基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

第33卷第5期

2014年10月海洋环境科学MAＲINEENVIＲONMENTALSCIENCEVol．33No．5October2014基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

赵懿臖1，李振洲2，袁珏1，曾利1

（1．中国水利水电科学研究院，北京100038；2．深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳518029）

摘要：阐述了受纳水体热环境容量的内涵，提出了基于热环境容量评价指标与热环境容量模拟的滨海电

在潮流数值模拟基础上建立了热环境容量数学模型，并结合水质厂温排放控制方法。以黄茅海海域为例，

与生态要求获取了三个控制指标。采用模型试算法，确定了该海域目前的热环境容量为1725m3"℃/s，在

建核电厂投运后排热量为1500m3"℃/s，满足相应的热环境容量要求。研究结果可为温排放的统筹管理

和海域资源的阶梯开发提供技术支撑。

关键词：热环境容量；数值模拟；温排放；控制指标

中图分类号：X32文献标识码：A文章编号：1007-6336（2014）05-0688-05

DOI:10.13634/j.cnki.mes.2014.05.007

Thermalemissioncontrolofcoastalpowerplantsbasedonheatenvironmentalcapacity

ZHAOYi-jun1，LIZhen-zhou2，YUANJue1，ZENGLi1

（1．ChinaInstituteofWaterＲesourcesandHydropowerＲesearch，Beijing100038，China；2．ChinaNuclearPowerEngineeringCom-panyLtd，Shenzhen518029，China）

Abstract：Theconnotationofheatenvironmentalcapacityiselaboratedforreceivingwaterbodies．Themethodofcon-trollingthermalemissionfromcoastalpowerplantsispresentedbasedonassessmentindexesandsimulationofheatenvironmentalcapacity．ThemathematicalmodelisestablishedfortheheatenvironmentalcapacityofHuangmaoSeabasedonthenumericalsimulationfortidalflow．Threecontrolindexesareobtainedaccordingtotherequirementsofwaterqualityandecosystem．Theheatenvironmentalcapacityoftheseaisdeterminedas1725m3"℃/sbytrialsimu-lation．Theamountofthermalemissionofnuclearpowerplantunderconstructionis1500m3"℃/s，whichsatisfiescorrespondingrequirementofheatcapacity．Theresearchresultsmayprovidetechnicalsupportsfortheoverallman-agementofthermalemissionandcascadedevelopmentofmarineresources．

Keywords：heatenvironmentalcapacity；numericalsimulation；thermalemission；controlindex

近年来，我国河口与沿海地区不断兴建大型

火核电厂，沿海布局十分紧张。绝大多数电厂采

用直流冷却系统，常年连续不断地将高于环境水

温6℃～11℃的热水排入环境海域。电厂温排

含热量大，进入受纳海域后，必然会对水流量大、

海洋生态环境产生热影响，严重时将形成热污染。

同一海区共存数座电厂时，温排水还会产生叠加

与累积影响。为实现电力与环境的和谐发展，保护我国海洋生态系统，必须对我国沿海地区的热排放进行阶梯开发、统筹管理。因此，依据热环境容量以及剩余环境容量要求，采用数值模拟手段，在考虑海区已有热排放源基础上，对新建电厂温排放进行控制研究具有重要的实际意义，可为温排放控制与管理提供决策依据与技术支撑。1986年，联合国海洋污染专家组提出采用箱式模型进行海洋环境容量的计算［1］，随后国内外收稿日期：2013-06-13，修订日期：2013-08-23

基金项目：国家自然科学基金项目（51139003）；中国水利水电科学研究院科研专项（水集1126）

作者简介：赵懿臖（1975-），女，山西忻州人，高级工程师，博士研究生，研究方向为环境水力学，E-mail：yijunzhao2012@163．com

基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

第5期赵懿臖，等：基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

689

学者相继开展了相关研究［2-5］，但这些研究基本围绕一般耗氧有机物、重金属、N、P、油等开展。热环境容量的研究起步相对较晚，尤其在我国，目前水温对海还处于发展阶段。主要原因在于：首先，洋生态系统的影响研究尚未形成体系。不同海区的水文条件、水动力特征、水生生物种类千差万别，对水温的要求也不同。虽然已经有部分学者浮游植物、浮游动逐渐开展了一些水温对水质、

物、底栖动物、鱼类的研究［6-9］，但还不够全面，缺乏系统的、完善的定量评价体系；其次，目前我国水质标准中对于水温的规定十分笼统，根本没有涉及温升影响区的空间尺度，没有可操作性［10］；第三，管理部门尚未建立宏观的、基于海域热环境容量和承载能力去统筹控制温排放的体系。近些年，也陆续有学者开展了热环境容量的相关研究。朱奕提出河道热环境容量的概念，采用解析公式计算法和数值模型试算法研究汉江襄樊电厂段河道的热环境容量［11］；陈新永参照海洋环境容量的概念定义了海洋热环境容量，基于温升带控制法提出定量研究海域热环境容量［12］；张慧、孙英兰等利用模型试算法计算了黄岛电厂附近海域的热环境容量和剩余环境容量［13］。

