内陆水域排放口近区温排水数值模拟研究概述

覃春丽，张琨，张爱玲，上官志洪，陈小莉

(1.中广核集团苏州热工研究院，江苏苏州　215004；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京　100082；3.中国水利水电科学研究院，北京　100038)



内陆水域排放口近区温排水数值模拟研究概述

覃春丽1，张琨2，张爱玲2，上官志洪1，陈小莉3

(1.中广核集团苏州热工研究院，江苏苏州215004；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京100082；3.中国水利水电科学研究院，北京100038)

摘要：根据内陆和滨海水域温排水数值模拟的差异，对我国内陆水域温排水数值模拟现状进行了分析。在调研的基础上，总结了美国国家环境保护署推荐的近区模拟工具CORMIX专家系统的特点，并简要介绍了美国国家环境保护局推荐的两个近区模拟工具的适用性和应用现状，以期为我国内陆水域排放口近区温排水数值模拟工作提供借鉴。

关键词：环境水力学；温排水；内陆水域；近区；数值模拟

为保证我国经济的持续发展，解决经济增长带来的日益突出的电力供需矛盾，近年来我国相继建设了一批火电和核电项目。电厂发电后废热通过温排水排入受纳水域，而温排水对环境的影响程度取决于受纳水体对温排水的掺混稀释作用。影响稀释的主要因素包括：温排水的流量、温排水与受纳水体的温差、受纳水体的水动力特征和温排水的排放方式等。

一般来说，温排水水温高于受纳水体，因而两种流体的密度不一致，导致温排水与受纳水体初始掺混时呈现浮羽流特性。当温排水排放流速大于受纳水体流速时，初始掺混将呈现射流特性。以上两种特性的组合使得温排水与受纳水体的初始掺混呈现三种水动力形态：浮羽流、纯射流和浮射流。当温排水排放呈现浮射流特性时，温排水会与受纳水体迅速掺混，能够在较小范围内达到较高的稀释度。为了达到这种状态，很多国家普遍采用扩散器形式排放温排水。

由于温排水与受纳水体掺混稀释的水动力特性在排放口附近水域和较远水域有较大差异，因而在研究中，通常将掺混水域分为近区和远区：近区温排水的稀释规律主要取决于排放口的几何特征和浮射流特性，该阶段温排水的掺混稀释以浮射流引起的剪切卷吸、湍流卷吸、涡流卷吸和强制混掺作用为主，称为主动稀释过程；远区温排水的掺混稀释是通过受纳水体的输移扩散来完成的，称为被动稀释过程。由于这两个空间区域的掺混稀释机理不同，通常采取不同的模拟研究手段。

1我国内陆水域温排水数值模拟研究现状

温排水数值模拟研究工作的程序一般是首先模拟流场，在流场的基础上模拟温度场。现有温排水模拟的研究领域多集中于滨海水域，由于滨海水域与内陆水域在流动特性上存在较大不同，因而数值模拟工作的侧重点也应有所不同。

在空间区域上，滨海水域的流场在水平方向通常具有往复性流动特征，水平尺度远大于垂向尺度，呈现平面二维特性，则滨海水域的温排水模拟工作大多采用沿水深平均的平面二维数值模型；对于内陆水域，受纳水体为河流时，通常为单向流，其横断面尺度相近，一般来说呈现三维特性。当温排水为表层排放时，温排水的浮力特性较弱，一般可以忽略，因而滨海水域采用平面二维模型是合适的；若温排水的排放口位置位于水面以下时，浮力特性则不可忽略，需采用三维模型进行模拟。

