某核電廠近岸海域放射性核素遷移特征探討*

王韶偉，張　琨，陳海英，毛玉仙，張愛(ài)玲，譚成軍

(環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心,北京 100082)

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某核電廠近岸海域放射性核素遷移特征探討*

王韶偉，張琨，陳海英*，毛玉仙，張愛(ài)玲，譚成軍

(環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心,北京 100082)

摘要:濱海核電廠運(yùn)行時(shí)會(huì)有少量的放射性核素通過(guò)液態(tài)途徑進(jìn)入海洋環(huán)境中，在掌握其海域水動(dòng)力環(huán)境的基礎(chǔ)上，開(kāi)展放射性核素遷移研究具有重要意義?；谀澈穗娬窘逗Ｓ虻乃碌匦魏退臈l件，通過(guò)潮位、流速、流向的率定，構(gòu)建水動(dòng)力環(huán)境模型，模擬研究區(qū)的潮流運(yùn)動(dòng)過(guò)程和特征，為放射性核素遷移擴(kuò)散提供基本流場(chǎng)背景。以核素131I為例，采用恒定速率1 Bq/L活度濃度持續(xù)排放，用實(shí)測(cè)兩個(gè)半月潮模擬核素遷移過(guò)程，分析放射性核素131I在該海域的時(shí)間和空間分布規(guī)律。結(jié)果表明：1)隨著時(shí)間推移，核素逐漸向外海域擴(kuò)散，但擴(kuò)散速度較慢；隨著距離增大，海域中核素活度濃度呈幾何倍數(shù)快速下降；廠址東北方向岸邊核素活度濃度較高，在一個(gè)月后逐步達(dá)到穩(wěn)定，約比排放活度濃度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。2)漲潮時(shí)核素活度濃度范圍較小，落潮時(shí)核素活度濃度范圍快速擴(kuò)大，相同核素活度濃度面積為漲潮時(shí)的2～3倍。3)排放初期，各處核素活度濃度均隨時(shí)間迅速增加，隨后趨于穩(wěn)定；不同位置的活度濃度隨著潮汐交替漲落，不斷波動(dòng)，漲潮時(shí)活度濃度較低，落潮時(shí)活度濃度較高；不同位置的平均活度濃度隨著潮汐交替漲落，不斷波動(dòng)，大潮期間活度濃度較高，小潮期間活度濃度快速降低。

關(guān)鍵詞：核電廠；近岸海域；核素遷移；131I

核電廠在正常運(yùn)行期間，液態(tài)放射性流出物與冷卻水充分混合后，隨冷卻水(排水)一起排入受納水體，從而向水環(huán)境排放少量的放射性核素。潛在的放射性物質(zhì)泄漏污染也是核電廠事故時(shí)面臨的主要環(huán)境問(wèn)題。2011-03-11，日本福島第一核電站發(fā)生了嚴(yán)重事故，大量放射性物質(zhì)通過(guò)液態(tài)途徑進(jìn)入海洋環(huán)境中[1]，引起人們對(duì)近岸海域放射性污染的關(guān)注[2-4]。目前，我國(guó)在運(yùn)和在建核電均為濱海廠址，也存在著放射性物質(zhì)通過(guò)液態(tài)途徑進(jìn)入海洋環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于認(rèn)識(shí)上的不足，對(duì)核事故狀況下放射性物質(zhì)液態(tài)途徑釋放后果評(píng)價(jià)缺乏相應(yīng)研究。一旦發(fā)生放射性物質(zhì)通過(guò)液態(tài)途徑釋放事故(事故排放)，將難以在短期內(nèi)準(zhǔn)確評(píng)估事故后果。

