大鵬液化天然氣接收站冷排水對(duì)附近海域溫度場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

楊青云劉曉東唐俊逸趙振業(yè)

(1.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司,廣東 深圳518057;2.深圳海岸與大氣研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 深圳518057)

大鵬灣以及集水區(qū)位于深圳市的東南部,集水區(qū)內(nèi)陸地及海洋資源豐富,擁有多樣的海洋動(dòng)植物、紅樹(shù)林生境及珊瑚群落,被深圳政府稱為黃金海岸[1]。大鵬液化天然氣項(xiàng)目位于大鵬新區(qū)大鵬街道下沙秤頭角,在液化天然氣接收和氣化過(guò)程中,需要使用海水提供熱能,導(dǎo)致LNG接收站向海洋中排放大量溫度相對(duì)較低的海水,引起一定范圍內(nèi)海水溫度異常變化,而溫度作為重要的理化指標(biāo),直接影響海洋生物生長(zhǎng)和繁殖過(guò)程,是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因子。大鵬灣是個(gè)半封閉海灣[2],自然環(huán)境十分脆弱,很大程度上受海灣半封閉性、海流弱、海水交換率低和更新周期長(zhǎng)等因素的制約[3],水環(huán)境一旦受到影響,便很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。

為此本文通過(guò)分析大鵬LNG接收站冷排水溫度、水量和排放時(shí)序等相關(guān)資料,運(yùn)用ECOM三維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型對(duì)大鵬灣海域進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算大鵬液化天然氣接收站冷排水的輸運(yùn)、擴(kuò)散行為,得到海水溫度場(chǎng)溫降分布情況,分析接收站冷排水對(duì)附近海域海水溫度的影響程度。

1 水動(dòng)力模型的構(gòu)建

1998年,為緩解我國(guó)東南沿海地區(qū)能源短缺的現(xiàn)狀,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)進(jìn)口液化天然氣在廣東先行試點(diǎn),確定廣東大鵬液化天然氣項(xiàng)目為我國(guó)首個(gè)引進(jìn)LNG試點(diǎn)項(xiàng)目。大鵬液化天然氣項(xiàng)目于1999年底正式立項(xiàng),2003-12 LNG接收站工程正式開(kāi)工,2006-05首船LNG抵達(dá)接收站,該項(xiàng)目占地約40 hm2,庫(kù)區(qū)終端設(shè)施包括了4個(gè)16萬(wàn)m3的LNG大型儲(chǔ)罐,48.4萬(wàn)m3LNG貨船停泊卸料碼頭(1號(hào)泊位8.0～21.7萬(wàn)m3,2號(hào)泊位主力船型14.7萬(wàn)m3,兼顧3.0～26.7萬(wàn)m3),槽車(chē)灌裝站,LNG氣化裝置,天然氣計(jì)量站,自動(dòng)中央控制系統(tǒng)及其他配套裝置等。大鵬LNG接收站地理位置及模型的模擬范圍如圖1所示。

圖1 大鵬LNG接收站地理位置及模擬范圍Fig.1 The geographical location of the Dapeng LNG receiving station and the area of the model covered

1.1 控制方程

本文采用ECOMSED三維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型對(duì)大鵬灣海域進(jìn)行模擬,在三維水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上,利用熱量守恒模型計(jì)算熱量的傳遞,熱量守恒方程見(jiàn)式(1)和式(2):

式中,T為熱力學(xué)溫度;u,v,w為x,y,z方向的流速;Dh,Dv為水平向和垂直向的擴(kuò)散系數(shù);H-為大氣熱交換;S為源項(xiàng)。

在水面 (z=η)和水底(z=-d),上述方程轉(zhuǎn)化為式(3)和(4):

式中,Qn為表面凈熱量通量;c p為水體比熱,取4.217 kJ/(kg·K)。

1.2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

本文以大鵬灣LNG項(xiàng)目為例,通過(guò)數(shù)值模型開(kāi)展對(duì)大鵬灣海域的數(shù)值模擬,根據(jù)研究區(qū)域的模擬重點(diǎn)及地形的復(fù)雜情況,以及海圖數(shù)字化得到的水深及岸線文件,使用Delft-3d軟件進(jìn)行曲線貼體網(wǎng)格的繪制工作,模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示,網(wǎng)格的范圍西到香港的吉澳,東至惠州大亞灣,南至20 m等深線分布區(qū)域,模型采用一套能與海灣岸線吻合良好且分辨率較高的正交曲線坐標(biāo)網(wǎng)格,網(wǎng)格的總數(shù)為15 359個(gè),水平方向剖分為215×145個(gè)網(wǎng)格(東西向×南北向),大鵬灣頂部網(wǎng)格的平面空間分辨率為160 m×170 m,到外海最大的網(wǎng)格步長(zhǎng)為200 m×400 m,本研究結(jié)合大鵬灣海域的實(shí)際水深在垂向上等距劃分為5個(gè)Sigma層,即由上至下各層所占的水深比例均為0.2,能夠較好地?cái)M合大鵬灣的地形,模型的模擬范圍及水深分布如圖3所示。

