台山核电站取排水工程潮流泥沙数值模拟研究

李文丹，李孟国，庞启秀，王晨阳

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.长沙理工大学，长沙 410076）

台山核电站位于珠江的崖门和虎跳门出海口黄茅海河口湾口门西侧——江门台山市赤溪镇腰鼓湾（图1），距台山市44.5 km。发电机组冷却水和核岛冷却水采用海水直流方式，总用水流量600 m3/s，每期均为200 m3/s。依厂址条件，拟在大襟岛西南侧修筑取水构筑物，通过隧洞引入厂区取水前池。冷却核岛和发电机组后，“热水”在厂区近岸排放。

海域面临黄茅海西滩浅水水域，海水泥沙含量较高，取水构筑物内落淤和可能发生的骤淤，直接影响取排水系统的安全运行。为了进一步了解和掌握该工程海域的水动力条件、泥沙环境和工程实施后的泥沙淤积状况，为工程布置提供科学依据，本文采用TK-2D软件［1-2］，从潮流泥沙角度对取排水的影响进行了研究。

1 基于TK-2D软件的二维潮流泥沙数学模型

1.1 考虑波浪及其破碎作用的潮流数学模型

1.1.1 基本方程及定解条件

连续方程

动量方程

当不考虑波浪作用时（H=0），式（1）、（2）、（3）即为二维潮流运动的控制方程。

基本方程的定解条件包括边界条件和初始条件，对于边界条件，开边界取流速或潮位的实测或分析值，固边界取流速的法向分量为零；对于初始条件，流速一律取零值，潮位取初始时刻的值。

1.1.2 数值计算方法

在矩形网格中，采用ADI法对波浪、潮流共存时的流场控制方程进行数值离散求解。使用交错网格，将时间步长Δt分成二等分，在前半时间步长，对式（1）和式（2）采用隐式离散，求解出u和ζ，对式（3）采用显式离散，求解出v；在后半时间步长，对式（1）和式（3）采用隐式离散，求解出v和ζ，对式（2）采用显式离散，求解出u，从而完成一个时间步长的计算。

1.2 二维悬沙数学模型

1.2.1 基本方程

式中：S为铅直方向积分的水体含沙浓度；Dx、Dy分别为x、y方向的泥沙扩散系数；Fs为泥沙源汇函数或床面冲淤函数，按下面方法确定

式中：S*为水体的挟沙力，一般根据现场资料的经验公式法或半理论方法确定；ω为泥沙沉降速度；α为泥沙沉降几率。

1.2.2 数值方法

1.3 底床冲淤数学模型

1.3.1 悬沙造成的底床冲淤基本方程

式中：ηs为悬沙引起的海底床面冲淤厚度；γ0为悬沙干容重。

1.3.2 底沙造成的底床冲淤基本方程

式中：ηb为海底床面底沙引起的冲淤厚度；γb为床面底沙干容重；qx和qy分别为单位时间内单宽底沙输移量qb沿x和y方向的分量，qb采用窦国仁公式［3］。

2 二维潮流泥沙场数值模拟

2.1 计算域的确定及网格剖分

建立大小2个模型，其中大模型网格较粗，主要为小模型提供边界条件。大模型计算域为112.36°E～113.29°E，21.50°N～22.21°N，东西向宽约 96 km，南北向为 78 km，包括黄茅海、广海湾等水域以及大襟岛、荷包岛、高栏岛、上下川岛及其附近岛屿，采用正方形网格，网格尺度x、y向均为120 m，网格数为800×650；小模型亦采用正方形网格，网格尺度x、y向均为50 m，网格数为1 000×1 000，电厂取水口所在的大襟岛近似处于小模型中间，以减小边界影响。

