湛江灣海域溫排水溫升分布及熱環境容量模擬

孫 琰，許源興，韓澤文，李 卓，何露雪，徐廣珺,3，劉大召,3

（1.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；2.中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450；3.廣東省海洋遙感與信息技術工程技術中心，廣東 湛江 524088）

隨著我國區域經濟的快速發展，各行各業的用電需求與日俱增，近年來沿海地區大力興建電廠，使得河口海岸地區的電廠布局緊張[1]。多數電廠采用直流冷卻系統，大量冷卻水直接流入海洋，造成受納水體溫度上升，改變水體環境質量，從而產生不可忽視的潛在生態環境問題。

在對電廠排熱影響范圍及程度的研究中，數值模擬作為常用方法之一得到了廣泛發展與應用，通過計算得到海水流場與高溫水的分布特征，從而對溫排水進入水體后的漂移擴散規律進行定量描述。McGuirk 等[2]采用二維深度平均模型計算得到溫排水在排放口附近的溫升分布；Hamrick 等[3]利用ECDC 建立三維數值模型模擬Peach Bottom 核電站溫排水對附近水域水溫的影響；汪求順[4]等通過建立溫排水數值模型，分析杭州灣溫排水的熱擴散過程，總結該處海域潮差與溫升變化的關系；白玉川等[5]結合渤海灣圍填海模擬結果，分析不同圍填海條件下渤海灣的溫排水造成的溫升擴散分布規律；李紹武等[6]采用MIKE 數值模型與杜比公式結合的計算方法，分析防波堤對電廠附近海域溫升分布的影響。在溫排水漂移擴散規律的研究基礎方面，有學者通過數值模型結合周邊環境敏感區的特點，預測分析電廠排熱口不同布置方式對溫升范圍的影響，對不同排水方式與排放位置進行優化篩選，給出最優排放方案與選址建議[7-8]。此外，數值模擬方法也應用于環境容量的研究中，通過綜合考慮受納海域水質標準、近岸生態環境等因素計算出受污染水域環境容量總量與剩余環境容量，為海濱電廠排熱量確定、水質目標管理與水質功能區劃提供技術支持[9-12]。

本研究基于Delft3D 數值模型，綜合模擬湛江灣內現存的多處電廠溫排水造成的溫升與熱量積累效應，利用試算法計算各排熱口附近海域的熱環境容量總量與剩余熱環境容量，對湛江灣海域電廠熱排放進行全面統籌規劃，為溫排水指標的確定提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區自然條件概況

研究區為湛江灣（圖1），湛江灣西北臨湛江市，南北長約15 km，東西寬約24 km，屬于半封閉型海灣，其入口小、內腹大，南西北三面由東海島、湛江市、南三島環繞組成，是一狹長天然良好水域[13]。湛江灣納潮面積約264.1 km2，港灣納潮量約5.4×108m3，灣內徑流弱、潮流強。湛江灣海域的潮汐屬于不正規半日潮，兩次高低潮的潮差較大，根據湛江港多年實測資料統計，年平均高潮位3.04 m，平均低潮位0.87 m，多年平均潮差為2.16 m，平均漲潮與落潮歷時分別為7 h 與5.5 h，漲潮歷時大于落潮歷時，落潮時的流速大于漲潮時流速。

圖1 電廠、驗證點位置示意Fig.1 Geographical location of power plants and verification points

1.2 湛江灣海域環境功能區及溫排水排放分布

湛江灣海域近岸建有多處港口、碼頭、養殖區且存有多個海洋環境保護區，灣內的水質條件對生態環境產生重要的影響[14]。對污染物排放的限制主要依據，是海洋功能區劃與所對應的海水水質標準。依照《廣東省海洋功能區劃(2011?2020)》對湛江灣的功能區劃與所執行的水質標準，湛江港保留區按規劃要求為“保留現狀”，根據廣東海洋大學2020 年9 月所開展湛江灣水質調查航次中16 個站點的水質實測數據，分析化驗表明該區為四類水體，后續將按照四類水質標準計算）。根據《海水水質標準》(GB3097-1997)中規定，對于第一、二類海域海水水質，人為造成的海水溫升夏季不超過當時當地1 ℃，其他季節不超過2 ℃；對于第三、四類海域海水水質，人為造成的海水溫升不超過當時當地4 ℃的標準確定各湛江灣各功能區所對應的水體溫升限制。根據收集的湛江市規劃與湛江灣海洋工程環評報告等[15-17]，湛江灣內電廠溫排水排放位置、排放方式、排放流量與溫升數據見表1，其中京信電廠采用深水排放方式，其余兩電廠排熱口分別設在淺層和表層，處于湛江灣內灣的湛江電廠，排放流量最大，達到142 m3/s，三個電廠溫升在8～9 ℃之間。湛江灣作為吸收三處電廠余熱的受納水體，水體的溫升對湛江灣生物種群的生長繁殖與群落結構產生一定的影響。針對湛江灣的電廠排熱布局現狀，計算研究區域海域的溫升分布以及熱環境容量，有利于生態環境的保護與資源的合理利用。

