温排水对水体环境影响的数值模拟

由于大部分水体的水流及温升分布均随时间变化，为非恒定动。江段河道复杂，水深相 对于水体表面宽度较小，因此水流运动可简化为沿水深平均的二维非恒定流动。本文将采用 平面二维水流温度场数学模型，对常熟电厂的温排水流场和温度场进行数值模拟，从而为长 江环境管理提供决策依据。
1 工程概况
江苏常熟发电有限公司（以下称一期工程）位于江苏省常熟市吴市乡境内、长江徐六 泾河段的南岸，距常熟市城区 24km。电厂厂址地势开阔，不占良田，具有建设大型电厂的 良好条件。图 1 为常熟电厂附近江段示意图。
1．水动力场 以大潮下流态为例对整个计算区域涨潮和落潮流态进行分析,如图 4～5 所示。 模型计算河段的涨落潮态基本与实际相符，计算表明，河段受径流和潮流双重作用， 电厂排水口附近水域潮流动表现为往复流动，落潮时落潮流靠着电厂流向下游，涨潮时涨潮 流靠着电厂上溯。
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g=9.8m/s2； ε x 和 ε y 分别为ｘ，ｙ方向紊动扩散系数； u* 和 v* 分别为源汇节点周边沿ｘ，
ｙ方向的流速。
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2.2 定解条件
初始条件 边界条件
ζ (x, y,0) = ζ 0 (x, y) u(x, y,0) = u0 (x, y) v(x, y,0) = v0 (x, y)
3.2 定解条件 初始条件 T (x ,y ,0)= T0 (x,y) 边界条件 入流边界， T = T (t) ；出流边界， ∂T = 0, n 为出流边界法向单位矢量。 ∂n
3.3 数值方法
对于方程(4)，仍选用剖开算子法，将其剖分为对流分步、扩散分步及反应分步进行 求解。
4 计算条件的选取
4.1 计算区域
常熟电厂
图 4 大潮落急流场图
h(m) h(m)
常熟电厂
2．潮位验证
图 5 大潮涨急流场图
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 0 -1.0
徐六泾站
计算潮位 实测潮位
5
10
15
20
25
t(h)
图 6 大潮徐六泾站潮位验证图
1.5
1
0.5
0 0
-0.5
徐六泾站
计算潮位 实测潮位
h+ζ h
h+ζ h
为ｘ，ｙ方向的垂线平均流速（ u ' ， v' 分别为任意点流速在ｘ，ｙ方向的分量）； q 为单位
面积上的温排水水量上的源汇强度（m/s）；科氏系数 f = 2ω sin ϕ （ ω 为地球自转的角速
度， ϕ 为计算区的纬度）；谢才系数 c = 1 (h + ζ )1/ 6 （其中， n 为曼宁系数）；重力加速度 n
5.3 温度场计算结果分析
对温升总体状况进行分析，电厂热水从排水口排出后与江水掺混，在潮流和径流的双 重作用下向周围输移和扩散，温升范围主要落在电厂附近江面。
冬季大潮水文条件下，常熟电厂现状机组运行时的温升场包络线分布如图 12 所示。由 图可见，由于电厂附近江段有一定的负流量，潮流为往复流动，因此电厂温排水对排水口上、
常熟电厂现状工程容量为1200MW，配备有4台300MW的改进型燃煤机组，分别于1993 年和1994年建成投产。在现状建设时预留的煤码头、煤场和取、排水口等共用设施位置已被 华润电力常熟二电厂3×600MW机组工程（以下简称二期工程）使用。
1．潮位站布置 本次水文测验期间共布设天生港、营船港、徐六泾、白茆口 4 个固定潮位站，电厂煤码 头 1 个临时潮位站。天生港、营船港、徐六泾、白茆口均属于国家基本站。各潮位站具体布 设位置见图 1。 2．测验垂线布置 根据《实施细则》的要求，本次在测验水域布置 6 条固定垂线，其中 1#、2#、3#采用 ADCP 走航式测流，4#、5#、6#垂线采用定船抛锚测流，另外在测验水域还布置了 6 条测温 垂线。布置点位见图 1。
图 2 计算区域网格剖分示意图图
图 3 电厂附近加密部分网格图
4.2 计算水文条件
计算水文条件为数学模型验证计算以及温排水影响预测计算所需的水文条件都采用现 状冬季实测大潮水文条件和实测小潮水文条件计算。
原型观测水文资料（2006 年 3 月 30 日～31 日为大潮过程、3 月 23 日～3 月 24 日为小 潮过程）作为水流数学模型验证的水文条件以及温排水影响预测计算的水文条件，分别称为 实测大潮和实测小潮水文条件。
上游和下游计算边界均以潮位过程线作为其边界条件；固定边界采用可滑
动边界条件，即 ∂U = 0 （U 为边界水流合速度， n 为固定边界法向单位向量），对于两岸 ∂n
