火(核)电厂取排水工程直接影响到电厂运行的经济性和安全性，布置方式和建设形式不同，对周围环境造成的影响也不同。20世纪50年代，我国和美国相继提出“温差异重流”理论，在此理论基础上，许多专家学者针对电厂取排水形式和温排水影响开展了研究。在电厂温排水影响方面，欧美等国家在20世纪50年代就开始了温排水热影响研究^[1]，此后持续开展的工作为温排影响研究做了很好的前期准备和技术储备^[2-4]。在国内，相关研究始于20世纪80年代，随着研究不断深入，研究手段由初期的现场观测、水槽试验和单一的数学模型发展为考虑温水浮力影响的三维物理模型和数学模型。如邹志军等^[5]研究了冷却水工程中的水面蒸发与传热的关系。文献[6-8]分别针对鲅鱼圈热电厂、石洞口电厂和湄洲湾水域温排水运动扩散进行了现场观测和数模计算对照分析研究; 张贝贝等^[9]对滨海电厂温排水数值模拟研究现状进行了回顾，对计算模式、参数设置等进行了讨论，指出了温排水数值模拟需要继续研究的方向; 赵晓冬等^[10]、余明辉等^[11]采用物理模型研究了不同区域电厂温排水对周围环境的影响; 黄晓琛等^[12]针对滨海电厂温排水对海洋环境的影响，分析了温排水多方面可能产生的影响。电厂取排水布置形式研究方面，20世纪70年代，前苏联提出将取水和排水当做整体进行研究的设想，进行了大量的实体模型试验^[13]。间隔几年后，美国也相继进行了相关的水槽试验研究^[14]。我国在20世纪90年代开始了电厂取排水布置形式方案的研究。岳钧堂^[15]、倪浩清等^[16]通过模型试验、数值计算提出了重叠式、差位式布置形式；陈惠泉等^[17]总结了电厂冷却水排、取水口布置上的大量科研成果及工程实践，提出了多种新型有效的工程布置形式，被成功地应用到很多工程。随着理论研究与工程实践的不断探索，温排水排放方式逐渐由单一转变为多样化，出现了适用于不同水域环境条件的布置方式，由最初的水域表层排放发展为淹没式深水排放。如Cheng等^[18]应用紊流模型对重叠式取排水方式进行了数值模拟，阐述了分列式、差位式、重叠式3种取排水布置形式的特点及适用条件；曹旭超^[19]采用水槽试验与三维数学模型相结合的方法，对侧向中部、底部温排水排放方式进行了研究，从而总结出了温排水与环境水流的掺混扩散规律；武凯等^[20]利用FLUENT软件对侧向中部式、侧向底部式、同流中部式3种不同的温排水布置方式进行了模拟研究。目前，国内外研究比较多的是取、排水口不同的工程结构形式及其效能和影响，取排水工程不同布置方式下的环境影响对比研究还不多。本文以肯尼亚拉姆电厂为例，采用数学模型模拟了不同取排水布置方案(管道和半淹没式明渠排水)的流场变化和温水扩散规律，对比分析不同取排水布置方式对环境的影响，研究成果可为类似工程建设起到借鉴作用。

1 工程概况

肯尼亚拉姆电厂位于肯尼亚吉佩曼达湾西岸，厂区距离岸滩约800 m。曼达湾口门外水深达50 m左右，向湾内水深逐渐减小，湾内有部分浅滩，低潮时露滩，工程区到外海-7 m等深线贯通。涨潮流基本为正北方向，从曼达湾口门至工程区域，一部分涨潮流向西北涨入万格河，一部分向东北涨入多多里河。落潮时两条河流落潮流在工程河段主流区汇集，然后向南流出曼达湾河口。整体上看，工程水域基本为南北向的往复流。

电厂采用海水作为冷却水，取水方案采用管道通过循环水泵房抽取海水，取水头位置海床高程-10.0 m，距离电厂约1 600 m。排水方案初步设计为明渠排水和管道排水，2种方案排水口距电厂约1 600 m，明渠排水方案为半淹没式浅水区排放，明渠采用梯形断面，底宽为4 m，底坡0.003，边坡系数为1:2.5，边墙高程比周围滩地高出0.5 m，高潮位淹没，低潮位露出，排水口设置在-2 m水深附近海域。管道排水方案每台机组设置一根DN2 600排水管和一个8 m×6 m×8 m矩形排水口，排水口位置水深为-4 m。优化排水方案为取排水口差位式布置，即在管道排水方案基础上，将排水口向东南移至-8 m深水区，距离电厂约2 700 m。3种排水方案排水温升均为9 ℃, 排水流量为35 m³/s。另外在取水口上游约400 m处拟建电厂煤码头，码头前沿水深-9 m。电厂地理位置及水文观测点布置见图 1，具体工程布置见图 2。

2 模型建立和验证 2.1 二维潮波运动基本方程

在河口海岸地区，笛卡尔坐标系下二维潮波运动可采用下列控制方程：

1) 连续方程：

$ \frac{{\partial Z}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {Hu} \right)}}{{\partial x}}\frac{{\partial \left( {Hv} \right)}}{{\partial y}} = q $

