基于MIKE21的濱海核設(shè)施液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散規(guī)律及排放優(yōu)化的模擬研究

左慶寧，林大超，邱 林，王曉亮

(中國核電工程有限公司，北京 100048)

隨著我國海洋開發(fā)利用程度的不斷提高，加強(qiáng)海洋生態(tài)保護(hù)、堅(jiān)持綠色發(fā)展道路成為我國海洋發(fā)展的基本理念。為降低濱海核設(shè)施的液態(tài)流出物中放射性核素的排放對(duì)水生態(tài)環(huán)境和公眾的影響，需要研究排放的點(diǎn)位、排放口形式、排放時(shí)序選取等因素對(duì)液態(tài)流出物中的放射性核素稀釋擴(kuò)散規(guī)律的影響，優(yōu)化排放方案，最大限度地利用海域內(nèi)潮流的稀釋擴(kuò)散能力，使得液態(tài)流出物排放后的擴(kuò)散范圍盡可能遠(yuǎn)離岸線，降低近岸的放射性核素濃度，從而降低公眾和環(huán)境的輻射劑量。

對(duì)于一些半衰期較長(zhǎng)的放射性核素，如氚、C-14等，很難在短時(shí)間內(nèi)依靠自身衰變降低濃度，因此廠址海域的水動(dòng)力特性、交換能力成為決定其稀釋擴(kuò)散的關(guān)鍵因素。本文以我國某海域?yàn)槔?，研究某核設(shè)施的液態(tài)流出物中以氚為主的核素在該海域的稀釋擴(kuò)散規(guī)律，研究排放時(shí)段、潮位、風(fēng)向等相關(guān)因素對(duì)放射性核素在海域稀釋擴(kuò)散及近岸濃度的影響，并依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)排放方案提出優(yōu)化建議。

1 排放海域水動(dòng)力模擬計(jì)算

1.1 MIKE21軟件及其原理

本文研究使用丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE21軟件的水動(dòng)力模塊和對(duì)流擴(kuò)散模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。海域潮流場(chǎng)及濃度場(chǎng)滿足如下沿深度平均的平面二維水流方程：

連續(xù)性方程，

(1)

運(yùn)動(dòng)方程，

(2)

(3)

物質(zhì)傳輸方程，

(4)

式中，h0為基準(zhǔn)面水位(m);h為基準(zhǔn)面以下水深(m);H(H=h0+h) 為絕對(duì)水深(m);C為謝才系數(shù)(m1/2/s);g為重力加速度常數(shù)(m/s2);Ω為柯氏力系數(shù)(1/s);f為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)(無量綱)；V為風(fēng)速，Vx、Vy分別為風(fēng)速沿x、y方向的分速度(m/s);ρ為流體密度(kg/m3)；Ex、Ey、Exy為剪應(yīng)力系數(shù)(kg/m·s2);φ為液態(tài)流出物濃度;φ0為排放的初始濃度;Dx、Dy分別為x、y方向擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);u、v為x,y方向的水深平均流速(m/s);λ為核素的衰變常數(shù)(1/s);q為排水口流量(m3/s)，δS為排口所在網(wǎng)格的面積。

1.2 核設(shè)施海域潮流場(chǎng)信息

本文研究的核設(shè)施液態(tài)流出物排放海域東西跨度約20 km，南北跨度約10 km。模擬時(shí)段為冬季1月—3月，其中，以2月13日15時(shí)至2月28日15時(shí)的潮位數(shù)據(jù)作為典型半月潮，2月20日9時(shí)至2月21日9時(shí)作為典型大潮，2月24日12時(shí)至2月25日12時(shí)作為典型中潮，2月27日14時(shí)至2月28日14時(shí)作為典型小潮。

