王俊敏，傅 雷，滑 磊，唐文嘉

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

水溫是水體的一項(xiàng)重要指標(biāo)參數(shù)，水溫的變化將導(dǎo)致水體內(nèi)部生態(tài)體系發(fā)生一系列的改變[1-4]。溫排水進(jìn)入受納水體將引起水體水溫的變化，進(jìn)而影響水體動(dòng)量、能量及溫度的重新分配和變化[3，5-9]。國外學(xué)者從20世紀(jì)40年代就開始調(diào)查研究電廠溫排水的輸移擴(kuò)散[8，10-12]，20世紀(jì)80年代起，我國學(xué)者開始研究溫排水，如韓曾萃[1]等利用二維非恒定水流方程組和對(duì)流 — 擴(kuò)散方程，模擬核電站冷卻廢水的放射性及熱量在大范圍水域中的稀釋過程，曹穎[3]等基于FVCOM模式開發(fā)了三維溫排水對(duì)流擴(kuò)散模型，并應(yīng)用該模型對(duì)象山港內(nèi)某濱海電廠的溫排水進(jìn)行計(jì)算。但上述研究大多集中在溫排水對(duì)河口及近海水域的影響，對(duì)湖泊的影響研究較少[13-16]。

浙江華通數(shù)據(jù)科技有限公司在千島湖（新安江水庫）珍珠半島經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)修建的數(shù)據(jù)中心用于冷卻系統(tǒng)的溫排水，現(xiàn)狀工況1000 m3/h（0.28 m3/s）、規(guī)劃工況1500 m3/h（0.42 m3/s）通過中軸溪景觀河道排入千島湖珍珠半島湖灣，遠(yuǎn)期工況4300 m3/h（1.19 m3/s）通過中軸溪景觀河道和珍珠半島廣場管道系統(tǒng)匯合后排入千島湖珍珠半島湖灣（見圖1），將會(huì)對(duì)出水口附近湖區(qū)（庫區(qū)）造成一定的影響。本文結(jié)合現(xiàn)場觀測和數(shù)值模型對(duì)數(shù)據(jù)中心溫排水對(duì)出水口附近庫區(qū)的影響進(jìn)行研究，并根據(jù)研究結(jié)果初步總結(jié)溫排水在湖泊中輸移擴(kuò)散的簡單規(guī)律。

圖1 華通數(shù)據(jù)中心溫排水工況圖

2 現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

珍珠半島湖灣數(shù)據(jù)資料較少，缺乏關(guān)鍵的實(shí)測水溫和水下地形資料，需要進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地監(jiān)測。在水溫、地形補(bǔ)充測量的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測數(shù)據(jù)建立并驗(yàn)證溫排水?dāng)?shù)值模型，利用該數(shù)值模型預(yù)測珍珠半島湖灣的溫排水影響并進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)。

2.1 測點(diǎn)布置

2.1.1 水溫監(jiān)測

近岸扇形湖區(qū)中布置3條主監(jiān)測線，分別為扇形區(qū)域的中心線、左邊界線和右邊界線；中心線上布置7個(gè)監(jiān)測斷面，分別距離岸邊0，50，100，200，300，500，700 m；左右邊界線上各布置2個(gè)監(jiān)測斷面，分別距岸邊20，200 m；每個(gè)監(jiān)測斷面上監(jiān)測3組水溫?cái)?shù)據(jù)，測點(diǎn)分別為距水面5.00，15.00，30.00 m，水深不足時(shí)，按表、中、下層水深讀取水溫。湖區(qū)共需讀取水溫?cái)?shù)據(jù)11×3 = 33個(gè)。水溫監(jiān)測斷面空間布置見圖2。

2.1.2 水下地形（水深）估測

根據(jù)相關(guān)資料，本次監(jiān)測的近岸湖區(qū)，其水深自岸邊向外側(cè)延伸，深度為5.00 ～ 40.00 m，最深不超過50.00 m，由于對(duì)水下地形監(jiān)測精度要求不高，可以利用水溫監(jiān)測時(shí)讀取的探底水深數(shù)據(jù)，推算各監(jiān)測斷面的水下地形。最終得到3條主監(jiān)測線上共11個(gè)監(jiān)測斷面的水下地形數(shù)據(jù)（水深）。

圖2 千島湖珍珠半島湖灣監(jiān)測斷面分布圖

2.2 監(jiān)測成果

本次現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)間為2016年9月22日11∶00 — 15∶00，監(jiān)測當(dāng)天千島湖水位為100.85 m（接近千島湖常年平均水位），天氣晴轉(zhuǎn)多云，相對(duì)濕度80%，氣溫32.0 ℃。根據(jù)華通數(shù)據(jù)提供的工況數(shù)據(jù)，監(jiān)測當(dāng)天華通數(shù)據(jù)中心溫排水量為1000 m3/h（0.28 m3/s），屬于典型的現(xiàn)狀工況排水。

