粵東海門岬角動力及取排水工程比選研究

倪培桐， 陳卓英

( 1.廣東省水利水電科學研究院， 廣東 廣州 510630； 2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510630；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室, 廣東 廣州 510630 )

1 研究背景

濱?；?核電廠抽取海水作為循環冷卻水，并通過凝汽器進行熱交換，海水吸收的廢熱通過排水口排出，并隨海水輸運擴散。濱海火/核電廠較優的取排水工程布置方案需要具備3個條件：(1)較少廢熱進入取水口，電廠冷卻效率高，可增加發電量；(2)廢熱窩積區域面積小，對海洋生態環境影響小；(3)取排水口工程的工程量及造價低。溫排水擴散輸運研究是電廠取排水口工程布置重要研究專題。

基巖岬角是華南海岸典型的濱海地貌單元，由于濱海直流火/核電廠對地質、水深、航運條件要求較高，因此實踐中多以基巖岬角作為優選廠址。潮流在岬角地形作用下形成環流、射流、分離流等復雜動力結構，往往會影響水體的擴散輸運模式，并進一步影響取排水口工程的布置方案。國內外很多學者研究了復雜動力結構下的輸運問題，吳超羽[1]提出華南沿海廣泛存在地形作用下的小尺度動力結構。Wei Xing等[2]指出大亞灣的動力結構與其核電廠的廢熱輸運路徑密切相關。岳均堂[3]、陳惠泉等[4]提出了基于輻散、輻合流的差位式取排水口工程布置原則。陳凱麒等[5]研究了海岸凸體形成的分離流及其輸運作用。國內廣泛用數學模型研究廢熱隨潮流的運動規律及優化取排水口布置問題[6-13]。

海門電廠位于海門岬角東側，于2010年建成投產，冷卻水工程運行良好。本文總結了電廠在初步設計階段取排水工程布置比選、確定過程[14]，為類似水文、地貌邊界下的電廠取排水工程設計提供借鑒。

2 數據與方法

2.1 研究區自然概況

廣澳灣和海門灣位于為廣東省汕頭市潮陽區境內，兩個海灣之間的尖山、大煙墩、龍頭山等低山丘陵構成了兩個海灣之間的岬角，本文稱為海門岬角。練江在潮陽區海門鎮附近注入海門灣。廣澳灣是復式螺線海灣，西側為龍頭角，灣的東西兩側第一岬角分別為馬耳角和海門角，其灣口弦長16 km。兩岬角的基巖海岸為侵蝕供沙海岸，由于花崗巖抗蝕能力強，后退緩慢，海岸侵蝕供沙及附近陸地供沙都不多，堆積海岸淤泥也慢，至今仍為限于岬角之間平衡岸線以內的袋狀海灘。虎仔至龍頭山，以深海灣地形平緩，坡降為1%～2%。

圖1 工程附近海區地形及水文測點圖

2.2 水文觀測與地形數據

研究采用的水文資料為2004年9月(夏秋季)、2005年7月(夏季)海門岬角附近海域大、中、小潮水文觀測資料[15]，觀測站位見圖1。對比附近海域水文觀測資料，如惠來電廠1993、2004年水文觀測資料，可以看出2005年7月實測資料可較好地代表夏季潮型。研究采用的地形資料為1∶25000、1∶120000兩種不同比例海圖，海門岬角近區水下地形圖采用實測1∶2000地形圖。

2.3 水文與氣象特征

本地區屬亞熱帶海洋性氣候，氣候比較溫和，年平均氣溫21.6℃。本地區常風向為ENE和NE向，頻率分別為21.9%、14.5%。季風變化明顯，冬季多偏北風，夏季多偏南風，春末和夏初季節，受冷暖氣團交替影響，風向多變，其強風向和常風向為NEN向，頻率在20%以上。

附近海域西側的海門灣為不規則日潮混合潮，而東側的廣澳灣為不規則半日潮混合潮。西側潮差較小，東側潮差較大。海門灣的漲潮歷時比落潮歷時短，廣澳灣的灣口東側附近的漲潮歷時比落潮歷時長。

