臨港工業(yè)區(qū)建設(shè)對(duì)核電廠液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散的影響

李 婷，朱 君，劉團(tuán)團(tuán)，張艾明

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

沿海地區(qū)依靠近海優(yōu)勢(shì)大力發(fā)展核電站及港口建設(shè)等項(xiàng)目，在規(guī)劃過程中需重點(diǎn)關(guān)注液態(tài)流出物排放后對(duì)周圍海洋環(huán)境的影響。為充分利用地理資源，某擬建核電廠附近規(guī)劃建設(shè)臨港工業(yè)園區(qū)，建設(shè)過程中的填海及航道疏浚工程會(huì)改變附近海域的水動(dòng)力環(huán)境。宋竑霖[1]、孫英蘭[2]、李希彬[3]等曾就沿岸工程對(duì)周圍海域水動(dòng)力環(huán)境的影響展開過研究。液態(tài)流出物的稀釋擴(kuò)散是伴隨著潮流運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的，臨港園區(qū)的建設(shè)會(huì)使放射性核素的遷移行為受到影響，因此對(duì)港口規(guī)劃前后液態(tài)流出物的濃度場(chǎng)分布情況進(jìn)行對(duì)比分析就顯得尤為重要。

數(shù)值模擬是研究液態(tài)流出物在受納水體中遷移擴(kuò)散過程的有效手段，李勇等[4]通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)核電廠冷卻水及含放射性液態(tài)流出物的擴(kuò)散問題進(jìn)行了研究；毛遠(yuǎn)意等[5]分析了不同計(jì)算域?qū)穗姀S液態(tài)流出物排放模擬計(jì)算結(jié)果的影響；劉團(tuán)團(tuán)[6]選取了二維和三維兩種計(jì)算模型模擬低放廢水的遷移擴(kuò)散規(guī)律；陳丕翔等[7]根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型分析了海南昌江核電廠附近海域內(nèi)放射性核素的濃度分布情況。

為研究臨港工業(yè)園區(qū)規(guī)劃對(duì)核電站液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散的影響，本文對(duì)某擬建核電站附近海域在園區(qū)規(guī)劃前后放射性核素131I和60Co的濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬和分析，為優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)和環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型介紹

本次研究應(yīng)用地表水?dāng)?shù)值模擬軟件MIKE建立平面二維數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算，它具有較好的守恒性，采用深度平均的淺水控制方程計(jì)算該海域的潮流場(chǎng)。

從不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)的基本方程(忽略物理量沿水深方向的變化)沿水深方向積分，即求得深度平均的平面二維水流運(yùn)動(dòng)方程 (連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和物質(zhì)傳輸方程是海洋物理學(xué)中的基本方程)：

連續(xù)性方程：

(1)

運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

物質(zhì)傳輸方程：

(3)

式中，ζ為相對(duì)基準(zhǔn)面水位，m；H為水深，m；t為時(shí)間，s；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；f為柯氏力系數(shù)，s-1；τsx、τsy為風(fēng)生應(yīng)力，Pa；Ex、Ey為x、y方向廣義的渦粘性系數(shù)，m2/s；φ為液態(tài)流出物計(jì)算濃度，Bq/L；φ0為排放初始濃度，Bq/L；Dx、Dy為x、y方向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；u、v為x、y方向平均流速，m/s，模型中已明確x、y方向，根據(jù)潮流的流向，流速換算為x、y方向平均流速；k為降解系數(shù)，d-1；q為排放量，m3/s。

1.1 流場(chǎng)定解條件

(1)初始條件：采用靜流條件起算。

(2)邊界條件：岸邊界為固定壁面，開邊界采用潮位控制，分別采用夏季和冬季典型大、中、小潮和半月潮潮型。邊界潮位采用潮汐調(diào)和常數(shù)軟件計(jì)算，后通過驗(yàn)證點(diǎn)潮位、流速驗(yàn)證調(diào)試，最終確定邊界處潮位過程。

1.2 參數(shù)選取

主要選取的參數(shù)包括糙率系數(shù)、水平粘滯系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、柯氏力系數(shù)以及表面風(fēng)應(yīng)力，根據(jù)海洋物理學(xué)，各參數(shù)求解公式如下：