1.3 計(jì)算條件

1.3.1坐標(biāo)選取與網(wǎng)格劃分 坐標(biāo)系選取西安80坐標(biāo)系，模擬核設(shè)施廠址20 km范圍內(nèi)的海域，橫坐標(biāo)范圍在658 000～682 000 m之間，縱坐標(biāo)范圍在319 200～3 203 000 m之間。采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算海域進(jìn)行劃分，從排口位置由近及遠(yuǎn)網(wǎng)格長(zhǎng)度為10～500 m，在近岸及島嶼處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，共約50 000個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 海域的網(wǎng)格及水下地形

1.3.2邊界條件 陸地邊界為固定壁面條件，即壁面的流速為0，海域邊界采用開邊界，邊界的水位數(shù)據(jù)由MIKE21軟件自帶的全球潮汐預(yù)報(bào)模型得到。

1.3.3水動(dòng)力及擴(kuò)散參數(shù) 根據(jù)前期海域水下地形的勘探工作，模擬計(jì)算海域的糙率系數(shù)n(s/m1/3)與水深h(m)滿足經(jīng)驗(yàn)公式:n=0.015+0.012/h，其中糙率系數(shù)n與公式(2)～(3)中的謝才系數(shù)C滿足關(guān)系C=h1/6/n；剪應(yīng)力系數(shù)設(shè)置為0.28 kg/m·s2，水平擴(kuò)散系數(shù)設(shè)置為1 m2/s。

1.3.4排放源項(xiàng) 在西安80坐標(biāo)系下，排放點(diǎn)的坐標(biāo)為(671 847 m，3 197 913 m)假定該核設(shè)施正常運(yùn)行時(shí)，液態(tài)流出物中主要核素氚和C-14的年排放量分別為1.5×1016Bq和6×1012Bq，每年排放的液態(tài)流出物體積為6×105m3。排口處氚和C-14的濃度分別為2.5×107Bq/L和1×107Bq/L。

1.4 潮流場(chǎng)率定

在典型大潮下，模擬得到的潮流場(chǎng)的潮位、流速、流向和實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果示于圖2、圖3。

圖2 典型大潮的水位率定

圖3 典型大潮的流場(chǎng)率定

潮流場(chǎng)率定結(jié)果表明，用MIKE21模擬得到的排放海域的水動(dòng)力條件與實(shí)際情況相近，模擬結(jié)果具有海域?qū)嶋H潮流場(chǎng)的特征，故能使用該模型對(duì)液態(tài)流出物中放射性核素的稀釋擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行模擬。

2 液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散規(guī)律模擬與分析

本文主要模擬了不同潮型、潮位、排放時(shí)段及風(fēng)場(chǎng)對(duì)液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散的影響。主要模擬了氚的稀釋擴(kuò)散規(guī)律，并依據(jù)氚的稀釋擴(kuò)散規(guī)律提出合適的排放優(yōu)化方案，依據(jù)方案計(jì)算近岸處的氚以及C-14的濃度，并評(píng)估其環(huán)境影響。

模擬得到的液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散效果主要由以下指標(biāo)來衡量。

(1) 區(qū)域近岸約1 km處的海岸線上的氚和C-14的濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)及全潮平均濃度，測(cè)量線如圖4所示，同時(shí)還在入?？谔幵O(shè)置了觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量放射性核素的濃度。圖4標(biāo)出了近岸濃度評(píng)價(jià)線的位置及排放源的位置。

圖4 近岸放射性核素稀釋擴(kuò)散指標(biāo)檢測(cè)示意圖

(2) 模擬得到整個(gè)計(jì)算域的全潮最大濃度的濃度場(chǎng)。參考標(biāo)準(zhǔn)《核動(dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》(GB 6249—2011)中核設(shè)施排放口下游1 km處的氚濃度不得超過100 Bq/L，因此重點(diǎn)考慮氚的全潮最大濃度超過100 Bq/L的海域面積。

2.1 潮型的影響

2.1.1計(jì)算工況 模擬了在典型半月潮下，分別在全時(shí)段均勻排放和落潮時(shí)排放對(duì)液態(tài)流出物擴(kuò)散的影響。均勻排放工況下，在整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)，液態(tài)流出物以恒定流量(0.019 02 m3/s)連續(xù)排放；落潮排放工況下，液態(tài)流出物僅在落潮時(shí)以恒定流量(0.038 04 m3/s)連續(xù)排放。