随着理论认知的不断深入和计算机技术的飞速发展，在水质数值求解领域发展出了众多成熟的模拟工具，并在国际上得到了广泛应用，如MIKE系列、EFDC、DELFT3D和FLUENT等。以上四种模拟工具均可开展滨海水域和内陆水域的温排水模拟，在我国内陆水域三维水质模拟中也不乏应用案例，如MIKE3曾用于模拟湘潭火电厂温排水在湘江中的分布特性[1]、新船伊型喀什河上游梯级开发对库区水温和流速的影响[2]等；EFDC曾用于模拟咸宁核电厂温排水在富水水库中的分布特性[3]、沈阳市浑河流域突发事件水质模拟[4]等；DELFT3D曾用于模拟西湖中污染物的推移扩散特性[5]、堵港蓄淡水库水体淡化过程[6]、荆江沙市微弯河段流速和含沙量分布[7]等；FLUENT曾用于模拟咸宁核电厂排放的低放废水在富水水库中的分布特性[8]。MIKE3、EFDC和DELFT3D一般不考虑排放口的几何特性，将排放口概化为点源，无法考虑完整的浮射流特性，或仅能考虑射流流速而无法考虑流向，或仅能考虑浮力而不能考虑射流流速。这三种模拟工具对温排水远区的模拟较为准确。

在我国，核电厂温排水对水环境影响评价的审评过程中，远区影响一般采用数值模拟结果，近区采用物理模型实验结果。虽然FLUENT可以考虑排放口的几何特性，从而将近区浮射流和远区输移扩散进行完整模拟，但其对网格剖分要求极高、计算量巨大。与此同时，国内科研院所自主开发的温排水模拟工具中，或多或少都存在不能模拟近区浮射流的情况。

与滨海水域相比，内陆排放口附近的水域存在饮水点、灌溉点、养殖区和水生生物等，潜在的受影响对象更复杂，环境敏感点更多。因此，这对排放工程形式(如扩散器等)和温排水排放近区的精细模拟提出了更高要求。

2美国近区模拟工具应用现状及发展趋势

排放口近区模拟以浮射流理论为基础，浮射流的数学模型有长度比尺模型、积分模型和紊流模型。在解决浮射流实际问题时，往往是多种方法联合使用。例如，在工程领域应用较为广泛的是美国环保署推荐的CORMIX专家系统和Visual Plumes模型，这两个模型均结合了卷吸积分模式和长度比尺模式。

2.1模型简介

CORMIX是一个分析并预测污染流在受纳水体混合区稀释扩散规律的专家系统，该系统还可用于设计并优化排放口或扩散器。CORMIX把水流的各种水动力条件，如射流与水体表面和水底的动力相互作用考虑在内，综合了大量的物理模型和现场实验资料，适用于筛选各种可能的初始混合情景，可对单孔排放、多孔排放和表面排放进行模拟，通过对各种流动情况下特征长度比尺的相对大小归类，进行污染物分布特性模拟。

CORMIX将受纳水体概化为三维矩形，根据排放口的不同形态分为三个模块：CORMIX1和CORMIX2分别针对单孔和多孔排放，排放口位置可位于水面和水下；CORMIX3针对表层面源排放。在实际应用过程中，CORMIX对排放口参数的设置满足绝大多数现实工程需求，如CORMIX1满足95%以上的单孔排放情形，CORMIX2满足80%以上的多孔扩散器设置，CORMIX3满足90%以上面源排放情况。

对于排入水体的污染物，CORMIX可模拟温排水、保守污染物、符合一阶衰减规律的污染物、盐水和含沙水体；对于受纳水体，CORMIX可模拟稳态流和潮位规则变动的水流形态。当水体密度随水深变化时，CORMIX可模拟均匀密度、两层或者三层密度变化的情况，亦适用于深水库密度分层情况。CORMIX将受纳水体的横断面概化为矩形，因此不适用于断面形态极度不规则的水域，但这并不妨碍CORMIX在排放口附近水域污染物模拟的广泛工程应用[9-10]。

此外，Visual Plumes也是美国环保署推荐的排放口浮射流近区模拟工具，由众多子模块组成，其中RSB模块能够应用于密度分层横流中的线源浮力羽流，UM模块可应用于单孔和多孔圆形浮射流。美国遭遇卡特里娜飓风后，在维护新奥尔良的堤坝时，美国环保署采用该程序模拟了48小时从庞恰特雷恩湖向密西西比河中排放的污水及泥沙造成的影响[11]。

