內(nèi)陸核電廠污染物濃度擴散研究

徐 美，王樹鑫，谷 鑫

（1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100000）

水資源是人類生存和發(fā)展不可或缺的自然資源與戰(zhàn)略儲備資源，目前我國約2/3城市缺水，人均水資源量僅是世界的28%，對水資源亟需。水資源短缺且時空分布不均的狀況已嚴(yán)重制約我國的發(fā)展[1]。目前我國仍是一個以火電為主的國家，而火電的發(fā)展已不能滿足現(xiàn)在這種“環(huán)境與經(jīng)濟友好發(fā)展”的形勢，相比火電、水電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等各類新能源，核電具有低碳環(huán)保、可靠性高、成本低等優(yōu)點，正好滿足“環(huán)境與經(jīng)濟友好發(fā)展”的大形勢。

2007年，我國提出未來我國核電特別是內(nèi)陸核電發(fā)展的目標(biāo)。《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》[2]也提出在確保安全的基礎(chǔ)上高效發(fā)展核電。針對內(nèi)陸核電的科學(xué)布局，提出“十二五”時期只在沿海地區(qū)安排少量且通過充分驗證的核電項目廠址，不安排內(nèi)陸核電項目[3]。進入“十三五”后，內(nèi)陸核電項目逐步開啟，但其建設(shè)問題同樣引起了大眾的廣泛關(guān)注[4]。Isabel C.Azevedo等[5]研究了不同水流流動狀態(tài)對葡萄牙杜若河口核污染物擴散的影響；Sandy M.Y.NG等[6]提出了由GIS和三維水動力、泥沙和重金屬運輸?shù)募赡Ｐ?，可以動態(tài)模擬水流變化和核污染物的擴散過程，并可以很好地用于實例計算。研究成果也將會對內(nèi)陸核電項目的建設(shè)及國家對放射性排放物標(biāo)準(zhǔn)的制定具有參考意義。

1 數(shù)學(xué)模型

水在自然界中的流動是沿著三維空間運動，即水流在x，y，z方向的流速均有變化，三維數(shù)學(xué)模型計算復(fù)雜，一般為了計算簡便，將水流的運動特性用一維研究[7]。本文采用水動力學(xué)方程組，其控制方程如下[8]。

連續(xù)性方程：動量守恒方程：

湍流動能方程：

湍流耗散率方程：

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 水文條件

P河多年平均流量為517 m3/s，最枯流量為62.3 m3/s，河寬約80-320 m，最窄處僅為40 m，水深為2.36 m，流速為0.4 m/s，河流坡度為0.56%，P河最大彎曲系數(shù)1.25＜1.39，寬深比為25.8，P河為寬淺型。

核電廠排放核污染物元素種類很多，其中最難控制是元素3H的排放量，因此選取元素3H進行計算，模擬3H在P河下游1 km處的濃度變化。3H一般在核電廠排放的污水中，半衰期為12.28 a，在計算模擬時通常不計其自身衰變和泥沙吸附的影響[9]。P河3H起始濃度見表1。

表1 AP1000核電機組放射性流出物排放量與GB 6249—2011控制值比較

2.2 P河1 km處數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)AP1000設(shè)計控制文件中3H年排放總量為3.74×1013Bq/a，假設(shè)全部以液態(tài)形式排放，忽略上下游對排放口的稀釋影響。P河整體流場如圖1所示，P河下游1 km處濃度結(jié)果如圖2所示。

圖1 P河整體流場

圖2 P河1 km處濃度結(jié)果

3 解析法預(yù)測模擬

3.1 解析法模型計算

根據(jù)HJ 2.3—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地表水環(huán)境》[10]選取預(yù)測模型。低放射性核污水排放到P河內(nèi)，核污水與河水混合段嚴(yán)格按照導(dǎo)則選擇預(yù)測模型[11]。將核電廠排放污水口看作岸邊連續(xù)排放點，3H進入P河后，在最不利情況下與河水進行垂向混合，考慮岸邊反射影響。利用環(huán)境影響評價導(dǎo)則中算法進行計算。

混合過程段是從污水排放口開始到下游充分混合斷面之間的河段，其長度可由式（6）估算：

其中：Lm為混合過程段長度，m；B為水面寬度，m；a為排放口離岸邊的距離，m；u為斷面水流流速，m/s；Ey為3H橫向擴散系數(shù)，m2/s。

在預(yù)測河流中放射性核素濃度時，預(yù)測點位于混合過程段時需采用二維連續(xù)穩(wěn)定排放模式見式（7）：

其中：C（x，y）是縱向距離x、橫向距離y的點3H濃度，Bq/m3；Ch為河流上游3H濃度（因不考慮上下游影響，故此處為0），Bq/m3；h為平均水深，m；m為3H排放速率，取值25 Bq/s；k為3H綜合衰減系數(shù)，1/s。