表1 各電廠的溫排水排放數據Table 1 Data of thermal discharge of the three power plants

1.3 Delft3D數學模型

本研究采用Delft3D 模型的FLOW 模塊，計算模擬湛江灣海域水動力環境。Delft3D 是一個可用于河口、港灣及海洋的數學模型，對于潮流場、污染物輸移擴散的模擬已被應用于許多研究中[18-21]。FLOW 模塊在Navier-Stokes 方程的基礎上，基于靜水壓強假定和Boussinesq 近似，采用循環隱式進程ADI（Alternating Direction Implicit）方法進行離散求解非線性淺水方程。在正交曲線坐標系(ξ,η)下，沿水深積分的連續性方程為：

其中，ζ為潮位，d為水深，t為時間為曲線坐標系與直角坐標系之間轉換系數；u、v分別為ξ和η方向上的速度分量；Q為單位面積的源或匯流量。

模型在ξ和η方向的動量方程為：

其中，f為科氏力；ρ0為水體密度；Pξ和Pη為ξ和η方向水壓力梯度；Fξ和Fη為ξ和η方向紊動量通量；Mξ和Mη為源（匯）項的動量分量。

熱量輸運方程：

其中，c為溫度，ω為垂向速度，σ為垂向坐標，DH與DV為水平和垂向擴散系數，λd為一階衰減過程。模型中通過對k-ε紊流模式，基于紊動擴散原理與實測值，對擴散系數進行校正[22]，最終得出DH取1～10 m2/s，DV取0.001 m2/s。S為單位面積的源和匯項，其包含水的排放或抽出以及自由表面的熱量交換：

其中，qin與qout分別為單位排放源與單位取水源，單位為1/s，cin為排放溫度，Qtot為通過水體自由表面與大氣的熱量交換，有些研究中采用綜合散熱系數來表征水氣之間的熱量交換過程，但使用經驗公式計算后精度有限[23]，本研究選用更為精確的海洋熱通量模型，通過引入太陽的垂直輻射強度、相對濕度與云覆蓋率，計算背景輻射、蒸發以及對流引起的熱量損失，此外，當空氣與水體溫度發生自由對流時，該模型也計算了潛熱與感熱的自由對流[24-25]，計算公式為：

其中，Qsn為短波輻射，Qan為長波輻射，Qbr為反向散射，Qev為蒸發熱通量，Qco為對流熱通量。研究所用氣象數據均來源于NCEP的逐月再分析數據。

1.4 模型網格與參數

基于Delft3D-FLOW 模塊建立的模型的計算域，包括湛江灣及其近海水域約5.65 × 103km2，其東北-西南方向約為116.2 km，西北-東南方向約為68 km。為了模型邊界處的計算穩定，外海開邊界設置為弧形。模型采用正交曲線網格，根據研究區海域的地形與水動力環境特征劃分網格，使得網格方向與岸線方向總體垂直，并在湛江灣內重點關注水域進行網格加密處理，整個計算域包含10 246 個網格與6 406 個網格節點，網格分辨率為30～1 800 m。模型垂向分為10 層，從表層至底層每層占10%比例。外海開邊界采用俄勒岡州立大學中國海潮汐模型所提供的8 個主要分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1）調和常數驅動潮位。模型采用冷啟動，初始溫度場設置為湛江灣夏季海水平均溫度28.9 ℃，京信電廠、湛江鋼鐵電廠與湛江電廠排熱溫度分別為36.9、37.9、36.9 ℃，按照電廠的實際排熱深度，在模型中相對應層深設置排放源。水陸邊界采用絕熱條件。經過率定計算域底床糙率取0.015～0.022，水平與垂向紊動黏滯系數分別取10 m2/s 與1×10-6m2/s。計算時間步長為60 s，計算時段為7～9 月，模型輸出的時間分辨率為1 h。模型的計算域網格見圖2。