本次監(jiān)測采用水下溫度儀及ADCP設(shè)備監(jiān)測方式同步進(jìn)行，水溫測量精度達(dá)0.002 ℃，地形測量精度達(dá)0.10 m。考慮到模型實(shí)際需求，地形測量采用點(diǎn)測量形式，即在每個(gè)監(jiān)測斷面上測量水下地形，在數(shù)值模型中采用三角差分的方法對(duì)整個(gè)扇形計(jì)算區(qū)域進(jìn)行地形差分，得到珍珠半島湖灣的水下地形。監(jiān)測得到的水溫分布及水下地形見圖3 ～ 4。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測珍珠半島湖灣水溫分布圖

3 模型原理

根據(jù)溫排水影響評(píng)價(jià)的模擬尺度、精度要求和溫排水區(qū)域的實(shí)際情況，本次采用世界領(lǐng)先的平面二維計(jì)算軟件對(duì)溫排水進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型采用的基本方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[17-19]，其形式為：

圖4 珍珠半島湖灣計(jì)算區(qū)域水下地形示意圖

對(duì)溫排水計(jì)算而言，公式（1）～（6）中的模型關(guān)鍵項(xiàng)為能量輸運(yùn)項(xiàng)ST，ST代表了數(shù)值模型中的熱交換量，其定義為[17，20-21]：

式中：H為總水深（m）；qin、qout為傳質(zhì)的單位體積入流、出流量（m3/s）；c為質(zhì)量濃度（w/m3）；cin為來流質(zhì)量濃度（w/m3）；Qtot為水面熱交換（w/m2）。水面熱交換主要是各種輻射、反射、蒸發(fā)與熱傳導(dǎo)等熱力學(xué)因素的集合。采用的公式為：

式中：Qsn為凈太陽短波輻射（w/m2）；Qan為凈長波輻射（w/m2）；Qan= Qa-Qbr-Qw，Qa為大氣長波輻射（w/m2）；Qbr為水面對(duì)長波的反射（w/m2）；Qw為水體的長波輻射（w/m2）；Qev為凈蒸發(fā)（w/m2）；Qco為熱傳導(dǎo)（w/m2）[22-26]。

4 湖灣溫排水?dāng)?shù)值模型

4.1 模型建立及驗(yàn)證

根據(jù)珍珠半島湖灣的平面圖及現(xiàn)場監(jiān)測獲得的湖灣水下地形數(shù)據(jù)，建立珍珠半島湖灣扇形區(qū)域的數(shù)值模型，利用正交化網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行數(shù)值離散，得到符合計(jì)算要求的數(shù)值模型區(qū)域，珍珠半島湖灣概化模型見圖5。

圖5 珍珠半島湖灣計(jì)算范圍及概化網(wǎng)格圖

珍珠半島湖灣的總面積約1.7 km2，根據(jù)溫排水預(yù)估影響范圍及現(xiàn)場監(jiān)測的實(shí)際情況，選定本次珍珠半島湖灣的計(jì)算范圍為以珍珠半島廣場為圓心的半徑r = 700 m，圓心角約120°的扇形湖區(qū)，計(jì)算概化網(wǎng)格為自圓心向圓周的漸變網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度長5 ～ 10 m，寬3 ～ 8 m。計(jì)算區(qū)域共劃分網(wǎng)格7448個(gè)。

利用現(xiàn)場監(jiān)測的水溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)所建立的珍珠半島湖灣數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。9月22日現(xiàn)場監(jiān)測當(dāng)天，華通數(shù)據(jù)中心排水為現(xiàn)狀工況排水，其排水量為0.28 m3/s?？紤]到現(xiàn)場監(jiān)測當(dāng)天中軸溪自中游以下為管道排水，其復(fù)溫能力較弱，驗(yàn)證模型中采用偏不利條件，設(shè)定管道湖灣出口處水溫為27.2 ℃（即T設(shè)= T推-1）。下游邊界采用水位 — 水溫聯(lián)合邊界條件，并采用第二類邊界條件，即：

