《Water》：Cumulative Thermal Effect Assessment and Zoning Compatibility Analysis of Multi-Source Thermal Discharges in a Semi-Enclosed Bay
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半封闭海湾受到密集温排水的显著挑战，量化累积热效应并评估热环境承载力至关重要。以大亚湾为研究区域，本研究利用MIKE 21 FM建立了一个二维水动力-热耦合模型，模拟在最不利水文气象情景（小潮期和1.5 m/s低风速条件）下由四个热排放源引起的空间积分温升场。
半封闭海湾受到密集温排水的显著挑战，量化累积热效应并评估热环境承载力至关重要。以大亚湾为研究区域，本研究利用MIKE 21 FM建立了一个二维水动力-热耦合模型，模拟在最不利水文气象情景（小潮期和1.5 m/s低风速条件）下由四个热排放源引起的空间积分温升场。模型性能通过与现场监测数据和Landsat反演的海表温度观测数据进行了严格验证。基于此验证后的模拟框架，采用等值线约束法定量了热环境承载力，并系统评估了模拟温升等值线与指定海洋功能区的空间兼容性。结果表明：（1）取水回流显著降低了实际排入海湾的有效热负荷，经取水流量修正后，1 ℃温升包络面积减少了49.2%。（2）在基准参数下，海湾尺度的热环境容量利用率为90.7%，剩余容量约2000 MW，考虑参数敏感性后综合不确定性范围为±13%至±17%。（3）1 ℃温升等值线与核心保护区重叠面积约为8.7 km2，表明与生态区划存在潜在的空间冲突。本研究为优化半封闭海湾温排水空间布局和实施总量控制提供了技术支持。
大亚湾多源温排水累积热效应与热环境容量评估研究解读
研究背景与问题提出
海湾作为高度动态的近岸生态系统，支撑着丰富的生物多样性和关键的生态系统服务。在中国东南沿海，半封闭海湾已成为核电站和火电厂等能源基础设施的集中分布区。这些电厂通常采用直流冷却系统，持续向海湾水体排放大量温排水。持续的余热输入会逐渐改变局部热环境，扰乱海洋群落结构，严重时甚至可能引起温水回流，直接威胁电厂运行安全。当多个电厂聚集在同一海湾内时，多源温排水的联合热影响往往远超单个效应的简单叠加，这使得海湾尺度的温排水累积热效应评估成为一个紧迫的现实问题。
在大亚湾区域，现有研究主要集中在单个电厂，通过现场测量、遥感反演分析和三维数值模拟来描述单一热源的羽流扩散行为。然而，针对多个共址排放源在极端潮汐和风力组合条件下的累积热叠加效应，尚缺乏系统性的定量研究。此外，当前文献中对海洋热环境容量的量化尚未形成共识或标准化方法，多数研究仍依赖于标量总负荷核算方法，缺乏空间显式的评估逻辑，未能将热羽流分布与海洋功能区划的监管要求相结合。
海洋热环境容量被定义为：在水体能够吸收的最大总废热负荷条件下，确保对应生态阈值的温升等值线不超出指定海洋功能区边界。科学严谨地评估热环境容量，是实施近岸温排水总量控制和优化排污口空间布局的根本基础。
研究方法与技术路线
本研究利用MIKE 21 FM建立了海湾尺度、垂向平均的二维水动力-热输运耦合模型，适用于垂向混合充分的近岸浅水环境。模型域覆盖整个大亚湾地区，南北和东西方向各延伸约42 km，采用非结构化三角网格离散，包含13700个节点和26463个单元，最小网格尺寸约10 m以捕捉近场扩散特征。模型采用零方程紊流闭合模型，水平扩散系数设置为Ex=5.0 m2/s和Ey=0.5 m/s2，表面综合散热系数设为36.0 W/(m2·℃)。模型校准期为2008年6月至8月，验证期为2025年6月至8月，两组数据独立不重叠。研究人员利用Landsat 8和9卫星（Google Earth Engine平台）获取的海表温度（SST）数据作为独立参考对模型温度场进行验证，成像时间为2022年7月26日至2024年10月19日，空间分辨率30米。热环境容量计算采用等值线收缩法，基于基准排放情景按比例缩放总排放负荷，直至0.5℃/1℃温升线首次触及核心保护区或缓冲区边界。
研究结果
5.1 温度场模拟