(1)

2) 动量方程：

$ \begin{array}{l} \;\;\;\frac{{\partial \left( {Hu} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {Huu} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {Huv} \right)}}{{\partial y}} = - gH\frac{{\partial Z}}{{\partial x}} - \\ \frac{{\partial \left( {H\overline {u'u'} } \right)}}{{\partial x}} - \frac{{\partial \left( {H\overline {u'v'} } \right)}}{{\partial y}} + fHv + \frac{{{\tau _{sx}} - {\tau _{bx}}}}{\rho } + q{u^*} \end{array} $

(2)

$ \begin{array}{l} \;\;\;\frac{{\partial \left( {Hv} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {Huv} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {Hvv} \right)}}{{\partial y}} = - gH\frac{{\partial Z}}{{\partial y}} - \\ \frac{{\partial \left( {H\overline {v'u'} } \right)}}{{\partial x}} - \frac{{\partial \left( {H\overline {v'v'} } \right)}}{{\partial y}} - fHu + \frac{{{\tau _{sy}} - {\tau _{by}}}}{\rho } + q{v^*} \end{array} $

(3)

式中：u、v分别为x、y方向流速分量；Z为水位；H为水深；f为科氏力系数；q为单位面积上的源汇强度，u^*和v^*为源汇节点周边x、y方向流速分量。(τ_sx, τ_sy)为表面风应力项，(τ_bx, τ_by)为底部床面阻力项。

2.2 二维温水扩散运动方程

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial (\Delta TH)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {Hu\Delta T} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial (Hv\Delta T)}}{{\partial y}} = \\ {D_x}H\frac{{{\partial ^2}\Delta T}}{{\partial {x^2}}} + {D_y}H\frac{{{\partial ^2}\Delta T}}{{\partial {y^2}}} - \frac{{k\Delta T}}{{\rho {C_P}}} + q\Delta {T_i} \end{array} $

(4)

式中：ΔT为水体的温升，℃；ΔT_i为源项水体超温值，℃；D_x、D_y为热扩散系数；k为水面综合散热系数；C_P为水的比热；ρ为水体密度。

2.3 求解方法及定解条件

1) 求解方法。

根据坐标转换关系，将笛卡尔坐标下的控制方程转换成平面一般曲线坐标，采用有限体积法对方程进行离散，采用水位校正法求解耦合的水位-速度场，采用Pantankar和Spalding提出的SIMPLE算法，进行实际编程计算。

2) 初始条件。

初始条件的影响将会在经过几次迭代后逐渐消失，因此本文采用冷启动来处理。即给定初始条件时刻计算域内所有求解变量为定值。

3) 边界条件。

开边界水动力计算给定潮位过程。

温升计算边界出流时给定：

$ \frac{{\partial (D\Delta T)}}{{\partial t}} + \frac{1}{{{C_\xi }{C_\eta }}}\left[ {\frac{\partial }{{\partial \xi }}(D\Delta Tu{C_\eta }) + \frac{\partial }{{\partial \eta }}(D\Delta Tv{C_\xi })} \right] = 0 $

(5)

温升计算边界入流时：

$ \Delta T{{\rm{|}}_{{\Gamma _0}}} = \Delta {T_a}\left( {t, \xi , \eta } \right) $

(6)

式中ΔT_a为入流外海边界热回归温升过程，当选取范围足够大，即开边界在温排水扩散范围外时，可认为入流温升为零。

闭边界水动力计算时，流速满足不可入边界条件，即其法向流速为0。温升计算时闭边界采用绝热条件，即温排水扩散法向浓度梯度为0。

4) 动边界。

工程水域有大片浅滩，高潮位时淹没，低潮位时出露，计算过程中采用冻结法处理动边界。

2.4 参数选取

根据工程海域1993年—2015年实测水温和风况统计，确定计算所需的平均水温和风力条件。在温排水数学模型计算中，影响温度扩散的主要因素是热扩散系数和水面综合散热系数。热扩散系数的取值和温排水的扩散和输移与水流运动有关，一般取热扩散系数为常值，也有学者按沿水流方向和垂直水流方向分别取值。根据已有研究成果，取D_x＝0.1 m²/s和D_y＝0.1 m²/s。

水面蒸发系数和水面综合散热系数采用《工业循环水冷却设计规范(GBT 50102-2014)》中公式计算确定：

$ \alpha = {(22.0 + 12.5{v^2} + 2.0\Delta T)^{1/2}} $

(7)

$ \begin{array}{l} {K_m} = \left( {b + k} \right)\alpha + 4\varepsilon \sigma {({T_s} + 273)^3} + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {1/\alpha } \right)(b\Delta T + \Delta e) \end{array} $

(8)

