三門灣春季溫排水增溫效應數值模擬研究

丁躍平, 郭遠明, 李鐵軍, 薛 彬, 張玉榮

(浙江省海洋水產研究所, 農業部重點漁場漁業資源科學觀測實驗站, 浙江省海洋漁業資源可持續利用技術研究重點實驗室, 浙江 舟山 316021)

三門灣位于浙江沿海中部, 是一個西北-東南方向的半封閉海灣, 灣內海岸線曲折, 港汊縱橫, 潮灘發育,主要類型為舌狀潮灘。三門灣流域面積為3 160 km2, 灣內河流年徑流量為26.8×104m3, 水域面積約775 km2,其中高泥灘面積約295 km2, 灣內主要水道為貓頭水道、滿山水道和石浦水道, 這些水道是灣內與外海水交換的主要通道, 并由灣內水岔道流入高泥灘水域[1]。

三門核電站地處三門灣內的三門縣六敖鎮貓頭山半島, 總占地面積740萬m2, 近期安裝2臺125萬kW核電機組, 全面建成后, 將形成6臺125萬kW核電機組的發電能力, 裝機總容量將達到750萬kW, 發電機組冷卻水采用海水直接排放循環方式, 冷卻水進入三門灣后將增加海水溫度, 進而對三門灣內的生態環境產生影響。

唐建華和徐雪峰等對三門灣潮流進行了數值模擬研究, 分析了潮流輸運的狀況和圍墾對動力環境的影響[2-3]。

數值模擬方法是一個對溫排水環境影響有效的研究工具, 許多學者采用數值模式對溫排水增溫效應進行了研究[4-8]。為了評價冷卻水排放對三門灣水溫的影響程度, 作者采用三維海洋動力-熱力數值模式, 模擬計算了在春季氣候條件下, 冷卻水排放對三門灣海水增溫的影響范圍和程度, 為研究三門灣海洋生態環境的變化提供參考。

1 三維海洋動力-熱力模式

1.1 模式簡介

美國普林斯頓大學Blumberg和Mellor于1977年共同建立了三維斜壓原始方程海洋模式 POM(Princeton Ocean Model), 在20世紀80年代中期, 發展了 POM 模式適用淺水的版本 ECOM(Estuarine and Coastal Ocean Model), 再加入一般的開邊界條件及示蹤物、底邊界層、沉積物輸運等功能后, 發展成一個有多種功能的淺海三維海洋動力-熱力-沉積物模式ECOMSED。該模式在我國及世界淺海海域得到廣泛應用。

本文采用ECOMSED模式研究三門灣核電機組冷卻水排放對海水的增溫效應。

ECOMSED模式包含一個二階湍流閉合子模型提供垂向混合系數; 垂向采用Sigma坐標系統, 能夠比較方便地處理淺海變化的海底地形; 采用 Arakawa C交錯網格; 水平方向時間差分采用顯式格式, 垂向時間差分采用隱式格式。后者減小了對垂向時間步長的限制, 并允許對海面邊界和底邊界使用較小的垂直分辨率; 模型有一個自由面和一個分離時間步長。外模態是二維的, 使用較小的時間步長, 內模態是三維的, 使用較長的時間步長; 使用完整的熱力學方程組。

1.1.1 連續性方程及動量方程

雷諾平均動量方程

其中,為水平對流速度,W為垂向速度。U為水平x軸向速度,V為水平y軸向速度;ρ0為基準密度,ρ為計算液體的密度;KM為垂向湍流摻混系數, 其大小決定速度的垂直分布;Fx和Fy為湍流擴散項,f為科氏參數,g為重力加速度,P是壓力。

在深度z處的壓強為:

其中,Patm大氣壓力 ,η是水位偏差。

1.1.2 溫、鹽守恒方程

其中,θ為位溫(淺水時可以是現場溫度),S為鹽度,KH為熱鹽垂向湍流混合系數,Fθ, FS表示位溫和鹽度的源匯項。

密度是θ和S的函數, 即:

小尺度過程引起的運動通過FX,FY,Fθ,S引入模型, 其表達式如下:

其中AM,AH分別表示水平和垂直分子黏滯系數,Fθ,S表示位溫和鹽度方程中的小尺度過程。

1.1.3 海面和海底邊界條件

a) 在自由海面z=η(x,y)處:

其中(τox,τoy)為海面風應力。

b) 在底邊界z=H(x,y)處:

其中(τbx,τby)為底摩擦應力。

1.2 模式參數

模式采用四層完整動力-熱力方程, 垂直σ值分別為 0.0, –0.38, –0.96, –1.0。水平差分網格采用正方形網格,DX=183 m,DY=184 m,DT=4 s。開邊界潮位采用A站2012年4月28日0時~6月1日0時逐時潮位資料的調和分析預報值作為模式開邊界潮位驅動。