2.2 有关重要系数和参数的确定

（1）n：曼宁糙率系数n一般取值在0.010～0.025。由于本文计算域较大，因此在整个计算域中n不能取同一数值，根据验证情况进行局部调整。

（2）γ0：根据文献［4］，悬沙干容重 γ0可近似表达为

式中：d50为悬浮泥沙中值粒径，mm。本海区悬沙平均中值粒径为0.006 mm，因此γ0约为686 kg/m3。

（3）ω：根据本海区的悬沙粒径，悬沙将以絮凝团的形式沉降，因此其沉速近似取0.05 cm/s。

（4）Nx和 Ny：参照文献［5］中的规定选取。

（5）Dx和 Dy：参照文献［5］中的规定选取。

（6）S*：S*在泥沙数学模型中是一个非常重要的量，本文采用窦国仁公式

式中：ρs为泥沙颗粒容重（ρs=2 650 kg/m3）；ρ0为水的容重（ρ0=1 000 kg/m3）；Hw、T 分别为平均波高和平均周期；c为 Chezy系数；c=H1/6/n，n 为曼宁系数；α0、β0为系数，α0=0.023，β0=0.000 4。

2.3 模型验证

对本文的潮流泥沙模型进行了冬季和夏季大、中、小3个潮的流速、流向、含沙量和潮位过程验证［6］，采用2007年4月和2007年7月台山电厂煤港航道的泥沙淤积资料进行了地形冲淤验证。泥沙地形冲淤计算考虑了波浪潮流的共同作用，计算所用波浪场由波浪场数学模型［6］提供，波浪场考虑了各个方向的向岸波浪，各个方向以等效波要素代表该方向的波浪能量。

通过验证，模型中无论是计算的位相、量值还是过程线，均与原型吻合良好，符合交通部《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［5］的要求。

3 台山核电站取排水工程措施泥沙输移的影响

3.1 取排水措施方案介绍

台山核电站取水口设计方案共有2种：方案1需穿凿凤尾咀，可分为方案1-a和方案1-b；方案2在凤尾咀外侧取水，又分为方案2-a和方案2-b。排水口有2个方案，即长明渠排水和隧道排水。

方案1-a：采用长4 050 m的取水隧洞连接核岛和大襟岛狮子头，进口设置闸门，并与取水明渠相连，该取水明渠由大襟岛西侧岸线与修建的防波堤圈围、开挖而成。明渠口门布置在大襟岛的西南端凤尾咀东侧，明渠头部布置东、西防波堤，形成1个取水港池。方案1-b：隧洞及明渠基本同于方案1-a，只是将取水明渠口门直接布置在凤尾咀岬角上，而没有布置东、西防波堤。方案2-a：取水明渠口门方向与方案1-b相近，但方案2-a的明渠口门布设在凤尾咀岬角外侧。方案2-b：在方案2-a的基础上,将明渠缩短至凤尾咀岬角西侧，明渠头部略短于岬角头部，口门方向近似为南向，另外，与其他方案300 m口门宽度不同，方案2-b口门宽度采用150 m。

3.2 台山核电站取排水工程对潮流场的影响

电厂运行期间抽取的冷却水、排放出的温水以及修建的取、排水明渠工程，会对周围海域的水动力条件产生影响。由数学模型研究可知，工程实施后,电厂运行时，局部流场发生一定的变化，特别是取水明渠及排水口附近流场变化较为显著，但这种变化的范围有限，仅限于工程所在的水域。

从口门流态、取水水源含沙量高低、工程量及岸线占用情况等角度考虑，方案2-b相对较好。电厂排水采用近岸排放，分长明渠排水和隧道排水2种方案。在方案2-b取水工况下，对比分析2种排水方式。从工程前后的流场图可知，排出的水流对排水口附近水域产生一定影响，涨潮时，长明渠方案排出的水流方向与涨潮流方向基本一致，水流平顺，而隧道排水方案排出的水流近似垂直于涨潮流，局部水域流态紊乱；落潮时，两方案排出的水流均与落潮流成较大夹角。

