長江河口石洞口水域電廠溫排水輸運擴散觀測和分析

張沈裕， 朱建榮

（1.華能上海石洞口第一電廠，上?！?00942；2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上?！?00062）

長江河口石洞口水域電廠溫排水輸運擴散觀測和分析

張沈裕1， 朱建榮2

（1.華能上海石洞口第一電廠，上海200942；2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海200062）

本文基于2014年11月23日至12月2日觀測資料，分析石洞口附近水域電廠溫排水輸運擴散.在大潮期間，從水溫縱向斷面分布看由電廠排放的溫排水明顯，落潮時段最大溫升4.1oC，漲潮時段最大溫升達到5.1oC；僅在排水口附近水溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象，其他地方因潮流的強烈混合作用，水溫垂向分布趨于均勻.從水溫和溫升平面分布看，在落潮時段沿岸水溫高，離岸水溫低，在華能石洞口電廠排水口附近溫升最大量值達到4.0oC，溫排水在落潮流和科氏力作用下沿岸向下游輸運擴散.在漲潮時段石洞口附近高溫水相比于落潮時段偏向上游，離岸范圍大，溫升最大值達到4.2oC.從定點連續(xù)測點的流速、流向和水溫隨時間變化看，若測點位于電廠上游漲潮期間水溫上升，若測點位于電廠下游落潮期間水溫上升，水溫受附近電廠溫排水影響.測點離電廠排水口越近溫升越高、垂向變化越明顯.小潮期間，由于寒潮過境，因表面失熱，水溫比大潮期間低，最大水溫出現(xiàn)在電廠排水口附近水體中層.溫升的分布特征與大潮期間類似，最大量值達到5.0oC，比大潮期間高了0.8oC，原因在于小潮期間潮流和潮混合較小，溫排水口高溫水不易向外輸運擴散.

溫排水；輸運擴散；現(xiàn)場觀測；長江河口

0　引　言

電廠發(fā)電機組運行，需要冷卻水降溫發(fā)電機組.冷卻水一般取自河流和海水，冷卻機組后水溫上升，隨后排入河流和海洋，稱之為溫排水.溫排水溫升一般在7～10℃，會對附近水域帶來熱污染，尤其是對排水口附近敏感水域，如濕地保護區(qū)和水庫取水口.溫排水的輸運擴散與水流、混合以及與大氣的熱交換密切相關，涉及物質輸運擴散的動力過程和熱力過程，對此開展研究具有科學意義.電廠取水口一般與排水口較近，若取水口與排水口位置布設不當，會造成排水口溫排水輸運擴散至取水口，造成取水口水溫上升.冷卻用水溫度每升高2℃，機組效率要降低1%.因此，研究溫排水的輸運擴散還具有重要的應用意義.

研究溫排水輸運擴散主要有兩種方法，現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬.現(xiàn)場觀測可獲得第一手資料，直接了解溫排水輸運擴散情況，同時可為數(shù)值模式驗證提供資料.數(shù)值模擬可針對不同工況預測電廠建成或擴建后溫排水輸運擴散，研究工作具有經濟和快速的優(yōu)點.國外從20世紀40年代開始就有關電廠溫排水輸運擴散做過調查和研究.1968年英國學者Harleman等人針對T.V.A.Browns Ferry核電廠進行了穩(wěn)定流態(tài)和非穩(wěn)定流態(tài)下電廠溫排水擴散規(guī)律的研究［1］.McGuirk和Rodi最早采用深度平均形式的k-ε紊流模型計算溫排水岸邊排放近區(qū)的溫度分布［2］.之后隨著計算機的發(fā)展，國外學者對溫排水輸運擴散進行了數(shù)值計算及對環(huán)境影響作了深入研究［3-6］.國內學者從20世紀80年代開始著手溫排水研究，采用現(xiàn)場觀測和不同的數(shù)值模式，對眾多電廠溫排水作了數(shù)值計算和分析.數(shù)值模式大都采用垂向二維平均模式［7-10］，少量的采用三維模式［11-13］.

