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热带海洋学报 >

2025 , Vol. 44 >Issue 3: 217 - 223

DOI: https://doi.org/10.11978/2024140

海洋环境科学

液化天然气接收站冷排水余氯对近岸海域生态环境影响的三维数值模拟

  • 刘文明 ,
  • 刘羽乔
展开
  • 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410014
刘文明。email:

刘文明(1985—), 男, 福建省建宁县人, 硕士研究生, 主要从事水环境治理和水利规划研究。email:

Copy editor: 林强 , 殷波

收稿日期: 2024-07-14

  修回日期: 2024-09-04

  网络出版日期: 2024-09-29

收起

Three-dimensional numerical simulation of the effect of residual chlorine in cold drainage of liquefied natural gas terminal on ecological environment in coastal waters

  • LIU Wenming ,
  • LIU Yuqiao
Expand
  • POWERCHINA Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China
LIU Wenming. email:

Copy editor: LIN Qiang , LIN Qiang

Received date: 2024-07-14

  Revised date: 2024-09-04

  Online published: 2024-09-29

Fold

摘要

液化天然气(liquefied natural gas, LNG)接收站冷排水排放可能会对邻近海域生态环境产生影响。依托深圳LNG项目, 利用MIKE 3三维水动力余氯模型计算了余氯在海水中的运移规律, 分析了深圳LNG接收站冷排水对大鹏湾海域生态环境的影响。通过将计算的潮位和不同水深处的潮流与实测数据进行验证, 证实了所建立三维水动力模型的可靠性。在此基础上, 计算了典型大、小潮条件下受纳海域余氯浓度增量的水平和垂向三维空间分布特征, 以及多排放源的相互影响。工程排水余氯在表层和底层的扩散影响范围大于中层; 余氯主要影响近岸海域, 未对周边水环境敏感目标和其他工程取水产生直接影响。本文研究结果可为冷排水的三维数值模拟、LNG接收站选址及水生态环境影响评估提供参考。

关键词： 液化天然气; 冷排水; 余氯; 生态环境影响; 三维数值模拟

本文引用格式

刘文明 , 刘羽乔 . 液化天然气接收站冷排水余氯对近岸海域生态环境影响的三维数值模拟[J]. 热带海洋学报, 2025 , 44(3) : 217 -223 . DOI: 10.11978/2024140

Abstract

The cold drainage of an LNG (liquefied natural gas) terminal affects the ecological environment of the adjacent sea area. Taking the Shenzhen LNG terminal as a case study, the MIKE 3 hydrodynamic residual chlorine model was used to calculate the transport mechanisms of residual chlorine in seawater, and the influence of cold drainage of the Shenzhen LNG terminal on the ecological environment of Dapeng Bay was analyzed. The calculated tidal level and tidal current at different water depths were verified with the measured data, which confirmed the reliability of the established 3D hydrodynamic model. On this basis, the horizontal and vertical three-dimensional spatial distribution characteristics of residual chlorine concentration in the receiving sea area were calculated, as well as the interaction of multiple emission sources, under typical spring and neap tide conditions. The results show that the diffusion scope of residual chlorine in the surface layer and bottom layer was greater than that in the middle layer, and the residual chlorine mainly affected the nearshore sea area and had no direct impact on the sensitive targets of the surrounding water environment and the water intake of other projects. The results of this paper can provide corresponding reference for the three-dimensional numerical simulation of cold drainage, site selection and ecological environment impact assessment of LNG terminals.

Key words： liquefied natural gas (LNG); cold drainage; residual chlorine; ecological environmental impact; three-dimensional numerical simulation

