某核电厂近岸海域放射性核素迁移特征探讨*

王韶伟，张　琨，陈海英，毛玉仙，张爱玲，谭成军

(环境保护部 核与辐射安全中心,北京 100082)



某核电厂近岸海域放射性核素迁移特征探讨*

王韶伟，张琨，陈海英*，毛玉仙，张爱玲，谭成军

(环境保护部 核与辐射安全中心,北京 100082)

摘要:滨海核电厂运行时会有少量的放射性核素通过液态途径进入海洋环境中，在掌握其海域水动力环境的基础上，开展放射性核素迁移研究具有重要意义。基于某核电站近岸海域的水下地形和水文条件，通过潮位、流速、流向的率定，构建水动力环境模型，模拟研究区的潮流运动过程和特征，为放射性核素迁移扩散提供基本流场背景。以核素131I为例，采用恒定速率1 Bq/L活度浓度持续排放，用实测两个半月潮模拟核素迁移过程，分析放射性核素131I在该海域的时间和空间分布规律。结果表明：1)随着时间推移，核素逐渐向外海域扩散，但扩散速度较慢；随着距离增大，海域中核素活度浓度呈几何倍数快速下降；厂址东北方向岸边核素活度浓度较高，在一个月后逐步达到稳定，约比排放活度浓度低两个数量级。2)涨潮时核素活度浓度范围较小，落潮时核素活度浓度范围快速扩大，相同核素活度浓度面积为涨潮时的2～3倍。3)排放初期，各处核素活度浓度均随时间迅速增加，随后趋于稳定；不同位置的活度浓度随着潮汐交替涨落，不断波动，涨潮时活度浓度较低，落潮时活度浓度较高；不同位置的平均活度浓度随着潮汐交替涨落，不断波动，大潮期间活度浓度较高，小潮期间活度浓度快速降低。

关键词：核电厂；近岸海域；核素迁移；131I

核电厂在正常运行期间，液态放射性流出物与冷却水充分混合后，随冷却水(排水)一起排入受纳水体，从而向水环境排放少量的放射性核素。潜在的放射性物质泄漏污染也是核电厂事故时面临的主要环境问题。2011-03-11，日本福岛第一核电站发生了严重事故，大量放射性物质通过液态途径进入海洋环境中[1]，引起人们对近岸海域放射性污染的关注[2-4]。目前，我国在运和在建核电均为滨海厂址，也存在着放射性物质通过液态途径进入海洋环境的潜在风险。由于认识上的不足，对核事故状况下放射性物质液态途径释放后果评价缺乏相应研究。一旦发生放射性物质通过液态途径释放事故(事故排放)，将难以在短期内准确评估事故后果。

在核电厂环境影响评价时，必须通过模拟扩散试验、分析和计算，找出排水厂址周围大范围水体内的扩散稀释规律，确定受纳水体对排水的稀释能力[5-6]。关于放射性核素在水体中迁移扩散及在水生生态系统中迁移转化规律的研究，我国学者进行了一定的尝试。张春粦等采用二维潮波方程和对流扩散方程预测了大亚湾核电站液态排放物在附近海域的浓度分布[7]。苏柯采用显隐式交替使用的有限差分法对二维潮流污染扩散浓度场进行了数值模拟，给出了达到动态平衡时放射性核素110mAg，3H，90Sr，137Cs在西大亚湾及大鹏澳海域内的浓度分布[8-9]。孔令丰建立了大亚湾海域三维潮流场数学模型，通过数值模拟绘制出5 d后大亚湾海域表层、中层、底层3H的浓度分布图，随后利用库室模型方法研究了放射性核素110mAg在水生植物、水生动物以及海洋沉积物之间的迁移转化规律[10]。陈志峰等基于拟谱方法计算得到大亚湾海域的潮流场，利用粒子随机行走模式，对大亚湾核电站液态排出物中的放射性核素扩散进行模拟[11]。张俊丽等建立了考虑悬浮物吸附沉降影响的深度平均二维对流扩散模型，模拟了放射性核素137Cs在大鹏澳中的迁移分布状况[12]。

