南海海洋温差能发电站冷却水...放对周边海洋环境的影响分析_黄金华.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01867-08科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-06-21;修订日期:2022-12-01基金项目:国家重点研发计划(2019YFB1504304)第一作者:黄金华(1994)，男，汉族，海南临高人，硕士研究生。研究方向:海洋环境。E-mail:764010662 qq com。*通信作者:季新然(1986)，男，汉族，河南新乡人，博士，副教授。研究方向:海洋资源开发与利用。E-mail:jixinran2005 gmail com。引用格式:黄金华，季新然，阳志文 南海海洋温差能发电站冷却水排放对周边海洋环境的影响分析J 科学技术与工程，2023，23(5):1867-1874Huang Jinhua，Ji Xinran，Yang Zhiwen Analysis of the impact of cooling water discharge from ocean thermal power stations in the SouthChina Sea on the surrounding marine environment J Science Technology and Engineering，2023，23(5):1867-1874南海海洋温差能发电站冷却水排放对周边海洋环境的影响分析黄金华1，季新然1，2*，阳志文3(1 海南大学土木建筑工程学院，海口 570228;2 海南省海洋与渔业科学院，海口 571126;3 交通运输部天津水运工程科学研究院港口水工建筑技术国家工程实验室，天津 300456)摘要南海温差能资源储量巨大且水深、海底地形条件适宜，是具备开发海洋温差能条件的理想场所。为了分析西沙甘泉岛拟建岛基式海洋温差能发电站冷却水排放对甘泉岛附近海域环境的影响，利用数值模拟的方法建立了三维水动力模型，采用永兴岛验潮站的实测潮位数据验证了模型的可靠性，模拟分析了海洋温差能发电站冷却水的扩散过程及其对甘泉岛附近海域海水水温结构的影响。研究结果表明，温差能发电站冷却水会引起排放口周边温度的急剧下降，进而会在局部范围内产生温跃层，但温降范围主要集中在排水口附近，并且随着潮流流向扩散;排水口处温度梯度最大，且距离排水口越远，温度梯度越小;温跃层包络面积随排水温度的升高而减小，随排水流量的增大而增大;冷水团上方出现一个正跃层，下方则出现一逆跃层，且温跃层上界深度随着排水深度的增大而增大。研究成果可为海洋温差能发电站建设所涉及的环境问题给予合理评价和在生态环境管理上提供科学依据。关键词海洋温差能;数值模拟;冷却水;温跃层;海洋环境中图法分类号P751;文献标志码AAnalysis of the Impact of Cooling Water Discharge from OceanThermal Power Stations in the South China Sea on theSurrounding Marine EnvironmentHUANG Jin-hua1，JI Xin-ran1，2*，YANG Zhi-wen3(1 College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228，China;2 Hainan Academy of Marine and Fishery Sciences，Haikou 571126，China;3 National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology，Tianjin esearch Institute for Water Transport Engineering，Ministry of Transport of the Peoples epublic of China，Tianjin 300456，China)Abstract The South China Sea has huge reserves of thermal energy resources and suitable water depth and seabed topography It isan ideal place for exploring ocean thermal energy To analyze the impact of cooling water discharge on the environment of the sea nearGanquan Island where an ocean thermal power station is planned in Xisha Archipelago，the South China Sea，a three-dimensional hy-drodynamic model was established by using a numerical simulation method and the reliability of the model was verified against themeasurement date of tide level at the Yongxing Island tide survey station The diffusion process of cooling water around the power plantand its influence on water temperature structure in nearby waters were simulated and analyzed