深圳液化天然气(liquefied natural gas, LNG)接收站位于大鹏湾东北岸, 在运行过程中利用海水与之换热, 并投加NaClO药剂以阻止海洋微生物滋生和附着管道中, 冷排水温降和余氯可能会对周边水环境造成影响。因此, 开展氯对水生生物的影响研究具有重大生态学意义(吴晗 等, 2022), 并应在取排水口设计环保措施以消减负面影响(徐兆礼 等, 2011)。
国内外通过试验研究(Beyer et al, 2013)、水环境模型模拟(曹静 等, 2020)、机器学习模型(Park et al, 2023)模拟等方式研究冷排水、余氯对海域水生态环境影响。采用水环境模型模拟冷排水、余氯对海域水生态环境影响多以平面二维为主(林军 等, 2015; 舒鑫, 2016; 史玉玺, 2018; 王阳 等, 2018; 秦晓 等, 2020)。张奕 等(2016)运用余氯二维对流扩散模型定量分析了LNG接收站冷排水对江苏近岸海域水环境的影响范围。王璐 等(2021)运用Mike二维水动力水质模型模拟了湄洲湾东吴港区LNG接收站冷排水温降及余氯的扩散规律, 结果表明, LNG接收站冷排水未对周边生态系统保护区和养殖区等敏感目标产生直接影响。采用三维水环境模型用于对冷排水的模拟研究较少, 已有的三维水环境模拟研究以温降影响分析研究为主(孙美云 等, 2018; 张斌 等, 2019), 以余氯影响分析研究较少。Malačič 等(2008)运用POM(Princeton ocean model)三维模型模拟了意大利Trieste海湾LNG接收站冷排水对周边海域环境影响范围, 为工程设计提供依据。杨青云 等(2017)运用ECOMSED(esturaine, coastal and ocean modeling system with sediments)三维模型模拟了大鹏LNG接收站周边海域不同水深的温降影响范围。奚泉 等(2020)运用Mike三维模型模拟了珠海LNG接收站冷排水在潮流往复流条件下的温降影响范围, 建议LNG接收站取水口应尽量远离岸线和排水口。然而, 采用三维模型模拟LNG接收站冷排水余氯对不同深度水生态环境影响的研究较少。
本文以深圳LNG接收站冷排水为例, 利用Mike三维水动力模型对大鹏湾海域潮流场进行模拟, 将计算的潮位和不同水深处的潮流与实测数据进行了验证, 证实了所建立三维水动力模型的可靠性。在三维水动力模型基础上, 建立三维余氯对流扩散模型, 考虑海水中余氯的衰减过程, 模拟工程周边海域余氯浓度增量时空变化规律, 得出冷排水余氯浓度增量的平面和垂向影响范围, 为评估LNG接收站冷排水对周边水生态环境和其他工程取水影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大鹏湾位于深圳市东南部, 海域面积约417km2, 湾内天然水深多为14~20m, 是我国沿海优良的深水港湾之一。大鹏湾海域海洋资源丰富, 拥有多种海洋动植物和红树林生境。深圳LNG接收站位于深圳大鹏湾东北部, 南侧紧邻广东大鹏LNG接收站和东部电厂。深圳LNG、大鹏LNG和东部电厂同时运营时, 存在各工程取排水相互影响叠加。各工程取排水口分布见图1, 各工程取排水情况见表1。
图1 各工程取排水口分布

原图为采用奥维地图软件下载的世纪空间卫星影像图

Fig. 1 Locations of water intake and outfall for each project

表1 各工程取排水情况

Tab. 1 Water intake and drainage conditions of each project

工程名称 取排水量/(m3·h-1) 取水深度/m 排水深度/m
东部电厂 228420 4.8 表层
大鹏LNG 38400 表层 7.8
深圳LNG 38400 3.8 8.3

1.2 数据来源

研究所需数据包括气温、风速和风向等气象数据、水深地形数据、潮位和潮流数据, 其中气象数据来源于距离大鹏湾约30km的香港机场气象站数据, 水深地形数据来源于Mike c-map海图数据和工程区局部实测地形数据, 2008年5月大潮期潮位和潮流数据来源于工程区临时布设的验潮站和测流站的实测数据, 2023年7月大潮期潮位数据来源于国家海洋信息中心大鹏湾(盐田港)潮汐表。边界潮位数据来源于Mike全球潮汐模型数据。

1.3 模型建立

建立三维水动力模型模拟深圳大鹏湾及周边海域的潮流场, 如图2所示, 南北范围为21°26′N—22°49′N, 南北横跨175km; 东西范围为113°32′E—115°14′E, 东西横跨154km, 计算区域总面积约13713km2。采用平面无结构三角网格和垂向sigma网格来离散计算区域进行三维水动力模拟, 对取排水口等工程区域进行网格加密, 水平网格单元格边长5~2000m, 单元总数为35376个, 垂向网格划分15层。
图2 计算模型网格及水深

Fig. 2 Computational model mesh and water depth

三维水动力模型参数通过实测资料率定和验证, 其中粗糙长度Ks和涡粘是关键参数, 其确定方式如下: 结合海底地形起伏变化等阻力情况, 根据计算潮位与实测资料验证结果确定粗糙长度Ks为3~6cm; 结合海域潮流场情况, 根据不同水深计算潮流与实测资料验证结果确定涡粘参数: 水平涡粘采用Smagorinsky模型, 相应Smagorinsky系数取值为0.1m2·s-1, 垂向涡粘采用k-ε模型。
在三维水动力模型模拟海域潮流场结果验证可靠的基础上, 建立三维余氯对流扩散模型, 考虑余氯在海水中的衰减效应, 计算得到典型大、小潮条件下大鹏湾深圳LNG接收站冷排水余氯包络线, 分析冷排水对附近海域生态环境和其他工程取水的影响。根据工程运行数据, 排水余氯排放浓度为0.2mg·L-1。三维余氯对流扩散模型的余氯衰减系数是关键参数, 余氯在海水中衰减速率一般根据实验数据求得, 参考张穗 等(2000)对大鹏湾邻近的大亚湾核电站冷却水余氯在海水中的衰减规律的调查研究, 余氯衰减系数取值为0.69h-1。