在核電廠環(huán)境影響評(píng)價(jià)時(shí)，必須通過(guò)模擬擴(kuò)散試驗(yàn)、分析和計(jì)算，找出排水廠址周圍大范圍水體內(nèi)的擴(kuò)散稀釋規(guī)律，確定受納水體對(duì)排水的稀釋能力[5-6]。關(guān)于放射性核素在水體中遷移擴(kuò)散及在水生生態(tài)系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了一定的嘗試。張春粦等采用二維潮波方程和對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)測(cè)了大亞灣核電站液態(tài)排放物在附近海域的濃度分布[7]。蘇柯采用顯隱式交替使用的有限差分法對(duì)二維潮流污染擴(kuò)散濃度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)放射性核素110mAg，3H，90Sr，137Cs在西大亞灣及大鵬澳海域內(nèi)的濃度分布[8-9]?？琢钬S建立了大亞灣海域三維潮流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬繪制出5 d后大亞灣海域表層、中層、底層3H的濃度分布圖，隨后利用庫(kù)室模型方法研究了放射性核素110mAg在水生植物、水生動(dòng)物以及海洋沉積物之間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[10]。陳志峰等基于擬譜方法計(jì)算得到大亞灣海域的潮流場(chǎng)，利用粒子隨機(jī)行走模式，對(duì)大亞灣核電站液態(tài)排出物中的放射性核素?cái)U(kuò)散進(jìn)行模擬[11]。張俊麗等建立了考慮懸浮物吸附沉降影響的深度平均二維對(duì)流擴(kuò)散模型，模擬了放射性核素137Cs在大鵬澳中的遷移分布狀況[12]。

國(guó)外對(duì)核電站液態(tài)放射性流出物的公開(kāi)研究成果較少，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)在其19號(hào)安全報(bào)告的第四部分給出了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的近岸海域放射性物質(zhì)評(píng)價(jià)模型[13]。本研究采用數(shù)學(xué)模型，在模擬分析某核電廠近岸海域水動(dòng)力環(huán)境的基礎(chǔ)上，以131I為例研究放射性核素在該海域的遷移擴(kuò)散規(guī)律，包括核素在空間上的擴(kuò)散規(guī)律和在固定點(diǎn)上的時(shí)間變化規(guī)律，以期為核電廠放射性液態(tài)流出物環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)，為事故狀況下的快速后果評(píng)估提供經(jīng)驗(yàn)。

1研究區(qū)概況

某核電廠廠址位于我國(guó)東南沿海，東臨東海，南北兩側(cè)為海灣，西北側(cè)為低山丘陵，整個(gè)廠址由低山丘陵以及鄰近的3個(gè)小島構(gòu)成，島間有深槽發(fā)育。廠址東北側(cè)水深條件較好，水下淺灘寬闊平坦，微向東南方向傾斜，物質(zhì)組成為黏土質(zhì)粉砂；西南側(cè)主要發(fā)育在某小島以南海底，并逐步向南延伸，組成物為黏土質(zhì)粉砂。

廠址海區(qū)屬正規(guī)半日潮區(qū)，為大潮差區(qū)；潮流類型為半日潮流，但由于淺海分潮流較明顯，具有非正規(guī)半日潮淺海潮流性質(zhì)，潮流流速較小。一般落潮流最大流速大于漲潮流最大流速，落潮流向偏東，漲潮流向偏西，但受地形影響，潮流運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，帶有旋轉(zhuǎn)流的特點(diǎn)。

2研究方法

隨著世界海岸及港口工程建設(shè)的迅速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的不斷進(jìn)步，水動(dòng)力數(shù)值模型得到了廣泛應(yīng)用，在解決海岸及港口工程的實(shí)際問(wèn)題中發(fā)揮了巨大作用[14-16]。在應(yīng)用過(guò)程中，水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型自身也不斷得到完善，逐步向精確化和可視化方向發(fā)展，出現(xiàn)了以FVCOM、EFDC、DELFT3D、MIKE等為核心的代表模型[17]。本文采用丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)的二維數(shù)值水動(dòng)力模型MIKE 21，該模型包括水動(dòng)力、對(duì)流擴(kuò)散、水質(zhì)、泥沙、粒子追蹤模塊等，有著十分強(qiáng)大的前處理和后處理功能[18-19]，可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水環(huán)境等二維水力學(xué)現(xiàn)象[20-25]。

2.1控制方程

模型控制方程包括1個(gè)連續(xù)方程，2個(gè)動(dòng)量方程和1個(gè)對(duì)流擴(kuò)散方程。

連續(xù)方程：

(1)

x方向上動(dòng)量方程：

(2)

y方向上動(dòng)量方程：

(3)

對(duì)流擴(kuò)散方程：

(4)

式中，c為污染物濃度；cs為源匯項(xiàng)中污染物濃度；Du,Dv分別為污染物在x,y方向上的擴(kuò)散系數(shù)；λ為放射性核素衰變系數(shù)。

