臨港工業區建設對核電廠液態流出物稀釋擴散的影響

李 婷，朱 君，劉團團，張艾明

(中國輻射防護研究院，太原 030006)

沿海地區依靠近海優勢大力發展核電站及港口建設等項目，在規劃過程中需重點關注液態流出物排放后對周圍海洋環境的影響。為充分利用地理資源，某擬建核電廠附近規劃建設臨港工業園區，建設過程中的填海及航道疏浚工程會改變附近海域的水動力環境。宋竑霖[1]、孫英蘭[2]、李希彬[3]等曾就沿岸工程對周圍海域水動力環境的影響展開過研究。液態流出物的稀釋擴散是伴隨著潮流運動而進行的，臨港園區的建設會使放射性核素的遷移行為受到影響，因此對港口規劃前后液態流出物的濃度場分布情況進行對比分析就顯得尤為重要。

數值模擬是研究液態流出物在受納水體中遷移擴散過程的有效手段，李勇等[4]通過建立數學模型對核電廠冷卻水及含放射性液態流出物的擴散問題進行了研究；毛遠意等[5]分析了不同計算域對核電廠液態流出物排放模擬計算結果的影響；劉團團[6]選取了二維和三維兩種計算模型模擬低放廢水的遷移擴散規律；陳丕翔等[7]根據建立的數學模型分析了海南昌江核電廠附近海域內放射性核素的濃度分布情況。

為研究臨港工業園區規劃對核電站液態流出物稀釋擴散的影響，本文對某擬建核電站附近海域在園區規劃前后放射性核素131I和60Co的濃度場進行了模擬和分析，為優化規劃設計和環境影響評價提供科學依據。

1 模型介紹

本次研究應用地表水數值模擬軟件MIKE建立平面二維數值模型進行模擬計算，它具有較好的守恒性，采用深度平均的淺水控制方程計算該海域的潮流場。

從不可壓縮流體運動的基本方程(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動方程 (連續性方程、運動方程和物質傳輸方程是海洋物理學中的基本方程)：

連續性方程：

(1)

運動方程：

(2)

物質傳輸方程：

(3)

式中，ζ為相對基準面水位，m；H為水深，m；t為時間，s；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；C為謝才系數，m1/2/s；f為柯氏力系數，s-1；τsx、τsy為風生應力，Pa；Ex、Ey為x、y方向廣義的渦粘性系數，m2/s；φ為液態流出物計算濃度，Bq/L；φ0為排放初始濃度，Bq/L；Dx、Dy為x、y方向擴散系數，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，根據潮流的流向，流速換算為x、y方向平均流速；k為降解系數，d-1；q為排放量，m3/s。

1.1 流場定解條件

(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和常數軟件計算，后通過驗證點潮位、流速驗證調試，最終確定邊界處潮位過程。

1.2 參數選取

主要選取的參數包括糙率系數、水平粘滯系數、擴散系數、柯氏力系數以及表面風應力，根據海洋物理學，各參數求解公式如下：

(1)糙率系數n

(4)

(2)水平粘滯系數和擴散系數

水平粘滯系數采用Smagorinsky Formulation模型計算。擴散系數采用渦粘系數比例Scaled Eddy Viscosity Formulation模型，取值1。

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

(4)表面風應力τs

(5)

式中，ρair為空氣密度，kg/m3；Vw為海面上方10 m處風速，m/s；CD為系數。其中x、y方向上是根據風速、風向換算為對應的風應力。

1.3 模擬范圍和計算網格

海域潮汐類型屬非正規全日潮，漲潮時流向N、落潮時流向S，實測海流隨著潮汐的漲落而發生變化，漲潮流均比落潮流小。

數學模型范圍外海邊界為：北側至北海市犀牛腳鎮，南側邊界至雷州市企水鎮，寬約101 km，包括2014年實測水文測驗的所有測點(來源于核電廠的水文測驗報告)，面積約8 862 km2。模型采用三角形網格剖分單元，在工程海域進行了局部加密，如圖1所示，最小網格尺度控制在13 m，最大網格尺度約3 934 m，總網格數約36 372個。時間步長60 s。

圖1 數學模型整體網格圖Fig.1 Overall grid graph of the mathematical model

2 模型驗證

2.1 潮位驗證

選取鐵山港、廉江站、江洪站、北海站、潿洲島5個潮位站(如圖2所示)2013年12月冬季和2014年7月夏季實測半月潮作為模型潮位驗證資料，潮位觀測資料全部換算到1985國家高程基準面。計算潮位與驗證資料潮位過程線的比較如圖3和圖4所示，5個潮位站的計算潮位與實測潮位值吻合良好，最大絕對偏差控制在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月冬季中潮的實測流速和流向數據作為模型的率定資料，從率定結果可以看出：除近岸L1測站在部分轉潮時段流速與實測值存在0.1 cm/s的偏差，其他測站的流速、流向與實測資料吻合較好，如圖6、圖7所示。

