临港工业区建设对核电厂液态流出物稀释扩散的影响

李 婷，朱 君，刘团团，张艾明

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

沿海地区依靠近海优势大力发展核电站及港口建设等项目，在规划过程中需重点关注液态流出物排放后对周围海洋环境的影响。为充分利用地理资源，某拟建核电厂附近规划建设临港工业园区，建设过程中的填海及航道疏浚工程会改变附近海域的水动力环境。宋竑霖[1]、孙英兰[2]、李希彬[3]等曾就沿岸工程对周围海域水动力环境的影响展开过研究。液态流出物的稀释扩散是伴随着潮流运动而进行的，临港园区的建设会使放射性核素的迁移行为受到影响，因此对港口规划前后液态流出物的浓度场分布情况进行对比分析就显得尤为重要。

数值模拟是研究液态流出物在受纳水体中迁移扩散过程的有效手段，李勇等[4]通过建立数学模型对核电厂冷却水及含放射性液态流出物的扩散问题进行了研究；毛远意等[5]分析了不同计算域对核电厂液态流出物排放模拟计算结果的影响；刘团团[6]选取了二维和三维两种计算模型模拟低放废水的迁移扩散规律；陈丕翔等[7]根据建立的数学模型分析了海南昌江核电厂附近海域内放射性核素的浓度分布情况。

为研究临港工业园区规划对核电站液态流出物稀释扩散的影响，本文对某拟建核电站附近海域在园区规划前后放射性核素131I和60Co的浓度场进行了模拟和分析，为优化规划设计和环境影响评价提供科学依据。

1 模型介绍

本次研究应用地表水数值模拟软件MIKE建立平面二维数值模型进行模拟计算，它具有较好的守恒性，采用深度平均的浅水控制方程计算该海域的潮流场。

从不可压缩流体运动的基本方程(忽略物理量沿水深方向的变化)沿水深方向积分，即求得深度平均的平面二维水流运动方程 (连续性方程、运动方程和物质传输方程是海洋物理学中的基本方程)：

连续性方程：

(1)

运动方程：

(2)

物质传输方程：

(3)

式中，ζ为相对基准面水位，m；H为水深，m；t为时间，s；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；C为谢才系数，m1/2/s；f为柯氏力系数，s-1；τsx、τsy为风生应力，Pa；Ex、Ey为x、y方向广义的涡粘性系数，m2/s；φ为液态流出物计算浓度，Bq/L；φ0为排放初始浓度，Bq/L；Dx、Dy为x、y方向扩散系数，m2/s；u、v为x、y方向平均流速，m/s，模型中已明确x、y方向，根据潮流的流向，流速换算为x、y方向平均流速；k为降解系数，d-1；q为排放量，m3/s。

1.1 流场定解条件

(1)初始条件：采用静流条件起算。

(2)边界条件：岸边界为固定壁面，开边界采用潮位控制，分别采用夏季和冬季典型大、中、小潮和半月潮潮型。边界潮位采用潮汐调和常数软件计算，后通过验证点潮位、流速验证调试，最终确定边界处潮位过程。

1.2 参数选取

主要选取的参数包括糙率系数、水平粘滞系数、扩散系数、柯氏力系数以及表面风应力，根据海洋物理学，各参数求解公式如下：

(1)糙率系数n

(4)

(2)水平粘滞系数和扩散系数

水平粘滞系数采用Smagorinsky Formulation模型计算。扩散系数采用涡粘系数比例Scaled Eddy Viscosity Formulation模型，取值1。

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

(4)表面风应力τs

(5)

式中，ρair为空气密度，kg/m3；Vw为海面上方10 m处风速，m/s；CD为系数。其中x、y方向上是根据风速、风向换算为对应的风应力。

1.3 模拟范围和计算网格

海域潮汐类型属非正规全日潮，涨潮时流向N、落潮时流向S，实测海流随着潮汐的涨落而发生变化，涨潮流均比落潮流小。

数学模型范围外海边界为：北侧至北海市犀牛脚镇，南侧边界至雷州市企水镇，宽约101 km，包括2014年实测水文测验的所有测点(来源于核电厂的水文测验报告)，面积约8 862 km2。模型采用三角形网格剖分单元，在工程海域进行了局部加密，如图1所示，最小网格尺度控制在13 m，最大网格尺度约3 934 m，总网格数约36 372个。时间步长60 s。

