铁山湾内电厂温排水累积热影响数值模拟.pdf

第 3 5卷第 2期 Vo I 3 5 No 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r e e s 2 0 1 5年 3月 Ma r 20l 5 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 5 0 2 0 1 0 铁山湾内电厂温排水累积热影响数值模拟 赵懿瑶 ， 王靖宇 ， 陈小莉 ( 1 中国水利水电科学研究院水力学研究所， 北京1 0 0 0 3 8 ； 2 清华大学水利水电工程系， 北京1 0 0 0 8 4 ) 摘要 ： 为 了解铁 山湾内已有电厂与新建电厂温排水的叠加 累积效应 ， 采用 D e l f t 3 D水动力模型进行 潮流及温度场的数值模拟。通过对模型主要时空参数进行敏感性分析 ， 确定 了模拟计算时长为 2 5 个潮周期 ， 最小网格尺寸为 4 0 m， 时间步长为 1 5 S 。流场及温度场计算结果表明： 新建电厂投运后 ， 岸线 变化导致工程局部 区域流场发生改变 ； 1 温升线与北海电厂重叠， 影响范围较 北海 电厂单独 运行增加 2 1 k m ； 北海电厂取水温升增幅不超过 0 4 。数学模型计算结果与 同步开展 的物理模 型试验结果对比表明， 排水 口近 区两者差异较大， 随着温排 水远 离排水 口， 两者差异逐渐减小， 在 1 温升线 附近两者基本相 同。 关键词： 铁山湾； 电厂温排水； 累积热影响； 参数敏感性； D e l fl 3 D水动力模型 中图分类号： P 1 3 1 2 ； X 1 4 5 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 4 7 0 5 N u me r i c a l s i mu l a t i o n o f a c c u mu l a t e d e ff e c t of t h e r ma l d i s c h a r g e f r o m p o w e r p l a n t s i n T i e s h a n B a y Z H A O Y i j u n ， WA N G J i n g y u ， C H E N X i a o l i ( 1 D e p a r t m e n t o f H y d r a u l i c s ，C h i n a I n s t i t u t e of Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e o i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t ofH y d r a u l i c E n g i n e e r i n g， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o r e s e a r c h t h e a c c u mu l a t e d i mp a c t o f t h e r ma l d i s c h a r g e f r o m e s t a b l i s h e d a n d p r o p o s e d p o w e r p l a n t s i n T i e s h a n B a yDe l f t t h r e e d i me n s i o n a l( De l f t 3 D)h y d r o d y n a mi c mo d e l w a s a d o p t e d t o s i mu l a t e t h e t i d a l c u r r e n t a n d t e mp e r a t u r e fi e l d Ba s e d o n s e n s i t i v i t y a n aly s i s o f k e y s p a t i a l a n d t e mp o r al p a r a me t e r s ，t h e c o mp u t a t i o n t i me i s t w e n t y fi v e t i d a l pe rio d s，t he mi n i ma l me s h s i z e i s 40 me t e r s，a nd t he t i me s t e p i s 1 5 s e c o n d s Th e nu me r i c a l r e s ul t s s ho we d：l o c al c u rre n t fi e l d s i n t h e v i c i n i t y o f n e w p r o j e c t s w e r e c h a n g e d d u e t o t h e s h o r e l i n e v a ri a t i o n w h e n p r o p o s e d p o w e r p l a n t i s i n o p e r a t i o n ； t h e 1 c e n t i g r a d e( 1 o C)i s o t h e r m a l i n c r e m e n t l i n e o v e d a p p e d w i t h B e i h a i P o w e r P l a n t ； t h e i mp a c t a r e a w a s i n c r e a s e d b y 2 1 s q u a r e k i l o me t e r s ；t h e i n t a k e w a t e r t e mp e r a t u r e o f B e i h a i P o we r P l a n t r o s e 0 4 C C o mp ari s o n b e t we e n n u me r i c a l mo d e l a n d p h y s i c a l mo d e l r e v e a