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大亚湾海域温排水三维数值模拟研究 专业：物理海洋学 硕士生：彭晓飞 指导老师：李适宇教授 摘要 近年来，随着大亚湾经济的迅速发展，核火发电厂在大亚湾地区相继建起， 发电厂的废热通过温排水排入大亚湾海域，对水环境产生了很大的影响，甚至造 成热污染，而对大亚湾海域温升分布作出准确的模拟是防止热污染的关键。 本文利用e c o m s e d 数值模式建立了大亚湾潮流三维数值模型。用该模型 对大亚湾核电站附近海域的典型潮型进行了潮流场计算，计算所得的潮位与实测 值无论是潮高还是相位均吻合良好，计算所得的各测点的流速和流向与实测数据 趋于一致。 在模型验证结果良好的基础上，本文结合建立在对流扩散理论基础之上的输 运扩散模型，对岭澳核电站与大亚湾核电站合排后温排水的扩散过程进行了数值 计算。根据模式计算结果，分别阐述了温升场的水平和垂向分布规律。本文利用 模型计算了大亚湾核电站投产后温排水引起的温升场，并对岭澳核电站二期投产 后温排水的温升场分布进行了初步预测。本文还分别分析了不同排水条件下温排 水对取水口温升的影响，利用数值实验探讨了非线性底摩擦及平流项对温排水扩 散的影响。 关键词：三维数值模拟；温排水；大亚湾 r n 1 1l tn j oj1 - l 。n r e e d l m e n s l o n a i 州u m e r l c a is l m u i a n o n0 it n e t h e r m a ld i s c h a r g ei nt h ed a y ab a ys e aa r e a m 旬o r ：p h y s i c a lo c e a l l o 笋a p h y n a “i e ：p e l l g ) 【i a o 硒 s u p e r 讥s o r ：“s l l i ” a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fd a y ab a ye c o n o m i c ，m e r ea r em 柚y p o w e rs t a t i o nb u i l ta l o n g t l l ec o a s t ，a f l dt h em e n l l a ld i s c h a r g e 舶mt h ep l a l l tw i l le 任叛 m ea d j a c e n tw a t e ra r e at os o m ee x t e n te v e nt ot h e n n a lp o l l u t i o n，m ec o a s t a l e n v i r o i h n e n ti sd e t 嘶o r a t e db a d l y ：t h ek e yi st ol e 锄t l l et l l e n i l a ld i s t r i b u t i o ni no r d e r t oa v o i da g a i n s tt h e n n a lp o l l u t i o n at l l r e e d i m e n s i o n a lh y d r o d ”锄i c sm o d e lu s i n ge c o m s e da l g o r i m mw a s d e s i g n e d t h et i d e f i e l d so ft h et y p i c a lt i d e a r ec a l c u l a t e du s i n gt h em o d e i ，t h e c a l c u l a t i o n sa 1 1 dt h eo b s e a t i o n so ft h et i d a l l e v e l ，m ev e l o c i t ya n dt h en o wd i r e c t i o n a r ec o i n c i d e dw e l l t h es t u d yc o n s i s t e do ft h r e es t 印s h 1 廿l ef i r s tp a r t ，am o d e lc o m b i n e dw i ma 打姗s p o r tm o d e lw l l i c hi s b a s e do nt h ec o n