结合一般环境容量的定义，热环境容量的内涵可理解为满足海域环境质量标准或水生态要求的最大允许排热量Wo（m3·℃/s）。热环境容量电厂自身取水要求、海域功能与温排放控制标准、

区划、生态保护目标、海区的水文及水动力条件紧密相关。热环境容量数值模拟不同于传统的热影响预报模拟：前者重在受纳海域的整体规划，事先结合环境保护目标要求确定热环境容量，通过数学模型优化排放口位置及排热量，为梯级开发海域资源、合理布局工程项目提供技术支撑；而后者针对预先给定的排放口及排热量，模拟预报这些条件下温排水的热影响范围及程度，为环境评价提供数据。随着滨海大型火、核电厂蓬勃发展，环境保护要求日益提高，基于热环境容量进行温排放的控制模拟研究越来越重要。11．1

基于热环境容量进行温排放研究的思路确定热环境容量评价指标

热环境容量评价指标主要包括：温排放混合区的大小、海域功能区划以及环境保护目标对温升的要求等。我国《海水水质标准》（GB3097-

对于第一、二类海域海水水质，人为1997）规定，

造成的海水温升夏季不超过当时当地1℃，其他季节不超过2℃；对于第三、四类海域海水水质，人为造成的海水温升不超过当时当地4℃。对于采用直流循环冷却系统的滨海电厂，排水温度一般高于环境水温6℃～11℃，因此在排口周围必然存在一个不受《海水水质标准》限制的区域，即水质标准暂监管混合区。在监管混合区内要求，

缓执行或有条件满足，但水体的完整性和利用仍然得到保护［14］。我国现行标准对混合区还没有明确的、可执行的要求。另外，不同海域，生物种类也有很大差别，主要保护目标对水温的要求也不同。因此，不同海域热环境容量的评价指标应结合当地条件具体确定。1．2

计算海域热环境容量

温排水排入受纳海域后，与环境水体发生掺混稀释，并随潮输移扩散将热量带向远区，同时，通过水面的蒸发、对流作用将热量散发到大气。温升分布及影响范围与海区的岸线、地形、水文、气象以及取排水布置息息相关。数值模型是进行热环境容量预报的重要手段。由于热环境容量数学模型的研究对象为整个海域，需要统筹考虑已建、在建、拟建电厂的叠加与累积影响，因此，模拟范围应该足够大。模型试算法是目前确定热环境容量的一种常用方法，具体做法是：选择不利水文气象条件，假定排热量为W（m3"℃/s），计算全潮最大温升分布，判断温升影响范围是否满足热容量评价指标要求，如不满足，则调整W，直至满足要求。以此方法求得的满足评价指标的最大热排放量Wo（m3"℃/s）即为热环境容量。在此基础上，依据热环境容量对新建工程进行评估，并提出排热量限值要求。需要注意的是，在进行热环境容量计算时，必须考虑已有海域已有排放热源的本底影响。2

工程实例

本文以黄茅海海域为实例，建立热环境容量数学模型，结合混合区、海域功能区划、生态保护目标等要求，预报了热环境容量，提出对新建核电工程排热量的控制要求。2．1

海域概况

黄茅海系珠江八大尾闾的崖门水道和虎跳门水道出海的喇叭状河口湾，径流弱、潮流强。

基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

690

海洋环境科学第33卷

如图1所示，湾内分布有黄茅、南水、三角山、大忙、大襟等主要岛屿，外围则有高栏岛、荷包岛为屏障形成外侧岛链，河口湾通过岛间峡口与外黄茅海南北长约海相连。若以外侧岛链为界，

38km，湾口宽24km，海域总面积527．7km2，容积约13亿m3。黄茅海水下地形多年来一直呈三槽三滩的格局，三槽即北槽（主槽）、东槽和西槽；三滩即西滩、东滩和拦门浅滩。湾内深槽水深为7m～12m，湾外由北向南逐渐加深，在上川岛以东的乌猪洲岛周围水深可达20m～30m

。

划，厂址海区执行三类水质标准，黄茅岛以北执行二类水质标准，要求1℃温升线不能进入。同时，在核电厂取水水域、大襟岛南侧有白海豚自然保护区，要求1℃温升线不能进入核心区。2．3