2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)觀測(cè)資料，選擇合適的模擬范圍，采用GK(高斯-克呂格)地圖投影，根據(jù)經(jīng)緯度計(jì)算所在區(qū)號(hào)，采用西安-80坐標(biāo)投影。在ArcGIS中對(duì)模擬區(qū)域的岸邊進(jìn)行數(shù)字化，在MIKE中轉(zhuǎn)換生產(chǎn)網(wǎng)格文件。根據(jù)開(kāi)邊界位置，通過(guò)設(shè)置最大三角形面積、最小允許角度、區(qū)域內(nèi)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)等參數(shù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)?？紤]到研究區(qū)海域有多個(gè)島嶼，地形復(fù)雜，進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理，利用不規(guī)則三角網(wǎng)(圖1)差值生成水下地形。研究區(qū)東北、東南、西北三個(gè)方位為開(kāi)邊界，利用潮位站的實(shí)測(cè)潮位進(jìn)行插值，生成斷面序列文件。

圖1　差值構(gòu)造地形的不規(guī)則三角網(wǎng)Fig.1　Irregular triangular grids of computational domain

研究中模擬時(shí)間范圍為某年08-16—09-20，時(shí)間步長(zhǎng)為1 800 s(0.5 h)，共1 726步。為了維持模型的穩(wěn)定，設(shè)置CFL數(shù)小于1。海底摩擦力為水深的相關(guān)變量，研究中采用曼寧系數(shù)，其取值范圍在20～40 m1/3/s。水平渦粘系數(shù)為水體粘性的相關(guān)變量，研究中按Smagorinsky公式計(jì)算，其取值范圍在0.1～15.0 m2/s。科里奧利參數(shù)根據(jù)經(jīng)緯度在模型范圍內(nèi)設(shè)定不同的值。研究中不考慮鹽度和溫度對(duì)密度的影響。

2.3模型調(diào)試

應(yīng)用中通過(guò)改變模型的曼寧系數(shù)和渦黏系數(shù)，使得模擬值與實(shí)測(cè)值差距逐步縮小，最終處于模型驗(yàn)證允許的誤差范圍。水動(dòng)力環(huán)境模擬模型的驗(yàn)證包括潮位和潮流(流速、流向)的驗(yàn)證。由于種種原因，實(shí)測(cè)潮流資料本身存在誤差，加之流場(chǎng)的復(fù)雜性，允許模擬值與實(shí)測(cè)值之間存在一定的誤差。模型驗(yàn)證時(shí)，以《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTS/T 231-2-2010)[26]作為判斷依據(jù)，其中：潮位，高低潮時(shí)間的相位允許偏差為(±0.5) h，最高最低潮位值允許偏差為(±10) cm；流速，憩流時(shí)間和最大流速出現(xiàn)的時(shí)間允許偏差為(±0.5) h，流速過(guò)程線的形態(tài)基本一致，測(cè)點(diǎn)漲、落潮段平均流速允許偏差為(±10)%；流向，往復(fù)流時(shí)測(cè)站主流流向允許偏差為(±10)°，平均流向允許偏差為(±10)°[26]。

研究中用于驗(yàn)證的數(shù)據(jù)為#1站08-16—09-20的潮位數(shù)據(jù)和#8站08-20—21的潮流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)自于某核電廠址工程海域水文觀測(cè)與分析資料匯編，實(shí)測(cè)與模擬潮位見(jiàn)圖2，潮流(流速、流向)見(jiàn)圖3。從圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[26]的判斷依據(jù)，模擬值與實(shí)測(cè)值處于誤差允許范圍內(nèi)，調(diào)試結(jié)果可以接受。

從潮位過(guò)程模擬圖可以看出，模擬的大、中、小潮潮位趨勢(shì)與實(shí)測(cè)潮位完全一致，無(wú)相位差，潮位吻合的也很好。潮位模擬圖局部放大后，可以看出高潮位基本吻合，低潮位有一定誤差。從潮流過(guò)程模擬圖可以看出，模擬的流速變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)流速相同，模擬的流速值與實(shí)測(cè)流速相近，模擬的流向變化與實(shí)測(cè)流向趨勢(shì)相似。模擬的最小流速值(0.2 m/s)與實(shí)測(cè)值基本相同，模擬的最大流速值(0.6～0.7 m/s)有一定誤差。

研究區(qū)漲潮落潮流場(chǎng)見(jiàn)圖4。海區(qū)潮流類型為半日潮流，潮差較大，潮流運(yùn)動(dòng)在外側(cè)開(kāi)敞海域呈旋轉(zhuǎn)流，主流向總體為東西向；在近岸受地形、島嶼及岸線影響，基本沿岸線走向，呈往復(fù)流形式。海區(qū)內(nèi)落潮流向偏東，漲潮流向偏西，落潮流最大流速一般大于漲潮流。岸邊區(qū)域流動(dòng)較弱，受地形影響，灣頂淺灘區(qū)在低潮時(shí)出現(xiàn)露灘。