esults show that the cooling water fromthe power station generates a sharp drop in temperature around the outfall，and then a thermocline is formed locally However，the tem-perature drop is mainly concentrated near the outfall and spreads with the tidal flow The temperature gradient at the outfall is the lar-gest，and the temperature gradient tends to be smaller away from the outfall The envelope area of the thermocline decreases with theincrease of the drainage temperature and increases with the increase of the drainage flow There is a thermocline above the cold watermass and an inverse one below，and the upper boundary depth of the thermocline increases with the increase of drainage depth Thisresearch assesses the environmental issues involved in the construction of the ocean thermal power stations and provides a scientific ba-sis for the management of the ecological environment Keywords ocean thermal energy;numerical simulation;cooling water;thermocline;marine environment投稿网址:www stae com cn随着中国经济的快速发展和“双碳”目标达成的需求，中国能源产业对海洋能的需求不断增加，因此开发存储量巨大的海洋温差能是实现可再生能源利用的重要途径。海洋温差能是指海洋表层海水(温度为 25 28)和深层海水(温度为 4 7)之间的温差储藏的热能。温差能发电站的工作原理是利用海洋表层温海水加热低沸点工质，使其汽化推动涡轮发电，同时利用深层冷海水将涡轮排出的乏汽冷凝成液体，再通过工质泵将液体输送到蒸发器中，形成循环1。南海位于北回归线以南，温差能资源储量巨大2-5，此外，南海平均水深为1 212 m，水深足够并且水下地形条件适宜，是具备开发海洋温差能条件的独特地理位置6-7。海洋温差能发电站在运行发电的过程中会排放大量冷却水，不仅导致局部海域降温，还会在一定范围内形成显著的温跃层。温跃层与海洋生物密切相关，尤其与喜栖在上层水域的鱼类有着更为密切的关系8。杨胜龙等9 研究发现温跃层过浅会压缩黄鳍金枪鱼的活动空间，导致资源量减少;万瑞景等10 研究发现温跃层深度越浅海水垂向分布的鳀鱼鱼卵数量越少，温跃层深度越深海水垂向分布的鳀鱼鱼卵数量越多;胡振明等11 研究发现鸢乌贼主要栖息在温跃层以上的水层中，鸢乌贼栖息的空间随温跃层上界深度的减小而减小;Furukawa等12 研究发现鲯鳅和蓝鳍金枪鱼的活动范围与温跃层深度息息相关，温跃层深度越深，其活动范围越大;Huang 等13 研究表明沿海核电厂和火电厂的热排放引起海水温度升高造成海水分层，从而影响海洋生物的觅食环境;Houssard 等14 研究表明温跃层深度是影响热带金枪鱼分布的重要因素，温跃层深度的加深可以增大金枪鱼的栖息空间。此外，海洋温跃层在潜艇隐蔽、声呐探测和水下通信等方面具有重要意义。方书甲15 研究发现温跃层会使信号发生明显差异，导致声呐作用距离缩短;王彦磊等16 研究发现夏季海面受太阳辐射后，表层海水温度高于底层海水温度，导致声波束发生折射，造成声呐测不到近距离的潜艇;杨文等17 研究发现在温跃层处温度剧烈下降，对声呐探测产生较大影响，作战潜艇可以利用温跃层隐蔽发射武器;李庆红等18 研究发现声呐的声线在温跃层附近会发生明显的折射现象，正、逆跃层均会影响声呐作用距离;Zarepoor 等19 研究表明温跃层的存在对声传播有着显著影响，温跃层的温度梯度越大，声传播过程中损耗越大。近年来，国内外关于工业废水对海洋环境的影响已有不少研究。奚泉等 20 利用三维温度场模型，对广东珠海 LNG 接收站冷却水扩散过程进行了模拟，结果表明接收站码头排放大量的冷却水进入海域，引起周边海水温度下降，破坏生态平衡;Deabes 21 通过数值模型，模拟了埃及 El-Burullus 发电站温排水的扩散范围，分析表明发电站温排水对周边的海洋生物略有影响;Gaeta 等 22 采用三维温度模型，研究了意大利南部 Cerano 发电站温排水扩散过程，结果表明温水排放对周边海洋环境有潜在影响。目前，国内外关于 LNG 接收站冷排水及核、火电站温排水研究工作比较多，而针对温差能发电站的冷却水排海问题的研究还比较少。为此，现基于数值模拟的方法，构建三维水动力模型，针对西沙甘泉岛拟建的岛基式海洋温差能发电站排放的冷却水，开展其对排放口周边海域水温结构的影响分析，以期为海洋温差能发电站建设所涉及的环境问题给予合理评价和在生态环境管理上提供科学依据。1数学模型在数值模型构建时，采用由丹麦水利研究所开发的 MIKE3 软件，其具有模拟海洋、海湾、港口、水库及河流的水动力、泥沙输移、温盐度扩散等功能。在计算过程中采