長江河口石洞口附近電廠有華能上海石洞口第一電廠、華能上海石洞口第二電廠、華能石洞口燃機電廠，浦鋼CCPP電廠和寶鋼電廠（見圖1），各電廠裝機容量及取排水工程參數(shù)見表1.華能上海石洞口第一電廠高效機組改建工程是將現(xiàn)有的發(fā)電機組（一期）改建為更為高效的超臨界燃煤發(fā)電機組（二期）.華能上海石洞口第一電廠現(xiàn)有裝機容量4× 325 MW，取排水流量4×13.6 m3/s，凝汽器循環(huán)水溫升9°C.改建的規(guī)劃二期裝機容量2× 660 MW，取排水流量2×19.5 m3/s，凝汽器循環(huán)水溫升9°C.針對石洞口附近電廠溫排水輸運擴散，需要開展現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬.本文給出2014年11月23日至12月2日在石洞口附近水域的現(xiàn)場觀測和資料分析.

圖1　長江河口石洞口附近電廠分布Fig.1　Positions of the power plants near Shidongkou area in the Changjiang Estuary

表1　石洞口附近電廠裝機容量及取排水參數(shù)Tab.1　Installed capacities and intake and drainage water parameters of the power plants near Shidongkou area

1　現(xiàn)場觀測

圖2　四船沿縱斷面A、B、C和D同步走航觀測測點位置Fig.2　Cruse measurement sites carried out synchronously by 4 ships along the A，B，C and D longitudinal sections

圖3　石洞口電廠排水口附近水域汽艇走航測站位置Fig.3　Cruse measurement sites carried out by a motorboat along the coast near the power plants

圖4　定點連續(xù)觀測測點位置Fig.4　Continuous measurement sites by the anchored ships

受華能上海石洞口第一電廠委托，華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室于2014年11月24—27日大潮期間和11月30日至12月2日小潮期間開展石洞口附近水域溫排水輸運擴散觀測.觀測分縱斷面走航（見圖2和圖3）和定點連續(xù)觀測（見圖4），在石洞口附近水域棧橋和碼頭眾多，一般水溫測量船不能從棧橋下面通過，故采用小汽艇測量.四條水文測量船同步走航，分別沿縱觀測A、B、C和D作漲潮和落潮測量.走航測量結束后，作定點連續(xù)觀測，一條船作2個定點觀測，每測點連續(xù)27 h.應用ADCP、OBS和CTD測量儀器，測量流速、流向、水溫、鹽度和濁度.

2　資料分析

2.1徑流量和氣象參數(shù)

大通實測徑流量在11月11日為28 000 m3/s，之后逐漸下降，到大潮觀測開始日期24日約為19 000 m3/s，至大潮觀測結束日期26日約為17 500 m3/s（見圖5）.小潮觀測期間徑流量在17 500～18 800 m3/s.與多年月平均的徑流量相比，本次觀測期間的徑流量偏低.

圖5　長江大通實測徑流量隨時間變化Fig.5　Temporal variation of the river discharge at Datong station

在崇明東灘河口海岸學國家重點實驗室設有氣象觀測站.觀測期間長江口的風況為偏北風，大潮期間風速大于8 m/s的時間近4 h，小潮期間超過1 d.氣溫具有明顯的日變化，大潮觀測期間氣溫在9.5—19.0oC.小潮觀測期間遇到寒潮，氣溫下降顯著，最低氣溫僅為1.0oC.氣壓在1 020 Pa上下波動，寒潮過境時上升至1 030 Pa.相對比濕在30～100之間變化，寒潮過境時相對比濕顯著下降.

2.2流速和水溫走航縱向剖面分布

本文重點分析大潮期間溫排水輸運擴散，由于本次觀測期間鹽度很小，在0.2 psu以下，并且空間分布較均勻，故不給出和分析鹽度的分布和變化.