3.3 台山核电站取排水工程对悬沙场的影响

取排水工程推荐方案的排水方案有2个，一个是长明渠方案，一个是隧道方案。对方案2-b进行了一、二、三期的取、排水流量分别为200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s的计算。

从工程方案不同取排水量时的涨、落潮平均含沙量分布可以看出，工程方案实施后，工程海区的悬沙场只在工程方案附近发生变化。

3.4 工程方案造成的附近海区冲淤变化

取排水工程方案实施后，工程附近的流场和悬沙场发生了变化，因此，地形也会相应发生变化。工程海区方案2-b（取排水流量为600 m3/s）冲淤达到平衡时（5 a）的冲淤分布分别见图5和图6。

由数模计算可知：

（1）工程方案实施后，泥沙冲淤只发生在取、排水明渠及其（或者）口门附近，不会发生工程海区大面积的滩面冲淤变化。

（2）取水明渠及其口门附近的滩面冲淤变化与排水方案无关，取、排水明渠及其（或者）口门附近的冲淤变化只与明渠防波堤的建设和取、排水量有关。

（3）方案2-b取水明渠口门附近发生淤积，淤积厚度为0.1～0.2 m。

（4）排水方案排水明渠口门附近有冲有淤，正对排水明渠口门发生冲刷，周围淤积，排水量为200 m3/s，冲淤幅度为-1.2～0.2 m，排水量 400 m3/s，冲淤幅度为-1.8～0.3 m，排水量 600 m3/s，冲淤幅度为-2.4～0.4 m。

（5）隧道排水方案造成的排水口附近冲淤变化范围小于长明渠方案。

3.5 取水明渠淤积计算

取水明渠建设后，明渠内的挖深、取水会导致泥沙淤积。数学模型计算的方案2-b取水流量600 m3/s方案的取水明渠年淤积分布见图7。

根据数学模型计算结果，方案2-b取水量为200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s时，取水明渠年平均淤强分别为0.66 m、0.96 m和1.20 m。在取水明渠内，由于沉沙池开挖较深，又处于落潮外退与取水内进的“拉锯”区，流速相对较小，水流挟沙力最小，因此淤积最多。

4 结论及建议

通过建立的二维潮流数模以及泥沙数模，对台山核电站取、排水工程海域的水动力条件、泥沙环境和工程实施后的泥沙淤积状况进行了分析计算，并对各种设计方案进行了分析、比选，论证取排水工程布置方案的合理性，并推荐优化方案。主要得出以下结论：

（1）从口门流态、取水水源含沙量高低、工程量及岸线占用情况等考虑，方案2-b相对较好。

（2）取、排水工程方案实施后，工程海区的悬沙场和地形冲淤只在工程附近发生变化，不会造成工程海区大面积的滩面冲淤变化。

（3）方案2-b取水明渠口门附近发生淤积，达到平衡时淤积厚度仅为0.1～0.2 m。各排水方案排水明渠口门附近有冲有淤，正对排水明渠口门发生冲刷，周围淤积，排水量为200 m3/s时，冲淤幅度为-1.2～0.2 m，排水量400 m3/s时，冲淤幅度为-1.8～0.3 m，排水量600 m3/s时，冲淤幅度为-2.4～0.4 m。隧道排水方案造成的排水口附近冲淤变化范围小于长明渠方案。

（4）方案2-b取水量200 m3/s、400 m3/s、600 m3/s时，取水明渠年平均淤强分别为0.66 m、0.96 m和1.20 m，淤积部位在进入口门附近的沉沙池附近段，取水明渠年淤积量分别为28.4万m3、41.4万m3和51.7万m3。

考虑到临近的国华台山火力发电厂港池航道存在大量浮泥，并在台风期间产生骤淤，应当引起本工程注意。但根据目前国内外研究水平，尚难以进行浮泥的淤积计算，建议以后加强观测和进一步研究。

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