数学模型

选择垂向平均二维潮流及热扩散数学模型进行热环境容量模拟预报。控制方程如下：

连续方程：

HHuHv

++=0txy

运动方程：

τsx1guuuuζ

+u+v+g+2+vtxyxCHρHHu1u（HE）（HE）-fv=0

xxHyy

（2）（1）

τsy1gvvvv+u+v+g+2+vtxyyCHρHHv1v（HE）（HE）+fu=0

xxHyy

热扩散方程：

1ΔTΔTΔT1ΔT

+u+v=（HD）+

HxHytxyx（HD

图1

黄茅海水下地形

Fig．1TopographyofHuangmaoSea

（3）

ΔTKsΔT

yρCpH

（4）

式中：H为水深（m），H=hb+ζ，hb为基准面以下水深（m）；ζ为相对基准面水位（m）；u，v分别为x，y方向垂向平均流速（m/s）；t为时间变量（s）；C为谢才系数（m1/2/s），C=H1/6/n；n为糙率系数；E为广义粘性系数（m2/s）；ΔT为水体超温T#，T为水温（℃），T#为自然水温（℃），ΔT=T-（℃）；D为广义热扩散系数（m2/s）；Ks为水面综合散热系数（W/m2"℃）；ρ为水体密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）；Cp为水的定压比热（kJ/kg·℃）；f为柯氏力系数；τsx、τsy为表面风应力τs在x，y方向的分量。

控制方程在三角形离散网格上采用分步杂交法进行数值求解。水流连续方程要求每个单元质量守恒，使用在一个时间步长上建立于集中质量单元的守恒格式；动量及物质输运方程的离散求解采用分布杂交法进行。

模拟范围如图1，包括广海湾和黄茅海口外的大小岛屿，计算水域面积超过5700km2，计算网格单元最小高度经分析后定为30m。

潮流场计算初始条件为零启动条件，即全场

该海区潮汐属不正规半日潮，多年平均高潮位1．065m，多年平均低潮位－0．029m，平均潮差1．09m。潮流属略带旋转的往复流，在河口旋转方向为逆时针，在黄茅海中央为顺时针方向，岛链附近海域中表、底水层不尽一致，经常出现上下风、大陆径流、表层沿岸层相反。余流相对较强，

水、地形以及未消除的长周期潮汐等是影响余流方向和大小的主要因素。2．2

热环境容量控制指标

监管混合区是温排水审评中的重要指标，目前我国多采用一事一议。针对台山核电厂址，有结学者［15］依据海区表层海水温度进行统计计算，合该海区主要海洋生物的温度依赖特性，得到温排水混合区边缘温升限值为3℃，并采用30%生态功能减弱程度作为生物可接受上限，据此获得核电厂温排水混合区的最大允许面积为16km2。

黄茅海海域目前有已建台山火电与在建台山核电一期工程。根据工程海区近岸海域功能区

基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

第5期赵懿臖，等：基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

691

流速给定为零。对于岸边界，采用流速滑移条件；对于水边界采用给定潮位过程。温度场计算初始条件为零温升。对于水陆边界，采用绝热条件；对于开边界，水流流出，边界条件由计算给出，水流流入，采用温升梯度为零。

模拟计算过程中糙率系数n=0．02～0．025，粘性系数E=（0．1～5）m2/s，物质扩散系数D=（1～10）m2/s，水面综合散热系数Ks根据厂址气象资料由《工业循环水冷却设计规范》推荐公式计算得到为48W/m2"℃。2．4

工程区域流场计算结果分析

不利潮型条件下，工程区域的涨落潮流场见图2。涨潮期间，来自外海的涨潮流从上川岛与

高栏岛间进入电厂附近水域，并分三支进入黄茅海：东支从高栏岛与荷包岛之间水道进入黄茅海；中支自大襟岛与荷包岛之间呈N向进入黄茅海；西支为上川岛与大襟岛之间涨潮流的一部分，从鹅咀排与大襟岛之间呈转NE向，流入黄茅海。青栏头与鹅咀排之间的通道是涨潮流进入广海湾的主要通道。落潮期间，黄茅海内退潮海流沿湾口各岛屿之间水道分三股流入外海。湾内的落潮流流向主要受岸线与地形控制，而在湾口以及湾外的开阔水域，受西向风作用明显，产生东南或东向余流。广海湾内堆积的海水从三峡口向东南方向下泄，在湾口与黄茅海南下的落潮流汇合后流向外海。湾外的落潮流呈现明显的东向流