v e c t i o nd i 触s i o nt h e o r y w a su s e dt 0 s i m u l a t em ew a n nw a t e rd i 丘u s i o np r o c e s sw h e i lm et 1 1 e m l a ld i s c h a r g e 矗o mt 1 1 et w o p l a i l t s w e r ec o m b i n e d b a s e do nt h er e s u l t ，m e t e i i l p e r a t u r e v a r i a t i o n si nb o m h o r i z o n t a l 锄dv e n i c a ld i r e c t i o n sw e r ed i s c u s s e d i nt h es e c o n dp a r t ，t 锄p e r a t u r ef i e l d c a u s e ds o l e l yb yt h ed a y ab a yn u c l e a rp o w e rp l a n tw a sc a l c u l a t e d a 1 s oas i m u l a t i o n w a sp e r f o 肌e dt of o r e c a s tm ec o n d i t i o nw h e nt h es e c o n dc o n s t r u c t i o np h a s eo fm e l i n g a 0n u c l e a rp o w e rp l a m sc o m p l e t e d f i n a l l y ，d i s c u s s i o n sw e r em a d eo n ：t h c d i 行醯e n c e s觚dp o s s i b i l i t i e do ft h ew a t e rt e m p e r a t u r er i s eu n d e ra 1 1p o s s i b l e c o n d i t i o n s ，m ei m p a c to ft l l e h i l a ld i s c h a r g et o t h ew a t e ri n t a k e s ，an u m e r i c a l e x p 舐m 髓tw a sp r e s e l l t e dt 0d i s c u s st 1 1 ee 虢c to fa d v e “o na i l dn o n l i n e a rb o t t o m s t r e s st om ew 剐曙nw a t e rd i 仃i u s i o n 蛋玉e yw o r d s ：1 1 1 r e e d i i i l e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t t l 黜a ld i s c h a r g i e ；d a y ab a y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者虢鹊唬侈 日期：2 韶年乡月。日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部 门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入 学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印 或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名锄蛄导师签名：彦砀 日础年么；月9 日日期p t 鲇谚年 6 月f 钐 日 第l 章绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 1 1 1 海湾温排水问题的研究意义 中国有着长达l8 0 0 0 k m 2 的海岸线，在沿海地带分布着l5 0 多个面积在10 2 以上的海湾，蕴藏着丰富的自然资源。当前，大部分海湾地区已经成为人类生活、 生产和社会活动的活跃地带，在2 4 个沿海开放城市中，有1 7 个就是依托海湾发 展起来的【l j 。 缘于我国经济的持续高速发展，我国电力供应极其紧张，目前电力事业迅猛 扩张，电力建设以火力发电为主，核电厂的建设也在不断增加。