海門灣內的潮流為不規則半日混合潮流，其他區域測站各層潮流均為規則半日潮流。除了廣澳灣和海門灣的灣頂鄰域的潮流較弱外，其他區域的潮流均較強。根據2005年7月水文觀測數據[14]，灣口東側L2站表層最大可能潮流流速、流向為99 cm/s、237°；在灣內的岬角西南方，廣澳灣與海門灣間的岬角附近L6站的表層最大可能潮流流速、流向為67 cm/s、224°。岬角附近海區的余流主要受夏季粵東沿岸流的影響。海門灣口的L10站表層余流最強，其最大表層余流流速、流向為37.6 cm/s、22.0°。在灣內岬角的西南方，廣澳灣與海門灣間的岬角附近L7站表層最大余流流速、流向分別為34.4 cm/s、30.6°。

2.4 取排水工程概況

電廠的規劃總裝機容量為6×900MW，取水、排水流量為189.6 m3/s，排、取水溫差為8.12℃。排水口、取水口布置設計方案與防波堤布置形式密切相關，根據防波堤平面布置方案，取、排水工程平面布置有14種組合方案:(1)與防波堤由東北防波堤+南防波堤方案對應的排取水口有4種組合方案(圖2(a))。方案1、方案2均為在港池內取水，方案1的排水口位于龍頭角以北，方案2的排水口位于龍頭角以南。方案13、方案14均為南防波堤以南排水，方案13的取水口位置位于港池內，方案14的取水口位置位于龍頭山以南。

(2)與無防波堤方案對應的取排水口布置組合方案為方案3～方案6(圖2(b))；與東北防波堤方案對應的取排水口方案為方案7～方案8(圖2(c))；與南防波堤方案對應的取排水口方案為方案9～方案12(圖2(d))。

2.5 數學模型建立

采用平面二維數學模型進行冷卻水工程方案比選分析，離散求解方法為建立在三角形單元網格上的破開算子有限元法，該方法已經在多個電廠項目中應用[9-12]。根據實測海流的流向及大小，考慮模型東邊界為南澳島，西邊界為靖海鎮，模型范圍包括海門灣、廣澳灣在內。模擬水域面積約1 500 km2，綜合考慮計算效率及精度，計算范圍內三角形網格高度最小約為20 m，模型計算范圍與網格剖分見圖3。

圖2 各取排水口方案示意圖

圖3 模型計算范圍與網格剖分

結合預報及實測潮位數據確定外邊界條件，經過反復調試使各主要驗證點潮位、流速均滿足相關規程規范要求。模型糙率取值為0.025～0.03，由smagorinsky公式計算紊動黏性系數。由以往經驗熱擴散系數取值為5 m2/s，對于取排水口布置方案比選是可行的。按照全國統一公式計算水面綜合散熱系數，夏季取值約為48.5 W/(m2·℃)。

利用2005夏季大、中、小潮測流數據對模型計算流速、潮位及流向進行了驗證，僅選擇列出夏季中潮H2站潮位、岬角附近L4、L7站及外海區L2、L10驗證點資料(圖4)，其他測點驗證數據參見文獻6。結果表明各個驗證點的計算流速、潮位及流向過程線與原體實測數據基本吻合。圖5給出了整個計算域內漲、落潮流的流速分布情況，漲潮流自西南進入廣澳灣，落潮流相反；海門岬角區流速較大，海門灣、廣澳灣灣頂位置流速較弱，工程附近區域內整體計算流態與實測流態符合較好，表明本模型能較好地反映計算水域的原體潮流運動特征。