對6個潮流測站(圖1)分別在大潮(2012年5月20日10時至21日12時)、小潮(2012年5月13日9時至14日11時)期間連續27 h觀測表層潮流與模式計算表層流比較, 模式水域采用理論深度零線作為模式水域邊界, 計算的表層流可以較好地擬合觀測潮流, 其中溫排水口附近的潮流變化擬合較好,見圖2、圖3。

溫度、鹽度模式開邊界采用在23#和26#站觀測的大潮期間溫、鹽資料做調和分析, 采用日周期和半日周期調和常數計算出模式計算期間的逐時溫、鹽分布。

氣溫、風速采用三門氣象臺2012年5月1日0時~31日23時逐時觀測氣溫和風速。

太陽短波輻射采用在三門灣附近自1999年9月至2005年8月期間258個無云晴天觀測資料, 得出春季晴天逐時總太陽短波輻射量逐時分布, 云覆蓋系數取0.4。

取寧波氣象臺1951年~2004年共計54年平均年降水量1.380 m。相對濕度75%, 平均大氣壓1010.0 hPa。

根據全球海洋蒸發量客觀分析資料集(ftp://ftp.whoi.edu/pub/science/oaflux/data_v3/monthly/evapora tion/), 取三門灣附近海域 2012年海面年蒸發量9.974 m。

在ECOMSED模式中取AANDBFLX模塊計算海氣表面熱力交換過程。

模式初始場為靜止態動力場和恒定溫鹽場, 在邊界強迫潮位、溫鹽和太陽短波輻射及觀測氣溫、風速作用下起算, 經過 72 h后, 計入溫排水效應計算序列, 共計算31 d。

圖1 三門灣溫排水站位、海流、潮汐觀測站位分布Fig.1 The distribution of stations for warm water discharging, monitoring ocean tide and current in Sanmen bay

圖2 17#站觀測-計算潮流比較Fig.2 Comparison between tide monitoring and calculation at station #17

2 近期冷卻水排放影響

根據工程計劃, 近期將建設2座125萬kW機組,冷卻水采用直排方式, 排放流量為 155.32 m3/s, 溫升 7℃(冷卻水溫度高于排放海域海水溫度的度數),溫排水位置在工程南部近岸海域。采用該參數, 在三門灣溫排水模式中計算冷卻水排放引起的增溫效應。在相同的動力-熱力強迫條件下, 無溫排水與有溫排水模式計算的溫度場之差為增溫場。

圖3 6#站觀測-計算潮流比較Fig.3 Comparison between tide monitoring and calculation at station #6

2.1 溫排水增溫極值影響范圍

溫排水進入三門灣后, 在潮流熱輸送、潮混合以及太陽輻射和海氣熱交換的作用下擴散, 根據 1個月模式時間計算的各增溫等級逐時增溫場面積分布分析, 增溫面積的大小主要受到潮流熱輸運效應大小的影響。在大潮期間, 潮流較大, 對溫排水的熱擴散十分有利, 這時期的增溫面積較小。在小潮期間,潮流流速緩慢, 對溫排水的熱擴散不利, 各增溫等級的增溫水面積較大。底層溫度增溫面積的月變化比表層小, 是因為底層水主要靠垂直混合和外海熱輸送的作用, 其熱慣性比表層大。表層增溫等級為1、2℃的分級逐時面積見圖4~圖5, 最大面積分布見圖6~圖7。

圖4 表層升溫1℃面積分布Fig.4 Distribution of area with surface temperature increasing 1℃ at different time points

圖5 表層升溫2℃面積分布Fig.5 Distribution of area with surface temperature increasing 2℃ at different time points

圖6 表層升溫1℃最大面積分布Fig.6 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 1℃

圖7 表層升溫2℃最大面積分布Fig.7 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 2℃

模式計算表、底層溫度增溫分布分析表明, 增溫幅度為 1、2℃時, 最大增溫面積多出現在無風或風小的中午和午后低潮期間, 最小增溫面積多出現在凌晨和夜間漲潮期或高潮期。對于增溫在3、4℃, 最大增溫面積多出現在夜間高潮期, 最小增溫面積多出現在凌晨的漲潮中間時刻。

表1是各增溫等級的極值面積, 表、底層增溫1℃時面積最大, 表層增溫1℃的面積最大、最小值相差87倍, 底層增溫 1℃的面積最大、最小值相差 464倍;表層增溫 2℃的面積最大、最小值相差 41倍, 底層增溫2℃的面積最大、最小值相差32倍; 表層增溫3℃的面積最大、最小值相差 19倍, 底層增溫 3℃的面積最大、最小值相差2倍; 表層增溫4℃的面積最大、最小值相差8倍, 底層增溫4℃的面積最大、最小值相差11倍。