边滩，则按动边界处理。
2.3 数值方法
(1)～(3)式组成的水流模型基本方程中含有非线性混合算子，可采用剖开算子法进行离 散求解[4，5]。这一数值方法可以根据方程所含算子的不同特性，将该方程剖分为几个不同的 子算子方程，各子算子方程可采用与之适应的数值方法求解；这种方法能有效地解决方程的 非线性和自由表面确定问题，具有良好的计算稳定性和较高的计算精度。
冬季小潮位水文条件下，潮位较低，水流掺混作用较弱，电厂温排水影响范围较冬季大 潮时大。
冬季小潮水文条件下的温升包络线面积相对最大，其中 1.0℃等温升值包络线影响面积 1.515km2 ， 2.0℃ 等 温 升 值 包 络 线 影 响 面 积 0.910km2 ， 3.0℃ 等 温 升 值 包 络 线 影 响 面 积 0.636km2，4.0℃等温升值包络线影响面积 0.507km2。
3 平面二维温度场数学模型
3.1 基本方程
∂ ∂t
[(h
+
ζ
)T]
+
∂ [(h
∂x
+ζ
)uT]
+
∂ ∂y
[(h
+ζ
)vT]
=
∂ ∂x
⎢⎣⎡(h
+
ζ
)Dx
∂T ∂x
⎤ ⎥⎦
+
∂ ∂y
⎡ ⎢⎣(h
+ζ
)Dy
∂T ∂y
⎤ ⎥⎦
−
KsT ρCΡ
+
ST
（4）
式中： T 为沿水深的平均温升； Dx 和 Dy 分别为ｘ，ｙ方向的热扩散（涡动分散）系 数（m2/s）； K s 为水面综合散热系数（J/s﹒m2﹒0C）； ρ 为海水密度（kg/m3）； CΡ 为海水 的等压比热（J/kg﹒0C）； ST 为温排水的热量源汇强度（m2﹒0C/s）。
4.3 计算参数的选择
根据大通江段的实际情况，主河道的河床糙率采用 0.018～0.035；水面综合散热系数按
照 Gunneberg F.公式确定[6]，不考虑风速的影响:扩散系数选用 Ex =5.0m2/s， E y =0.5m2/s。
5 模型计算结果分析
5.1 数学模型验证计算
图 6～7 分别为大潮、小潮下徐六泾站潮位验证,图 8～12 分别为实测大、小潮水文条件 下的(选取 1#、2#测平均流速验证计算结果。由图可见，实测水文条件下，平均流速、水位 分布的计算值与实测值相当吻合。表明所建立的水流数学模型较好地模拟了计算江段的水流 变化情况，其计算结果可信，所选取的计算参数合理。
（2）
∂v + u ∂v + v ∂v ∂t ∂x ∂y
= − fu − g ∂ζ ∂y
−
gv u 2 + v 2 C 2 (h + ζ )
+
ε
y
⎡ ⎢ ⎣
∂2v ∂x 2
+
∂2v ∂y 2
⎤ ⎥ ⎦
+
qv* h+ζ
（3）
∫ ∫ 式中: ζ 为潮位； t 为时间； h 为水深； u = 1 ζ u 'dz 和 v = 1 ζ v'dz 分别
（1） 水流运动方程：
∂ζ + ∂ [(h + ζ )u] + ∂ [(h + ζ )v] = q
∂t ∂x
∂y
∂u ∂t
+ u ∂u ∂x
+ v ∂u ∂y
=
fv − g ∂ζ ∂x
−
gu u 2 + v 2 C 2 (h + ζ )
+
ε
x
⎡ ⎢ ⎣
∂2u ∂x 2
+
∂2u ∂y 2
⎤ ⎥ ⎦
+
qu* h+ζ
相对而言，冬季小潮水文条件下 1.0℃等温升值包络线离岸方向扩散距离最远，为 0.699km，仅约占排水口处河道宽度（5.66km）的 12.0％。总体而言，常熟电厂两期工程现 状运行时，温排水分布范围较小，基本限于电厂排水口附近近岸水域，对长江水环境的影响 有限。
常熟电厂
4.0 3.0
随着电力工业的发展,热排放对水环境造成的污染愈来愈受到人们的关注。大量冷却水 集中排放，会使周围的水体升温,不合理排放不但会影响人们的生产生活，而且也会给水体 生态环境带来巨大的影响，甚至使水体恶化，从而导致水体生物大量的死亡。一些发达国家 在20世纪70年代以前就已开始研究电厂热排水对水生生态系统的影响,并相继召开了几次国 际研讨会。从20世纪80年代初,我国专家开始发表与电厂热排水有关的研究成果[1-3]。
计算区域选取电厂上游约 19 公里的营船港断面至下游约 9 公里的白茆河口断面间长约 28 公里的江段，其范围如图 1 所示。全域采用正交曲线计算矩形网格，共布置了 351×81 个
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节点，27194 个单元，在排水口及测点附近进行了网格加密，如图 2、3 所示，整个区域内 最大网格步长为 290m 左右，最小网格步长为 24m 左右，时间步长取 12 秒。

温排水对水体环境影响的数值模拟
孙艳涛，许宁，刘伟