2.1.2模擬結(jié)果 以均勻排放工況為例展示了入?？谟^測(cè)點(diǎn)放射性核素相對(duì)排水口濃度隨潮汐作用變化情況及全潮最大濃度場(chǎng)。由圖5中的模擬結(jié)果可知，核設(shè)施排放液態(tài)流出物后，在潮汐作用的影響下，近岸區(qū)域放射性核素濃度先逐步上升，后趨于穩(wěn)定，隨著潮汐呈周期性變化，在漲潮時(shí)濃度上升，落潮時(shí)濃度下降。整個(gè)海域放射性核素濃度大致以排放點(diǎn)為中心，離排放點(diǎn)越遠(yuǎn)濃度越低。

圖5 入?？谟^測(cè)點(diǎn)氚濃度在潮汐作用下的變化曲線

同時(shí)由圖6(a)所示的模擬結(jié)果表明，在均勻排放的工況下，近岸區(qū)域北側(cè)放射性核素中氚的濃度超過了100 Bq/L(模擬得到的是氚相對(duì)于排放口液態(tài)流出物中氚的濃度，排放口氚濃度為2.5×1010Bq/m3,因此100 Bq/L所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濃度為4×10-6)，氚濃度超過100 Bq/L的海域面積為149 km2(為圖6中的紅色區(qū)域)。因此該核設(shè)施連續(xù)均勻排放液態(tài)流出物無法滿足工程項(xiàng)目的近岸海域水質(zhì)要求。

圖6 不同潮型下排放液態(tài)流出物時(shí)海域中氚的全潮最大濃度場(chǎng)

由圖6和表1所示的模擬結(jié)果表明，在落潮時(shí)排放液態(tài)流出物，近岸放射性核素的濃度更低，更有利于其向遠(yuǎn)海的稀釋擴(kuò)散。基于不同潮型下液態(tài)流出物稀釋擴(kuò)散的模擬結(jié)果，在研究潮位及排放方案的影響時(shí)，均考慮落潮排放時(shí)的工況。

表1 在不同潮型下排放液態(tài)流出物后近岸的氚濃度

2.2 潮位的影響

2.2.1計(jì)算工況 模擬了在典型大、中、小潮下的落潮時(shí)刻排放對(duì)液態(tài)流出物擴(kuò)散的影響。以典型大、中、小潮位控制潮型，模擬在落潮時(shí)段均勻連續(xù)排放液態(tài)流出物(排放流量為0.038 04 m3/s)時(shí)放射性核素的稀釋擴(kuò)散規(guī)律。

2.2.2模擬結(jié)果 由圖7和表2所示的模擬結(jié)果表明，在大潮和中潮時(shí)段排放液態(tài)流出物的工況下，近岸放射性核素濃度遠(yuǎn)低于小潮排放的工況。故選擇潮差更大的時(shí)段排放液態(tài)流出物，更有利于放射性核素向遠(yuǎn)海的擴(kuò)散。

圖7 不同潮差下排放液態(tài)流出物時(shí)海域中氚的全潮最大濃度場(chǎng)

表2 在不同潮位下排放液態(tài)流出物后近岸的氚濃度

2.3 排放時(shí)段的影響

2.3.1集中排放與均勻排放的影響比較

(1) 計(jì)算工況

模擬了以典型大潮為控制潮型，在落潮時(shí)段連續(xù)均勻排放液態(tài)流出物(排放流量為0.038 04 m3/s)和分別集中在落潮的第1個(gè)小時(shí)、前2個(gè)小時(shí)、前3個(gè)小時(shí)排放液態(tài)流出物(排放流量分別為0.228 2 m3/s、0.114 1 m3/s、0.076 08 m3/s)對(duì)放射性核素稀釋擴(kuò)散規(guī)律的影響。