l e d t h a t t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s h a v e b i g g e r d i f f e r e n c e s i n t h e n e a r fi e l d ， b u t a s t h e t h e r ma l d i s c h a r g e s mo v e f a r a wa y f r o m w a t e r o u t l e t t h e d i f f e r e n c e s b e c o me s ma l l e r a n d t h e t wo mo d e l s h a v e a l mo s t t h e s a me i mp a c t a r e a n e ar 1 i s o t h e rm a 1 i n c r e me n t l i n e Ke y wo r d s ：T i e s h a n B a y；t h e r ma l d i s c h a r g e s f r o m p o we r p l a n t s ；a c c u mu l a t e d t h e rm a l i mp a c t ；s e n s i t i v i t y o f p a r a me t e r s ； De l fi 3 D h y d r o d y n a mi c mo d e l 半封闭海湾处于陆海交界处 ， 湾 口狭窄 ， 水深变 化复杂 ， 潮流进 出通道及湾 E l 多为冲刷深槽 ， 湾 内水体与外海水体 交换缓慢 ， 海洋生态 系统脆 弱。 近些年 ， 为适应我 国沿海经济的快速发展 ， 滨海地区 火电、 核 电的建设数量与规模突飞猛进 ， 许多半封闭 海湾也出现数座电厂并存的局面 。采用直流供水系 统的火 、 核 电厂 常年源 源不 断地将 高 于环境水 温 6l 1 的温排水排入受纳海域 ， 必然会对环境水生 态系统产生热影响， 乃至热污染。 由于水体 自 净能力弱、 潮余流复杂、 人类活动频 繁 、 生态保护 目标敏感 ， 半封闭海湾的热影响问题受 到学者广泛关注。周巧菊 采用 P O M 模式建立 了 大亚湾潮流数值模型 ， 并对 大亚湾 内核电站的温排 水进行了模 拟研究 ； 林军 应用 E C O MS E D模式并 耦合实时热通量模块模拟了象山港海域潮流及温度 场 ； 陈春亮等 为了解温排水排入湛江湾后的随潮 输移扩散 ， 应用 E C O M S E D海洋模式计算温排水 的 时空输移路径及温升范围。近些年 ， 环保 问题 日益 凸显 ， 半封闭海湾内温排水 的累积与叠加影 响成为 研究重点 J ， 数学模型作为主要 的模拟手段也得到 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 1 3 0 9 2 5 7) ； 中国水利水电科学研究院科研专项( 水集 1 1 2 6 ) 作者简介： 赵懿垢( 1 9 7 5 一) ， 女 ， 山西忻州人， 高级工程师， 主要从事环境水力学研究。E - m a i l ： y ij u n z h a o 2 0 1 2 1 6 3 t o m 水利水电科技进展 ， 2 0 1 5 ， 3 5 ( 2) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E ma i l ：j z h h u e d u c n h t tp： w w w h e h a iq i k a n c n 4 7 ( a ) 涨潮 ( b ) 落潮 图 5 新建工程 区域局部流场 响， 温升呈伴岸窄带型分布， 1 温升线离岸约 3 0 0m。 新建电厂位于北海 电厂 以南 4 5 k m， 采用厂区 东侧深取 、 南侧浅排的取排水布置方式 ， 取水 口贴近 深槽 ， 水深可达 1 7 m； 排水 口位于厂区南侧浅滩 ， 水 深约 2 m。新建 电厂排热量约为北海 电厂的 3倍 ， 如 图 6所示 ， 电厂投运后 ， 2 C以上高温升区集中于排 水 口附近浅滩水域 ； 但 1 温升影响范围与北海 电 厂重叠 ， 在两个电厂温排水的共 同作用下 ， 1 o C温升 影响范围可达 2 1 6 k m ， 与北海电厂单独运行相 比， 增加了 2 1 k m ； 铁 山湾滩槽相 间的地形格 局以及涨 落潮主流沿深槽往复运动的潮流特点 ， 决定了温排 水的主影响区位于西侧海湾 ， 难 以影响到对岸环境 敏感点。 图 6 全 潮最 大温 升分布 ( 单位 ： o C) 5 3 新建电厂对北海电厂取水温升的影响 新建电厂与北海 电厂的取水 口均位于排水 口北 侧 ， 温排水对取水 的直接影响主要在涨潮时段 ， 但落 潮时铁山湾湾顶在涨潮阶段汇集 的部分热水会随落 潮流经过北海电厂取水水域 ， 并与北海 电厂温排水 一 起南下 ， 经过新建电厂取水 口， 造成一定的取水温 升。通过对新建 电厂投运前后北海电厂取水温升的 比较可知 ， 由新建电厂排水造 成的北海 电厂取水温 升增幅不超 过 0 4 c l = 。考虑 两个 电厂的叠加 影 响 后 ， 北海电厂全潮最大与全潮平均取水温升分别 为 1 0 与 0 6 ， 新建电厂全潮最大与全潮平均取水 温升分别为 1 4 o C与 0 8 。 5 0 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 5 3 5 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 5 4 数学模型与物理模型的对比分析 本文数学模型计算结果与同步开展的物理模型 试验成果对比表明： 两种模型均能反映铁 山湾涨落 潮流场的整体态势及特点， 温排水 随潮输移扩散呈 现出相同的运动规律 ； 如图 7所示 ， 物理模型试验与 数值模拟计算的等温升线影响面积随温升的变化规 律相似 ； 温排水 口近区 ， 物理模型由于能够充分反映 温排水的三维温差浮力效应 ， 温升影响面积较大 ， 但 在远离排水 口区域 ， 温排水水力、 热力三维特性逐渐 消失 ， 温升逐渐降低 ， 两种模拟手段的结果差异逐渐 减小， 4 、 3 C、 2 、 1 温升影响面积的相对误差分 别为 5 0 、 3 5 、 2 8 、 7 ， 在 1 温升线附近二者 的结果基本相同。 