初始條件水位為千島湖當(dāng)天水位100.85 m，模型糙率設(shè)為n = 0.01，背景水溫26.8 ℃，云量設(shè)置為70%，相對(duì)濕度設(shè)置為80%，氣溫設(shè)置32.0 ℃。同時(shí)，按淳安縣多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)值模型中的太陽輻射數(shù)據(jù)設(shè)置為180 J/（m2· s）。計(jì)算時(shí)間步長為0.25 min，計(jì)算穩(wěn)定條件設(shè)置為同一網(wǎng)格2個(gè)時(shí)間步長之間的溫差△T＜10-5℃。值得注意的是，驗(yàn)證模型采用雙點(diǎn)源入流形式（見圖6），與常規(guī)排水情況略有不同，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)場監(jiān)測當(dāng)天，中軸溪景觀河道由于河道清潔，下游處于封閉狀態(tài)，華通數(shù)據(jù)中心溫排水最終通過管道排放的形式進(jìn)入珍珠半島湖灣，為保證模型的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證模型中采用和現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)同樣的排水方式，即雙點(diǎn)源入流形式，模型排水點(diǎn)與管道排水口空間位置保持一致。

另外，由于排水流量極小且排水點(diǎn)位于湖灣陸域邊界，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)并參考相關(guān)文獻(xiàn)[4，11，27-28]，其對(duì)5.00 m以下的水溫幾乎沒有影響。因此，本次模型驗(yàn)證點(diǎn)位為扇形湖灣中心線上的7個(gè)監(jiān)測斷面的表層水溫?cái)?shù)據(jù)。模型初始條件、邊界條件的設(shè)置及模型驗(yàn)證點(diǎn)位的選擇見圖6。

圖6 珍珠半島湖灣驗(yàn)證模型參數(shù)設(shè)定圖

模型驗(yàn)證選擇水位驗(yàn)證與水溫驗(yàn)證同時(shí)進(jìn)行的方式，珍珠半島湖灣中心線上的水位及水溫?cái)?shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對(duì)比見圖7 ～ 8。

圖7 珍珠半島湖灣水位驗(yàn)證圖

圖8 珍珠半島湖灣水溫驗(yàn)證圖

由圖7可見，本次數(shù)值模擬的水位與實(shí)測水位幾乎完全一致，這是因?yàn)槿A通數(shù)據(jù)中心溫排水現(xiàn)狀流量很小，而珍珠半島湖灣的水域容積遠(yuǎn)大于華通數(shù)據(jù)中心的排水量，因此，溫排水幾乎不會(huì)對(duì)該區(qū)域的水位產(chǎn)生影響，計(jì)算水位與實(shí)測水位吻合。同理，由圖8可知，由于溫排水流量遠(yuǎn)小于整個(gè)湖灣水體的水域容積，溫排水僅對(duì)湖灣表層水體產(chǎn)生一定的影響，對(duì)5.00 m以下的垂向水體，幾乎不產(chǎn)生影響。

4.2 模型應(yīng)用

4.2.1 參數(shù)及工況設(shè)定

參考《華通數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)報(bào)告》及千島湖區(qū)的水文氣象資料，按千島湖區(qū)夏、冬兩季的極端天氣情況并結(jié)合華通數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀、規(guī)劃及遠(yuǎn)期3種不同工況，設(shè)置6組計(jì)算工況（見表1）。

表1 數(shù)值模型計(jì)算工況設(shè)置表

根據(jù)淳安縣氣象資料，其夏季和冬季情況下的氣溫、云量、濕度、太陽輻射參數(shù)均有所不同，同時(shí)，風(fēng)力對(duì)溫排水?dāng)U散效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生影響，在設(shè)置計(jì)算參數(shù)時(shí)，應(yīng)綜合考慮以上因素，表1中所有工況的計(jì)算參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 溫排水模型不同工況下參數(shù)取值表

圖9 夏季工況溫排水影響范圍等溫云圖

圖10 冬季工況溫排水影響范圍等溫云圖

為便于比較分析，本次計(jì)算中不同工況條件下溫排水的影響范圍采用等溫云圖表示，夏季與冬季不同工況下的溫排水影響范圍云圖見圖9 ～ 10。

4.2.2 溫排水影響范圍分析

圖9、圖10分別顯示夏季、冬季工況溫排水影響范圍計(jì)算結(jié)果圖。由圖9 ～ 10可知，夏季工況下華通數(shù)據(jù)中心的溫排水，僅對(duì)珍珠半島湖灣表層水體的水溫產(chǎn)生影響，對(duì)水深5.00 m以下的水體不產(chǎn)生影響；冬季工況下，現(xiàn)狀工況W1及規(guī)劃工況W2的溫排水一進(jìn)入湖區(qū)，表層水體的混合水溫立即達(dá)到13.7 ℃的復(fù)溫目標(biāo)，現(xiàn)狀工況W1和規(guī)劃工況W2的預(yù)測影響范圍均為0，不會(huì)對(duì)珍珠半島湖灣造成影響。