(2) 模擬結(jié)果

在典型大潮落潮時(shí)，連續(xù)均勻排放和落潮時(shí)第1個(gè)小時(shí)、落潮前2個(gè)小時(shí)、落潮前3個(gè)小時(shí)排放液態(tài)流出物后氚的稀釋擴(kuò)散模擬結(jié)果如圖8和表3所示。模擬結(jié)果表明，液態(tài)流出物的排放時(shí)段越集中，越有利于放射性核素向遠(yuǎn)海的擴(kuò)散，且集中排放液態(tài)流出物更加便于核設(shè)施的管理和監(jiān)測(cè)。

圖8 不同時(shí)長(zhǎng)下排放液態(tài)流出物時(shí)海域中氚的全潮最大濃度場(chǎng)

表3 在不同排放時(shí)段下排放液態(tài)流出物后近岸的氚濃度

2.3.2不同集中排放時(shí)段的比較

模擬了典型大潮下，在落潮時(shí)第1至第6個(gè)小時(shí)分別集中排放液態(tài)流出物后(排放流量為0.228 2 m3/s)，氚的的稀釋擴(kuò)散規(guī)律。由表4及圖9所示的模擬結(jié)果表明，從落潮第1個(gè)小時(shí)到第6個(gè)小時(shí)分別排放液態(tài)流出物時(shí)，近岸區(qū)域的放射性核素濃度依次增加，且在落潮第6個(gè)小時(shí)排放時(shí)，近岸核素的濃度比之前高出了一個(gè)指數(shù)級(jí)。在落潮的第1個(gè)小時(shí)排放液態(tài)流出物時(shí)，放射性核素向遠(yuǎn)海擴(kuò)散效果最好。

表4 在不同排放時(shí)段下排放液態(tài)流出物后近岸氚的濃度

圖9 不同時(shí)段排放液態(tài)流出物時(shí)海域中氚的全潮最大濃度場(chǎng)

2.4 分析與小結(jié)

通過對(duì)潮型、潮差及排放時(shí)段對(duì)放射性核素在海域稀釋擴(kuò)散規(guī)律影響的模擬，分析得知，當(dāng)海域的潮汐由漲潮轉(zhuǎn)為落潮剛開始的時(shí)段，是潮位變化最急的時(shí)段，該時(shí)段洋流更加趨向于向遠(yuǎn)海流動(dòng)，因此在落潮剛發(fā)生的時(shí)段里核設(shè)施排放液態(tài)流出物，更有利于放射性核素向遠(yuǎn)海的擴(kuò)散，該時(shí)段也是排放液態(tài)流出物的最佳時(shí)段。

3 排放優(yōu)化建議及方案模擬

基于第2節(jié)中對(duì)潮型、潮差及排放時(shí)段對(duì)放射性核素在海域稀釋擴(kuò)散規(guī)律影響的模擬，本文為該核設(shè)施提出的建議排放方案為在落潮的第1個(gè)小時(shí)里排放液態(tài)流出物。在典型連續(xù)半月潮下，模擬依據(jù)此排放方案下液態(tài)流出物的稀釋擴(kuò)散規(guī)律，模擬得到的氚核素的全潮最大濃度場(chǎng)及核素相對(duì)排放口濃度的包絡(luò)線面積分別示于圖10和列于表5。

圖10 依據(jù)優(yōu)化方案模擬得到的全潮最大濃度場(chǎng)

表5 不同相對(duì)濃度下的包絡(luò)線面積

依據(jù)本文近岸海水氚濃度100 Bq/L的限制，該濃度在本研究中所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濃度為4×10-6，所對(duì)應(yīng)的包絡(luò)線面積為107.42 km2，由圖7可知在近岸5 km內(nèi)的海域中氚的濃度均未達(dá)到該值，且在近岸觀測(cè)線上氚和C-14的最大濃度分別為83.78 Bq/L和0.034 Bq/L。