(1)糙率系數(shù)n

(4)

(2)水平粘滯系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)

水平粘滯系數(shù)采用Smagorinsky Formulation模型計(jì)算。擴(kuò)散系數(shù)采用渦粘系數(shù)比例Scaled Eddy Viscosity Formulation模型，取值1。

(3)柯氏力系數(shù)f：工程海域位于北緯21°20′附近，f=2ωsinφ≈5.1×10-5。

(4)表面風(fēng)應(yīng)力τs

(5)

式中，ρa(bǔ)ir為空氣密度，kg/m3；Vw為海面上方10 m處風(fēng)速，m/s；CD為系數(shù)。其中x、y方向上是根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向換算為對(duì)應(yīng)的風(fēng)應(yīng)力。

1.3 模擬范圍和計(jì)算網(wǎng)格

海域潮汐類型屬非正規(guī)全日潮，漲潮時(shí)流向N、落潮時(shí)流向S，實(shí)測(cè)海流隨著潮汐的漲落而發(fā)生變化，漲潮流均比落潮流小。

數(shù)學(xué)模型范圍外海邊界為：北側(cè)至北海市犀牛腳鎮(zhèn)，南側(cè)邊界至雷州市企水鎮(zhèn)，寬約101 km，包括2014年實(shí)測(cè)水文測(cè)驗(yàn)的所有測(cè)點(diǎn)(來源于核電廠的水文測(cè)驗(yàn)報(bào)告)，面積約8 862 km2。模型采用三角形網(wǎng)格剖分單元，在工程海域進(jìn)行了局部加密，如圖1所示，最小網(wǎng)格尺度控制在13 m，最大網(wǎng)格尺度約3 934 m，總網(wǎng)格數(shù)約36 372個(gè)。時(shí)間步長(zhǎng)60 s。

圖1 數(shù)學(xué)模型整體網(wǎng)格圖Fig.1 Overall grid graph of the mathematical model

2 模型驗(yàn)證

2.1 潮位驗(yàn)證

選取鐵山港、廉江站、江洪站、北海站、潿洲島5個(gè)潮位站(如圖2所示)2013年12月冬季和2014年7月夏季實(shí)測(cè)半月潮作為模型潮位驗(yàn)證資料，潮位觀測(cè)資料全部換算到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面。計(jì)算潮位與驗(yàn)證資料潮位過程線的比較如圖3和圖4所示，5個(gè)潮位站的計(jì)算潮位與實(shí)測(cè)潮位值吻合良好，最大絕對(duì)偏差控制在0.2 m以下。

圖2 潮位站分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of tidal level station distribution

2.2 潮流驗(yàn)證

選取工程海域L1～L5潮流站(如圖5所示)2013年12月冬季中潮的實(shí)測(cè)流速和流向數(shù)據(jù)作為模型的率定資料，從率定結(jié)果可以看出：除近岸L1測(cè)站在部分轉(zhuǎn)潮時(shí)段流速與實(shí)測(cè)值存在0.1 cm/s的偏差，其他測(cè)站的流速、流向與實(shí)測(cè)資料吻合較好，如圖6、圖7所示。

在模型參數(shù)確定后，再選取2014年7月夏季中潮的實(shí)測(cè)流速和流向數(shù)據(jù)作為模型的驗(yàn)證資料，計(jì)算的流速、流向除近岸L1測(cè)站外與實(shí)測(cè)值基本吻合，如圖8、圖9所示。

3 港口規(guī)劃前后流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

放射性核素的輸移擴(kuò)散主要受近海海域的水動(dòng)力因素控制，因而有必要對(duì)港口建設(shè)前后附近海域的潮流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入分析液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散的特征。

3.1 港口規(guī)劃前潮流狀況分析

港口規(guī)劃前潮流狀況如圖10和圖11所示。工程海域潮流主要呈現(xiàn)為EN-WS往復(fù)流，在安鋪港海域出現(xiàn)EW往復(fù)流，英羅港、鐵山港附近海域?yàn)镾N往復(fù)流。中潮漲急時(shí)刻主潮流為EN向，一支由南向北進(jìn)入鐵山港，一支由西南向東北進(jìn)入安鋪港然后轉(zhuǎn)向英羅港，兩支潮流的交匯處形成強(qiáng)徑流帶，在港口附近海域流速較大，漲平時(shí)刻在鐵山港、英羅港附近形成渦流區(qū)。