沿縱斷面A，落潮時段流速和水溫分布見圖6，橫坐標為距離，從該斷面測點1起算，軸上的三角形為測點，注有測站號.于24日早上5：57時刻開始在測點1測量，至8：54時刻到達測點19，結束落潮走航斷面觀測.在測站1，處于落潮流，流速達到1.2 m/s，至測點17—19，盡管仍處于落潮流狀態(tài)，但流速已很小，整個縱斷面觀測均處于落潮流狀態(tài).石洞口附近電廠位于測點4—7之間，觀測期間未見到高溫水，原因在于受棧橋和碼頭阻隔，測量船離岸較遠.在斷面的下游，出現(xiàn)了明顯的高溫水，表層最高水溫達到18.0oC，比上游的17oC高了1.0oC，這是由于該處的外高橋發(fā)電廠排放的溫排水所致.在外高橋電廠附近，水溫垂向分層明顯，其它地方因強烈的潮混合作用，水溫垂向分布均勻.

漲潮時段流速和水溫分布見圖7，在測點19于10：22開始開測，漲潮流速約為0.5 m/s，于13：28時刻至測點1結束時漲潮流速約為1 m/s，整個縱斷面觀測均處于漲潮流狀態(tài).走航觀測是從剛漲潮時進行的，是處于落憩后轉漲潮流開始的，故1號測點流速小，隨著走航觀測進行，船至8—16測點，潮流為漲急時刻，故該這幾個測點處漲潮流速最大，走航至19號測站潮流將處于漲憩前，故流速變小.在下游的測點17—19，出現(xiàn)高溫水，表層最高溫度達到18. 0oC，同樣是由外高橋電廠溫排水造成的.在測點3，出現(xiàn)相對較高的水溫，溫度達到17.1oC.

圖6　大潮落潮時段沿縱斷面A流速、水溫走航剖面分布Fig.6　Profile distributions of current speed and water temperature along longitudinal section A during ebb in spring tide

圖7　大潮漲潮時段沿縱斷面A流速、水溫走航剖面分布Fig.7　Profile distributions of current speed and water temperature along longitudinal section A during flood in spring tide

沿石洞口電廠附近江岸，由汽艇測量的水溫沿縱斷面分布見圖8.石洞口附近電廠位于測點10—12之間，落潮時段由電廠排放的高溫水明顯，表層最高水溫達到了20.8oC，比外側航道最低水溫（16.7oC）高了4.1oC，顯然是由石洞口華能第一和第二電廠溫排水排放所致.漲潮時段最高水溫位于測點4—7之間，表層最高水溫達到了21.8oC，比周圍水域水溫高了5.1oC，主要是由華能石洞口發(fā)電廠排放造成的.從近岸汽艇測量的縱斷面水溫分布看，僅在排水口附近水溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象，其它地方因潮流的強烈混合作用，水溫垂向分布趨于均勻.

圖8　大潮落潮時段（上）和漲潮期間（下）沿石洞口近岸縱斷面水溫剖面分布Fig.8　Profile distributions of water temperature along the coast near Shidongkou during ebb（upper）and flood（lower）in spring tide

2.3水溫和溫升走航平面分布

本節(jié)給出船只走航觀測水域內水溫和溫升的平面分布，各層溫升由測點水溫減去該層的最低水溫.在0 m層，大潮期間落潮時段水溫表現(xiàn)為沿岸水溫高，離岸水溫低，在華能石洞口電廠排水口附近水溫高達20.8oC，溫排水在落潮流和科氏力作用下沿岸向下游輸運擴散（見圖9）.溫升在石洞口電廠附近最為顯著，最大量值達到4.0oC，外高橋外側也出現(xiàn)溫升較明顯的區(qū)域，這是由外高橋電廠溫排水造成的（見圖10）.對陳行水庫水源區(qū)，最大溫升達到了1.2oC.在大潮漲潮時段，石洞口附近高溫水比落潮時段偏向上游，最高水溫達到21oC，并且范圍大，溫升最大值達到4.2oC.對陳行水庫水源區(qū)，最大溫升達到2.0oC.