6 结语 图 7 影 响面积 随温 升变 化规 律 采用 D e l f t 3 D二 维水 动力数学 模型 ， 对半封 闭 海湾铁 山湾的潮流场及温度场进行 了模 拟计算 ， 依 据实测水文资料对模型进行 了验证 ， 潮位及潮流验 证结果良好 ， 涨落潮 流场反映 了海 区的整体态势 。 研究结果表明， 铁山湾潮差大 、 潮汐作用强 ， 受地形 与岸线影响， 电厂所在水域潮流基本上是受地形 控 制的往复流； 新建电厂投运后 ， 工程局部区域流场发 生改变， 湾 内已有电厂取水温升有所升高 ， 两个 电厂 的温度场产生叠加 累积影响， 但温排水 的主影响区 集中在铁山湾西侧 ， 不会影响到对岸。 参考文献 ： 1夏东兴， 刘振夏 中国海湾的成因类型 J 海洋与湖 沼 ，1 9 9 0， 2 1( 2) ：1 8 5 1 9 1 (X I A D d o n g x i n g ，L I U Z h e n x i a C l a s s i fi c a t i o n o f b a y s i n C h i n a J O c e a n o l o g i a e t L i m n o l o g i a S i n i c a ，1 9 9 0 ，2 1( 2) ： 1 8 5 1 9 1 ( i n C h i n e s e ) ) 2周巧菊 大亚湾海域温排水三维数值模拟 J 海洋湖 沼 通 报 ， 2 0 0 7( 4) ： 3 7 - 4 6 ( Z H O U Q i a 0 j u A t h r e e d i me n s i o n a l n u me fi c s i mu l a t i o n o f t h e r ma l d i s c h a r g e i n D a y a B a y J T r a n s a c t i o n s of O c e a n o l o g y a n d L i m n o l o gy， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 3 7 46 ( i n C h i n e s e ) ) 3林军 象山港海洋牧场规划区选址评估的数值模拟研 究： 滨海电厂温排水温升的影响 J 上海海洋大学学 报， 2 0 1 2 ，2 1( 5) ：8 1 6 8 2 4 (L I N J u n N u m e r i c a l E ma i l ： h h u e d u c n h tt p： www h e h a i q i k a n c n s i mu l a t i o n s t u d y o n s i t e s e l e c t i o n e v alu a t i o n o f ma ri n e r a n c h i n g z o n e i n Xi a n g s h a n B a y：e f f e c t s o f t h e r ma l w a t e r d i s c h a r g e d f r o m c o a s t a l p o w e r p l a n t s J J o u r n a l o f S h a n g h a i O c e a n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ， 2 1 ( 5) ： 8 1 6 8 2 4 ( i n C h i n e s e ) ) 4陈春亮 ， 梁春林， 卢仕严 ， 等 电厂温排水对湛江湾海水 温升的数值模拟及生态影响评价 J 台湾海峡， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 4 ) ： 5 3 0 - 5 3 9 ( C H E N C h u n l i a n g ， L I A N G C h u n l i ， L U S h i y a n， e t a 1 Nu me r i c al s i mu l a t i o n o f s e a wa t e r t e mp e r a t u r e ris i n g a n d t h e e c o l o g i c a l e v alu a t i o n o f t h e e f f e c t o f t h e rm al d i s c h a r g e fr o m a p o w e r p l a n t i n Z h a n j i a n g B a y J J o u rna l o f O c e a n o g r a p h y i n T a i w a n S t r a i t ， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 4 ) ： 5 3 0 - 5 3 9 ( i n C h i n e s e ) ) 5贺益英 对大水域电厂群温排水环境热影响研究的认 识 J 水利水电科技进展 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 2 7 - 2 9 ( H E Yi y i n g A p o n de rin g o v e r r e s e a r c h o n e n v i r o nme n t t he r mal i mp a c t o f c o o l i n g wa t e r d i s c h a r g e d fro m gro u p s o f p o w e r p l a n t s J A d v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 2 7 2 9 ( i n C h i n e s e ) ) 6刘成， 李行伟， 韦鹤平， 等 长江口水动力及污水稀释扩 