国外对核电站液态放射性流出物的公开研究成果较少，国际原子能机构(IAEA)在其19号安全报告的第四部分给出了一个相对简单的近岸海域放射性物质评价模型[13]。本研究采用数学模型，在模拟分析某核电厂近岸海域水动力环境的基础上，以131I为例研究放射性核素在该海域的迁移扩散规律，包括核素在空间上的扩散规律和在固定点上的时间变化规律，以期为核电厂放射性液态流出物环境影响评价提供基础，为事故状况下的快速后果评估提供经验。

1研究区概况

某核电厂厂址位于我国东南沿海，东临东海，南北两侧为海湾，西北侧为低山丘陵，整个厂址由低山丘陵以及邻近的3个小岛构成，岛间有深槽发育。厂址东北侧水深条件较好，水下浅滩宽阔平坦，微向东南方向倾斜，物质组成为黏土质粉砂；西南侧主要发育在某小岛以南海底，并逐步向南延伸，组成物为黏土质粉砂。

厂址海区属正规半日潮区，为大潮差区；潮流类型为半日潮流，但由于浅海分潮流较明显，具有非正规半日潮浅海潮流性质，潮流流速较小。一般落潮流最大流速大于涨潮流最大流速，落潮流向偏东，涨潮流向偏西，但受地形影响，潮流运动形式复杂，带有旋转流的特点。

2研究方法

随着世界海岸及港口工程建设的迅速发展，以及计算机技术和数值方法的不断进步，水动力数值模型得到了广泛应用，在解决海岸及港口工程的实际问题中发挥了巨大作用[14-16]。在应用过程中，水动力学数值模型自身也不断得到完善，逐步向精确化和可视化方向发展，出现了以FVCOM、EFDC、DELFT3D、MIKE等为核心的代表模型[17]。本文采用丹麦水力研究所开发的二维数值水动力模型MIKE 21，该模型包括水动力、对流扩散、水质、泥沙、粒子追踪模块等，有着十分强大的前处理和后处理功能[18-19]，可用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及水环境等二维水力学现象[20-25]。

2.1控制方程

模型控制方程包括1个连续方程，2个动量方程和1个对流扩散方程。

连续方程：

(1)

x方向上动量方程：

(2)

y方向上动量方程：

(3)

对流扩散方程：

(4)

式中，c为污染物浓度；cs为源汇项中污染物浓度；Du,Dv分别为污染物在x,y方向上的扩散系数；λ为放射性核素衰变系数。

2.2数据预处理

根据观测资料，选择合适的模拟范围，采用GK(高斯-克吕格)地图投影，根据经纬度计算所在区号，采用西安-80坐标投影。在ArcGIS中对模拟区域的岸边进行数字化，在MIKE中转换生产网格文件。根据开边界位置，通过设置最大三角形面积、最小允许角度、区域内最大节点数等参数构建不规则三角网。考虑到研究区海域有多个岛屿，地形复杂，进行了局部网格加密处理，利用不规则三角网(图1)差值生成水下地形。研究区东北、东南、西北三个方位为开边界，利用潮位站的实测潮位进行插值，生成断面序列文件。

图1　差值构造地形的不规则三角网Fig.1　Irregular triangular grids of computational domain

研究中模拟时间范围为某年08-16—09-20，时间步长为1 800 s(0.5 h)，共1 726步。为了维持模型的稳定，设置CFL数小于1。海底摩擦力为水深的相关变量，研究中采用曼宁系数，其取值范围在20～40 m1/3/s。水平涡粘系数为水体粘性的相关变量，研究中按Smagorinsky公式计算，其取值范围在0.1～15.0 m2/s。科里奥利参数根据经纬度在模型范围内设定不同的值。研究中不考虑盐度和温度对密度的影响。

2.3模型调试

应用中通过改变模型的曼宁系数和涡黏系数，使得模拟值与实测值差距逐步缩小，最终处于模型验证允许的误差范围。水动力环境模拟模型的验证包括潮位和潮流(流速、流向)的验证。由于种种原因，实测潮流资料本身存在误差，加之流场的复杂性，允许模拟值与实测值之间存在一定的误差。模型验证时，以《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTS/T 231-2-2010)[26]作为判断依据，其中：潮位，高低潮时间的相位允许偏差为(±0.5) h，最高最低潮位值允许偏差为(±10) cm；流速，憩流时间和最大流速出现的时间允许偏差为(±0.5) h，流速过程线的形态基本一致，测点涨、落潮段平均流速允许偏差为(±10)%；流向，往复流时测站主流流向允许偏差为(±10)°，平均流向允许偏差为(±10)°[26]。