圖2 模型計算域網格Fig.2 Model grids of the calculation area

2 結果與討論

2.1 模型驗證

為驗證Delft3D模型的模擬效果，將模型計算的潮位、潮流與實測數據進行對比驗證，驗證模擬時段分為大潮、小潮兩個階段，大潮驗證時間為2016年3月8 日12 時至3 月9 日12 時，小潮驗證時間為2016年3月16日16時至3月17日16時，研究區內L1、L2兩個潮位站點與S1、S2 兩個潮流站點分布見圖1。圖3和圖4分別表示大、小潮期間的L1、L2點的潮位驗證結果和大潮期間S1、S2潮流驗證結果。

圖3 潮位驗證Fig.3 Verification of tidal level

圖4 大潮流速流向驗證（S1、S2）Fig.4 Verification of tidal current speed and direction during spring tide(S1、S2)

為了進一步對模型計算結果評估，采用平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差（RMSE）、相關系數（r）以及Willmott[26]提出的統計學方法模型技術評分(Skill)進行定量評價。

模型技術評分：

其中，Xi為模擬值，Yi為觀測值，N為時間序列為模擬值的平均值為觀測值的平均值。MAE、RMSE 值越接近于0，代表模型計算的效果越好；r越接近于1，代表模擬計算的值與觀測值越接近；模型技術評分Skill>0.65，表示模型比較符合實測值，Skill的值越低，表明計算與實測越不相符。

在驗證時間段內，L1、L2 潮位驗證的MAE 為0.023、0.05，RMSE 為0.26、0.19，r為0.98、0.99，模型技術評分為0.98、0.99；S1、S2的流速驗證的MAE為0.003、0.03，RMSE 為0.11、0.12，r為0.80、0.82，模型技術評分為0.89、0.90；S1、S2 流向驗證的MAE 為11.37、23.52，RMSE 為59.82、35.50，r為0.79、0.94，模型技術評分為0.89、0.95。

綜上所述，本研究建立的潮流數學模型，在潮位、潮流方面實測與模擬計算值擬合度較好，模擬計算值與實測值數據的變化趨于一致，可以認為模型能較準確地反映湛江灣海域潮流環境。

2.2 模擬結果分析

2.2.1 潮流場模擬分析 圖5 為模型計算的湛江灣及其近海海域，漲急流場與落急流場的分布圖，通過計算分析發現該海域的漲、落潮方向大致與東海島、南三島東側岸線垂直，漲潮時來自外海的潮波通過模型開邊界進入計算域，海水大致呈東南向西北方向傳播，落潮時潮流沿原路返回，流向外海。

圖5 計算域漲急與落急流場分布Fig.5 The current of the calculation area at the moment of fastest flood and fastest ebb

湛江灣內海域海流受潮汐作用較為明顯，在湛江灣獨特狹長地形影響下呈現明顯往復流特征，漲、落潮期間海水從湛江灣口航道匯入或流出，漲潮時海流從湛江灣口以及南三島北側水道匯入灣內，在灣口到灣頂大致呈東南-西北流向；落潮時湛江灣內北部水道與西側海流在匯聚后一并向東南方向流出灣外。流速方面，灣口區域為流速高值區，其流速最大可達1.4 m/s；海流進入灣內后，過水斷面增大使得流速下降，基本表現為航道深水區平均流速大于其他海域，淺灘、島嶼以及近岸地區流速最小，總體上漲潮平均流速略小于落潮平均流速。

2.2.2 溫升平面分布 目前我國對溫排水的監管與控制，多采用“一事一議”的方法來確定每一個濱海電廠溫排水對環境的影響，這就可能忽略了多個排熱口之間的互相疊加影響，本研究綜合三個電廠的排熱數據，計算得出湛江灣內溫排水造成的溫升分布，主要集中在東海島北側與湛江灣內灣河道，圖6給出湛江灣大小潮期間漲憩與落憩四個特征時刻，湛江灣海域表層的溫升分布圖。

在東海島北側海域往復流的帶動下，在此的京信電廠溫升區沿岸線呈帶狀分布，京信電廠的排熱對其西側的東頭山島產生了不同程度的影響，并產生一定的熱量積累，在大潮漲憩時對東頭山島影響的范圍最廣（圖6(a)）。

位于湛江灣口的湛江鋼鐵電廠排熱口附近海域，大潮時潮動力強勁，溫排水得到充分摻混并且能隨著漲落潮更遠，這使得鋼鐵電廠與京信電廠之間的熱量積累更加明顯，兩電廠之間在大潮時產生的溫升大于0.5 ℃。在小潮潮型時，水體摻混能力弱，高溫水擴散距離短，0.5 ℃溫升范圍主要集中在排熱口附近（圖6(c-d)）。