依據(jù)IAEA第19號(hào)報(bào)告中提供的劑量評(píng)價(jià)模型[10]，液態(tài)流出物對(duì)公眾照射的總劑量De滿足公式：

De=Dep+Des+Dew

(5)

Dep=∑Cpki·Up·exp(-λitp)·DFei

(6)

(7)

Dew=∑Cwki(Up1+Up2/2)DFwi

(8)

Cpki=Cwki·Bpi

(9)

其中：Dep為公眾個(gè)人食入k海域內(nèi)海產(chǎn)品p所致的有效劑量(Sv/a)；Des為岸邊沉積物對(duì)公眾個(gè)人所致的有效劑量(Sv/a)；Dew為在k海域內(nèi)公眾個(gè)人游泳和水上活動(dòng)時(shí)，受到的有效劑量(Sv/a)；Cpki為在k海域內(nèi)的海產(chǎn)品中放射性核素i的濃度(Bq/kg)；Up為公眾個(gè)人的海產(chǎn)品p消費(fèi)量(kg/a)；λi為放射性核素i的衰變常數(shù)(h-1)；tp為海產(chǎn)品p從捕撈到被消費(fèi)的時(shí)間間隔(h)；DFei為因食入海產(chǎn)品p，放射性核素i對(duì)公眾個(gè)人的有效劑量轉(zhuǎn)換因子(Sv/Bq)；Cwki為靠近岸邊的海水中放射性核素i濃度(Bq/m3)；Kdi為核素i的吸附分配系數(shù)(m3/kg)；W為岸寬因子，無量綱；DS為有效沉積密度(kg/m2)；OF為岸邊居留因子，或個(gè)人一年內(nèi)在受污染岸邊度過的時(shí)間份額，無量綱；Te為有效累積時(shí)間，取一年；DFsi為岸邊沉積物中放射性核素i對(duì)公眾個(gè)人的有效劑量轉(zhuǎn)換因子((Sv·m2)/(Bq·a))；Up1、Up2分別為公眾個(gè)人在k海域內(nèi)一年中游泳和水上活動(dòng)時(shí)間份額，無量綱；DFwi為在海中游泳和水上活動(dòng)時(shí)，放射性核素i對(duì)公眾個(gè)人的有效劑量轉(zhuǎn)換因子((Sv·m3)/(Bq·a))，Bpi為海產(chǎn)品p中放射性核素i的濃集因子(m3/kg)。

依據(jù)模型的評(píng)估結(jié)果，該近岸濃度造成的年劑量約為13.1 μSv，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《核動(dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》(GB 6249—2011)，每座核電廠向環(huán)境釋放的放射性核素對(duì)公眾造成的個(gè)人年有效劑量應(yīng)小于0.25 mSv，模擬計(jì)算的劑量遠(yuǎn)低于該限值，故在模擬驗(yàn)證下該排放方案可行。

4 總結(jié)

(1) 本文使用MIKE21軟件建立了我國某海域的水動(dòng)力模型，模擬結(jié)果與該海域潮流場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。

(2) 基于建立的水動(dòng)力模型，模擬了在不同排放情況下核設(shè)施液態(tài)流出物在海域的稀釋擴(kuò)散規(guī)律，通過對(duì)規(guī)律的詳細(xì)研究分析，表明在落潮時(shí)排放液態(tài)流出物，且排放時(shí)潮差越大，排放越集中，近岸放射性核素濃度越低，越有利于核設(shè)施排放的液態(tài)流出物向遠(yuǎn)海的擴(kuò)散。

(3) 基于不同工況的模擬研究，提出了在落潮的第1個(gè)小時(shí)排放液態(tài)流出物的優(yōu)化方案，并模擬驗(yàn)證了該方案的可靠性。

(4) 本文進(jìn)行了核設(shè)施液態(tài)流出物的稀釋擴(kuò)散規(guī)律及排放優(yōu)化的模擬，為我國濱海核設(shè)施液態(tài)流出物排放方案的選擇和優(yōu)化提供了相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)，在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。