图1 数学模型整体网格图Fig.1 Overall grid graph of the mathematical model

2 模型验证

2.1 潮位验证

选取铁山港、廉江站、江洪站、北海站、涠洲岛5个潮位站(如图2所示)2013年12月冬季和2014年7月夏季实测半月潮作为模型潮位验证资料，潮位观测资料全部换算到1985国家高程基准面。计算潮位与验证资料潮位过程线的比较如图3和图4所示，5个潮位站的计算潮位与实测潮位值吻合良好，最大绝对偏差控制在0.2 m以下。

图2 潮位站分布示意图Fig.2 Schematic diagram of tidal level station distribution

2.2 潮流验证

选取工程海域L1～L5潮流站(如图5所示)2013年12月冬季中潮的实测流速和流向数据作为模型的率定资料，从率定结果可以看出：除近岸L1测站在部分转潮时段流速与实测值存在0.1 cm/s的偏差，其他测站的流速、流向与实测资料吻合较好，如图6、图7所示。

在模型参数确定后，再选取2014年7月夏季中潮的实测流速和流向数据作为模型的验证资料，计算的流速、流向除近岸L1测站外与实测值基本吻合，如图8、图9所示。

3 港口规划前后流场计算结果

放射性核素的输移扩散主要受近海海域的水动力因素控制，因而有必要对港口建设前后附近海域的潮流运动进行研究，在此基础上进一步深入分析液态流出物稀释扩散的特征。

3.1 港口规划前潮流状况分析

港口规划前潮流状况如图10和图11所示。工程海域潮流主要呈现为EN-WS往复流，在安铺港海域出现EW往复流，英罗港、铁山港附近海域为SN往复流。中潮涨急时刻主潮流为EN向，一支由南向北进入铁山港，一支由西南向东北进入安铺港然后转向英罗港，两支潮流的交汇处形成强径流带，在港口附近海域流速较大，涨平时刻在铁山港、英罗港附近形成涡流区。

落急时刻工程区附近海域主潮流流向为WS向，在英罗港、铁山港附近潮流向由北向南流出港湾，进而转向WS向，铁山港和安铺港的落潮流在交汇处形成强径流带，港口附近海域流速较大，流场较为密集，落憩时刻在铁山港、英罗港附近形成涡流区。

中潮期落潮流速大于涨潮流速。最大落潮、涨潮流速分别为85 cm/s和80 cm/s。最小落潮、涨潮流速分别为23 cm/s和26 cm/s。最大落潮和涨潮平均流速分别为59 cm/s和40 cm/s。最小落潮和涨潮平均流速分别为7 cm/s和9 cm/s。空间分布上，涨潮流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向流随水深增加演变成SW向流，SE向流随水深增加演变成NE向流；L3站SE向流和NW向流随水深增加均出现逆时针偏转，分别转至E向和W向；L4站E向流随水深增加逆时针偏转至NE向。

图3 北海、江洪、廉江、铁山、涠洲夏季潮位验证Fig.3 Tidal level validation of Beihai,Jianghong,Lianjiang, Tieshan and Weizhou station in summer

图4 北海、江洪、廉江、铁山、涠洲冬季潮位验证Fig.4 Tidal level validation of Beihai,Jianghong,Lianjiang, Tieshan and Weizhou station in winter

图5 潮流站分布示意图Fig.5 Schematic diagram of current station distribution

图6 L1～L5潮流站冬季中潮流速验证Fig.6 Validation of flow velocity at mid tide of L1-L5 station in winter

3.2 港口规划后潮流状况分析

保持模型的边界条件和参数不变，并在模型中加入廉江港，目的在于分析廉江港规划前后，工程海域流场变化情况。以夏季中潮为例，分别计算了涨急、落急两个时刻流场的变化情况，如图12和图13所示，左图中黑线未规划前，红线为规划后。