研究中用于验证的数据为#1站08-16—09-20的潮位数据和#8站08-20—21的潮流数据，数据来自于某核电厂址工程海域水文观测与分析资料汇编，实测与模拟潮位见图2，潮流(流速、流向)见图3。从图中数据进行统计分析，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[26]的判断依据，模拟值与实测值处于误差允许范围内，调试结果可以接受。

从潮位过程模拟图可以看出，模拟的大、中、小潮潮位趋势与实测潮位完全一致，无相位差，潮位吻合的也很好。潮位模拟图局部放大后，可以看出高潮位基本吻合，低潮位有一定误差。从潮流过程模拟图可以看出，模拟的流速变化趋势与实测流速相同，模拟的流速值与实测流速相近，模拟的流向变化与实测流向趋势相似。模拟的最小流速值(0.2 m/s)与实测值基本相同，模拟的最大流速值(0.6～0.7 m/s)有一定误差。

研究区涨潮落潮流场见图4。海区潮流类型为半日潮流，潮差较大，潮流运动在外侧开敞海域呈旋转流，主流向总体为东西向；在近岸受地形、岛屿及岸线影响，基本沿岸线走向，呈往复流形式。海区内落潮流向偏东，涨潮流向偏西，落潮流最大流速一般大于涨潮流。岸边区域流动较弱，受地形影响，湾顶浅滩区在低潮时出现露滩。

综合潮位和潮流模拟结果，调试后的参数能够体现核电厂近岸海域的物理特性，模拟的流场可以反映该区域潮流运动过程，可以为放射性物质扩散研究提供基本的流场背景。

图2　#1站潮位验证图(08-16—09-20)Fig.2　Simulated and observed water level at site #1(August 16-September 20)

图3　#8站潮流验证图(08-20—21)Fig.3　Simulated and observed tidal currents and directions at site #8 (August 20-21)

图4　涨落潮流场Fig.4　Simulated currents of flood and ebb tides

3核素迁移扩散规律

通过水动力环境模拟，为放射性物质扩散研究提供基本的流场，以131I(半衰期为8.04 d)为例进行放射性核素迁移特征研究。假定某核电厂两台机组运行时的冷却水流量为100 m3/s，放射性核素131I以1 Bq/L的活度浓度持续排放。

为获取计算稳定后的核素浓度场，将实测两个半月潮进行迭代计算，统计稀释100倍(活度浓度为0.01 Bq/L)的面积随潮周期的变化。稳定性的判别条件为活度浓度0.01 Bq/L面积随潮周期变化的相对偏差小于1%。统计结果表明，经过约30个潮周期(30 d)后基本趋于稳定。因此核素迁移扩散规律研究中，模拟排放时间为实测两个半月潮(某年08-16—09-20)。

模拟期间131I随时间的活度浓度分布见图5，从图中可以看出：1)随着时间推移，核素逐渐向外海域扩散，但扩散速度较慢；2)随着距离增大，海域中核素活度浓度呈几何倍数快速下降；3)随着潮汐运动，高活度浓度核素范围从排放口逐渐扩大到南北两侧的海湾内，在海湾内汇集，难以扩散到外海；4)核素扩散的主要方向为东西向，同时向南北两侧逐渐扩散，与研究区域主流向总体为东西向相符；5)厂址东北方向岸边核素浓度较高，在1个月后逐步达到稳定，比排放活度浓度约低两个数量级。这是由于电厂近岸海域水体流速较缓，与外部水体交换能力低，污染物扩散条件较差。

图5　放射性核素131I随时间的活度浓度分布Fig.5　Temporal evolution of the distribution of concentration of 131I

同一时间段涨潮落潮时131I活度浓度分布对比见图6，从图中可以看出：涨潮时核素活度浓度范围较小，落潮时核素活度浓度范围快速扩大，相同核素活度浓度面积为涨潮时的2～3倍，在排放初期两者相差更大。计算达到稳定阶段时(30 d)，相同核素活度浓度的面积基本不变，形状随涨潮和落潮有一定变化。

图6　同一时间段放射性核素131I涨潮落潮活度浓度对比Fig.6　Comparison of concentration of 131I between flood and ebb tides