3.2 模型參數(shù)確定

3H在河流里橫向擴散系數(shù)Ey采用泰勒法求取見公式（8）：

其中：g為重力加速度，取值9.8 m/s2；I為水面坡度，無量綱系數(shù)。

由公式（8）可知P河枯水期3H的橫向擴散系數(shù)Ey為0.143。

考慮核素具有明顯衰減特征，需要對該特性進行衰減系數(shù)設(shè)定，核素綜合衰減系數(shù)k按照式（9）計算：

3.3 3H濃度下游1 km處結(jié)果

由公式（6）計算核污水在P河混合過程段長度為4.5 km。此次計算應(yīng)采用穩(wěn)態(tài)混合模式對排放口下游1 km處受納水體造成的放射性濃度進行估算。為了保守估算，排放泵按照流量23 m3/s進行排放，采用式（7）進行計算。經(jīng)4臺AP1000機組正常工作排出核廢水在污水口下游1 km距離岸邊40 m處3H放射性濃度約為86.2 Bq/L，疊加本底值0.08 Bq/L，其水體中的總3H放射性濃度86.28 Bq/L，低于《核動力廠環(huán)境輻射防護規(guī)定》和《核電廠放射性液態(tài)流出物排放技術(shù)要求》兩項標(biāo)準(zhǔn)中的1 Bq/L的限值。

4 兩次模擬結(jié)果對比分析

兩次模擬方法僅考慮受納水體與岸邊的影響，但實際核電廠放射性液態(tài)流出物排入受納水體時需經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)作用后才可能與水體達到一個平衡的狀態(tài)，而核素大多留在受納水體中，只有少部分沉積到底部泥土中，本次模擬時未考慮核素的沉積作用假設(shè)核素全部存在于水體中。在數(shù)值模擬結(jié)果中，通過流場我們可以看出因河道的影響導(dǎo)致在P河尾部造成3H的部分淤積導(dǎo)致在P河尾部濃度分布不均勻。通過數(shù)值模擬導(dǎo)出的結(jié)果在P河下游1 km斷面處平均值在78.5 Bq/L。而依據(jù)HJ 2.3—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地表水環(huán)境》中解析法預(yù)測模型計算結(jié)果為P河1 km處距岸邊40 m處3H濃度為86.28 Bq/L，通過圖3的對比可以清楚看到兩者在P河下游1 km處預(yù)測結(jié)果相差不大，可認為此次模擬結(jié)果可信，后續(xù)將對實測資料進行整理分析得到可靠真實的模擬結(jié)果。

核電廠放射性液態(tài)流出物通過對受納水體的稀釋與核素自身衰變影響，核污水排放口下游1 km處完全滿足環(huán)境保護部頒布的核電廠放射性污水排放的兩項標(biāo)準(zhǔn)3H濃度小于100 Bq/L的規(guī)定，不會影響下游居民飲用水的水質(zhì)。根據(jù)多個內(nèi)陸核電廠的劑量濃度估算結(jié)果顯示：核電廠液態(tài)放射性流出物對人體的劑量貢獻是有限的，遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)劑量約束值0.25 mSv/a。根據(jù)IAEA NO.19報告可計算出氚最大濃度：

其中：C為水體中放射性核素活度濃度，Bq/L；E為放射性核元素對個人有效的劑量標(biāo)準(zhǔn)，mSv/a；Fd為成年人食入某種放射性核素的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)，mSv/Bq；Q為成年人攝入飲用水的容積，L/a。

氚在淡水中的劑量轉(zhuǎn)化系數(shù)為1.8×10-8mSv/Bq。若假設(shè)成年人每年需攝入730 L飲用水，據(jù)式（10）則可計算出氚最大濃度為1.903×104Bq/L。而兩種方法模擬的結(jié)果值都遠遠小于最大氚濃度值。

5 結(jié)論

通過研究內(nèi)陸核電廠排放的3H放射性廢液在受納水域的濃度擴散得出以下結(jié)論：

（1）通過數(shù)值模擬導(dǎo)出的結(jié)果在排放口下游1 km斷面處平均值約78.5 Bq/L。解析法預(yù)測模型計算結(jié)果為P河下游1 km斷面距岸邊40 m處3H濃度為86.28 Bq/L，兩次濃度結(jié)果相差不大，可認為污染物濃度擴散模擬相對準(zhǔn)確，后續(xù)也將對實測資料進行整理分析得出真實可靠的模擬結(jié)果。

（2）河流為恒定流動且廢水連續(xù)穩(wěn)定排放，測算結(jié)果表明此方法判斷依據(jù)簡單可行，預(yù)測模型科學(xué)合理。

（3）其排放口下游1 km處完全滿足環(huán)境保護部頒布的兩項標(biāo)準(zhǔn)3H濃度小于100 Bq/L的規(guī)定，所以核電廠的放射性液態(tài)流出物經(jīng)過1 km的不斷稀釋向下游擴散后的濃度對公眾的影響較小。