研究人员选取了小潮低风速（1.5 m/s）、中潮平均风速（2 m/s）和大潮较高风速（2.5 m/s）三种代表性情景进行模拟。结果显示，在低风速小潮情景下，温水扩散最慢、温升最高，是热环境容量评价的控制情景。岭澳核电基地和滨海电厂的温羽流相互交汇产生明显的累积热效应，两者的1℃温升等值线相交，2℃等值线呈现汇聚趋势。平海电厂温水主要向南扩散，高升温区局限于排放口附近。惠州LNG电厂温水量较小，与邻近电厂未产生显著累积效应。值得注意的是，海湾东北部出现一个明显温升区，虽无热排放源，但由于地形约束导致流速降低、水交换能力减弱，形成了热滞留区，应视为大亚湾热污染防治的潜在优先区域。
5.2 取水点影响分析
研究人员对小潮低风速条件下耦合取排水过程进行了模拟。结果显示，取水点的抽吸效应显著改变了温水排放的近场空间形态和总体影响范围。不考虑取水点时，全湾1℃温升累计包络面积为177.0 km2（约占大亚湾总面积27.2%）；加入取排水耦合过程后，该面积降至90.0 km2，减少49.2%。各热源取水点平均回流率存在空间差异：岭澳核电基地32.4%、平海电厂38.7%、惠州LNG电厂49.2%、滨海电厂66.7%。回流效应仅改变温羽流的近场分布特征，不影响关于多源集群热环境影响的核心结论。
5.3 海湾温度场验证分析
通过与Landsat反演的SST数据对比，研究人员发现岭澳核电基地和滨海电厂附近的模拟热扩散模式与遥感海表温度分布基本一致。具体而言，岭澳核电基地排水口附近4℃增温区（绝对水温约32℃）与遥感图像中的高温区基本吻合，1℃增温区（绝对水温约29℃）的空间范围也表现出良好一致性。遥感结果还显示暖流通常滞留在海湾东北部，这与模型识别的热滞留区模式一致。
5.4 温排水叠加效应的生态影响分析
基于大亚湾水产资源保护区的管理目标和当地物种研究，研究人员确定了四个温升阈值线：0.5℃（绝对温度28.5℃）、1℃（29℃）、3℃（31℃）和5℃（33℃）。采用小潮低风速、无取水的情景作为评估情景。结果显示：对于缓冲区和实验区（1℃阈值），所有电厂的主温羽流基本控制在二类海洋功能区1℃管理限值内；对于核心保护区（0.5℃严格阈值），0.5℃温升等值线已触及核心保护区边界，1℃等值线进一步侵入核心区，重叠面积约8.7 km2，表明与生态区划存在潜在空间冲突。滨海电厂的3℃增温区延伸至中央列岛和范和港等重要鱼类产卵场，可能影响大黄鱼产卵孵化过程；33℃等值线正逼近自然保护区边界，可能对热敏感物种构成生存威胁。
不确定性传播分析
主要不确定性来源包括两部分：背景水温波动（±0.5℃变化导致热容量计算偏差±8%-12%）和海床粗糙度参数（不确定性可降至±5%以内）。假设两个主要来源相互独立，结合水平扩散系数和表面散热系数的次级不确定性，基准容量利用率（90.7%）的综合相对不确定性约为±13%至±17%，对应实际容量利用率范围为78%至103%。
讨论与结论总结
讨论部分指出，虽然二维垂向平均模型在大亚湾浅水区完全适用，但在水深大于20米的深槽区存在局限性，模型低估表面温升达10%-15%，不过这对核心控制阈值约束的浅水区影响可控。未来研究将聚焦于岭澳-滨海重叠区等重点区域，构建三维精细热输运模型，形成“二维海湾尺度总量控制+三维重点区域精细验证”的两级评估体系。
研究结论如下：（1）大亚湾潮流呈现典型振荡特性，具有显著时空异步性，这种水动力格局限制了温排水的输运扩散效率。（2）在最不利情景（小潮低风速1.5 m/s）下，多源温羽流在西侧近岸区域呈现显著叠加效应，岭澳-滨海重叠区为局部热负荷最高区域。（3）取水回流对有效热负荷具有显著修正作用，修正后1℃温升面积减少49.2%；基准工况下海湾尺度热环境容量利用率为90.7%，剩余容量约2000 MW；考虑参数不确定性后，利用率范围为78%-103%，极端不利条件下剩余容量裕度极为有限。（4）在最不利情景下，四座电厂满负荷运行时总热负荷将超出海湾尺度环境容量78.3%；取水回流显著降低有效热负荷后，容量利用率降至90.7%，剩余热容量约2000 MW。但在局部空间尺度上，岭澳核电基地与滨海电厂重叠区的热容量已因双羽流叠加而超载，构成局部生态风险。这种系统层面剩余容量与特定位置热过载并存的现象，反映了多源温排水累积影响的典型特征。从管理实践角度，建议建立基于累积影响评估方法的空间差异化热容量管理框架，在西侧重叠区优化取排水布置、调整排放方式，在东侧和北侧海域实施负荷再分配与运行调度，严格遵守海湾尺度总热容量约束。