圖2 大鵬灣水動(dòng)力模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid partition schematic diagram of the hydrodynamic model of the Dapeng Bay

圖3 大鵬灣水動(dòng)力模型網(wǎng)格計(jì)算范圍及水深分布Fig.3 Calculation range of the hydrodynamic model grid and the water depth of the Dapeng Bay

1.3 水動(dòng)力模型的設(shè)置

本文中水動(dòng)力模型外模和內(nèi)模的時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)為10和30 s,由于流場(chǎng)具有能量耗散的特性,計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)和水位場(chǎng)只在積分初始時(shí)段會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響,其后時(shí)段的分布則取決于邊界條件,所以為了計(jì)算的精確度,水動(dòng)力計(jì)算時(shí),要對(duì)模型進(jìn)行預(yù)熱計(jì)算,預(yù)熱時(shí)間為模擬時(shí)段的前一個(gè)月。根據(jù)冷排水對(duì)周?chē)疁氐挠绊懗潭?選取影響冷排水較為不利的水文條件,因此本文選擇夏季時(shí)期作為典型水文條件進(jìn)行模擬。

模型的外海邊界采用美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的OTIS(OSU Tidal Data Inversion Software)全球潮汐同化數(shù)據(jù)[4],以8個(gè)分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1)的潮汐數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)水動(dòng)力模型。模型中的外海溫鹽邊界條件及初場(chǎng)采用全球同化的SODA數(shù)據(jù)[5],其空間分辨率0.25°,時(shí)間分辨率為1個(gè)月,而太陽(yáng)短波輻射、云量、海表溫度、濕度、大氣壓等氣象條件則采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)(空間分辨率0.5°,時(shí)間分辨率為6 h)[6]。由于整個(gè)計(jì)算區(qū)域與所使用的氣象數(shù)據(jù)空間分辨相比較少,在計(jì)算中氣象邊界條件在整個(gè)計(jì)算域保持空間一致,但會(huì)隨時(shí)間進(jìn)行變化。

2 水動(dòng)力模型的驗(yàn)證及模擬結(jié)果分析

2.1 水動(dòng)力模型的驗(yàn)證

模型的驗(yàn)證即為模擬值和實(shí)測(cè)值之間的比較結(jié)果,本文對(duì)模型的模擬效果主要從潮位、流速、流向和溫度四個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證,潮位驗(yàn)證數(shù)據(jù)采用2008-05-26—28(農(nóng)歷四月廿二至四月廿四,小潮期)大鵬灣(鹽田港)潮汐表[7],流速、流向驗(yàn)證的站點(diǎn)為V2和V8,溫度驗(yàn)證的站點(diǎn)為V4,溫度和流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均為逐時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)間為2008-05-21,2008-05-26和2008-05-28,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)下文。

潮位模擬驗(yàn)證結(jié)果(圖4)顯示,模型的模擬值和實(shí)測(cè)值較為吻合,潮位的平均誤差為0.01 m,潮汐表預(yù)測(cè)值和模擬值的相關(guān)性系數(shù)為0.95。

圖4 潮位模擬驗(yàn)證圖Fig.4 Diagram of the water level verification

2008-05大鵬灣V4站點(diǎn)表、底層溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果如圖5所示,可以看到,2008-05模擬的溫度變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)較為吻合。

本研究主要對(duì)V2和V8兩個(gè)站點(diǎn)大、小潮的流速、流向的實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行了比較,結(jié)果如圖6和圖7所示,由于本文研究區(qū)域水深較淺,所以只進(jìn)行垂向平均流速的驗(yàn)證,2個(gè)站點(diǎn)平均流速和流向的驗(yàn)證結(jié)果顯示,模型所模擬的變化過(guò)程與實(shí)測(cè)的結(jié)果基本一致,只有在轉(zhuǎn)流時(shí)才會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。