2.2模型应用及发展趋势

CORMIX和Visual Plumes均可模拟温排水和符合一阶衰减规律等污染物的排放。美国环保署对这两个模型的适用性进行了详细地分析讨论，分为单孔排放、多孔扩散器和面源排放三个模块，在各模块下就污染物的水动力和物理特性、排放口几何特性、受纳水体的密度分层和受纳水体的流动特性分别开展讨论，并对各情景下的模型选取进行了初步的理论分析对比。

为评估Visual Plumes和CORMIX在排放口附近浮射流模拟的效果，A.Etemad-Shahidi[12]等利用Visual Plumes和CORMIX对Boston物理模型进行比对计算。Boston物理模型采用多孔扩散器排放，受纳水体为密度分层的静水。Visual Plumes和CORMIX的比对内容包括不同的排放流量、受纳水体的密度分层形式和扩散器形式，将两个模型的模拟结果与物理试验实测结果进行比对，结果表明CORMIX模拟效果优于Visual Plumes。

在近10年向美国核管会提交申请的10份内陆核电厂环境报告中，除2个核电厂采用Visual Plumes进行排放口附近温排水混合区模拟外，其余8个核电厂均采用了CORMIX进行模拟。采用CORMIX进行模拟的8个内陆核电厂多数采用几何形态较为复杂的多孔扩散器，受纳水体涵盖了流量较大的河流(如密西西比河)、流量较小的河流(如萨斯奎哈纳河)、流速较小的湖泊(如格兰伯里湖)和水库(如帕尔水库)。不仅如此，CORMIX还广泛应用于滨海核电厂温排水模拟、符合一阶衰减规律的常规污染物模拟领域。从CORMIX的功能出发，其可以应用于符合一阶衰减规律的放射性液态流出物的近区掺混模拟。

根据水动力条件的不同，排放口近区的空间尺度由米至千米量级不等，这导致了排放口附近有可能包含近区和远区，尽管CORMIX和Visual Plumes具有远区稀释扩散模拟的功能，但由于这两种模型无法完备地考虑实际地形变化，而地形和糙率等因素对污染物的远区稀释扩散影响极大，因此需要采用其他的模型进行远区稀释扩散模拟。近年来发展出排放口近区和远区联合模拟的应用，即采用远场模型进行受纳水体全流场模拟，将计算得到的排放口附近的受纳水体流场条件(如水位和流速等)导入近区模型中进行近区模拟，这在受纳水体为滨海水域[13-14]和湖泊[15]的排放工程中有较多的应用。当然，将近、远区的水动力场和温度场耦合模拟将是未来发展的趋势。

3结语

当前，我国水环境问题已引起社会各界的广泛关注。现阶段，为减少温排水对水环境的影响，我国位于内陆水域的排放工程在设计阶段倾向于采用扩散器。而我国现有温排水数学模拟研究侧重于考虑大尺度空间范围的远场模型，当电厂温排水的受纳水体位于内陆并需要考虑排放口附近温排水对水环境的影响时，如排放口下游1 km空间范围内，这些远场模型的效果差强人意。因此，对于内陆水域中温排水排放这类需要重点研究排放口近区温升分布的情况，就需要采用近场模拟工具，如CORMIX专家系统。与此同时，为减少温排水对水环境的影响，美国位于内陆水域的排放工程实践中已广泛采用扩散器，且美国环保署推荐的排放口近区模拟工具在实际温排水模拟工作中有较为广泛的应用实践和深入的对比探讨。通过对国外排放工程的排放口近区温排水模拟研究的学习，可以为我国内陆水域排放口附近温排水模拟研究提供一定的参考，以便更好地服务于温排水环境影响评价。

参考文献(References)：

[1]刘畅. MIKE3软件在水温结构模拟中的应用研究[D]. 北京: 中国水利水电科学研究院. 2004.