在模型參數確定后，再選取2014年7月夏季中潮的實測流速和流向數據作為模型的驗證資料，計算的流速、流向除近岸L1測站外與實測值基本吻合，如圖8、圖9所示。

3 港口規劃前后流場計算結果

放射性核素的輸移擴散主要受近海海域的水動力因素控制，因而有必要對港口建設前后附近海域的潮流運動進行研究，在此基礎上進一步深入分析液態流出物稀釋擴散的特征。

3.1 港口規劃前潮流狀況分析

港口規劃前潮流狀況如圖10和圖11所示。工程海域潮流主要呈現為EN-WS往復流，在安鋪港海域出現EW往復流，英羅港、鐵山港附近海域為SN往復流。中潮漲急時刻主潮流為EN向，一支由南向北進入鐵山港，一支由西南向東北進入安鋪港然后轉向英羅港，兩支潮流的交匯處形成強徑流帶，在港口附近海域流速較大，漲平時刻在鐵山港、英羅港附近形成渦流區。

落急時刻工程區附近海域主潮流流向為WS向，在英羅港、鐵山港附近潮流向由北向南流出港灣，進而轉向WS向，鐵山港和安鋪港的落潮流在交匯處形成強徑流帶，港口附近海域流速較大，流場較為密集，落憩時刻在鐵山港、英羅港附近形成渦流區。

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。空間分布上，漲潮流L4和L10站流速最大，L9站流速最小；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逆時針偏轉，分別轉至E向和W向；L4站E向流隨水深增加逆時針偏轉至NE向。

圖3 北海、江洪、廉江、鐵山、潿洲夏季潮位驗證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證Fig.6 Validation of flow velocity at mid tide of L1-L5 station in winter

3.2 港口規劃后潮流狀況分析

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

從計算結果來看，廉江港規劃后，夏季中潮漲急時刻的流場僅在港口附近發生變化，且變化幅度港口東側明顯大于西側，并在東側形成回流區。挑流作用使得港口附近水域的流動減弱，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，形成一個流速減緩帶；在減速帶兩側接著形成增速帶，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，港口規劃對流場的影響逐漸減弱。

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

4 臨港工業區規劃前后液態流出物計算結果對比

4.1 臨港工業區規劃前液態流出物計算結果分析

2臺機組運行條件下，考慮131I和60Co的衰變，計算了夏季中潮潮型條件下污染物稀釋10倍和1000倍的最大包絡面積。從濃度場分布的形態上看，高濃度區主要分布于排水口所在的安鋪灣。2臺機組正常運行后，131I和60Co夏季中潮稀釋10倍平均值包絡線面積分別為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 臨港工業區規劃后液態流出物計算結果分析

131I和60Co的半衰期較長，自減速度慢，在水體中主要隨潮流運動，從濃度場分布的形態上看，高濃度區主要分布于排水口所在的安鋪灣。2臺機組正常運行后，夏季中潮稀釋1 000倍最大值包絡線面積分別為197.69 km2和557.9 km2。

港口規劃后從濃度場分布的形態上看，高濃度區主要分布于排水口所在的安鋪灣。2臺機組正常運行后，131I和60Co夏季中潮稀釋10倍平均值包絡線面積分別為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(黑線為規劃前，紅線為規劃后)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)濃度平均值包絡線范圍(規劃前)Fig.14 The average enveloping area of the concentration of 131I (left) and 60Co (right)

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

5 結論

本次工作針對擬建核電項目液態流出物，分為考慮規劃臨港工業園區和不考慮規劃臨港工業園區兩種情況，進行了數值模擬計算。工程海域實測潮位、潮流模型驗證結果表明：各測站模擬計算的潮位和流速、流向與實測資料基本吻合，表明采用的二維數學模型能夠正確模擬工程海域的潮流場，可以用于本項目液態流出物遷移、擴散預報工作。

不考慮廉江港規劃項目，131I和60Co的半衰期時間較長，衰變速度慢，在水體中主要隨潮流運動，高濃度區主要分布于排水口所在的安鋪灣。廉江港項目規劃后，流場僅在港口附近發生變化，隨著距港口距離的增加，這種變化逐漸減弱。131I和60Co的高濃度區均大于規劃前，低濃度區小于規劃前，131I和60Co的高濃度區分別增加了11.1%和150%，而低濃度區分別減小了12.5%和3.2%，說明工業區建設后不利于液態流出物的稀釋擴散。