圖4 模型計算與原體實測潮位、流速及流向過程線對比

圖5 夏季小潮流場圖

3 結果與討論

3.1 溫排水輸運擴散

由于小潮期間的潮流流速相對較小，熱污染輸運擴散較慢，廢熱容易窩積，從工程運行安全的角度，選擇2005年夏季小潮作為排取水口布置方案比選的代表潮型，時間為2005年6月30日10時-7月1日11時。不同取排水方案溫升等值線圖見圖6。從計算結果看，不同方案的溫排水輸運擴散有以下特點：

(1)各方案溫排水的輸運擴散形態總體上類似，特別是1℃和0.5℃等溫升線形態。溫排水主要分布在海門岬角東北的廣澳灣內，很少向西越過海門岬角進入海門灣。這與廣澳灣漲潮流強度大、持續時間較長，且落潮流較弱有關。不同方案取、排水口附近的等溫升線有較大差別，反映了不同防波堤型式及取排水口布置方案形成的排水口附近的水流結構差異和廢熱輸運能力不相同(圖6)。

(2)東北防波堤+南防波堤方案：取水溫升隨取排水口距離增加而降低，是分列式布置方案的典型特征。方案1的平均取水溫升較方案2低約0.21℃，主要是方案1的取水、排水口距離較方案2長約1km。方案13、14取排水口距離較近，發生溫排水的“短路”現象，表現為熱水自排水口直接流入取水口，取水溫升較高。與方案1、2相比，排水口布置在南側違反了分列式布置中排水口在下游的一般原則。

(3)無防波堤方案：方案3、4、5均為北排南取方案，溫升分布等值線沿岸線分布，在落潮期間溫排水隨水流更易進入取水口，造成一次取水溫升，出現溫排水的“短路”效應，如方案4可達3.97℃，而在漲潮期間溫升較低，如方案4最低溫升僅為0.5℃，表明在無防波堤條件下，仍需要加大取排水口之間的距離，才可以降低取水溫升。方案6為南排北取方案，無論漲潮落潮都呈現溫排水的“短路”效應。

(4) 單東北防波堤方案:溫排水運動特點與方案1、2類似，方案8的排水口位于龍頭角以南，與方案7相比，溫升等值線偏南。方案8的平均取水溫升較方案7高0.2℃。

(5) 單南防波堤方案:方案9的取、排水口均位于南防波堤的北側，溫排水受南防波堤的阻擋，窩積于南防波堤北側，無論漲潮、落潮取水溫升都較高。方案10的排水口位于南防波堤的南側，屬于南排北取方案，無論漲潮落潮都呈現溫排水的“短路”效應。方案11、12屬于北排南取方案，溫排水向東北方向擴散為主，同時南防波堤阻止了溫排水隨落潮水流進入取水口，兩方案取水溫升都較低，平均取水溫升小于0.6℃。

各方案溫升面積及取水溫升值見表1。

圖6 不同取排水方案溫升等值線圖

方案東北堤南堤排水口位置取水口位置溫升面積/km2>4℃>3℃>2℃>1℃>0.5℃取水溫升/℃最大最小平均1有有龍頭山以北港池內北端5.237.8813.4328.7559.060.85 0.61 0.71 2龍頭山以南3.907.0814.0133.5068.281.17 0.81 0.98 3龍頭山以北港池北端5.488.7913.9329.6255.565.09 0.39 2.53 4無無龍頭山以北港池南端6.048.9815.1431.8260.233.97 0.50 1.65 5龍頭山以南6.519.6816.0034.5365.634.34 0.95 2.11 6南堤以南港池北端2.697.3714.9631.9966.285.61 3.18 4.09 7有無龍頭山以北港池內北端4.857.1812.8727.9959.370.82 0.74 0.78 8龍頭山以南3.556.4813.2932.8967.361.06 0.95 1.01 9龍頭山以北港池內北端5.036.8012.2829.9262.755.92 4.93 5.43 10無有南堤以南1.774.428.7529.1967.263.43 2.89 3.17 11龍頭山以南南堤以南3.625.5210.1025.8360.670.66 0.55 0.59 12龍頭山以北3.295.1910.8829.9463.740.60 0.50 0.53 13有有南堤以南港池內北端2.945.3613.4831.8668.225.56 4.46 5.08 14南堤以南龍頭山以南3.585.6611.6930.4768.862.81 2.18 2.56

