Fluidyn-Pollusol在核電廠地下水數(shù)值模擬中的應用

楊 靖

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

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Fluidyn-Pollusol在核電廠地下水數(shù)值模擬中的應用

楊 靖

(上海核工程研究設計院，上海 200233)

介紹了Fluidyn-Pollusol模型的基本理論，從輸入、運行、輸出三方面，闡述了Fluidyn-Pollusol的主要處理模塊，并以某核電廠工程為例，分析了Fluidyn-Pollusol在地下水數(shù)值模擬中的應用，以供參考借鑒。

Fluidyn-Pollusol，數(shù)值模型，地下水，核電廠

0 引言

目前我國核電處于快速增長的階段，隨著國內外核電廠的選址建設，核電廠對地下水環(huán)境影響特別是內陸核電廠址中放射性核素在地下水中遷移、吸附和沉積問題是一個需要特別關注的問題。尤其在2011年3月11日，日本福島核電站事件后，地震海嘯引起核電站故障并造成放射性物質向地下水中釋放引起公眾對核電站的環(huán)境影響問題的關注空前加大。數(shù)值模擬方法是目前模擬放射性核素在地下水中遷移的主要技術方法之一[1]。這種方法以其有效性、靈活性和經濟性成為地下水環(huán)境評價領域一種不可或缺的重要方法。在眾多的地下水模擬軟件中，F(xiàn)luidyn-Pollusol主要應用于國外的核電行業(yè)地下水環(huán)境評價，例如WESTLAKES Scientific Consulting(英國WESTLAKES)，NUPEC (日本動力工程設計試驗中心)，CEA (法國原子能委員會)，EDF (法國電力公司)，AREVA (法國阿海琺)，ANDRA (法國放射性廢棄物管理局)，IGCAR (印度甘地原子能研究中心)，NPCIL (印度國有核電公司)，BARC (印度巴巴原子研究中心)。

1 Fluidyn-Pollusol模型基本理論

Fluidyn-Pollusol地下水數(shù)值模型是基于Navier-Stokes方程[2]和達西定律[3]進行的，Navier-Stokes方程詳見下式：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ——流體密度；u，v，w——x，y，z方向上的流速；Kx，Ky，Kz——x，y，z方向有效水力傳導率；Sm——質量源項；Su，Sv，Sw——x，y，z方向上的動量源項。

在考慮地下水的對流、水動力彌散、流體源匯項、平衡吸附以及一級不可逆反應(如放射性衰變)的情況下，單一化學組分遷移的數(shù)學方程為：

2 Fluidyn-Pollusol主要處理模塊

2.1 輸入模塊

建立模型就是建立概念模型并將之轉化為數(shù)字形式，用于模擬地下水變化過程。將所評價區(qū)域劃分為若干層網狀單元格，確定邊界類型，然后根據(jù)含水層地質巖性資料及其他水文特征確定傳導系數(shù)K，入滲系數(shù)R，儲水系數(shù)S及初始水位等各種參數(shù)。Fluidyn-Pollusol輸入支持DXF格式文件，可以實現(xiàn)快速建模，還能夠導入地圖(bmp格式)文件，可以輔助模型建立。

2.2 運行模塊

Fluidyn-Pollusol可以用于模擬飽和流狀態(tài)的水流和溶質運移問題。可以模擬地下水中持續(xù)或偶發(fā)污染物(含放射性核素)組分的傳播，熱傳遞，可變密度流場(鹽水或海水入侵問題)以及非飽和帶流場以及物質運移問題。

2.3 輸出模塊

模型輸出允許用戶以三種不同方式展示其模擬結果。第一種方式就是在計算機屏幕上直接彩色立體顯示所有的模擬結果；第二種方式就是直接在各類打印機上輸出各種模擬評價的成果表格和成果圖鑒；最后一種方式就是將所有模擬結果以圖形或文本的文件格式輸出，輸出圖形包括可以標記出滲流速度矢量大小的平面、剖面等值線和平面、剖面示蹤流線圖以及局部區(qū)域水均衡圖等一系列圖件。

3 模型應用實例

3.1 水文地質概況

基巖區(qū)巖性主要為中風化板巖，回填區(qū)為人工填土，地下水流動方向為主廠房基巖區(qū)→回填區(qū)→廠外第四系地層→地表水。

計算時研究的是放射性同位素氚。這主要是因為在核電廠運行時會產生大量的氚且不能通過常規(guī)的廢液處理系統(tǒng)進行處理。假設污染源位置位于流出物廢液收集箱附近，假設其活度值為3.74×1010Bq/m3，釋放形式為瞬時釋放。

3.2 Fluidyn-Pollusol模型方法

在模擬放射性核素在地下水中遷移時，我們一般僅分析潛水層的情況。所以將模型中含水層劃分為一層，將模擬區(qū)域劃分為若干個單元網格。然后確定邊界條件、確定層頂部與底部高程、確定時間、初始水位、水平傳導率、儲水系數(shù)等相關參數(shù)，并將其與單元格相對應。

一般做核電廠地下水環(huán)境模擬時，所建立的是一個長期模型，時間為90年。這個預測時間范圍主要考慮了我國核電廠的使用壽命以及核電廠退役所需時間，并對該時間適當放寬，預測核電廠如果存在放射性核素對地下水環(huán)境的影響。

利用前期勘測資料中的地下水水位對模型進行校準，并對設置的參數(shù)進行調整。模型校準過程就是調整參數(shù)的過程，使得水位觀測值與模擬值最大程度的一致。

3.3 模型預測結果

對于土壤中不被吸附滯留的核素氚，會隨著地下水水流方向運動。如果污染源在核電廠放射性廢液收集箱附近，根據(jù)該廠址的廠址特性需要較長的時間內才能產生明顯的遷移距離。本文實例中，氚大約需要在20年，濃度峰才能到達地表水，并被地表水稀釋。氚在地下水中遷移的速度主要由地下水巖土層特征所決定。模擬區(qū)邊界觀測點H-3濃度變化曲線見圖1。

4 結語

以上介紹了Fluidyn-Pollusol模型的原理、模塊、使用方法等等。Fluidyn-Pollusol的使用多見于國外的核電工程，具有獨特的優(yōu)越性。可以預見Fluidyn-Pollusol地下水模型將在國內核電工程地下水環(huán)境影響評價中發(fā)揮越來越大的作用。

[1] 郭曉東,田 輝，張梅佳，等.我國地下水數(shù)值模擬軟件應用進展[J].地下水,2010,32(4):5-7.

[2] 約翰D，安德森.計算流體力學基礎及其應用[M].吳頌平，劉趙森，譯.北京:機械工業(yè)出版社,2007:170-172.

[3] 薛禹群，謝春紅.地下水數(shù)值模擬[M].北京:科學出版社,2007:12-13.

On application of Fluidyn-Pollusol in underground water numeric simulation in nuclear power plant

Yang Jing

(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

The paper introduces the basic theory of Fluidyn-Pollusol model, illustrates its main processing model from the input, operation, and output, and analyzes its application of the underground water numeric simulation by taking some nuclear power plant as the example, so as to provide some reference.

Fluidyn-Pollusol, numeric model, underground water, nuclear power plant

1009-6825(2016)12-0193-02

2016-02-15

楊 靖(1982- )，女，工程師

TM623

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