散模拟 J 海洋与湖沼， 2 0 0 3 ， 3 4( 5 ) ： 4 7 4 48 3 ( L I U Ch e n g，LI Xi ng we i ， WEI He p i n g， e t a 1 Nu me r i c al s i mu l a t i o n o f t h e h y d r o d y n a mi c s a n d s e wa g e d i ff u s i o n i n t h e C h a n g J i a n g R i v e r E s t u a r yJ O e e a n o l o g i a e t L i mn o l o g i a S i n i c a ， 2 0 0 3 ， 3 4 ( 5 ) ： 4 7 4 4 8 3 ( i n C h i n e s e ) ) -4 - - + ”+ ”+-+ 7栗苏文， 李红艳 ， 夏建新 基于 D e ff dD模型的大鹏湾水 环境容量分析 J 环境科学研究， 2 0 0 5 ， 1 8 ( 5 ) ： 9 1 - 9 5 ( L I S u w e n ， L I H o n g y a n ， X I A J i a n x i n D a p e n g B a y w a t e r e n v i r o n me n t c a p a c i t y an a l y s i s o n t h e b a s e o f De l f t 3 D m o d e l J R e s e a r c h o f E n v i r o n m e n t al S c i e n c e s ， 2 0 0 5 ， 1 8 ( 5 ) ： 9 1 _ 9 5 ( i n C h i n e s e ) ) 8张继民， 张新周， 汤红亮， 等 D e l f t3 D在海湾电厂温排 水数值模拟中的应用 J 人民长江， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 ) ： 5 9 6 2 ( Z H A N G J i m i n ， Z H A N G X i n z h o u ， T A N G H o n g l i a n g ， e t a 1 Ap p l i c a t i o n o f De l fl 3 D i n n u me r i c a l s i mu l a t i n g o f t h e r m a l d i s c h a r g e f r o m p o w e r p l a n t i n t h e b a y J Y a n g t z e R i v e r ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 1 ) ： 5 9 - 6 2 ( i n C h i n e s e ) ) 9陆仁强， 何璐珂 基于 D e ff t 3 D模型的近海水环境质量 数值模拟研究 J 海洋环境科学 ， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 6 ) ： 8 7 8 8 8 0 (L U R e n q i a n g ，H E L u k e S t u d y O l l n u me ri c a l s i mu l a t i o n o f e n v i ron me n t al q u ali t y i n c o a s t a l wa t e r b a s e d o n D e l f t 3 D m o d e l J M a r i n e E n v i r o n me n t a l S c i e n c e ， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 6 ) ： 8 7 8 8 8 0 ( i n C h i n e s e ) ) 1 0 陈琴 基于 D e l f t 3 D的洪水污染物输移过程研究： 以钱 塘江典型洪水过程为例 J 人民长江， 2 0 1 3 ， 4 4( 3 ) ： 6 7 - 7 4 ( C H E N Q i n S t u d y o n t r a n s p o r t o f p o l l u t ant i n fl o o d b y De l fl 3 D： t h e c a s e o f t y p i c a l fl o o d p r o c e s s o f Q i a n t a n g R i v e r J Y a n gt z e R i v e r ， 2 0 1 3 ， 4 4( 3 ) ： 6 7 - 7 4 ( i n C h i n e s e ) ) ( 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 2 6 编辑 ： 熊水斌 ) ( 上接 第 1 6页) 5吴亚琼， 赵勇， 吴相林， 等 初始排污权分配的协商仲裁 机制 J 系统工程， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 5 ) ： 7 0 - 7 3 ( wu Y a q i o n g ， Z HAO Yo n g ，WU Xi a n g l i n ，e t a 1 T h e b a r g ain i n g a n d a r h i t r a t i o n me c h a n i s ms o f t h e a l l o c a t i o n o f t h e i n i t i al e m i s s i o n p e rmi t s J S y s t e m s E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 5 ) ： 7 0 7 3 ( i n C h i n e s e ) ) 6张志耀， 张海明 污染物排放总量分配的群体决策方法 研究【 J 系统科 学 与数学 ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 4) ： 4 7 3 - 4 7 9 ( Z H A N G Z h i y a o ， Z h a n g H a i m i n g S t u d y o n g r o u p d e c i s i o n m e t h o d i n a l l o c a t i o n o f pol l u t a n t d i s c h ar g e t o t a l J J o u rna l o f S y s t e ms S c i e n c e a n d Ma t h e ma t i c a l S c i e n c e s ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 4 ) ： 4 7 3 - 4 7 9 ( i n C h i n e s e ) ) 7赵云峰， 徐大伟， 候铁珊， 等 基于A H P的辽河流域排污 权初始分配值测算 J 统计与决策， 2 0 1 3 ( 2) ： 5 0 - 5 3 ( Z H A O Y u n f e n g ， X U D a w e i ， H O U T i e s h a n ， e t a 1 T h e c a l c u l a t i o n o f l i a o he wa t e r s h e d e mi s s i o n s pe rm i t s i n i t i a l a l l o c a t i o n b a s e d o n A H P m e t h o d J S t a t i s t i c s & D e c i s i o n ， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 5 0 - 5 3 ( i n C h i n e s e ) ) 8尚静石 动态规划在河流初始排污权分配中的应用 J 东北水利水电， 2 0 0 6( 5 ) ： 9 - 1 0 ( S H A N G J i n g s h i A p p l i c a t i o n o f d y n a mi c p l a n n i n g i n fi v e r p r i ma ry b o l o w d o w n fi g h t a l l o c a t i o n J Wa t e r R e s o u r c e s H y d r o p o w e r o f N o rt h e a s t C h i n a ， 2 0 0 6 ， ( 5 ) ： 9 - 1 0 ( i n C h i n e s e ) ) 9王媛， 牛志广， 王伟 基尼系数法在水污染物总量区域 分配中的应用 J 中国人 口 资源与环境， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 3) ： 1 7 7 - 1 8 0 ( WA N G Y u a n ， N I U Z h i g u a n g ， WA N G W e i Ap p l i c a t i o n o f g i n i c o e ffi c i e n t i n t o t a l wa s t e l o a d d i s t r i c t al l o c a t i o n f o r s u r f a c e w a t e r J C h i n a P o p u l a t i o n ， R e s o u r c e s a n d E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 8 ， 1 8( 3) ： 1 7 7 1 8 0 ( i n C h i n e s e ) ) 1 O 左其亭 和谐论 ： 理论 方法 应用 M 北京： 科学出 版社 ， 2 0 1 2 1 1 左其亭 人水关系的和谐论研究 J 中国科学院院刊 ， 2 0 1 2 ， 2 7( 4) ： 4 6 9 - 4 7 7 ( Z U O Q i t i n g R e s e arc h o n t h e h a rmo n y t h e o ry m e t h o d o f h u m a n w a t e r r e l a t i o n s h i p J B u l l e t i n o f C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， 2 0 1 2 ， 2 7( 4) ： 4 6 9 -47 7 ( i n C h i n e s e ) ) 1 2 左其亭 和谐论及其应用的关键问题讨论 J 南水北 调与水利科技 ， 2 0 0 9 ， 7( 5 ) ： 1 0 1 1 04 ( Z U O Q i t i n g K e y p r o b l e ms and i t s a p p l i c a t i o n o f h a r m o n y t h e o ry J S o u t h t 0 No rth W a t e r Tr a n s f e r s a n d W a t e r S c i e n c e & T e c h n o l o gy， 2 0 0 9 ， 7 ( 5 ) ： 1 0 1 1 0 4 ( i n C h i n e s e ) ) 1 3 汪斌 淮河流域纳污能力及限制排污总量研究 R 蚌 埠 ： 淮河水利委员会， 2 0 0 6 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 1 8 编辑 ： 熊水斌 ) 水利水 电科技 进展 ， 2 0 1 5 ， 3 5 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E m a i l ：j z h h u e d u c n h t tp： w w w h e h a i q i k a n r t 51