圖5 大鵬灣V4站點(diǎn)表底層溫度模擬值與實(shí)測(cè)值比較Fig.5 Comparison between simulated and measured values of the surface and the bottom temperature at station V4 in the Dapeng Bay

圖6 大鵬灣V2,V8站點(diǎn)大潮流速流向模擬值與實(shí)測(cè)值比較(2008-05-21)Fig.6 Comparison between simulated and measured values of the velocity and direction of the spring tide at the stations in the Dapeng Bay(2008-05-21)

圖7 大鵬灣V2,V8站點(diǎn)小潮流速、流向模擬值與實(shí)測(cè)值比較(2008-05-28)Fig.7 Comparison between simulated and measured values of the velocity and direction of the neap tide at the stations in the Dapeng Bay(2008-05-28)

誤差分析的結(jié)果表明,2個(gè)站點(diǎn)大、小潮的流速60%以上的相對(duì)誤差都低于流速的10%,V2站點(diǎn)大、小潮流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是0.03和0.05 m/s,V8站點(diǎn)大、小潮流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是0.03和0.02 m/s,2個(gè)站點(diǎn)大、小潮的流向87%以上的平均誤差低于60°。

2.2 模擬結(jié)果分析

大鵬灣無(wú)大型河流注入,流場(chǎng)主要由風(fēng)和潮汐所控制[8],大鵬灣5月份大潮期和小潮期表底層的漲落潮流場(chǎng)如圖8所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出,漲潮時(shí)海水呈向?yàn)硟?nèi)流動(dòng)的趨勢(shì),落潮時(shí)海水向?yàn)惩饬鲃?dòng),表層流速明顯大于低層流速;無(wú)論是漲潮還是落潮,灣頂部的流速較小,越靠近灣口流速越大,最大流速多出現(xiàn)在灣口附近海域,灣外海域漲潮以偏NE向?yàn)橹?落潮以偏SW向?yàn)橹?整個(gè)流場(chǎng)的變化呈往復(fù)流特征,流場(chǎng)情況符合大鵬灣的流動(dòng)態(tài)勢(shì),即模型的水動(dòng)力模擬效果較為滿意。

圖8 大鵬灣表底層漲落潮流場(chǎng)(模擬結(jié)果)Fig.8 The surface and the bottom current fields during the flood and the ebb tides in the Dapeng Bay

3 冷排水溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

3.1 模型的設(shè)置

結(jié)合率定驗(yàn)證后的大鵬灣海域水動(dòng)力模型,對(duì)大鵬LNG接收站冷排水溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。在上述水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上,將大鵬灣LNG接收站冷排水的排放以入海河流的方式作為模型的初始條件進(jìn)行模擬,根據(jù)溫排水、冷排水的相關(guān)資料文獻(xiàn)[9-13]和對(duì)接收站的實(shí)際測(cè)量,將大鵬灣LNG冷排水的排水量取為44 940 m3/h,即為12.5 m3/s,相對(duì)于周?chē)Ｋ?冷排水的溫降取為-5℃,模型涉及的溫度擴(kuò)散系數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)水溫資料進(jìn)行率定與驗(yàn)證,根據(jù)大鵬灣LNG接收站排水口的地理位置對(duì)應(yīng)其網(wǎng)格坐標(biāo),將冷排水的排放量平均分布于對(duì)應(yīng)的4個(gè)邊界網(wǎng)格,模型模擬的時(shí)間為夏季時(shí)期,其中冷啟和熱啟的時(shí)間各為1個(gè)月,本次模擬主要分析大小潮底層水溫溫降的分布特征,模型其他條件的設(shè)置同上述水動(dòng)力模型。

3.2 模型結(jié)果與分析

根據(jù)對(duì)大鵬灣LNG接收站附近海域的數(shù)值模擬,得出溫降分布圖,并將溫降區(qū)域劃為包含-5～-4℃,-4～-3℃,-3～-2℃,-2～-1℃和-1～0℃的區(qū)域,估算出夏季大鵬LNG接收站不同梯度溫降冷排水的影響面積如表1所示,無(wú)論是在大潮時(shí)期還是在小潮時(shí)期,表底層溫降區(qū)域的面積在-5～0℃ 的范圍內(nèi)逐漸增大,在-1～0℃ 區(qū)域內(nèi)面積最大,并且底層溫降區(qū)域的面積明顯大于表層。

表1 表底層最大溫降包絡(luò)線的覆蓋面積Table 1 The coverage area of the maximum temperature drop envelopes at the surface and the bottom in the study area

