Page 100 - 2023年第54卷第1期

间带干湿循环 ［１２］ 或河口区等浅水区域时，背景水温通常呈现出高度的空间非均匀性，并受潮汐、太阳
辐射 ［１１］ 等外部因素的影响而不断变化，已有的背景水温处理方式未反映物理作用机理，取值存在随意
性和不合理性，以致从温排水原型观测资料难以准确评价温升影响范围。鉴于温排水扩散范围影响因
素的复杂性，采用水面监测、遥感观测和数值模拟手段相结合的方法 ［１３ － １４］ ，有助于获取更为准确的评
价结果。
影响海岸带水温的热交换涉及近岸水体与外海水体的对流交换、近岸水体与大气和底床的界面热
交换等多种机制。大范围海区水温模拟，常采用三维水动力数学模型，主要考虑海流以及大气强迫作
用 ［１５ － １７］ ，水温模拟精度通常在 １℃左右。近岸温排水评价，主要关注电厂温排水造成的 １℃及以上温
升区范围，对水温模拟分辨率和精度的要求更高。吴玲娟等 ［１８］ 基于三维水动力 ＲＯＭＳ模式，建立从
西太平洋到中国黄、渤海近岸海域的四重嵌套温盐流模型，与海洋站观测表层海温对比得到 ７２小时
预报误差小于 ０．６６℃。Ｓａｌｇｕｅｉｒｏｄ等 ［１９］ 利用嵌套网格技术将局部三维水动力模型嵌入区域海洋模型中
模拟温排水扩散，固定点验证结果显示排水口附近计算比实测水温平均高出 １℃（受温排水排放量模
拟不准确影响），外围对照点比实测平均低 ０．４℃。上述研究表明利用嵌套网格技术将海区模拟过渡到
近岸高精度模拟具有可行性。
本文采用多重嵌套网格技术，建立水文和气象场耦合作用下的热输运数学模型，模拟海域水温跨
尺度动态演变过程，并结合潮汐、潮流、海面遥感温度场观测数据，提出了非均匀海域背景温度场条
件下电厂温排水影响范围的分离方法，并应用于某滨海电厂的温排水影响后评估。

２ 模型方法及计算条件

数值模拟采用 Ｄｅｌｆｔ３Ｄ三维水动力模型，该模型基于 Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ和垂向静水压力假定，水平向采用
曲线坐标系，垂向采用 σ网格，变量布置在交错网格上，数值离散采用有限差分格式，采用 ＡＤＩ方法
求解，模型控制方程及求解方法详见 Ｄｅｌｆｔ３Ｄ － Ｆｌｏｗ模型手册 ［２０］ 。该模型适用于近岸海域和河口水动力
和温度场模拟研究，在国内外已有广泛应用。与以往计算温排水增温效应的模型不同，本次模拟海气
交界面实际的热通量值，自由表面总的热通量 Ｑ 采用下式计算：
ｔｏｔ
Ｑ ＝ Ｑ － Ｑ － Ｑ － Ｑ ｃｏ （１）
ｓｎ
ｔｏｔ
ｅｖ
ｅｂ
式中：Ｑ 为太阳辐射通量；Ｑ 为有效长波辐射通量，为水体向外辐射与大气辐射之差；Ｑ 和 Ｑ 分别
ｓｎ ｅｂ ｅｖ ｃｏ
为水体蒸发和对流散热通量。本次太阳辐射通量采用已知值，其余热通量采用 Ｄｅｌｆｔ３Ｄ提供的海洋散
热模型计算，具体如下：
２
４
Ｑ ＝ εσ Ｔ（０．３９ － ０．０５ ｅ）（１ － ０．６Ｆ） （２）
槡
ｃ
ｅｂ
ａ
ｓ
ｃＵ ＋ ｋＬ 珋 ）（ｑ － ｑ） （３）
ｅｖ Ｖ ｓ Ｖ ρ ａ ｓ ａ
Ｑ ＝ （Ｌ ρ ａ ｅ １０
ｃｃＵ ＋ ｋ 珋 ｃ）（Ｔ－ Ｔ） （４）
Ｑ ＝ （ ρ ａ ｐ Ｈ １０ ｓ ρ ａ ｐ ｓ ａ
ｃｏ
－ ８ ２ ４
式中：ε 为发射系数；σ为 Ｓｔｅｆａｎ － Ｂｏｌｔｓｍａｎ常数，取值 ５．６７ × １０ ，Ｊ?（ｍ ｓＫ）；Ｔ为表面水温，Ｋ；ｅ
ｓ ａ
６ ３
ｃ
Ｖ
为水汽压，ｈＰａ；Ｆ为云量系数；Ｌ为蒸发潜热，Ｌ ＝ ２．５ × １０～２．３ × １０Ｔ，Ｊ?ｋｇ；ρ ａ 为海面上 １０ｍ处
ｓ
Ｖ
空气密度；Ｕ 为风速；ｑ和 ｑ为饱和空气比湿度和 １０ｍ高空气比湿度；ｃ为 Ｄａｌｔｏｎ数，取值 ０．００１５；
１０ ｓ ａ ｅ
ｋ为热传导系数，与空气密度垂向分布有关； 珋 为海面到 １０ｍ高空平均空气密度；ｃ为空气比热，取
ｐ
ｓ
ρ ａ
值 １００４．０，Ｊ?（ｋｇＫ）；ｃ为 Ｓｔａｎｔｏｎ数，取值 ０．００１４５；Ｔ为海面上 １０ｍ高处空气温度。
Ｈ ａ
案例厂址位于渤海辽东湾东海岸（图 １），计算域选取整个渤海湾，模拟水文气象耦合场作用下的
海区水温实时过程，为了提高近区的分辨率采用了 ４重嵌套网格，其中大区域模拟外海边界范围如图
１中①所示，通过②区和③区过渡逐渐缩小到电厂周边局部小区域④，小区域离岸方向约 ６．５ｋｍ，顺
２
岸方向约 １４．５ｋｍ，模拟面积约 ９０ｋｍ 。①区域网格平面尺度平均为 ５０００ｍ × ５０００ｍ，第②区域平面网
格尺度为 １１００ｍ × １１００ｍ，第③区域平面网格尺度为 ２２０ｍ × ２２０ｍ，第④区域平面网格尺度为 ４４ｍ ×
４４ｍ ，模型平面采用正交曲面网格，垂向采用 σ网格，为了兼顾模拟精度和计算效率，分为 ６层。大
范围海域地形采用航海保证部最新海图数据，厂址周边局部海域采用 １∶１００００实测地形以提升水动力
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