为了探讨海域固位置核素131I活度浓度随时间的变化规律，分别在距排放口1，3，5和10 km处选择点位，4个位置的核素活度浓度随时间变化见图7。从图中可以看出：

1)在排放初期，各处核素活度浓度均随时间迅速增加，5 和10 km处表现较为明显。1，3和5 km处的核素活度浓度在两个半月潮之后趋于稳定，1 km处约为0.2倍的排放活度浓度，5 km处约为0.1倍排放活度浓度，5 km处约为0.01倍的排放活度浓度。

2)4个位置的活度浓度随着潮汐交替涨落，不断波动，涨潮时活度浓度较低，落潮时活度浓度较高(图8中虚线所示)。两个半月潮时1 km处涨潮活度浓度约为0.1倍排放活度浓度，落潮活度浓度约为0.2倍排放活度浓度，3，5和10 km处涨潮活度浓度和落潮活度浓度差随距离逐渐增大，落潮活度浓度约为涨潮的100倍。

3)4个位置的核素活度浓度随着潮汐交替涨落，不断波动，大潮期间活度浓度较高，小潮期间活度浓度快速降低，其中3 km处降低1个数量级，5 km处降低2个数量级，10 km处降低超过4个数量级。

图7　固定点放射性核素131I活度浓度随时间变化Fig.7　Variation of the concentration of 131I at different locations

4结语

本文采用二维海洋水动力环流模型作为研究手段，在模拟某核电厂附近海域水动力环境的基础上，以131I恒定速率1 Bq/L浓度持续排放为例，采用实测两个半月潮，模拟核素在近岸海域放射性核素迁移，得到放射性核素131I在该海域的时间和空间分布规律，可为核电厂放射性液态流出物环境影响评价提供参考。

放射性核素在水体，尤其是在环境特征复杂多变的海域中迁移扩散受到潮汐、风浪、洋流、悬浮物等多重因素影响，与其自身特征也有关系，而放射性核素在水体中的浓度又是环境辐射效应评价的基础。我国在该方面的研究还较为薄弱，应加强放射性核素迁移扩散相关的基础研究工作，为核电厂放射性液态流出物环境影响评价提供准确依据。

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Received: May 11, 2015

*收稿日期：2015-05-11

作者简介：王韶伟(1983-)，男，河南陕县人，高级工程师，博士，主要从事核设施环境影响评价方面研究.E-mail：sinodapy@126.com *通讯作者：陈海英(1984-)，女，山东寿光人，工程师，硕士，主要从事核设施环境安全评价方面研究.E-mail：chenhaiying@chinansc.cn(李燕编辑)

中图分类号：X55

文献标识码：A

文章编号：1671-6647(2016)02-0271-09

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.012

Study on Radionuclide Migration in Near-shore Waters Around a Coastal Nuclear Power Plant

WANG Shao-wei, ZHANG Kun, CHEN Hai-ying, MAO Yu-xian, ZHANG Ai-ling, TAN Cheng-jun

(NuclearandRadiationSafetyCenter,MEP, Beijing 100082, China)

Abstract:A very small amount of radioactive nuclides will be discharged to marine environment through fluid as coastal nuclear power plant (NPP) is running. Potential risk of marine environmental pollution by radioactive material leakage might exist, so it is very important to comprehensively understand the hydrodynamic environment of coastal NPP. Based on bathymetry and hydrographic conditions around a NPP, hydrodynamic numerical model is used to simulate tidal processes and related characteristics. With 131I used as a tracer and a constant discharge, temporal variation and spatial distribution of radionuclide are analyzed with two and a half month simulation of tide and nuclide migration processes. Results show that 1) the radionuclide diffuses to open water gradually at first, but nuclide concentration reduces in geometric multiples as distance increases; the nuclide concentration to the northeast of the site is high, then gradually reaches a stable state a month later, and its concentration is about two orders lower than the source discharge concentration; 2) the nuclide diffusion area is small at high tide, but expands quickly at low tide and its diffusion area is about 2 to 3 times of that at high tide; 3) during early discharge period, nuclide concentration increases quickly almost everywhere, then tends to be stable; the nuclide concentration varies with tidal fluctuation, and is lower at high tide but higher at low tide; The average concentration is higher at spring tide, and lower at neap tide.

Key words:coastal nuclear power plant; near-shore waters; radionuclide migration;131I

资助项目：科技基础性工作专项——我国环境放射性水平精细图谱建设(2015FY10800)