3.2.1 大鵬灣大、小潮時(shí)刻底部溫降分布圖

大、小潮時(shí)期,大鵬LNG接收站冷排水造成附近海域底層溫降分布情況如圖9和圖10所示:根據(jù)水動(dòng)力模型模擬的大鵬灣流場(chǎng)結(jié)果來(lái)看,由于大鵬灣LNG接收站排水口方式采取直排方式,冷排水的溫降取為-5℃,因此在近排水口海域存在溫降為-5℃的水體。冷排水進(jìn)入受納水體后,溫差導(dǎo)致的浮力效應(yīng)驅(qū)使其主要在水體下層運(yùn)移,因此底層海水受冷排水的影響較大。底層的溫降以接收站為中心開(kāi)始擴(kuò)散,因此排水口附件海域存在溫降為-5～0℃的水體,由于大潮時(shí)期海水流動(dòng)性較強(qiáng),底層-5～-3℃溫降包絡(luò)線的范圍比較小,-3～-2℃的溫降包絡(luò)線比-5～-3℃的溫降范圍更大,-5～0℃范圍內(nèi)溫降包絡(luò)線的范圍依次增大,-1～0℃溫降包絡(luò)線的范圍最大,隨后冷排水溫度趨向于周?chē)Ｋ疁囟取?/p>

圖9 夏季大潮時(shí)刻底部溫降分布Fig.9 Distribution of the bottom temperature drop during the spring tide in summer

圖10 夏季小潮時(shí)刻底部溫降分布Fig.10 Distribution of the bottom temperature drop during the neap tide in summer

3.2.2 大、小潮時(shí)期的溫降分布對(duì)比分析

通過(guò)大小潮時(shí)期底部溫降分布的對(duì)比分析可得,小潮時(shí)期相對(duì)于大潮時(shí)期,一方面由于小潮潮位較低,受納冷排水的海水體積也相對(duì)較小,另一方面由于小潮時(shí)期的海水流速比大潮時(shí)的流速緩慢,使得潮水對(duì)冷排水的混合和影響相對(duì)較小,小潮時(shí)期海水表層-4℃以上溫降包絡(luò)線包含的范圍大于大潮時(shí)期同一時(shí)刻的范圍,這一現(xiàn)象在表層表現(xiàn)較為顯著。由于大潮時(shí)期底層的潮流明顯大于小潮時(shí)期,因此海水底層大潮時(shí)期溫降區(qū)域的范圍大于小潮時(shí)期。

根據(jù)冷排水的溫降包絡(luò)線的區(qū)域面積對(duì)比分析得出:

1)表層冷排水?dāng)U散總面積:小潮時(shí)期＞大潮時(shí)期,小潮冷排水影響總面積大于大潮時(shí)期,但是彼此之間相差不大。分析其原因在于相對(duì)于大潮,小潮時(shí)期的水位比大潮低,受納冷排水的海水體積也相對(duì)小;小潮時(shí)期的海水流速比大潮時(shí)的流速緩慢,使潮水對(duì)冷排水的混合和影響相對(duì)較小。相對(duì)于整個(gè)溫降區(qū)域面積來(lái)說(shuō),-2～0℃溫降水域面積相對(duì)較大,小于-4℃溫降水域面積最小。

2)底層冷排水?dāng)U散總面積:大潮時(shí)期＞小潮時(shí)期,分析其原因在于,大潮時(shí)期底部流速大于小潮時(shí)期的底部流速,因此大潮冷排水的擴(kuò)散面積也相應(yīng)大于小潮時(shí)期。溫降區(qū)域面積同表層,-1～0℃溫降水域面積相對(duì)較大。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)ECOMSED三維水環(huán)境數(shù)學(xué)模型對(duì)大鵬灣海域進(jìn)行數(shù)值模擬,在模型率定和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,結(jié)合資料收集和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)夏季大鵬灣液化天然氣接收站冷排水溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,分析大、小潮時(shí)期底層水溫的溫降分布特征。從夏季大鵬LNG接收站附近海域大小潮底層溫降分布圖以及表底層不同溫降包絡(luò)線的區(qū)域面積可以得出:

1)大鵬LNG接收站附近海域表層和底層的冷排水?dāng)U散面積大多數(shù)分布在-2～0℃范圍內(nèi);

2)無(wú)論在大潮時(shí)期還是在小潮時(shí)期,底層存在小范圍的溫降水體,而表層總體的溫降水域面積微乎其微;

3)同一潮時(shí),同一區(qū)域,底層冷排水?dāng)U散總面積總大于表層,擴(kuò)散趨勢(shì)相同。

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