2.5 模型验证

潮流数学模型采用工程附近实测资料进行验证，工程附近潮位和流速过程与实测值吻合也较好，较好地复演了工程海域的流场特征。

2.6 计算动力条件

根据工程海域潮位观测资料，以大潮潮差保证率10%构造典型大潮潮型，以中潮潮差保证率50%构造典型中潮潮型，以小潮潮差保证率90%构造典型小潮潮型。典型大、中、小潮潮差分别为3.1、2.2、1.1 m。在大、中、小典型潮作用下，研究不同温排水方案对取水口以及附近水域的影响。

3 工程影响分析 3.1 流场影响

图 3为电厂码头建设以及管道和明渠排水方案引起的流速变化包络线图。管道排水方案对流场影响较小。当涨、落潮流速较大时，排水口附近流态变化不大，由于排水作用流向有所改变。高潮位和低潮位时，由于涨落潮流速较小，排水口附近水流明显向排水口外侧辐散，反映出排水口在涨落潮流速较小时温水排放时的流态变化。明渠排水时水位较高时，明渠被水淹没，涨落潮流跨越明渠，明渠入口处附近流态变化较大，至明渠排水口处流态变化逐渐变小。水位较低时，水流能够沿着明渠流至排水口，在明渠入口处漫滩流明显，明渠出口处形成明显的流路，并在排水口上下游局部形成回流区。

总体上看，工程建设后引起的流场变化仅发生在工程附近局部范围内，明渠排水方案流速变化范围明显大于管道排水方案。管道排水对周围流场影响较小，若取排水口处于同一流路上，温水极易随着涨潮输移扩散至取水口，对取水口造成影响。半淹没明渠浅排方案排水对周围水流影响较大，影响范围主要集中区近岸区域。

3.2 温排水影响

针对典型大、中、小潮进行电厂温水扩散数学模型计算，分析管道和明渠排水的温升变化影响范围和对取水口的影响。

3.2.1 温升影响范围

表 1~3为管道、明渠排水和优化方案的温升影响范围统计。可以看出，半淹没明渠浅水区排水和管道深水区排水温水输移扩散有着明显不同的规律。半淹没明渠浅水区排水时，由于水深较浅，温水无法和周围水体大量和充分的掺混，而是随涨落潮流向周围快速运移扩散，潮差越大，水体动力越强，温水被周围水体挟带扩散的距离越远，影响范围也越大。而管道深水区排水温升影响范围基本随着潮差的减小而增大，这主要是因为深水区排水时，温水能够和周围环境水体大量和充分地掺混，掺混的效率和水流运动有关，潮差大水动力强，掺混效率高，温水输移扩散的范围就小。优化方案排水孔在管道排水方案的基础上继续向东南深水区移动，位于-8 m水深处，温水影响范围进一步减小。

一般情况下，周围环境水体动力较弱时不利于温水和周围水体充分掺混，温水影响范围较大。图 4~6为典型小潮时不同排水布置方案下的温升影响包络线图。可以看出，半淹没明渠浅水排放时，温水在浅水区排放无法和周围水体充分掺混，在滩地水流的挟带下迅速向周围输运扩散，4 ℃温升包络线范围远远大于管道排水方案。管道深水区排水时由于排水口处于深水主流区，在曼达湾涨落潮往复流作用下温水团呈现明显的南北条带状分布。优化方案在管道排水方案基础上向东南深水区移动，温水包络线条带距离岸线相对较远，南北运移扩散的距离相对较短。

3.2.2 取水口温升

表 4为3种排水方案取水口温升平均值和最大值统计。可以看出，半淹没明渠浅水区排水造成的环境影响主要集中在岸滩上，温升面积较大但距离深水区取水口仍有一段距离，取水口最大温升1.60~1.85 ℃，平均温升0.44~0.76 ℃。管道排水方案排水口初步设置在距离厂区1 600 m处的-4 m水深区，和取水口正好处于南北同一条水流流路上，温水可以直接随涨潮流上溯至取水口附近，对取水口影响较大，最大温升1.89~2.26 ℃，平均温升0.61~1.33 ℃。优化方案在管道排水方案基础上向东南深水区移动后，温水和周围水体充分掺混，温升影响范围较小，高温带距离岸线较远，对取水口的影响也较小。最大温升0.56~1.76 ℃，平均温升0.27~0.69 ℃。

4 结论

1) 电厂取排水工程对对周围流场的影响仅限于工程附近局部区域。半淹没式明渠浅水区排水引起的流场变化范围要明显大于管道排水方案。

2) 温水运移扩散和排水方式、排水口位置以及周围水体环境有密切关系。排水口位于深水区时，水动力越强越利于温水和周围水体充分掺混。

3) 半淹没式明渠浅排方式造成温水在浅水区排放无法和周围水体充分掺混，温升影响范围大，高温区主要集中于近岸区。管道深水区排水方式下，温升影响范围相对较小，温水团随涨落潮流呈现条带状分布，若排水口和取水口同处于一条流路时，对取水口影响较大。

4) 在潮汐作用水域，取排水工程采用管道深水区差位式布置形式，温水和和周围水体充分掺混，既能减小温水影响范围，又可避免取排水口处于同一流路，有效减少温水对取水口的影响。