綜合潮位和潮流模擬結(jié)果，調(diào)試后的參數(shù)能夠體現(xiàn)核電廠近岸海域的物理特性，模擬的流場(chǎng)可以反映該區(qū)域潮流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以為放射性物質(zhì)擴(kuò)散研究提供基本的流場(chǎng)背景。

圖2　#1站潮位驗(yàn)證圖(08-16—09-20)Fig.2　Simulated and observed water level at site #1(August 16-September 20)

圖3　#8站潮流驗(yàn)證圖(08-20—21)Fig.3　Simulated and observed tidal currents and directions at site #8 (August 20-21)

圖4　漲落潮流場(chǎng)Fig.4　Simulated currents of flood and ebb tides

3核素遷移擴(kuò)散規(guī)律

通過(guò)水動(dòng)力環(huán)境模擬，為放射性物質(zhì)擴(kuò)散研究提供基本的流場(chǎng)，以131I(半衰期為8.04 d)為例進(jìn)行放射性核素遷移特征研究。假定某核電廠兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的冷卻水流量為100 m3/s，放射性核素131I以1 Bq/L的活度濃度持續(xù)排放。

為獲取計(jì)算穩(wěn)定后的核素濃度場(chǎng)，將實(shí)測(cè)兩個(gè)半月潮進(jìn)行迭代計(jì)算，統(tǒng)計(jì)稀釋100倍(活度濃度為0.01 Bq/L)的面積隨潮周期的變化。穩(wěn)定性的判別條件為活度濃度0.01 Bq/L面積隨潮周期變化的相對(duì)偏差小于1%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)約30個(gè)潮周期(30 d)后基本趨于穩(wěn)定。因此核素遷移擴(kuò)散規(guī)律研究中，模擬排放時(shí)間為實(shí)測(cè)兩個(gè)半月潮(某年08-16—09-20)。

模擬期間131I隨時(shí)間的活度濃度分布見(jiàn)圖5，從圖中可以看出：1)隨著時(shí)間推移，核素逐漸向外海域擴(kuò)散，但擴(kuò)散速度較慢；2)隨著距離增大，海域中核素活度濃度呈幾何倍數(shù)快速下降；3)隨著潮汐運(yùn)動(dòng)，高活度濃度核素范圍從排放口逐漸擴(kuò)大到南北兩側(cè)的海灣內(nèi)，在海灣內(nèi)匯集，難以擴(kuò)散到外海；4)核素?cái)U(kuò)散的主要方向?yàn)闁|西向，同時(shí)向南北兩側(cè)逐漸擴(kuò)散，與研究區(qū)域主流向總體為東西向相符；5)廠址東北方向岸邊核素濃度較高，在1個(gè)月后逐步達(dá)到穩(wěn)定，比排放活度濃度約低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于電廠近岸海域水體流速較緩，與外部水體交換能力低，污染物擴(kuò)散條件較差。

圖5　放射性核素131I隨時(shí)間的活度濃度分布Fig.5　Temporal evolution of the distribution of concentration of 131I

同一時(shí)間段漲潮落潮時(shí)131I活度濃度分布對(duì)比見(jiàn)圖6，從圖中可以看出：漲潮時(shí)核素活度濃度范圍較小，落潮時(shí)核素活度濃度范圍快速擴(kuò)大，相同核素活度濃度面積為漲潮時(shí)的2～3倍，在排放初期兩者相差更大。計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí)(30 d)，相同核素活度濃度的面積基本不變，形狀隨漲潮和落潮有一定變化。

圖6　同一時(shí)間段放射性核素131I漲潮落潮活度濃度對(duì)比Fig.6　Comparison of concentration of 131I between flood and ebb tides

為了探討海域固位置核素131I活度濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，分別在距排放口1，3，5和10 km處選擇點(diǎn)位，4個(gè)位置的核素活度濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖7。從圖中可以看出：

1)在排放初期，各處核素活度濃度均隨時(shí)間迅速增加，5 和10 km處表現(xiàn)較為明顯。1，3和5 km處的核素活度濃度在兩個(gè)半月潮之后趨于穩(wěn)定，1 km處約為0.2倍的排放活度濃度，5 km處約為0.1倍排放活度濃度，5 km處約為0.01倍的排放活度濃度。