众所周知，绝大 多数的火核电厂都需要大量的冷却水作为发电系统的冷源，为了节约淡水资源， 目前很多国家都倾向于将电厂建在沿海地区。对于建于海湾海岸一带的电厂，由 于海水水量充足，水费极其低廉，利用海水“一次循环冷却”成为冷却水方案的 必然选择。 长期以来，人们谈论电厂对环境的影响时，多注意电厂排烟对大气环境的污 染，核电厂低放射性污水排放对水环境的污染。事实上，电厂冷却水所含巨大热 量弃置于环境所带来的热污染危害亦相当巨大。据统计，电厂燃料燃烧总发热量 中仅有3 5 左右转变为电能，而6 0 以上热能主要通过锅炉烟囱和冷凝器的冷却 水释散到环境中【2 1 。相比而言，循环冷却水携带走的废热量要占绝大部分。 温排水( 1 1 1 e 珊a ld i s c h a 赡e ) 是指用作电厂冷凝器循环冷却后，温升约8 一l5 后重新排回水体的那部分水【3 】。由于电厂多采用“一次循环冷却 冷却方案， 排入海湾的温排水多一般而言流量较大，其一方面带来大量的热量，使排水口附 近的局部海域水温不同程度得到了提高，直接或间接引起溶解氧、营养盐、p h 值、水体总硬度等水体物理化学性质的变化【4 】。另一方面，温排水的流量相当于 一条河流流量输入到水体，在一些大电厂大温排水量影响下，温排水受纳水体的 第l 章绪论 流场形态有不同程度的变化。 当今海洋环境最突出的问题之一，就是近岸海湾等水体的富营养化问题。富 营养化所涉及的机制非常复杂，值得重视的是，近岸水体的温排水与水体中营养 盐的输运、富集、扩散与分解、转化有着密切的关系，因而温排水对受纳水体富 营养化问题有着举足轻重的影响。研究【5 】表明温排水可以提高水中营养盐的含 量，改变受纳水体中浮游生物的种类组成、群落结构与时空分布，促使水体中浮 游生物的生物量快速增加，造成水体溶解氧急剧变化，进而加速有机物的氮、磷 分解，产生更多营养物质，生态系统进入恶性循环，水质剧烈恶化，鱼类与其他 生物大量死亡。由此可见电厂温排水将影响水生生态系统平衡，加速水体富营养 化进程，最终导致海湾区域赤潮频发，原有生态系统崩溃。近岸水体温排水作为 水体物理化学性质的主要影响因素，对其不同时空分布的变化规律及影响程度进 行研究可更好提高人类认识温排水问题对富营养化问题的影响机制。 随着污染物排海总量的不断增加所导致的近岸水体水质恶化问题同益突出， 人们深刻认识到海域污染物负荷容量不仅是制定污染物排海总量控制方案的必 要科学基础，也是海洋生态环境质量分析、管理、保护、治理等一个重要的基本 理论问题。在电厂温排水受纳水体中，温排水直接改变了水体温度的时空分布与 变化特征，促使水体表层混合，水温垂向梯度增大，最终形成温跃层【6 】o 在综合 热致分层效应与大流量作用下，海域流场流态随之发生改变，各种污染物的对流 输运和稀释扩散的物理化学过程、不同区域与周围水体交换能力与之前孑然不 同，因而导致整个水体的环境容量在时间及空间分布上极大的差异。在这种状况 下，作为温排水受纳水体流态的一个重要影响因素，研究电厂温排水问题，掌握 水体内部温度分布特征是准确计算该海域污染物负荷容量的基础，同时为进一步 研究海域污染物总量控制与海洋环境容量合理分配提供坚实的研究基础。 综上所述，为了更好得预防与治理温排水海域富营养化问题，保护温排水受 纳海湾的水质生态环境、水产资源，合理利用海洋环境容量、指导电厂的合理规 划，协调电厂建设以及保障沿海地区经济的可持续发展，研究海湾内温排水的影 响范围及程度具有重大的现实意义。 2 第l 章绪论 1 1 2 大亚湾海域温排水问题的研究意义 大亚湾是广东省沿岸最大的海湾之一，面积约6 0 0 l ( 1 1 1 2 。大亚湾海域自然环 境得天独厚，生境复杂多样，生物资源巨大，海洋水产资源相当丰富，是我国最 重要的亚热带水产资源宝库之一。为了保护大亚湾的天然资源，1 9 8 3 年广东省 人民政府批准建立“大亚湾水产资源自然保护区”。建立保护区的目的是通过维 护生物多样性，实现社会、经济、环境的可持续发展。生物多样性是人类依赖生 存的生命资源基础，生物多样性受到破坏，最终将导致人类的生存危机。然而白 2 0 世纪8 0 年代初开始，丌展的多次全面、系统的环境调查，大量的历史和现状 资料的对比研究表明，大亚湾生态环境的诸多方面，如水体营养状态、生产力、 生物量等正处于快速退化的状态r 丌。 改革开放以来，大亚湾周围的海水养殖、石油化工活动迅速发展，城市化运 动方兴未艾，人口密度急剧增长。