2 m、4 m、6 m、8 m和10 m層大潮落潮時段和漲潮時段水溫和溫升分布特征仍與0 m層一致，在石洞口電廠附近水溫和溫升較高，隨著水深增加而下降.在下游出現(xiàn)高溫水，是由外高橋電廠溫排水所致.對陳行水庫水源區(qū)，隨著水深增加，影響逐漸減小，最大溫升小于0.6oC.

圖9　大潮落潮時段（上）和漲潮時段（下）0 m層水溫分布Fig.9　Distributions of water temperature at 0 m layer during ebb（upper）and flood（lower）in spring tide

圖10　大潮落潮時段（上）和漲潮時段（下）0 m層溫升分布Fig.10　Distributions of water temperature rise at 0 m layer during ebb（upper）and flood（lower）in spring tide

2.4定點連續(xù)測站流速、流向和水溫隨時間變化

定點連續(xù)測站流速、流向和水溫隨時間變化圖中橫坐標為觀測時刻，其基準時刻為該測點測量當天的0點，按從上到下的順序分別為流速、流向和水溫，紅線代表表層，綠線代表中層，藍線代表底層.定點連續(xù)觀測測點2位于浦鋼電廠與華能上海石洞口第二電廠排水口之間，最大漲潮流速0.66 cm/s，最大落潮流速0.68 cm/s，落潮和漲潮流速垂向變化不顯著（見圖11）.漲潮歷時約為5.5 h，落潮歷時約為7.5 h，落潮歷時大于漲潮歷時.測點水溫在落潮期間變化不大，垂向分層不明顯，受大氣降溫，表層水溫略小于底層水溫，量值在17.0oC上下波動.在漲潮期間，表層和中層水溫明顯升高，表層最大值達到19.6oC，與南支航道背景水溫16.8oC比，溫升達到2.8oC.因華能石洞口電廠位于該測點上游，明顯是由電廠溫排水隨漲潮流帶來的.

圖11　在連續(xù)觀測點2流速（上）、流向（中）和水溫（下）隨時間變化Fig.11　Temporal variations of current speed（upper），direction（middle）and water temperature（lower）at continues measured site 2

定點連續(xù)觀測測點5位于華能上海石洞口第一電廠和寶鋼電廠之間，接近寶鋼電廠排水口附近上游.最大漲潮流速1.45 cm/s，最大落潮流速0.95 cm/s，最大漲潮流速大于最大落潮流速，落潮和漲潮流速垂向變化較顯著（見圖12）.落潮歷時大于漲潮歷時.測點水溫高值出現(xiàn)在漲潮期間，表層最大量值達到19.6oC，溫升達到2.8oC，對應時刻垂向分層明顯，在其他時段垂向分層不明顯，量值在17.5oC上下波動，溫升0.8oC.在漲潮期間，表層水溫明顯升高，因寶鋼電廠位于該測點下游，說明高溫水主要是由該電廠溫排水隨漲潮流帶來的.

圖12　在連續(xù)觀測點5流速（上）、流向（中）和水溫（下）隨時間變化Fig.12　Temporal variations of current speed（upper），direction（middle）and water temperature（lower）at continues measured site 5