落急時(shí)刻工程區(qū)附近海域主潮流流向?yàn)閃S向，在英羅港、鐵山港附近潮流向由北向南流出港灣，進(jìn)而轉(zhuǎn)向WS向，鐵山港和安鋪港的落潮流在交匯處形成強(qiáng)徑流帶，港口附近海域流速較大，流場(chǎng)較為密集，落憩時(shí)刻在鐵山港、英羅港附近形成渦流區(qū)。

中潮期落潮流速大于漲潮流速。最大落潮、漲潮流速分別為85 cm/s和80 cm/s。最小落潮、漲潮流速分別為23 cm/s和26 cm/s。最大落潮和漲潮平均流速分別為59 cm/s和40 cm/s。最小落潮和漲潮平均流速分別為7 cm/s和9 cm/s?？臻g分布上，漲潮流L4和L10站流速最大，L9站流速最??；落潮流L4和L9站流速最大，落潮流L2站流速最小。L2站NW向流隨水深增加演變成SW向流，SE向流隨水深增加演變成NE向流；L3站SE向流和NW向流隨水深增加均出現(xiàn)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，分別轉(zhuǎn)至E向和W向；L4站E向流隨水深增加逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)至NE向。

圖3 北海、江洪、廉江、鐵山、潿洲夏季潮位驗(yàn)證Fig.3 Tidal level validation of Beihai,Jianghong,Lianjiang, Tieshan and Weizhou station in summer

圖4 北海、江洪、廉江、鐵山、潿洲冬季潮位驗(yàn)證Fig.4 Tidal level validation of Beihai,Jianghong,Lianjiang, Tieshan and Weizhou station in winter

圖5 潮流站分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of current station distribution

圖6 L1～L5潮流站冬季中潮流速驗(yàn)證Fig.6 Validation of flow velocity at mid tide of L1-L5 station in winter

3.2 港口規(guī)劃后潮流狀況分析

保持模型的邊界條件和參數(shù)不變，并在模型中加入廉江港，目的在于分析廉江港規(guī)劃前后，工程海域流場(chǎng)變化情況。以夏季中潮為例，分別計(jì)算了漲急、落急兩個(gè)時(shí)刻流場(chǎng)的變化情況，如圖12和圖13所示，左圖中黑線未規(guī)劃前，紅線為規(guī)劃后。

從計(jì)算結(jié)果來看，廉江港規(guī)劃后，夏季中潮漲急時(shí)刻的流場(chǎng)僅在港口附近發(fā)生變化，且變化幅度港口東側(cè)明顯大于西側(cè)，并在東側(cè)形成回流區(qū)。挑流作用使得港口附近水域的流動(dòng)減弱，貼近港口受影響最大，流速、流向均有較明顯的改變，并向西南方向延伸，形成一個(gè)流速減緩帶；在減速帶兩側(cè)接著形成增速帶，且東南部增速帶范圍大于西北部。隨著與港口間距離的加大，港口規(guī)劃對(duì)流場(chǎng)的影響逐漸減弱。

而落急時(shí)刻，同樣在港口附近先形成一個(gè)流速減緩帶，然后在兩側(cè)各形成一個(gè)增速帶，流速變化幅度與漲急時(shí)刻相同，但影響范圍小于漲急時(shí)刻。

4 臨港工業(yè)區(qū)規(guī)劃前后液態(tài)流出物計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.1 臨港工業(yè)區(qū)規(guī)劃前液態(tài)流出物計(jì)算結(jié)果分析

2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行條件下，考慮131I和60Co的衰變，計(jì)算了夏季中潮潮型條件下污染物稀釋10倍和1000倍的最大包絡(luò)面積。從濃度場(chǎng)分布的形態(tài)上看，高濃度區(qū)主要分布于排水口所在的安鋪灣。2臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行后，131I和60Co夏季中潮稀釋10倍平均值包絡(luò)線面積分別為0.9×10-3km2和1.2×10-3km2，稀釋1 000倍平均值包絡(luò)線面積分別為124.76和274.6 km2。