特别是一些大型项目的上马，如大亚湾核电站 ( g n p s ) 、岭澳核电站( l n p s ) ，造成岸线变化、耕地湿地减少，大量陆源与海上污 染源输入。众多电厂的循环冷却水均取自大亚湾海水，经过不同温升的冷却水排 入到海域中，会造成何种程度的热污染，会导致水质生态环境怎么样的变化? 这 是一个值得深入探讨的问题。通过研究大亚湾温排水条件下的海水温度时空分 布，对于了解污染物质在大亚湾环境中的迁移转化规律以及对水生生物所造成的 影响，合理规划电厂建设，强化温排水排放管理力度，保护大亚湾的水质生态环 境、水产资源都有着积极的现实指导作用，此为本文研究意义所在。 1 2 温排水研究进展 在火力或者核能电厂中，发电过程都需要冷却水提供热机冷源和冷却各种机 组，电厂废水除了含有金属离子和少量有机物及放射性外【8 】，其主要特征就是高 温。由取水口引进低温冷却水，在电厂冷凝器进行热交换后，水温会升高8 1 5 ，再由排水口排放到环境水体中，排除的水就称为温排水i t h e n i l a ld i s c h a r g e ) 。 具有一定温升的温排水由排水口进入受纳水体后，受纳水体在一定时间后达到热 平衡状态，其所带的热量有三个去向：一是由水体自由水面与大气底层空气进行 3 笫l 章绪论 水气热传导、水体向大气发射热辐射及水面蒸发量增加进行逸散，二是由水体自 身通过对流输运及稀释扩散与周围水体发生热对流及热传导，最终将热量转移至 外海，扩大影响区域。三是同海底进行热交换。由于温排水对整个环境影响难以 忽略，甚至对环境造成重大破坏，人们日益重视温排水问题，开始对其各方面性 质影响进行研究。美国、西欧、前苏联等国家早在二十世纪五十年代就开展了这 方面的研究工作，我国在二十世纪八十年代后期才陆续开始。目前，国内外关于 电厂温排水方面的研究领域主要集中在以下几个方面： 一、温排水对水环境的影响：对水体理化性质的影响，如降低溶解氧、增加 营养盐、增大p h 值与水体总硬度、提高水质矿化度、加快悬浮物沉积速率等【卅； 对水体富营养化的影响，温排水提高营养盐含量，刺激藻类过度生长，导致严重 缺氧，加速有机物分解，最终导致恶性循环，水质恶化，赤潮爆发，鱼类及其他 生物大量死亡，生态系统崩溃【l o 】。 二、温排水对水生生态系统的影响【1 1 】：对水生生物数量的影响，如年均状态 下强增温区生物数量高于弱增温区又高于自然水温区；水体适度增温则数量增 加，增温过大则数量减少甚至消失。对种群组成的影响，如耐温与喜温种类比例 增加，喜低温种类相对减少或者暂时消失。对水生生物群落结构的影响，如在 2 0 一3 0 ，生物多样性指数随温度升高而增大，之后随温度升高而下降。 三、温度胁迫效应的研究：自然条件下，水温变化较陆地温度要小，所以水 生生物对温度变化的忍受程度也相对弱些，当温排水进入受纳水体后，温度在短 时间升高，水生生物需要一定的时间去适应【1 2 】。在生物适应温排水后，若突然 停放，会对生物造成二次打击，特别在冬季时会对生物产生损害。这就是温排水 的胁迫效应。 1 2 1 温排水数值模拟研究进展 无论是研究温排水何种领域，其无法避开的就是确定温排水所带热量的影响 范围和程度，而温排水影响的范围及程度采用现场实测、遥感观测、经验公式、 物理数学模拟等方法评估。虽然确定温排水温度分布的研究方法是多种多样的， 然而随着数值计算方法和计算机技术的迅速发展、对流动传热过程物理机理的认 4 第l 章绪论 识深入，数值模拟方法以其模拟快速灵活、经济方便等优越性，愈受到人们的重 视，已经成为应用范围最多最广的研究方法。根据各种物理学、物理化学、生物 化学、生态学原理构建起来的水动力热扩散水质生态等模型，不仅可以准确的再 现历史的及现时的状态，更可以在此基础上，对未来的不同发展趋势进行预报和 评估。根据所描述温度空间分布的维数，可分为零维模型、一维模型、二维模型、 三维模型。 近年来，二维水动力学模型被广泛地用于再现预测温排水热扩散的研究中， 其中以平面二维浅水方程、二维温度对流扩散方程为基础建立起来的二维温度场 和水动力场耦合求解的温排水模型应用最为广泛。m c g u i r k 和r o d i 【b 1 最早采用 水深平均形式的k e 紊流模型计算冷却水岸边排放近区的温度分布。1 9 8 6 年 至1 9 8 7 年吴江航等【1 4 ，1 5 】在不规则三角形网格上采用l 。稳定的分布杂交方法分别 模拟了海湾与潮汐河道温排水热污染的二维分布。1 9 8 8 年詹杰民等【1 6 】结合有限 单元法与边界拟合坐标差分法形成差分有限元破开算子法，对二维对流扩散方程 求解得出感潮河道的温排水温度场。