夏季遠(yuǎn)期工況S3由于湖灣岸邊排水中加入了珍珠半島工業(yè)園區(qū)額外0.77 m3/s流量的排水，其對(duì)珍珠半島湖灣的影響范圍較工況S1和S2有明顯擴(kuò)大。由圖9可知，遠(yuǎn)期工況S3由于其流量增大且排水水溫降低，等溫云圖范圍明顯增大。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以溫降2.0 ℃為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其影響范圍為近岸約290 m半徑的扇形區(qū)域，面積約88000 m2，約占整個(gè)珍珠半島湖灣面積的5.000%。

同樣，冬季遠(yuǎn)期工況W3由于湖灣岸邊排水中加入了珍珠半島工業(yè)園區(qū)額外0.77 m3/s流量的排水，其對(duì)珍珠半島湖灣的影響范圍較工況W1和W2略有擴(kuò)大。由圖10可知，遠(yuǎn)期工況W3由于其流量增大且排水水溫進(jìn)一步降低，溫排水對(duì)珍珠半島湖灣呈現(xiàn)出一定的影響，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，以溫降2.0 ℃為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其影響范圍為近岸約10 m半徑的扇形區(qū)域，面積約100 m2，約占整個(gè)湖灣計(jì)算區(qū)域面積的0.006%。不同工況下溫排水影響范圍見表3。

表3 不同工況條件下溫排水影響范圍表

4.2.3 湖灣中心線水溫分布及分析

對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)珍珠半島湖灣中心線的水溫分布進(jìn)行分析。夏季工況珍珠半島湖灣的背景水溫值為31.6 ℃，冬季工況珍珠半島湖灣的背景水溫值為15.7 ℃，參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》，以最大溫降≤2.0 ℃為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，夏季工況復(fù)溫目標(biāo)為29.6 ℃，冬季工況復(fù)溫目標(biāo)為13.7 ℃。根據(jù)復(fù)溫目標(biāo)繪制的湖灣中心線的表層復(fù)溫曲線見圖11 ～ 12。

圖11 夏季工況珍珠半島湖灣中心線表層水溫計(jì)算結(jié)果圖

圖12 冬季工況珍珠半島湖灣中心線表層水溫計(jì)算結(jié)果圖

圖11為夏季工況珍珠半島湖灣中心線水溫計(jì)算結(jié)果曲線圖。由圖11可知，夏季現(xiàn)狀工況S1排水水溫較高，達(dá)28.6 ℃，且其流量僅為0.28 m3/s，計(jì)算結(jié)果顯示，湖灣中心線水溫恢復(fù)較快。規(guī)劃工況S2排水水溫24.3 ℃，低于現(xiàn)狀工況，且流量0.42 m3/s，高于現(xiàn)狀工況，因此，湖灣中心線水溫恢復(fù)較慢。夏季遠(yuǎn)期工況S3的總流量達(dá)到1.19 m3/s，且排水水溫下降至19.3 ℃，在高排水流量和低排水水溫的雙重作用下，其復(fù)溫距離大于工況S1和工況S2。

圖12為冬季工況珍珠半島湖灣中心線水溫計(jì)算結(jié)果曲線圖。由圖12可知，冬季工況條件下，珍珠半島湖灣中心線的水溫分布趨勢與夏季工況類似，但水體復(fù)溫情況與夏季工況有明顯區(qū)別。冬季情況下，現(xiàn)狀工況W1和規(guī)劃工況W2由于其入流水溫與湖灣背景水溫接近，溫排水進(jìn)入湖灣后即達(dá)到或超過復(fù)溫目標(biāo)水溫13.7 ℃。冬季遠(yuǎn)期工況W3由于其流量大、水溫低，在近湖岸約10 m距離內(nèi)，水溫小于13.6 ℃，但隨即達(dá)到復(fù)溫目標(biāo)水溫13.7 ℃。與夏季工況比較，冬季工況條件下，珍珠半島湖灣中心線水溫在距離湖岸非常近的距離上就可以達(dá)到復(fù)溫要求。

5 結(jié) 語

溫排水的排水流量和排水水溫是2個(gè)較為明顯且敏感的影響要素：溫排水的排水流量越小、排水水溫越接近湖灣背景水溫，其對(duì)珍珠半島湖灣的影響范圍越小，反之亦然。

溫排水對(duì)湖灣水溫的影響集中體現(xiàn)在對(duì)湖灣表層水體，也即水深5.00 m以內(nèi)水體的影響上，且體現(xiàn)出一定的季節(jié)特性：以溫差2.0 ℃為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，夏季工況溫排水對(duì)珍珠半島湖灣的影響范圍根據(jù)溫排水流量的不同而有所不同，總體而言，溫排水流量越大，其影響范圍越大；冬季工況則由于溫排水本身與湖灣水溫接近，其對(duì)珍珠半島湖灣基本不產(chǎn)生影響。