从计算结果来看，廉江港规划后，夏季中潮涨急时刻的流场仅在港口附近发生变化，且变化幅度港口东侧明显大于西侧，并在东侧形成回流区。挑流作用使得港口附近水域的流动减弱，贴近港口受影响最大，流速、流向均有较明显的改变，并向西南方向延伸，形成一个流速减缓带；在减速带两侧接着形成增速带，且东南部增速带范围大于西北部。随着与港口间距离的加大，港口规划对流场的影响逐渐减弱。

而落急时刻，同样在港口附近先形成一个流速减缓带，然后在两侧各形成一个增速带，流速变化幅度与涨急时刻相同，但影响范围小于涨急时刻。

4 临港工业区规划前后液态流出物计算结果对比

4.1 临港工业区规划前液态流出物计算结果分析

2台机组运行条件下，考虑131I和60Co的衰变，计算了夏季中潮潮型条件下污染物稀释10倍和1000倍的最大包络面积。从浓度场分布的形态上看，高浓度区主要分布于排水口所在的安铺湾。2台机组正常运行后，131I和60Co夏季中潮稀释10倍平均值包络线面积分别为0.9×10-3km2和1.2×10-3km2，稀释1 000倍平均值包络线面积分别为124.76和274.6 km2。

图7 L1～L5潮流站冬季中潮流向验证Fig.7 Validation of flow direction at mid tide of L1-L5 station in winter

图8 L1～L5潮流站夏季中潮流速验证Fig.8 Validation of flow velocity at mid tide of L1-L5 station in summer

图9 L1～L5潮流站夏季中潮流向验证Fig.9 Validation of flow direction at mid tide of L1-L5 station in summer

图10 夏季中潮涨急潮流图Fig.10 The tidal current of mid tide at flood fast tide in summer

4.2 临港工业区规划后液态流出物计算结果分析

131I和60Co的半衰期较长，自减速度慢，在水体中主要随潮流运动，从浓度场分布的形态上看，高浓度区主要分布于排水口所在的安铺湾。2台机组正常运行后，夏季中潮稀释1 000倍最大值包络线面积分别为197.69 km2和557.9 km2。

港口规划后从浓度场分布的形态上看，高浓度区主要分布于排水口所在的安铺湾。2台机组正常运行后，131I和60Co夏季中潮稀释10倍平均值包络线面积分别为1.0×10-3km2和3.0×10-3km2，稀释1 000倍平均值包络线面积分别为109.21 km2和265.41 km2。

图11 夏季中潮落急潮流图Fig.11 The tidal current of mid tide at ebb fast tide in summer

图12 夏季中潮涨急流场及变化Fig.12 The tidal current and its changes of mid tide at flood fast tide in summer

图13 夏季中潮落急流场(黑线为规划前，红线为规划后)及变化Fig.13 The tidal current and its changes of mid tide at ebb fast tide in summer

图14 131I(左)和60Co(右)浓度平均值包络线范围(规划前)Fig.14 The average enveloping area of the concentration of 131I (left) and 60Co (right)

图15 131I(左)和60Co(右)浓度平均值包络线范围(规划后)Fig.15 The average enveloping area of the concentration of 131I (left) and 60Co (right)

5 结论

本次工作针对拟建核电项目液态流出物，分为考虑规划临港工业园区和不考虑规划临港工业园区两种情况，进行了数值模拟计算。工程海域实测潮位、潮流模型验证结果表明：各测站模拟计算的潮位和流速、流向与实测资料基本吻合，表明采用的二维数学模型能够正确模拟工程海域的潮流场，可以用于本项目液态流出物迁移、扩散预报工作。

不考虑廉江港规划项目，131I和60Co的半衰期时间较长，衰变速度慢，在水体中主要随潮流运动，高浓度区主要分布于排水口所在的安铺湾。廉江港项目规划后，流场仅在港口附近发生变化，随着距港口距离的增加，这种变化逐渐减弱。131I和60Co的高浓度区均大于规划前，低浓度区小于规划前，131I和60Co的高浓度区分别增加了11.1%和150%，而低浓度区分别减小了12.5%和3.2%，说明工业区建设后不利于液态流出物的稀释扩散。