1 9 9 2 年龙中林等【1 7 】用标准二维k 一模型 闭合雷诺方程运用欠松弛技术保证收敛采用s i m p l e 法求解二维对流热扩散方 程，得出地形复杂的冷却池的热消散情况。1 9 9 5 年华祖林【1 8 l 采用变网格与动边 界处理技术应用t d m a 隐式求解二维对流扩散方程对潮汐河口的两座电厂温排 水影响进行了模拟。1 9 9 6 年陈凯麒等【l9 】采用改进型分布杂交法与网格自动生成 技术求解垂向平均二维非定常守恒型浅水方程，获得了沿岸凸体的温度场分布。 1 9 9 8 年韩康等【2 0 1 运用嵌套方法建立水热输运扩散模型模拟了海域温排水的被动 扩散过程，给出了温排水的温升场的特征值。1 9 9 8 年邹金安等【2 1 】利用窄缝法进 行动边界处理，采用a d i 法求解二维水动力热扩散模型，得出了半封闭海湾的 温排水温度场。2 0 0 0 年j m h 锄t m c k 【2 2 1 描述了一种三维表层水模型，对p e a c h b o m 核电站对c o n o v v i n g op o n d 的水温影响进行了分析。2 0 0 1 年李平衡等【2 列 采用改进的分步杂交法在不规则三角形网格上求解二维流动与热扩散问题，得到 了基本吻合的温排水温度场。2 0 0 2 年z e n gp i n g 【2 4 】用m l f i e l d 相似物理模型，二 阶修正的迎风格式的平均深度的k e 紊流模型，研究了核电站废热在海岸水体 中的传输。2 0 0 5 年郝瑞霞【2 5 j 采用有限体积法求解二维n s 方程组与r n gk 一 紊流模型给出了感潮河口温排水的温度场。 5 第l 章绪论 相对于某些浅水区域下的温排水模拟，因其物理量在深度方向上的变化不明 显，二维数值模型对温排水扩散可以具有较好的模拟效果并保证有足够的精度。 但是真实的温排水问题却是一个三维问题，物理量的变化在各个方向上都有差 异，特别是在垂直方向上分布殊异。电厂的温排水排出后，由于温差所产生的浮 力效应，温排水趋于海水上层运移，这种现象只有使用三维数值模型才能体现， 利用任何深度平均的二维模型都无法正确反映。因此完全的三维模型一直是温排 水数值模拟的研究方向。1 9 9 1 年李嘉等【2 6 】采用有限容积法直接求解三维椭圆型 流动控制方程，紊流模型采用有浮力修正的k e 模型研究了有横流情况下的温 排水、取水问题。1 9 9 3 年阳昌陆等【2 7 l 应用k e 双方程湍流模型和控制容积法 成功模拟了冷却水的三维湍流运动。1 9 9 4 年王祥三【2 8 j 提出了三维一多层二维平 面扩散综合模型，模拟研究了强混合型河口的温排水问题。1 9 9 5 年杨纯等【2 9 】建 立了瞬态、不可压、自由表面、非线性的三维远区数学模型，并对辽西高岭电厂 温排水成功进行了数值模拟。19 9 6 年黄平【3 0 】采用特征差分法求解温排水扩散三 维数学模型，并应用于汕头热电厂废热水排放的环境影响评价中。1 9 9 8 年王丽 霞等【3 l l 运用一阶湍封闭理论三维热扩散预测模型对青岛市黄岛发电厂温排水工 程进行了模拟计算。2 0 0 4 年郝瑞霞等【3 2 】采用浮力修正的k e 湍流模型，三维 离散型边界拟合坐标变换下的控制体积法，进行了滨海电厂冷却水工程的潮汐水 流和热传输的数值模拟。2 0 0 6 年汪一航等【3 3 】基于p o m 模式对北黄海近岸的庄河 电厂温排水问题进行了三维数值模拟，并对温排水排放口设置进行了数值实验。 2 0 0 6 年周莉华等【3 4 】采用g l l v h t 模型对江苏l n g 项目冷海水排放温度场进行 了模拟计算，并预测其环境影响。 在数值模拟不断发展的过程中，国内外学者提出并完善了多种多样的温排水 模型，由其研究的发展可以看出，温排水数值模拟在适应边界的要求上由结构化 网格向无结构化网格过渡，在质量守恒要求上由有限差分和有限单元向有限体积 过渡，在真实模拟要求上由二维数值模型向三维数值模型过渡。 6 第l 章绪论 1 2 2 、大亚湾温排水研究进展 自1 9 9 4 年5 月大亚湾核电站开始运行以来，随着排入大亚湾温排水的增多， 大亚湾海域的温排水问题越来越受到人们的关注，国内许多学者在温排水对水环 境的影响、温排水对生态系统的影响、温排水的胁迫效应这三方面做了大量的研 究。