圖6 特征時刻溫升分布（溫升：0.5～4 ℃）Fig.6 Temperature rise distribution at characteristic time（Temperature rise:0.5～4 ℃）

湛江灣上游的湛江電廠，排熱量較大且為淺層排放，一個潮周期內溫升帶分布變化規律比較明顯。漲潮時溫排水沿河道向北轉移至淺水區，0.5 ℃溫升線最遠到達灣頂，在落潮時溫排水隨潮流向南轉移，在大潮落憩時0.5 ℃溫升線向南最遠擴散約14.6 km（圖6(b)）。值得注意的是灣頂區域屬五里山港海洋保護區，其執行溫升不超過1 ℃的水質標準，但在大潮漲憩時刻2 ℃溫升線深入保護區約1.4 km（圖6(a)），已遠超出限定功能區劃水質限制。

在溫升面積方面，溫排水在各排熱口附近產生了不同程度的影響，不同潮型0.5 ℃的溫升包絡面積大潮略大于小潮，大潮時漲、落憩的0.5 ℃溫升包絡面積分別為73.3、73.21 km2，小潮漲、落憩0.5 ℃溫升包絡面積分別為72.6、67.7 km2；3.5 ℃的溫升包絡面積小潮大于大潮：大潮時漲、落憩的3.5 ℃溫升包絡面積分別為0.96、1.4 km2，小潮漲、落憩3.5 ℃溫升包絡面積分別為4.1、3.6 km2?？傮w來看，大潮高溫升（3.5 ℃）面積小，低溫升（0.5 ℃）面積大，而小潮時與之相反，這是大潮的水動力強于小潮，使得大潮時水體摻混程度較高造成的。

2.3 熱環境容量計算

2.3.1 熱環境容量計算方法 環境容量是環境的一種屬性，指環境所能容納某種特定活動或活動頻率的能力。環境容量的大小即為特定海域自凈能力強弱的指標，是海水自凈能力綜合表現的定量描述[27]。

溫排水進入受納水體后，與環境水體發生摻混稀釋，并隨潮流輸移擴散將熱量帶向遠區。熱污染相較于其他污染物質沒有濃度的概念，所以在熱環境容量的計算中，對熱污染更重視的是溫升范圍的控制。試算法是目前計算熱環境容量的較為常用方法。假設某污染源的排熱量W（單位：m3·℃/s），計算其全潮最大溫升分布，然后根據溫升影響范圍是否滿足環境評價指標來調節W，如溫升影響符合環境標準，則可以繼續增大W，直至滿足評價指標的最大熱排放量W0，即為熱環境容量。根據熱環境容量的計算結果，可以對附近海域的水熱環境進行評估，從而達到熱排放總量控制的目的。本研究根據《海水水質標準》和《廣東省海洋功能區劃(2011?2020)》的相關規定，確定湛江灣外的湛江—珠海近海農漁業區執行溫升不超過1 ℃的一類水質標準；東海島北側工業城鎮用海區、湛江港保留區與內灣水道執行溫升不超過4 ℃的四類水質標準；特呈島海洋保護區與內灣水道北側五里山港海洋保護區執行溫升不超過1 ℃的二類水質標準。

此外，一般污染物在剛排出到受納水體當中時，會使得一定范圍內水體溫度顯著增加，在此范圍外污染物受到混合、稀釋，濃度迅速降低，以此范圍內的水體溫度來研究熱環境容量是不準確的，這就需要引入“混合區”這一概念，來代表排熱口附近的允許水質超標的區域?；旌蠀^設定需要全面綜合的考慮，若混合區設定范圍過大，會忽略一定的水體處理能力；若范圍設定過小，則將會過度限制污染物的排放[28]。針對湛江灣水域情況，根據《污水海洋處理工程污染控制標準（GB18486—2001）》：污水排放到面積小于600 km2海灣時，混合區范圍面積A由此來判定：

其中，A0為計算至港口位置的海灣面積，單位為m2。

湛江灣模型計算域面積約為269.13 km2，小于600 km2，故適用式（10）計算混合區面積。通過計算得出混合區面積約為1.35 km2，混合區半徑約為1 162 m。但是由于湛江灣內灣水道較窄，1 162 m的混合區半徑可能占據整個水道，又根據國家環境保護總局《近岸海域環境功能區管理辦法》，確定混合區范圍時要綜合考慮當地的水動力條件等，湛江灣內灣河道潮流、水交換情況與湛江灣其他海域相比較為獨特，故本研究在內灣河道不設置稀釋混合區。