。

图2工程区域涨落潮流场

Fig．2Flowfieldoffloodandebbtideintheprojectarea

2．5热环境容量计算结果分析

如图3所示，已运行的台山火电采用厂址南

水质和白海豚保护核心区的要求。按此方法，求得研究海域热环境容量Wo=1725m3"℃/s。

核电一期排热量小于最大允许排热量，满足热环境容量要求。考虑台山火电与台山核电的叠加累积影响，全潮最大温升分布如图3所示。核电排水附近全潮最大3℃温升影响范围为14km2，取水温升不超过0．5℃、对火电造成的附加温升影响不超过0．1℃。

海域热环境容量减去核电一期排热量为剩余热环境容量，经计算为225m3"℃/s。因此，核电远期建设必须采取一定的减排措施，如排水冷却塔或喷淋降温等方式，使得排水温度降低后再排入环境海域。

侧港池内明渠取水、东侧扩散段排水的取排水布置，排热量1125m3"℃/s。台山核电一期工程采用大襟岛西南侧明渠接跨海隧洞取水，东侧岸边明渠排水的取排水布置，排热量为1500m3"℃/s。不利潮型条件下，黄茅海湾口及外海宽阔水域呈现明显的东南向余流，温排水向大襟岛方向的扩散能力增强，温升影响区更容易向东南离岸方向扩展。考虑海域已经存在的台山火电排热，在此基础上假定核电最大允许总排热为W（m3"℃/s），直至同时满足3℃采用模型试算法，不断调整W，温升影响范围小于16km2以及1℃温升不进二类

基于热环境容量的滨海电厂温排放控制模拟研究

692

海洋环境科学第33

卷

参考文献：

［1］GESAMP．EnvironmentCapacity：Anapproachtomarinepollu-Ｒ］．Nairobi：UNEP，1986．tionprevention［

［2］CHUATE．Marinepollutionpreventionandmanagementin

theEastAsiaSeas：Aparadigmshiftinconcept，approachand1999，39（1-12）：80-methodology［J］．MarinePollutionBulletin，88．

［3］张存智，韩康，张砚峰，等．大连湾污染排放总量控制研究-海

湾纳污能力计算模型［J］．海洋环境科学，1998，17（3）：1-5．［4］王修林，崔振国，李克强，等．渤海CPD入海通量及其分配容

J］．海洋环境科学，2009，28（5）：497-500．量优化研究［

图3核电一期全潮最大温升分布

［5］王长友，王修林，李克强，等．东海陆扰海域铜、铅、锌、镉重金

2010，32属排海通量及海洋环境容量估算［J］．海洋学报，（4）：63-76．

［6］谢允田，魏民，石岩，等．热排水对浮游藻类的季节变化影响

Fig．3Themaximumtemperatureincrementfieldofthenu-clearpowerplantinstageⅠ

3结论与建议

从统筹规划管理海域热排放角度出发，提出

的研究［J］．水电站设计，1997，13（3）：65-67．

［7］金琼贝，盛连喜，张然．电厂温排水对浮游动物的影响［J］．

环境科学学报，1989，9（2）：208-217．

［8］胡德良，杨华南．热排放对湘江大型底栖无脊椎动物的影响

2001，2（1）：25-27．［J］．环境污染治理技术与设备，

［9］姜礼燔．热冲击对鱼类影响的研究［J］．中国水产科学，

2000，7（2）：77-81．

［10］赵懿臖．火（核）电厂温排水热污染防控体系研究概述［J］．

水利水电科技进展，2012，32（1）：74-77．

［11］朱奕．电厂温排放的水环境数学模拟及热环境容量计算

［D］．南京：河海大学，2005：47-51．

［12］陈新永．近岸海域电厂温排水数值模拟及热环境容量研究

［D］．南京：河海大学，2007：49-51．

［13］张慧，孙英兰，余静．黄岛电厂附近海域热环境容量计算

J］．海洋环境科学，2009，28（4）：430-437．［

［14］陈晓秋，商照荣．核电厂环境影响审查中的温排水问题［J］．

核安全，2007（2）：46-50．

［15］刘永叶．核电站温排水的热污染控制研究［D］．北京：国家

原子能研究院，2010：64．

基于热环境容量进行温排放控制的研究思路，阐述了热环境容量的含义及数学模型的特点。以黄茅海海域为例，在二维潮流数值模拟基础上建立热环境容量模型。结合海域特点，建立三个热环境容量控制指标，考虑海域已有热源排放的影响，采用模型试算法计算了热环境容量，结果表明：热环境容量为1725m3"℃/s，核电一期工程投运后剩余环境容量为225m3"℃/s。

热环境容量大小与控制指标紧密相关，由于我国目前尚未建立完善的温排放控制标准，对于混合区的范围也没有明确限定，热环境容量的合理性有待于更深入的探索和研究。但随着相关标准逐步建立，基于热环境容量进行温排放的统筹管理对于解决电力发展与环境保护之间的矛盾具有实际意义与重要作用。