1 9 9 6 年，张维翥1 3 5 】对大亚湾核电站温排水排放前后的多站位多航次的鲷科 鱼卵、仔鱼样本以及水温资料分析，结果表明，鲷科鱼卵、仔鱼的分布在温排水 排放前、后与水温变化密切相关，海域温升2 8 对鲷科鱼类的产卵、孵化、生 长发育有明显的影响；彭云辉等【3 6 】根据大鹏澳海域多年四季的连续点及大面观 测数据，计算了大鹏澳海域四季的水温、盐度、p h 、c o d 、t n 和t p 的变化范 围和平均值及分布特征，并讨论了各化学因子与d o 和s 的相互关系。而在1 9 9 8 年彭云辉等【3 7 】根据大亚湾核电站运转前及运转后对大鹏澳海域的监测资料，选 用水温、p h 、d o 、c o d 、t i n 、p 0 4 一p 和c h l a 为评价因子，以水质质量综合指 数( w q i ) 为模式，评价了大鹏澳海域水体质量状况，认为如温排水使海水超过 海洋生物的适宜温度，将导致生物生长受限甚至死亡。在1 9 9 9 年，黄洪辉等【3 8 】 根据1 9 9 8 年秋季的大亚湾海洋生物化学要素调查数据，分析了大亚湾秋季叶绿 素a 和营养盐的分布特征及影响分布的主要因素，认为大鹏澳海域生态系主要受 核电站温排水影响较大。在2 0 0 0 年张穗等1 3 9 】对大亚湾核电站温排水排放口及邻 近海域海水中余氯污染状况进行了调查，结果表明余氯各季节平均水平为 0 0 1 0 0 2 m g l ，海水中形态为化合态，对核电站邻近海域生态环境尚不致产生明 显影响；林昭进等【4 0 】根据1 9 9 4 年3 月到1 9 9 5 年2 月在大亚湾核电站附近1 2 个 站取得的水温、盐度、溶解氧及鱼卵仔鱼样品，分析认为温升2 以上的范围大 致在2 k m 以内，l 以上的范围在4 k m 以内，核电站温排水对大鹏澳水域鱼卵和 仔鱼的总数没有明显影响，但是鱼卵和仔鱼在种类组成上却出现了异常。在2 0 0 1 年彭云辉等【4 l 】根据多年现场调查数据，对核电站邻近海域初级生产力及潜在渔 业资源在核电站运转前和运转后的变化进行了研究，结果表明，影响该海域初级 生产力的主要因子：核电站运转前是水温，运转后为透明度。2 0 0 3 年，王肇鼎【4 2 】 根据1 9 9 8 年秋季对大鹏澳网箱养殖的观测资料，根据营养状态质量指数法，分 析了各网箱水体的富营养化成都，分析结果为网箱水体的富营养化程度与核电站 7 第l 章绪论 温排水引致水温变化及网箱内外水交换条件密切相关，另外王肇鼎【4 3 】利用 1 9 8 5 2 0 0 2 年2 5 个航次的观测资料，初步探讨了大亚湾生态环境的退化现状与特 征，研究结果表明：人类活动加速了大亚湾生态环境的退化，生态系统稳定性减 弱，系统朝异样演替方向发展。2 0 0 4 年王友绍等【7 】根据大亚湾海洋生物综合试验 站2 0 a 来的大量数据，对大亚湾生态环境和变化趋势进行了分析，认为核电站温 排水的排放主要影响大亚湾海域表层水温，大亚湾水温呈上升趋势直接影响了大 亚湾海区的碳循环；张文全】利用己有的大亚湾核电站热影响的研究结果，评 估了大亚湾核电站和岭澳核电站之间的热影响。2 0 0 5 年蔡泽平【4 5 】在室内可控制 条件下对大亚湾两种主要经济虾类进行多项温度指标模拟测试，结合核电站温度 场的卫星遥感资料，对温排水的热影响进行了评价，结果表明温排水对这两种主 要经济虾的影响甚微。2 0 0 6 年徐继荣等m 1 研究了大亚湾海水中n 2 0 的分布特征， 发现n 2 0 浓度的水平分布与水温分布相似，同时认为由于核电站温排水排入海 洋表层，导致核电站温排水影响海域的n 2 0 浓度高于邻近海域1 倍以上；吴传 庆等【4 7 】利用多个时相的t m 数据热红外波段影像，对大亚湾核电站建设前、发电 后以及岭澳核电站发电后周围的水温场变化进行了遥感监测，有效地对核电站温 排水强度、扩散范围和环境影响进行了评价。 对于大亚湾核电站温排水的数值模拟方面的研究进展，在1 9 9 2 年张春舞等 【4 8 】采用a d i 法离散二维对流扩散方程，计算了大亚湾核电站低温废水排放、低 温废热排放在周围海域的放射性浓度场、温度场的分布和吸水口的卷载效应，认 为温升l 以上的面积约为4 k m 2 ，对水生生物己无影响。1 9 9 9 年杨立文等【4 9 】采 用a d i 法离散二维对流扩散方程，计算得到大亚湾核电站海域的流场、温度场 和放射性物质浓度场，结果表明：温度差对排放口周围水面积约6 k m 2 的范围已 低于o 5 ，与天然水温已无明显差别，温排水排放对大亚湾水域环境是安全的。 