1.4 模型验证

三维水动力模型验证数据选取2023年7月4日—5日P1点大潮期潮位实测资料, 2008年5月21日—22日P2点、P3点、P4点大潮期同时潮位和潮流实测资料, 实测站点情况如表2所示。P1点和P2点潮位的验证对比结果见图3, 潮位纳什效率系数分别为0.93和0.96。P2和P3点潮流的验证对比结果见图4, 两点的流速纳什效率系数分别为0.55和0.52。潮位纳什效率系数接近1, 说明潮位模拟结果质量好, 模型可信度高, 潮流纳什效率系数大于0.5, 说明潮流模拟结果高于实测值的平均值水平, 即总体结果可信。可见, 此模型能够比较准确地模拟大鹏湾的潮流场。纳什效率系数E通过以下公式计算:
$E=1-\frac{\sum\nolimits_{t=1}^{T}{{{\left( Q_{0}^{t}-Q_{m}^{t} \right)}^{2}}}}{\sum\nolimits_{t=1}^{T}{{{\left( Q_{0}^{t}-\overline{{{Q}_{0}}} \right)}^{2}}}}$
式中, $Q_{0}^{t}$指第t时刻的观测值, $Q_{m}^{t}$指第t时刻的模拟值, $\overline{{{Q}_{0}}}$表示观测值的总平均。
表2 潮位、潮流观测站信息

Tab. 2 Information on tidal level and current observation stations

站位 经度 纬度 观测内容 观测时段 备注
P1 114°16′24″E 22°35′13″N 潮位 2023.07.04—07.05 大鹏湾盐田港
P2 114°26′05″E 22°35′02″N 潮位 2008.05.21—05.22 工程区
P3 114°24′29″E 22°28′39″N 表、中、底层流速 2008.05.21—05.22 工程区周边海域
P4 114°26′24″E 22°33′29″N 表、中、底层流速 2008.05.21—05.22 大鹏湾中部
图3 P1点和P2点潮位验证曲线

Fig. 3 Tidal level verification curves at stations P1 and P2

图4 P3和P4点潮流验证曲线

Fig. 4 Tidal current verification curves at stations P3 and P4

2 结果与讨论

2.1 余氯浓度预测结果

采用三维水动力余氯模型, 模拟得到典型大、小潮条件下排水口附近海域余氯最大浓度增量水平包络如图5所示, 东部电厂取水口余氯浓度最大时刻深圳LNG排水口至东部电厂取水口垂向剖面余氯分布如图6所示。
图5 各水层最大余氯浓度增量包络线分布

Fig. 5 Envelope distribution of maximum residual chlorine concentration increment

图6 深圳LNG排水口到东部电厂取水口剖面余氯垂向分布

Fig. 6 Vertical residual chlorine distribution along the cross-section from Shenzhen LNG outfall to Dongbu Power Plant intake

2.1.1 包络范围

从水体表、中、底三层余氯最大浓度增量包络线分布可以看出: 不管是大潮期还是小潮期, 由于各工程排水深度不同, 加之排水与背景海水温差造成的浮力效应, 排水口附近海域表、中、底层余氯浓度分布差异显著: (1) 东部电厂为表层排放, 在东部电厂排水口附近表层余氯包络范围较大; (2) 大鹏LNG和深圳LNG排水深度接近底层, 且由于冷排水密度高于背景海水, 这两处工程排水口附近底层余氯包络范围较大; (3) 东部电厂的表层排水量是两处LNG接收站底层排水总量的近3倍, 因而整体海域表层余氯包络范围较大。因此, 采用三维数值模拟可以较好地预测冷、温排水在水体中扩散传播的垂向分层差异。
排水口附近海域不同水层余氯包络面积统计如表3所示。大潮期表层余氯浓度大于0.02mg·L-1包络面积为2.27km2, 中层为0.91km2, 底层为1.33km2。小潮期表层余氯包络面积为1.33km2, 中层为0.52km2, 底层为0.85km2, 均小于大潮期余氯包络面积。这说明大潮期较强的潮流使得余氯扩散范围更广, 扩散作用强弱决定了余氯包络范围的大小差异。余氯扩散范围影响主要在近岸海域, 受近岸潮流沿海岸线往复流影响, 余氯扩散范围沿海岸狭长分布。
表3 各水层余氯(>0.02mg·L-1)的影响范围