3　結論

長江河口石洞口附近有較多的電廠，總的溫排水流量達到218.3 m3/s，溫升9°C.本文基于2014年11月23日至12月2日在石洞口附近水域的走航和定點流速、流向和水溫觀測資料，分析溫排水的輸運擴散情況.觀測期間大通徑流量在18 000 m3/s左右，與多年月平均徑流量相比偏低，風況為偏北風.從大潮期間水溫縱向斷面分布看，沿碼頭外側的縱斷面，斷面下游外高橋電廠附近出現(xiàn)明顯的高溫水，溫升約為1.2oC，是由外高橋發(fā)電廠排放的溫排水所致.沿石洞口電廠排水口附近縱斷面，由電廠排放的溫排水明顯，落潮時段最大溫升4.1oC，漲潮時段溫升達到5.1oC，僅在排水口附近水溫出現(xiàn)分層現(xiàn)象，其它地方因潮流的強烈混合作用，水溫垂向分布趨于均勻.從大潮期間水溫和溫升表層平面分布看，在落潮時段水溫表現(xiàn)為沿岸水溫高，離岸水溫低，在華能石洞口電廠排水口附近水溫高達20.8oC，溫排水在落潮流和科氏力作用下沿岸向下游輸運擴散.溫升在石洞口電廠附近最為顯著，最大量值達到4.0oC.對陳行水庫水源保護區(qū)，最大溫升達到了1.2oC.在漲潮時段石洞口附近高溫水比落潮時段偏向上游，最高水溫達到21oC，并且離岸范圍大，溫升最大值達到4.2oC.對陳行水庫水源區(qū)，最大溫升達到2.0oC.從大潮期間定點連續(xù)測點的流速、流向和水溫隨時間變化看，若測點位于電廠上游漲潮期間水溫上升，若測點位于電廠下游落潮期間水溫上升，水溫受附近電廠溫排水影響，測點離電廠排水口越近溫升越高、垂向變化越明顯.

小潮期間，由于寒潮過境，因表面失熱，水溫下降，最大水溫出現(xiàn)在電廠排水口水體中層.溫升的分布特征與大潮期間類似，最大量值達到5.0oC，比大潮期間高了0.8oC，原因在于小潮期間潮流和潮混合較小，溫排水口高溫水不易向外輸運擴散.

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（責任編輯：李萬會）

Observation and analyses of transport and diffusion of warm discharge water from the power plants near Shidongkou in the Changjiang Estuary

ZHANG Shen-yu1， ZHU Jian-rong2
（1.The First Power Plant of Huaneng Shanghai Shidongkou，Shanghai 200942，China；2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

The transport and diffusion of warm discharge water from the power plants near Shidongkou in the Changjiang Estuary were analyzed based on the observation data from November 23 to December 2 in 2014.During the spring tide，in terms of the longitudinal distribution of water temperature，warm discharge water from the power plants was evident，and had the maximum water temperature rise of 4.1oC in ebb tide，and of 5.1oC in flood tide；water temperature was stratification only near the discharge port，and trended to vertical uniform in other area due to strong mixing induced by tidal current.In terms of horizontal distribution of water temperature and water temperature rise，water temperature was higher along the coast and lower away from the coast，and reached the maximum value of 4. 0oC near the discharge ports of Huaneng Shidongkou power plants during the ebb tide.The warm discharge water was transported and diffused downstream along the coast forced by the ebb current and Coriolis force.Compared during ebb tide，the higher temperature water near the Shidongkou move upstream and farer away the coast during flood tide，the maximum water temperature rise reached to 4. 2oC.In terms of current speed and direction，water temperature measured at the continuous sites，water temperature rise during flood tide if the measured sites located in the upper reaches of the power plant，and descend during ebb tide if the measured sites located in the lower reaches of the power plant，was influenced distinctly by the near warm discharge water from the power plants.The more the measured site closer to discharge port of power plant，the higher the water temperature was，and the more obvious the vertical variation was.During the neap tide，water temperature was lower than during spring tide due to the passage of the cold front and heat loss at the river surface，the maximum water temperature near the power plant appeared at the middle water layer.The distribution characteristic of warm water rise was similar to the one during spring tide.The maximum warm water rise reached to 5. 0oC which was higher 0.8oC than the one during spring tide because the tidal current and mixing was weaker during neap tide，and the higher temperature water near the warm water discharge port was not easy to be outward transport and diffusion.

warm discharge water； transport and diffusion； field observation； Changjiang Estuary

Q948

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2016.02.013

1000-5641（2016）02-0101-11

2015-03

張沈裕，女，工程師，從事火電廠土木、水工專業(yè)工作.E-mail：wish_for_lz@163.com.

朱建榮，男，教授，博士生導師，從事河口海洋學研究.E-mail：jrzhu@sklec.ecnu.edu.cn.