2 0 0 3 年李振海等【5 0 】采用疏密正方形网格进行二维数值计算解出大亚湾填海工程 实施后惠州l n g 电厂温排水的流场和温升场。2 0 0 6 年罗岸等【5 l 】通过物理及二维 数值模型的试验研究，明确了大亚湾平海电厂的取排水方式，给了各种方案下的 海域热污染范围，认为温排水向西面扩散，主要集中在三角洲岛对开海面上。 综合国内的研究情况，对大亚湾温排水的研究主要有两个方面：( 1 ) 利用定 点观测或遥感观测的数据分析温升分布，但由于环境的变化在时间和空间上都是 8 第l 章绪论 连续的，定时定点采集的数据不能完全反映真实环境的变化特性。( 2 ) 根据核电 站温排水的实际情况，利用深度平均的二维数学模型计算温排水引起的温升。此 项缺点如前所述，真实的温排水问题是个三维问题，只有三维数值模型才能正确 体现。在大亚湾三维数值模拟研究中，国内尚属空白。 1 3 研究内容 核电站温排水问题实质上是温排水在潮汐动力作用下的稀释扩散问题，为展 现温排水影响下的细部结构，参考国内外研究发展现状，结合大亚湾研究海域实 际，本文采用数值模拟的手段建立三维水动力模型对大亚湾海域水动力状况进行 模拟。本文具体研究内容包括：结合环境现状对大亚湾的地质气象、水文温排水 资料进行收集和分析整理，应用成熟的e c o m s e d 模型建立大亚湾海域的三维 水动力数学模型，并采用2 4 个海上测站资料对三维水动力数学模型进行验证。 应用大亚湾海域三维水动力模型，模拟计算大亚湾核电站运转后及岭澳核电站一 起运转后夏、冬季的平均风场与不利风场下的的流场形态以及温排水引起的温升 场，初步预测了岭澳核电站二期运转后温排水对邻近海域温度场的影响，同时结 合大亚湾海域潮流运动的特点，阐述了温排水的扩散规律，并分析了最不利风向 对取水口温升的影响。在此基础上，本文还通过数值实验，探讨了非线性作用因 子( 非线性底摩擦、平流项) 对温排水扩散的影响。 9 第2 章大亚湾海域概况 大哑湾海域位于珠江i1 东侧，界于11 4 。2 9 7 4 2 ”l1 4 。5 1 7 2 0 7 7 e ，2 2 。 2 4 7 2 0 ”2 2 。5 0 7 0 0 ”n 之| h j 。其西邻大鹏湾，西南邻香港，东与红海湾相接， 南连广阔的南海。人驱湾海域分别隶属惠州市的惠东县、惠阳县和深圳市的宝安 区【52 1 。图2 1 为人哑湾海域j 瞰幽。 2 1 海湾地形 图2 1 人亚湾海域鸟瞰图 大亚湾是一个| 南m 北嵌入陆地3 0 余k m 的大型山地溺谷湾，湾i 宽1 5 k m ， 腹宽1 4 2 5 k m ，南北长约3 0 k m ，海岸线长约1 5 0 k m ，水域面积约5 0 0 k m 2 。 大亚湾海域有为数众多的岛屿，它们主要分布在大哑湾中央，呈南北向延伸 排列，有港口列岛、巾央列岛、辣甲列岛和沱泞列岛等。大亚湾由于岸线曲折多 弯，在沿岸构成了众多大小彳i 一的港湾，较大型的港湾有澳头湾、大鹏澳和范和 10 第2 章人弧湾海域概况 港等，其中大鹏澳为优质的深水良港。现将大亚湾的主要港湾和主要岛屿规模与 特征【5 3 】介绍如下表2 1 与表2 2 。 从大亚湾海底地形图( 图2 2 ) 看，大亚湾等深线走向基本上与岸线平行呈 倒“u 形，海底地形大体是由北向南逐渐倾斜，北部水深较浅，一般为4 6 m ， 至湾口大辣甲岛以东的湾口处，水深可达2 0 m 以上。如以海湾中部的鹅洲至中央 列岛为南北线，将大亚湾分为东西两部分。东部称为东大亚湾，其特点为海岸相 对较平直，地形平坦水深较深，大部分海区水深为l o m 以上。而西部则称为西大 亚湾，特点为岸线曲折，湾汊深入陆地，如大鹏湾和哑铃湾，西大亚湾水深较浅， 大部分水深在1 0 m 以内。 大亚湾海底地形的另一个特点是：湾内的港口列岛、中央列岛和辣甲列岛基 本上呈为近南北走向断续分布，由于海浪冲击侵蚀缘故，各岛问s e 方向坡降一 般比n w 方向要小。另外，在港口列岛和中央列岛之间，中央列岛和大辣甲岛之 间均存在一个较深的沟谷，这应该是海流长期作用的结果。 大亚湾虽毗邻珠江口，但由于珠江口所携带的泥沙一般随沿岸密度流往西南 输送，而韩江的泥沙则大多停积在韩江口外，因此大亚湾的沉积物主要是来自湾 周围的河流搬运而来。湾内沿岸周围仅有淡澳河、金竹江、岩前河等十多条短小 的季节性小溪流分别从大鹏澳、哑铃湾、澳头港及范和港顶流入湾内，而沿岸环 山植被茂盛，水土保持较好，只有少量泥沙被冲刷入海。由于从河流带来的泥沙 不多，随潮汐由湾外带入的泥沙也较少，因此，湾内淤积较小，就全海湾而言， 平均每年淤厚不足lc m ，可见其淤积速度比较缓慢，水深相对稳定。 