2.3.2 熱環境容量總量計算 本研究以三個電廠現有熱排放為起算點，采用模型試算法逐步改變W，直至溫升包絡線邊界處的溫升達到水質限制標準，即為所求熱環境容量。通過36 次試算得到湛江電廠排熱口附近海域熱環境容量為2 952(m3·℃)/s，湛江鋼鐵電廠排熱口附近海域熱環境容量為1 870(m3·℃)/s，東海島北側京信電廠排熱口附近海域熱環境容量為4 745 (m3·℃)/s。東海島北側京信電廠附近海域潮動力較強，且四類水質標準的功能要求使得該處海域的熱環境容量最大；而位于京信電廠東側湛江灣口的湛江鋼鐵電廠排熱口，雖然附近海域水交換率大，自凈能力高，但同時要滿足灣外湛江-珠海近海農漁業區所執行的一類水質標準，使得該處海域的熱環境容量受到了極大限制；位于內灣上游的湛江電廠附近海域水交換能力弱且在北側五里山港海洋保護區二類水質標準的制約下總熱環境容量最小。

2.3.3 剩余熱環境容量 環境容量總量與現狀污染物排海通量的差，即為剩余環境容量。當剩余環境容量大于0 時，代表區域海域理論上還能容納更多該種污染物；當剩余環境容量小于等于0時，表示污染物當下排放通量已經超過允許排放量，應當削減排放。結合表1 溫排水排海流量，總熱環境容量減去各電廠已使用熱環境容量，得出三處電廠排熱口附近海域的剩余熱環境容量（圖7）。其中東海島北側京信電廠排熱量占用其附近海域熱環境容量的33.6%，剩余容量為66.4%；湛江鋼鐵電廠現有排放占用其附近海域62.8%，還有37.2%的剩余環境容量；湛江電廠附近海域已使用的熱環境容量已超出其最大容量，剩余熱環境容量為-77.6%。綜上所述，京信電廠附近海域環境容量還有較大剩余；湛江鋼鐵電廠近海熱環境容量總量較小，在目前排溫情況下環境余量較少，后續開發利用需注意；湛江灣內灣上游的湛江電廠的溫排水排熱量已經遠超過該海域的熱環境容量，在其附近海域容易產生熱量積累，需要改進排污工藝流程或減排才能減少熱污染對生態環境造成的損害。

圖7 各電廠溫排水熱環境容量對比Fig.7 Comparison of heat environmental capacity of each power plant

3 結論

本研究針對湛江灣潮汐水域多個電廠高溫水排?，F狀，應用Delft3D 水動力與熱通量模塊，結合電廠排水工程的實際排放工況，建立能反映電廠溫排水熱力特性的三維數學模型，繪制了特征時刻的溫升分布圖，并結合現有規范區劃，使用試算法計算了熱環境容量，綜合分析得到以下結論：

1）三處電廠排熱口附近均有一定的熱量積累，3.5 ℃的溫升包絡面積在大潮漲、落憩時分別為0.96、1.4 km2；在小潮漲、落憩時分別為4.1、3.6 km2。

2）潮動力對半封閉海灣湛江灣中溫排水的擴散與分布起主導作用。在大潮時高溫升（3.5 ℃）面積小，低溫升（0.5 ℃）面積大，小潮時反之。

3）在現有的排放布局下，湛江灣內灣水道北端的五里山港海洋保護區，在大潮漲憩時刻2 ℃溫升線深入保護區約1.4 km，超出了水質限定標準；東海島北側的東頭山島周邊海域受溫排水作用明顯，有一定的熱量積累。

4）計算得出湛江灣各電廠附近海域的熱環境容量：京信電廠>湛江電廠>湛江鋼鐵電廠，分別為4 745、2 952和1 870(m3·℃)/s。進一步計算各電廠附近海域的剩余熱環境容量，京信電廠附近海域剩余熱環境容量最大（66.4%），而湛江電廠的熱排放已經超標77.6%，對該海域生態環境產生了熱污染影響。

因此，湛江電廠可通過削減排熱量，或通過增加通風冷卻塔、循環水池等優改進排水工藝，降低電廠排熱對海域生態環境的影響；東海島沿岸兩電廠熱環境容量仍有剩余，可適當加以開發利用，但要注意排熱量過大會使兩電廠熱污染產生疊加，避免溫升帶在潮流作用下到達特呈島海洋二類水質保護區和湛江灣外的湛江-珠海近海農漁業一類水質區。