余流對核電廠液態流出物排放的影響分析

方明豹，孫純建，黃佳鈺，田 琨

(國核浙能核能有限公司，浙江 杭州，310012)

核電廠在正常運行期間，含少量放射性核素的液態流出物隨溫排水一起排入受納水體。《核動力廠環境輻射防護規定》(GB 6249—2011)要求，在評價核動力廠廠址的適宜性時，必須充分論證核動力廠放射性流出物排放、熱排放及化學流出物排放對環境、當地生態系統和公眾的影響。此外，環境影響評價技術導則《核電廠環境影響報告書的格式和內容》(HJ 808—2016)也要求說明核電廠正常運行狀態下液態流出物排放源項，給出受納水體中各子區的水體稀釋因子，計算各子區中核素的濃度；按照《濱海核電廠液態放射性流出物排放輻射影響評價技術規范》(NB/T 20199—2013)的技術要求計算個人有效劑量和集體有效劑量。對于上述要求，通常采用數值模擬的方法分析液態流出物在受納水體內的擴散稀釋規律，確定受納水體對液態流出物的稀釋能力，獲取海水稀釋因子，計算受納水體中核素的濃度，為評價液態流出物計算提供依據。

對核電廠液態流出物在受納水體中的稀釋擴散問題進行數值預報時，通常需要包括環評需要的半徑80 km范圍水域，確定較大的數值計算域[1]，在流場驗證良好的前提下開展液態流出物擴散的數值模擬計算[2]，同時還要對主要計算參數進行敏感性分析，明確參數選取對計算結果的影響[3]；蘇柯[4]計算了大亞灣核電站液態排放物中放射性核素在大亞灣海域內隨潮流運動污染擴散的規律。液態流出物對受納水域的影響是長期累積的結果，通常需要3～4個月才能達到計算平衡。對于較長半衰期的核素，核素衰變的總量較少，排放量幾乎全部由邊界流出，受納水域的余流影響濃度場和邊界流出量的分布。目前關于液態流出物計算的相關標準和工程應用中尚未考慮余流的影響。本文以某核電廠為例，通過改變水邊界的潮位基面達到改變計算域的余流的目的，分析余流變化對濃度場分布的影響機制。

1 數學模型

1.1 基本方程

對于濱海等寬淺水域，通常采用深度平均的二維水流運動方程來描述其水流流場，忽略各物理量沿水深方向的變化。即從不可壓縮流體的運動方程——N-S方程出發，將各物理量其沿水深方向積分，從而求得深度平均的平面二維水流運動方程[5]。

連續性方程：

運動方程：

濃度方程：

1.2 定解條件

液態流出物計算數值模型的邊界處理主要分為潮流控制邊界處理、排水口濃度排放邊界和開邊界濃度處理三種。

1.2.1流場定解條件

(1) 邊界條件：開邊界給定潮位過程，通過全球潮汐預報模型初步給出計算邊界的潮位變化過程，進一步結合計算域內有的測量潮位值驗證，調整邊界的潮位使得計算的潮位、流速值和測量值一致。排水口由排水流量和排水口尺寸給出排水動量；取水口按出流計算，根據取水流量給出流動量。

(2) 初始條件：采用靜流條件起算，通過多個周期循環計算，流場穩定后與起算條件不敏感。

1.2.2濃度場定解條件

(1) 邊界條件：取水口的濃度由計算給出；排水口的濃度按連續歸一排放，并考慮取水濃度的回歸疊加。陸地邊界按絕熱邊界進行計算。

(2) 初始條件：初始濃度場為0。

1.2.3濃度場開邊界處理

(1) 開邊界處理：不做限制，由濃度場方程計算。

(2) 邊界回歸處理：假設流出邊界的核素按50%從原來位置流入，落潮時，分別記錄邊界各節點的濃度值；漲潮時，按照類似堆棧處理后進先出的原則，給定邊界節點的濃度值[1]。

1.3 數值方法

本文采用能適應天然不規則邊界的非結構三角形網格對模擬水域進行剖分，網格設計靈活且可隨意控制網格疏密，并可根據不同地形情況、水流條件和工程布置要求設置網格的疏密程度，能很好地擬合岸線和水流歸槽現象[6]。

數值計算方法采用分步雜交法，將計算的每一時間步長分成兩步進行。前半步采用特征線法，主要考慮對流效應；后半步采用集中質量的有限元法，主要考慮擴散效應。首先計算該水域的流速場，并驗證其正確性，在此基礎上進行液態流出物排放濃度場的模擬計算。