在月度時間內, 三門灣溫排水增溫影響范圍有較大的極值變化, 最大影響范圍與最小影響范圍的差值在表層大于底層, 以1℃影響范圍大小極值變化最大。

表1 表、底層各增溫等級極值面積Tab.1 The maximum and minimum areas of surface and bottom layers in different temperature increasing grades

2.2 溫排水增溫頻率影響范圍

由于受潮汐和太陽輻射等因素的影響, 三門灣內海水溫度有多周期變化, 其中日周期、半日周期和半月周期變化的幅度較大, 另外受到風速和氣溫的變化影響也較大。為了確定溫排水在 4個增溫等級中面積大小的出現頻率, 作者對增溫水體出現頻率和位置進行了分析。

表2是各等級表、底層增溫頻率面積分布。增溫水體主要出現在排水口南北兩側沿岸海域, 其中以增溫 1℃時, 表、底層 10%頻率出現的面積最大,80%頻率出現的增溫面積最小。

表2 表、底層各增溫等級頻率下的面積分布(km2)Tab.2 Area distribution of frequency in surface and bottom layers in different temperature increasing grades (unit:square kilometer)

3 遠期冷卻水排放影響

根據工程計劃, 遠期建成6座125萬kW機組,冷卻水采用直排方式, 排放流量465.96 m3/s, 溫升7℃。采用該參數, 在三門灣溫排水模式中計算冷卻水排放引起的增溫效應。

3.1 溫排水增溫極值影響范圍

遠期溫排水量增大后, 對三門灣海水溫度環境增加了較大壓力, 表現在水溫增溫 1、2℃面積大幅增加, 對三門灣海洋環境產生一定影響, 見圖8~圖9。但是 3、4℃增溫的水體面積較小, 高增溫水體的影響范圍依然較小。表層增溫水平分布見圖10~圖11。

三門灣潮汐漲落的熱輸送作用依然是溫排水熱擴散的主要動力機制, 但是在溫排水量大幅增加的情況下, 潮汐熱輸送作用沒有變化, 所以, 溫排水增溫對三門灣內的環境影響范圍有大幅增加。

增溫水體的面積在低潮期出現最大值, 在高潮期出現最小值, 底層海水增溫范圍較小, 增溫范圍主要出現在表層。

表3是各增溫等級極值面積, 最大的增溫水體面積出現在表層1、2℃等級, 底層增溫水體面積比較小。

3.2 溫排水增溫頻率影響范圍

遠期增加溫排水量后, 增溫面積增大主要出現在表層, 表、底層海水增溫1℃的10%頻率面積幾乎占據整個三門灣(表4)。表、底層海水增溫2℃的10%頻率面積也較大, 3、4℃的增溫10%頻率面積都比較小。表、底層水體增溫1℃的較大面積將產生持久穩定影響, 表、底層水體2℃增溫也產生較大范圍的影響, 其他增溫水體的影響范圍都比較小。

圖8 表層升溫1℃面積分布Fig.8 Distribution of area with surface temperature increasing 1℃ at different time points

圖9 表層升溫2℃面積分布Fig.9 Distribution of area with surface temperature increasing 2℃ at different time points

圖10 表層升溫1℃最大面積分布Fig.10 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 1℃

表3 表、底層各增溫等級極值面積Tab.3 The maximum and minimum areas of surface and bottom layers in different temperature increasing grades

圖11 表層升溫2℃最大面積分布Fig.11 Distribution of maximum area with surface temperature increasing 2℃

表4 表、底層各增溫等級頻率的面積分布( km2)Table 4 Area distribution of frequency in surface and bottom layers in different temperature increasing grades (square kilometer)

4 結論

(1) 近期工程建設后, 在 5月份氣候狀況下, 溫排水進入三門灣海域將對工程附近海域溫度產生增溫影響, 最大增溫影響在表層, 底層增溫影響較小。增溫 1℃的影響范圍最大, 增溫 4℃的影響范圍最小。增溫水體范圍有較大的日變化, 1℃增溫范圍的最大日變化可達 20 km2。增溫水體短期侵占(頻率10%)的海域面積較大, 長期侵占(頻率 80%)的海域面積較小。

(2) 遠期工程建成后, 溫排水量大幅增高, 在 5月份氣候狀況下, 溫排水對三門灣海水溫度影響范圍大幅增加, 其中以1℃增溫范圍增加最大, 4℃增溫范圍增加較小。增溫水體面積的日變化將增大。溫排水增溫 1℃的水體將對三門灣內海域產生持續穩定的大范圍影響。

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