毖= ， 呐寸卜v 、呐 n o o o n n、i n 、l 生 匕22?2? 中 i 卜n n n 1 寸 _ 寸nn- _ _ o 器c岔 呐n 气 nann卜卜i n 已 中 卜 呐r 、o n a卜 喧岜 n n- 一 寸o o- 一 - 一 _。 毕百 i ，、o o、 卜n on l ，、 小 o o u 、 一 o 毫岜 n n n 中n n n、n 聪百 on v o o、卜 t ，l n o卜 t nn o oo 量 _ 一 o o o o o - - _ 髑百 i ，、n- nn卜o n n_寸u 、 髦 v 、n n n n n n _n n- _ 、 凸n n寸n ooo 寸寸寸 、_、 一 一 t _ _n寸寸寸n寸一 山 一 _ 一 n 宁气中寸 十 中寸、 l ooo。o0oo 、 寸t 寸中 寸中 寸 t 十寸 口l n西 一一一 - _- _ 一 一 一 n寸n一 一 - 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份，这是太阳辐射最弱、北方冷空气影响最强烈的时期。气温温差自湾外相湾内 增加，显示处受陆地影响逐渐加强的趋势。 大亚湾年平均气压为1 0 1 0 h p a ，呈现湾外稍低于湾项的特征。月平均气压在 7 月份达到最低，约为1 0 0 2 h p a ，随后逐步上升，在1 月份与1 2 月份达到年内高 值，约为1 0 1 8 h p a 。 2 2 3 风速风向 大亚湾海域位于东亚季风区，受季风环流的控制，其风向风速表现出明显的 季节性变化。但由于局部地形影响，各地盛行风向和盛行风的强弱都有较大差异。 大亚湾各地风速差异较大，湾口月平均风速大于湾内，冬季高于夏季，东部 大于西部，月平均风速最大值出现在9 月和1 0 月，最小值出现在1 2 月( 见表2 1 5 第2 章人弧湾海域概况 一4 ) 。湾顶至湾口年平均风速变化范围为2 5 5 0 m s 。 在东北季风期间，港口和东海的盛行风向为东北到东风，大坑则为东北偏东 风到东南偏东风，海上为稳定的北到东风。在西南季风期间，海上的风向主要集 中于东南到西南，港口则为南到西南，东海为西南偏南到西南偏西，大坑为西到 西北。盛行风向频率变化表见表2 5 。 2 2 4 降雨 受热带海洋性季风气候影响，大亚湾海域的降雨量较大，同时其时空分布也 不平衡，表现出东部少于西部，冬季少于夏季，湾顶多于湾口的特点( 见表2 6 ) 。 其中，4 6 月份为以锋面低槽降水为主的前汛期，7 9 月份为以热带气旋降水 为主的后汛期，降水强度以后者为大。大亚湾前汛期月平均降水量3 0 0 姗，后汛 期为2 4 3 m ，两者占全年降水量的8 l 。大亚湾多年平均降雨量在东部的港口和 东海分别为1 5 0 4 0 i t l f n 和1 8 8 4 8 姗，而位于西部的大坑站则为2 0 2 2 7 m 。一年之 中各站降雨强度最大的月份为，大坑为5 月份，港口为6 月份。东海站则在5 月 以及7 、8 月份均出现降雨高峰。 2 2 5 蒸发 大亚湾海域内各处温湿相近，但东部与西部比较，同照多，风速大，雨日少， 因此就蒸发量而言，东部要多于西部。西部的大坑年平均蒸发量为1 6 8 1 8 咖， 东部的东海则为1 8 8 6 2 姗。2 、3 月份日照少，辐射弱，气温低，是全年中蒸发 量最少的时段，东海、大坑2 月份的平均蒸发量分别只有9 4 8 与8 4 8 咖；7 1 0 月份虽然降雨量大，但多为高强度阵雨，同时同照较多，太阳辐射较强，气温较 高，风速较大，所以蒸发较强，大坑各月平均蒸发量均超过1 8 0 姗，东海则有3 个月的平均蒸发量超过2 1 0 唧。 1 6 廿 o寸岔 t nn均 i ，、 一中一 寸 一 n o 们，_ 一 i ， nn 一an n on弋i t心 nn nn 一 n i ，、 o_，、 口 o凸 卜 一 气t n o岔 寸口 一 u 、n一n o l n 1n岭 n_口 卜 n nf _ 、n n寸n n 卜 中寸岔小一o n寸 _n np 、n寸 n、岔o on寸n 、n n、- nn n、 o卜nn西 n _ 寸nl n 叫 呐n i n凸 - n n a 寸 口 v 、 卜 - - - 口卜 卜呐 o o n寸 ni n 蚺 - 叫 卜 _ 一 崎 n_v 、 、 a寸 口n寸 卜 v 、 寸on卜 o i ，、 寸 v 、 n _ 寸 叫 【工】 c ，】墨 山 衄 凸 z叩