[2]马腾, 刘文洪, 宋策, 等. 基于MIKE3的水库水温结构模拟研究[J]. 电网与清洁能源, 2009, 25(2): 68- 71.

[3]中国水利水电科学研究院. 咸宁核电厂低放废水与温排水数值模拟研究报告[R]. 北京: 中国水利水电科学研究院, 2010.

[4]康利荥, 纪文娟, 徐景阳. 基于MIKE11与EFDC模型的突发性水污染事故预测模拟研究 [J]. 环境保护科学, 2013, 39(2)：29- 33.

[5]杨益洪. 西湖混合流三维数值模拟研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2007.

[6]毛献忠, 陈甫源, 余祈文, 等. 堵港蓄淡水库水体淡化预测研究[J]. 水科学进展, 2005, 16(6): 80- 85.

[7]邓春艳, 夏军强, 宗全利, 等. 二次流对微弯河段水沙输移影响的数值模拟研究[J]. 泥沙研究, 2013(5): 27- 33.

[8]陈吉丽, 阮新建, 谈广鸣. 湖库型核电厂低放废水排放的数值模拟[J]. 武汉大学学报(工学版), 2011, 44(3): 307- 344.

[9]刘永叶, 杨阳, 刘福东. 康奈尔混合区专家系统(CORMIX)软件简介[J]. 辐射防护通讯, 2012, 32(1): 42- 45.

[10]U.S. Environmental Protection Agency. CORMIX USER MENUAL[R]. Washington: U.S. EPA, 2007.

[11]U.S. Environmental Protection Agency. Exposure assessment models[EB/OL]. (2001-08) [2015-04]. http://www.epa.gov/exposure-assessment-models/visual-plumes.

[12]Etemad-Shahidi A, Azimi A H, Zaker N H. Numerical simulation of Boston outfall in stagnant ambient current[J]. Journal of coastal research, 2006(39): 1520- 1523.

[13]Kim H S, Swanson J C. Fate and Transport modeling of contaminants in Salem Sound[R]. Boston: Science Assiociates, Inc., 2001.

[14]魏娥华, 孙英兰, 王翠, 等. 烟台套子湾污水处理厂扩建后领进海域水质预测[J]. 海洋湖泊通报, 2007(S1): 164- 169.

[15]CH2M HILL. Lake Ontario model calibration and baseline scenario[R]. Canada: CH2M HILL, 2011.

收稿日期：2015-04-22

基金项目：国家自然科学基金项目(51209228)

作者简介：覃春丽(1986—)，女(壮族)，广西河池人，工程师，硕士，研究方向为核电厂环境影响评价，E-mail：qinchunli@cgnpc.com.cn 通讯作者：张爱玲(1973—)，女，山东潍坊人，研究员，硕士，研究方向为核设施环境影响评估和安全分析，E-mail：zhang20040701@sina.com

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.011

中图分类号：X824；X11

文献标识码：A

文章编号：2095-6444(2016)04-0040-03

Preliminary Studies on Numerical Simulation of Thermal Effluent near Discharge Outlet in Inland Waters

QIN Chun-li1, ZHANG Kun2, ZHANG Ai-ling2, SHANGGUAN Zhi-hong1,CHEN Xiao-li3

(1.Suzhou Nuclear Power Research Institute, China General Nuclear Power Corporation, Suzhou 215004, China; 2.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environment Protection, Beijing 100082, China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract:According to difference in the numerical simulation of thermal effluent between the inland and littoral areas, the current numerical simulation situation of thermal effluent in inland waters in China was analyzed. In order to provide reference for the numerical simulation of thermal effluent near discharge outlet in inland waters in China, the characteristics of CORMIX Expert System recommended by U.S. EPA were summarized. In addition, the applicability and application situation of two U.S. EPA recommended near-zone simulation tools were briefly introduced in this paper.

Key words:environmental hydraulics; thermal effluent; inland waters; near-zone; numerical simulation