圖7 L1～L5潮流站冬季中潮流向驗(yàn)證Fig.7 Validation of flow direction at mid tide of L1-L5 station in winter

圖8 L1～L5潮流站夏季中潮流速驗(yàn)證Fig.8 Validation of flow velocity at mid tide of L1-L5 station in summer

圖9 L1～L5潮流站夏季中潮流向驗(yàn)證Fig.9 Validation of flow direction at mid tide of L1-L5 station in summer

圖10 夏季中潮漲急潮流圖Fig.10 The tidal current of mid tide at flood fast tide in summer

4.2 臨港工業(yè)區(qū)規(guī)劃后液態(tài)流出物計(jì)算結(jié)果分析

131I和60Co的半衰期較長(zhǎng)，自減速度慢，在水體中主要隨潮流運(yùn)動(dòng)，從濃度場(chǎng)分布的形態(tài)上看，高濃度區(qū)主要分布于排水口所在的安鋪灣。2臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行后，夏季中潮稀釋1 000倍最大值包絡(luò)線面積分別為197.69 km2和557.9 km2。

港口規(guī)劃后從濃度場(chǎng)分布的形態(tài)上看，高濃度區(qū)主要分布于排水口所在的安鋪灣。2臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行后，131I和60Co夏季中潮稀釋10倍平均值包絡(luò)線面積分別為1.0×10-3km2和3.0×10-3km2，稀釋1 000倍平均值包絡(luò)線面積分別為109.21 km2和265.41 km2。

圖11 夏季中潮落急潮流圖Fig.11 The tidal current of mid tide at ebb fast tide in summer

圖12 夏季中潮漲急流場(chǎng)及變化Fig.12 The tidal current and its changes of mid tide at flood fast tide in summer

圖13 夏季中潮落急流場(chǎng)(黑線為規(guī)劃前，紅線為規(guī)劃后)及變化Fig.13 The tidal current and its changes of mid tide at ebb fast tide in summer

圖14 131I(左)和60Co(右)濃度平均值包絡(luò)線范圍(規(guī)劃前)Fig.14 The average enveloping area of the concentration of 131I (left) and 60Co (right)

圖15 131I(左)和60Co(右)濃度平均值包絡(luò)線范圍(規(guī)劃后)Fig.15 The average enveloping area of the concentration of 131I (left) and 60Co (right)

5 結(jié)論

本次工作針對(duì)擬建核電項(xiàng)目液態(tài)流出物，分為考慮規(guī)劃臨港工業(yè)園區(qū)和不考慮規(guī)劃臨港工業(yè)園區(qū)兩種情況，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。工程海域?qū)崪y(cè)潮位、潮流模型驗(yàn)證結(jié)果表明：各測(cè)站模擬計(jì)算的潮位和流速、流向與實(shí)測(cè)資料基本吻合，表明采用的二維數(shù)學(xué)模型能夠正確模擬工程海域的潮流場(chǎng)，可以用于本項(xiàng)目液態(tài)流出物遷移、擴(kuò)散預(yù)報(bào)工作。

不考慮廉江港規(guī)劃項(xiàng)目，131I和60Co的半衰期時(shí)間較長(zhǎng)，衰變速度慢，在水體中主要隨潮流運(yùn)動(dòng)，高濃度區(qū)主要分布于排水口所在的安鋪灣。廉江港項(xiàng)目規(guī)劃后，流場(chǎng)僅在港口附近發(fā)生變化，隨著距港口距離的增加，這種變化逐漸減弱。131I和60Co的高濃度區(qū)均大于規(guī)劃前，低濃度區(qū)小于規(guī)劃前，131I和60Co的高濃度區(qū)分別增加了11.1%和150%，而低濃度區(qū)分別減小了12.5%和3.2%，說明工業(yè)區(qū)建設(shè)后不利于液態(tài)流出物的稀釋擴(kuò)散。