2)4個(gè)位置的活度濃度隨著潮汐交替漲落，不斷波動(dòng)，漲潮時(shí)活度濃度較低，落潮時(shí)活度濃度較高(圖8中虛線所示)。兩個(gè)半月潮時(shí)1 km處漲潮活度濃度約為0.1倍排放活度濃度，落潮活度濃度約為0.2倍排放活度濃度，3，5和10 km處漲潮活度濃度和落潮活度濃度差隨距離逐漸增大，落潮活度濃度約為漲潮的100倍。

3)4個(gè)位置的核素活度濃度隨著潮汐交替漲落，不斷波動(dòng)，大潮期間活度濃度較高，小潮期間活度濃度快速降低，其中3 km處降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，5 km處降低2個(gè)數(shù)量級(jí)，10 km處降低超過(guò)4個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖7　固定點(diǎn)放射性核素131I活度濃度隨時(shí)間變化Fig.7　Variation of the concentration of 131I at different locations

4結(jié)語(yǔ)

本文采用二維海洋水動(dòng)力環(huán)流模型作為研究手段，在模擬某核電廠附近海域水動(dòng)力環(huán)境的基礎(chǔ)上，以131I恒定速率1 Bq/L濃度持續(xù)排放為例，采用實(shí)測(cè)兩個(gè)半月潮，模擬核素在近岸海域放射性核素遷移，得到放射性核素131I在該海域的時(shí)間和空間分布規(guī)律，可為核電廠放射性液態(tài)流出物環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供參考。

放射性核素在水體，尤其是在環(huán)境特征復(fù)雜多變的海域中遷移擴(kuò)散受到潮汐、風(fēng)浪、洋流、懸浮物等多重因素影響，與其自身特征也有關(guān)系，而放射性核素在水體中的濃度又是環(huán)境輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。我國(guó)在該方面的研究還較為薄弱，應(yīng)加強(qiáng)放射性核素遷移擴(kuò)散相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作，為核電廠放射性液態(tài)流出物環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

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Received: May 11, 2015

*收稿日期：2015-05-11

作者簡(jiǎn)介：王韶偉(1983-)，男，河南陜縣人，高級(jí)工程師，博士，主要從事核設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面研究.E-mail：sinodapy@126.com *通訊作者：陳海英(1984-)，女，山東壽光人，工程師，碩士，主要從事核設(shè)施環(huán)境安全評(píng)價(jià)方面研究.E-mail：chenhaiying@chinansc.cn(李燕編輯)

中圖分類號(hào)：X55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-6647(2016)02-0271-09

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.012

Study on Radionuclide Migration in Near-shore Waters Around a Coastal Nuclear Power Plant

WANG Shao-wei, ZHANG Kun, CHEN Hai-ying, MAO Yu-xian, ZHANG Ai-ling, TAN Cheng-jun

(NuclearandRadiationSafetyCenter,MEP, Beijing 100082, China)

Abstract:A very small amount of radioactive nuclides will be discharged to marine environment through fluid as coastal nuclear power plant (NPP) is running. Potential risk of marine environmental pollution by radioactive material leakage might exist, so it is very important to comprehensively understand the hydrodynamic environment of coastal NPP. Based on bathymetry and hydrographic conditions around a NPP, hydrodynamic numerical model is used to simulate tidal processes and related characteristics. With 131I used as a tracer and a constant discharge, temporal variation and spatial distribution of radionuclide are analyzed with two and a half month simulation of tide and nuclide migration processes. Results show that 1) the radionuclide diffuses to open water gradually at first, but nuclide concentration reduces in geometric multiples as distance increases; the nuclide concentration to the northeast of the site is high, then gradually reaches a stable state a month later, and its concentration is about two orders lower than the source discharge concentration; 2) the nuclide diffusion area is small at high tide, but expands quickly at low tide and its diffusion area is about 2 to 3 times of that at high tide; 3) during early discharge period, nuclide concentration increases quickly almost everywhere, then tends to be stable; the nuclide concentration varies with tidal fluctuation, and is lower at high tide but higher at low tide; The average concentration is higher at spring tide, and lower at neap tide.

Key words:coastal nuclear power plant; near-shore waters; radionuclide migration;131I

資助項(xiàng)目：科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)——我國(guó)環(huán)境放射性水平精細(xì)圖譜建設(shè)(2015FY10800)