2 實例計算及結果分析

2.1 計算條件

2.1.1工程概況

以某沿海廠址為例，擬建2臺百萬千瓦級核電機組。核電廠采用直流冷卻方式，液態流出物按連續排放計算，濃度歸一化處理。以60Co為例，半衰期5.272 a。

2.1.2計算范圍

綜合考慮廠址附近的潮流特點，結合可收集的潮流資料，平面二維數模模擬范圍選取順岸約247 km，離岸約130 km的水域，計算水域面積約33 700 km2，計算域水邊界距核電廠的距離大于80 km。

計算網格大小由取、排水工程處向外逐步增大，即從10 m到4 000 m，對應網格數44 845個、節點數約23 200個。

2.1.3模型驗證

以全潮水文測驗中的潮位和潮流測量資料驗證模型，計算結果表明潮位變化過程和高低潮位及相位、各流速測驗點的流速和流向與實測數據基本趨于一致，漲、落潮流態與潮流觀測報告中的敘述一致(見圖1～3)，潮位站點W1和流速測量站點(N01～N10)見圖4。其中，圖1為工程附近潮位站(W1)大潮期間的潮位驗證結果，圖2和圖3分別為工程附近流速測點的流速流向變化過程的驗證結果(以N2和N8測點為例)。綜上所述，計算流場能反映整個水域流場的主要特征，計算結果偏差滿足相關規范對潮流模擬精度的要求，能夠作為液態流出物排放計算的流場基礎。在流場驗證的基礎上，對工程附近水域計算潮流的余流進行統計。為了便于比較，圖4給出了工程區域N01～N10測點的余流的大小和方向，余流計數值和測量值吻合良好，工程區余流方向為東北→西南。

圖1 大潮期間潮位驗證結果(W1站點)

圖2 大潮期間流速流向變化過程線(N2測點)

圖3 大潮期間流速流向變化過程線(N8測點)

圖4 工程附近水域余流對比圖

2.2 計算工況及余流變化

在水動力場模擬驗證的基礎上，通過改變計算域東北水邊界潮位基面的方法，改變計算水域的余流，對液態流出物排放進行計算，分析余流變化對計算結果的影響。計算條件包括初始潮位基面(工況0)和計算域東北水邊界的基準潮位+1 cm(工況1)、+2 cm(工況2)、+3 cm(工況3)、+5 cm(工況4)，分別進行各工況流場計算，各工況工程區附近的余流變化情況見表1。由表1可見，增加東北側水邊界的潮位基面，可以達到增加余流的效果。基準水位提高1 cm，工程附近水域的余流增加約0.02 cm/s，離岸較遠水域的余流增加約0.06 cm/s。

表1 各工況余流變化情況

2.3 余流對濃度場影響分析

針對不同余流的各工況進行半月潮液態流出物濃度場的計算，圖5給出了典型工況濃度場分布圖。液態流出物濃度主要隨沿主潮流的方向分布，計算并統計了環評192子區的平均濃度，以在液態流出物分布的主要方向NE方向上10～20 km、40～50 km距離和SW方向上10～20 km、40～50 km距離子區內的平均濃度分析余流的變化對濃度分布的影響(圖6)。表2和圖7分別給出了各工況下上述子區的平均相對濃度以及相對工況0的變化率。

表2 各工況余流對相對濃度的影響

圖6 大潮期相對濃度變化過程線

圖7 子區濃度變化率

核電廠排出的液態流出物在水域中隨潮流的漲落遷移和擴散，需要3～4個月才能逐步累積達到平衡。較小的流速變化對長期的濃度累積影響明顯，工程附近水域的余流增加約0.02 cm/s，相對濃度變化大約5%以上，因此在預測液態流出物在受納水域中的濃度分布時，應考慮余流的影響。

具體工程應用中，在分析造成余流的主要因素的基礎上，對余流影響進行敏感性分析計算，分析余流變化對濃度場分布的影響，尤其是重點關注的評價敏感點的濃度變化，如濃度變化使得評價結果不可忽略，計算中應重點分析由于余流對計算結果引起的變化。

3 結論

本文結合工程實例，通過改變計算水邊界潮位的基準潮位改變計算域的余流，分析比較不同余流對濃度場分布的影響。分析結果表明：核電廠液態流出物的濃度在受納水域內逐步累積，需要較長時間才能達到平衡，余流的變化對濃度場分布的影響較為顯著，今后在進行平面二維數值計算時建議考慮余流的影響。