Tab. 3 Influence range of residual chlorine (>0.02 mg·L-1) in different water layers

水层 包络面积/km2 最大扩散距岸距离/km
大潮 小潮 大潮 小潮
表层 2.27 1.33 1.13 1.07
中层 0.91 0.52 0.59 0.52
底层 1.33 0.85 0.82 0.78

2.1.2 垂向分布

从深圳LNG排水口至东部电厂取水口垂向剖面余氯分布图可以看出: 随着余氯对流扩散和自身降解, 从深圳LNG排水口至东部电厂取水口余氯浓度由0.2mg·L-1逐渐递减至0.012mg·L-1。由于LNG接收站冷排水密度高于背景海水, 加之冷排水的底层排放, 冷排水趋于在水层底部流动, 使得底层水体余氯浓度大于表层, 而东部电厂取水口位于中层, 东部电厂大潮期间取水最大余氯浓度值仅0.012mg·L-1, 接近海水背景浓度。小潮期垂向剖面余氯分布规律与大潮期相似, 小潮期东部电厂取水最大余氯浓度值仅0.011mg·L-1。相比较东部电厂NaClO药剂常规投加量, 工程排水对电厂取水余氯浓度影响可忽略。因此, 东部电厂取水受深圳LNG排水余氯影响小。

2.2 余氯对近岸海域生态环境影响分析

曾江宁 等(2005)总结了大量实验和文献, 认为余氯的浓度越高和作用时间越长对浮游植物、浮游动物、贝类、鱼类等的生物损害就越大。柏育材 等(2011)通过毒理实验研究表明, 大黄鱼仔鱼在海洋中余氯浓度为0.14和0.20mg·L-1时出现死亡现象。但是鱼类一般可以回避和游离排放口的羽流区域。Mattice等(1976)推导出了具有普遍意义的海洋生物余氯慢性毒性阈值0.02mg·L-1, 即余氯浓度低于0.02mg·L-1时不论作用时间多长, 对水生生物的毒性影响都不显著。
由表3可知, LNG接收站冷排水和东部电厂温排水余氯浓度大于0.02mg·L-1的影响最大距岸距离表层为1.13km, 中层为0.59km, 底层为0.82km。深圳LNG接收站冷排水余氯主要影响近岸海域, 且在潮动力反复作用下余氯不断扩散, 对工程周边海域水生生物的影响逐渐减弱, 对大鹏湾深水区水生生物影响更小。总体上, 深圳LNG接收站对大鹏湾生态环境影响较小。

3 结论

本文采用Mike三维水动力余氯模型, 模拟了深圳LNG接收站冷排水余氯在海水中的扩散规律。模型计算的潮位和不同水深处的潮流与实测数据进行了验证, 证实了所建立三维水动力模型的可靠性。计算了典型大、小潮条件下深圳LNG、大鹏LNG和东部电厂3个工程同时运营时工程排水余氯包络范围以及对邻近工程的影响。研究结论如下。
1) 采用Mike三维水动力模型模拟了大鹏湾及周边海域的潮流场, 经实测数据验证, 潮位纳什效率系数达0.93以上, 流速纳什效率系数达0.52以上, 模型可以较准确地模拟大鹏湾深圳LNG接收站周边海域的潮流场。
2) 由于三处工程排水深度不同, 加之排水与背景海水温差造成的浮力效应, 工程附近海域表、中、底层余氯浓度分布差异显著。东部电厂为表层排放, 大鹏LNG和深圳LNG接近底层排放, 因此表层和底层余氯扩散影响范围大于中层。采用三维数值模拟可以较好地预测冷、温排水在水体中扩散传播的垂向分层差异。
3) 从深圳LNG排水口至东部电厂取水口垂向剖面余氯分布图可以看出: 从深圳LNG排水口至东部电厂取水口余氯浓度逐渐递减, 东部电厂大、小潮期间取水最大余氯浓度值仅0.012mg·L-1, 接近海水背景浓度。因此, 东部电厂取水受深圳LNG排水余氯影响小。
4) 三处工程排水余氯浓度大于0.02mg·L-1的最大距岸距离表层为1.13km, 中层为0.59km, 底层为0.82km。深圳LNG接收站冷排水余氯主要影响近岸海域, 对大鹏湾深水区海域水生生物影响小。总体上, 深圳LNG接收站对大鹏湾生态环境影响较小。

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