30—31日大潮期潮流驗(yàn)證曲線Fig.5 Validation curve of tidal current during high tide period from August 30 to 31

3 結(jié)果與討論

3.1 冷排水溫降對水環(huán)境影響范圍的預(yù)測

LNG接收站冷排水在海域內(nèi)逐漸向外擴(kuò)散，本次預(yù)測中，冷排水?dāng)U散方向主要是沿岸擴(kuò)散。圖6為夏季和冬季一個(gè)潮周期內(nèi)冷排水溫降包絡(luò)線與周邊保護(hù)目標(biāo)的疊置圖。從圖6可以看出，不同溫降條件下的最大影響范圍不同，溫降條件越低，影響范圍越大。不同溫降條件下的最大影響范圍如表1所示。由表1可知，溫降≥4 ℃的等溫線在夏季擴(kuò)散面積達(dá)0.012 km2，冬季為0.014 km2；溫降≥2 ℃的等溫線在夏季擴(kuò)散面積達(dá)0.062 km2，冬季為0.068 km2；溫降≥1 ℃的等溫線在夏季擴(kuò)散面積達(dá)0.142 km2，冬季為0.128 km2；溫降≥0.5 ℃的等溫線在夏季擴(kuò)散面積達(dá)0.200 km2，冬季為0.202 km2。

圖6 夏、冬季冷排水溫降包絡(luò)線Fig.6 Envelope diagram of temperature drop of cold drainage in summer and winter

表1 不同溫降條件下的最大影響范圍Table 1 Maximum influence range under different temperature drop conditions

根據(jù)張繼周[4]的研究，水溫低于適宜溫度范圍，將會抑制魚類的新陳代謝和生長發(fā)育，如果超過其忍受限度，還會導(dǎo)致死亡。溫降達(dá)3 ℃以上時(shí)，蝦類幼體的生長可能會受到抑制，其存活率可能會降低。從圖6可以看出，在整個(gè)潮周期間內(nèi)，溫降≥0.5 ℃條件下的影響范圍最大，此時(shí)距湄洲島生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)分別約為2.81和0.53 km，不會對保護(hù)目標(biāo)的水溫產(chǎn)生直接影響。

3.2 冷排水中余氯對水環(huán)境影響范圍的預(yù)測

根據(jù)耗散方程及源強(qiáng)，計(jì)算LNG接收站排水口冷排水中余氯的擴(kuò)散范圍，統(tǒng)計(jì)1個(gè)月內(nèi)余氯的擴(kuò)散范圍，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，不同余氯濃度下的最大影響范圍不同，余氯濃度越低，影響范圍越大。不同季節(jié)余氯最大影響范圍如表2所示。由表2可知，夏季余氯濃度為0.02 mg/L的排水口包絡(luò)線面積為0.257 km2，而余氯濃度為0.01 mg/L的排水口包絡(luò)線面積為0.434 km2，此時(shí)排水口的影響范圍為0.628 km。故LNG接收站冷排水中的余氯不會對周邊敏感目標(biāo)產(chǎn)生直接影響。

圖7 夏、冬季排水口余氯擴(kuò)散包絡(luò)線Fig.7 Diffusion envelope diagram of residual chlorine in outfall in summer and winter

表2 不同季節(jié)余氯最大影響范圍Table 2 Maximum influence range of residual chlorine in different seasons

4 結(jié)論

(1)利用MIKE21，采用模型嵌套的方式精細(xì)化模擬了湄洲灣東吳港區(qū)LNG冷排水對水環(huán)境的影響，經(jīng)驗(yàn)證，潮位納什效率系數(shù)均達(dá)到0.8以上，流速、流向納什效率系數(shù)均達(dá)到0.5以上，模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬湄洲灣東吳港區(qū)的潮流場情況。

(2)在溫降≥0.5 ℃條件下，LNG接收站的冷排水影響范圍為0.202 km2，距離湄洲島生態(tài)系統(tǒng)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)約2.81 km，距離最近養(yǎng)殖區(qū)約0.53 km,LNG接收站冷排水的溫降未對周邊敏感目標(biāo)產(chǎn)生直接影響。

(3)在夏季余氯濃度為0.01 mg/L條件下，LNG接收站的冷排水中余氯影響范圍為0.434 km2，最大影響距離為0.628 km,LNG接收站冷排水的余氯未對周邊敏感目標(biāo)產(chǎn)生直接影響。