注：潮平均等超溫線面積是對全潮過程中，對每一位置的溫升取平均后得到的溫升包絡線面積。

3.2 討 論

選擇相對穩定的流動結構進行優化取排水口工程布置，對于降低工程投資、提高工程運行效率、減輕廢熱的環境生態影響有重要意義。上文的溫排水擴散輸運及取水溫升結果說明了方案的優劣。為了進一步分析工程布置的合理性，需要分析不同時空尺度的流動結構對溫排水輸運的影響,其中粵東沿岸流、岬角分離流、潮流、排水口射流對均有重要意義。按照明渠寬100 m、排水流速2.5 m/s估計射流核心區長度約500 m，另外排水口附近回流有利于熱水與環境水體的摻混，但尺度僅102m，對取排水口布置的方案比選影響較小。

夏季粵東沿岸流的空間尺度為104～105m,自西南流向東北方向。與潮流疊加后在廣澳灣表現為漲潮流強于落潮流，且漲潮歷時比落潮歷時長。因此對于分列式取排水口布置而言，南取北排是合理的布置方案。如方案1、2、7、8、11、12的取水溫升在整個潮周期內都較低，最大值小于1.2℃，表明這些方案從取水溫升的角度是可行的。

北取南排方案如方案6、9、10、13、14，排水口布置在廠區的西南側，受潮流及沿岸流影響，溫排水向北、東輸運為主，致使取水溫升漲潮、落潮均較大，方案不可行。

分列式方案要求取水口與排水口之間有足夠的距離和水域，以便溫排水通過熱氣交換達到平衡。如方案3、4、5雖然是北排南取方案，由于取排水口距離稍短，排水口排出的熱水會隨落潮流進入取水口，造成一次短路現象，表現為取水溫升隨潮波動較大。

防波堤體現了人工岬角作用，對于分列式而言，相當于延長了兩側熱水漲落潮流的流線距離，防止溫排水直接進入取水口，如方案1、2、7、8、11、12的取水溫升較低且溫升過程線平穩，從電廠取水溫升角度看方案可行。

海門岬角東西兩側分別是海門灣和廣澳灣，漲、落潮流流向基本與岸線平行(與岬角延伸方向垂直)，岬角兩側形成的岬角分離流結構。相對于管道取水、排水而言，近岸明渠取水、排水具有投資低、易于施工和易于維護等優點。本文比選的14種取排水工程方案均為分列式明渠取水、排水方案，這主要與工程廠區平面位置，偏于岬角東側有關，取水口與排水口也都布置在廠區東側。事實上，如果廠區平面位置西移500 m左右，使得取水口布置在海門灣、排水口布置在廣澳灣，則可以利用岬角形成的分離流，使得取水和排水位于不同的流道，可以達到取水溫升最佳的效果。雖然是明渠取水、排水模式，但是由于充分利用了岬角分離流結構，在取排水口布置上則定義為差位式取排水口布置方式，這種布置方式對于取排水工程而言，具有投資低、易于施工，易于維護等優點。

4 結 論

(1)粵東沿岸流及海門岬角西側廣澳灣漲潮流速及歷時強于落潮流速及歷時的近岸流動規律決定了分列式取排水方案中南取北排方案是合理的布置方案。防波堤體現了人工岬角作用，延長了兩側熱水漲落潮流的流線距離，但不足以使南取北排方案成立。

(2)方案1、2、7、8、11、12從取水溫升的角度是可行方案。方案6、9、10、13、14的排水口布置在南側違反了分列式布置中排水口在下游的一般原則，方案不可行。 方案3、4、5取排水口距離稍短存在一次短路現象，方案也不可行。另外取水、排水口也可選擇分別布置在海門灣和廣澳灣，明渠取水、排水模式，是適應海門岬角動力結構的差位式取排水口布置方式。