基于MIKE21的滨海核设施液态流出物稀释扩散规律及排放优化的模拟研究

左庆宁，林大超，邱 林，王晓亮

(中国核电工程有限公司，北京 100048)

随着我国海洋开发利用程度的不断提高，加强海洋生态保护、坚持绿色发展道路成为我国海洋发展的基本理念。为降低滨海核设施的液态流出物中放射性核素的排放对水生态环境和公众的影响，需要研究排放的点位、排放口形式、排放时序选取等因素对液态流出物中的放射性核素稀释扩散规律的影响，优化排放方案，最大限度地利用海域内潮流的稀释扩散能力，使得液态流出物排放后的扩散范围尽可能远离岸线，降低近岸的放射性核素浓度，从而降低公众和环境的辐射剂量。

对于一些半衰期较长的放射性核素，如氚、C-14等，很难在短时间内依靠自身衰变降低浓度，因此厂址海域的水动力特性、交换能力成为决定其稀释扩散的关键因素。本文以我国某海域为例，研究某核设施的液态流出物中以氚为主的核素在该海域的稀释扩散规律，研究排放时段、潮位、风向等相关因素对放射性核素在海域稀释扩散及近岸浓度的影响，并依据模拟结果对排放方案提出优化建议。

1 排放海域水动力模拟计算

1.1 MIKE21软件及其原理

本文研究使用丹麦水力研究所开发的MIKE21软件的水动力模块和对流扩散模块进行模拟计算。海域潮流场及浓度场满足如下沿深度平均的平面二维水流方程：

连续性方程，

(1)

运动方程，

(2)

(3)

物质传输方程，

(4)

式中，h0为基准面水位(m);h为基准面以下水深(m);H(H=h0+h) 为绝对水深(m);C为谢才系数(m1/2/s);g为重力加速度常数(m/s2);Ω为柯氏力系数(1/s);f为风应力系数(无量纲)；V为风速，Vx、Vy分别为风速沿x、y方向的分速度(m/s);ρ为流体密度(kg/m3)；Ex、Ey、Exy为剪应力系数(kg/m·s2);φ为液态流出物浓度;φ0为排放的初始浓度;Dx、Dy分别为x、y方向扩散系数(m2/s);u、v为x,y方向的水深平均流速(m/s);λ为核素的衰变常数(1/s);q为排水口流量(m3/s)，δS为排口所在网格的面积。

1.2 核设施海域潮流场信息

本文研究的核设施液态流出物排放海域东西跨度约20 km，南北跨度约10 km。模拟时段为冬季1月—3月，其中，以2月13日15时至2月28日15时的潮位数据作为典型半月潮，2月20日9时至2月21日9时作为典型大潮，2月24日12时至2月25日12时作为典型中潮，2月27日14时至2月28日14时作为典型小潮。

1.3 计算条件

1.3.1坐标选取与网格划分 坐标系选取西安80坐标系，模拟核设施厂址20 km范围内的海域，横坐标范围在658 000～682 000 m之间，纵坐标范围在319 200～3 203 000 m之间。采用三角形网格对计算海域进行划分，从排口位置由近及远网格长度为10～500 m，在近岸及岛屿处网格进行局部加密，共约50 000个网格，网格划分如图1所示。

图1 海域的网格及水下地形

1.3.2边界条件 陆地边界为固定壁面条件，即壁面的流速为0，海域边界采用开边界，边界的水位数据由MIKE21软件自带的全球潮汐预报模型得到。

1.3.3水动力及扩散参数 根据前期海域水下地形的勘探工作，模拟计算海域的糙率系数n(s/m1/3)与水深h(m)满足经验公式:n=0.015+0.012/h，其中糙率系数n与公式(2)～(3)中的谢才系数C满足关系C=h1/6/n；剪应力系数设置为0.28 kg/m·s2，水平扩散系数设置为1 m2/s。

1.3.4排放源项 在西安80坐标系下，排放点的坐标为(671 847 m，3 197 913 m)假定该核设施正常运行时，液态流出物中主要核素氚和C-14的年排放量分别为1.5×1016Bq和6×1012Bq，每年排放的液态流出物体积为6×105m3。排口处氚和C-14的浓度分别为2.5×107Bq/L和1×107Bq/L。

1.4 潮流场率定

在典型大潮下，模拟得到的潮流场的潮位、流速、流向和实测值的对比结果示于图2、图3。

图2 典型大潮的水位率定

图3 典型大潮的流场率定

潮流场率定结果表明，用MIKE21模拟得到的排放海域的水动力条件与实际情况相近，模拟结果具有海域实际潮流场的特征，故能使用该模型对液态流出物中放射性核素的稀释扩散规律进行模拟。

2 液态流出物稀释扩散规律模拟与分析

本文主要模拟了不同潮型、潮位、排放时段及风场对液态流出物稀释扩散的影响。主要模拟了氚的稀释扩散规律，并依据氚的稀释扩散规律提出合适的排放优化方案，依据方案计算近岸处的氚以及C-14的浓度，并评估其环境影响。

模拟得到的液态流出物稀释扩散效果主要由以下指标来衡量。

(1) 区域近岸约1 km处的海岸线上的氚和C-14的浓度随时间变化趋势及全潮平均浓度，测量线如图4所示，同时还在入海口处设置了观测点测量放射性核素的浓度。图4标出了近岸浓度评价线的位置及排放源的位置。

图4 近岸放射性核素稀释扩散指标检测示意图

(2) 模拟得到整个计算域的全潮最大浓度的浓度场。参考标准《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249—2011)中核设施排放口下游1 km处的氚浓度不得超过100 Bq/L，因此重点考虑氚的全潮最大浓度超过100 Bq/L的海域面积。

2.1 潮型的影响

2.1.1计算工况 模拟了在典型半月潮下，分别在全时段均匀排放和落潮时排放对液态流出物扩散的影响。均匀排放工况下，在整个模拟时间内，液态流出物以恒定流量(0.019 02 m3/s)连续排放；落潮排放工况下，液态流出物仅在落潮时以恒定流量(0.038 04 m3/s)连续排放。

2.1.2模拟结果 以均匀排放工况为例展示了入海口观测点放射性核素相对排水口浓度随潮汐作用变化情况及全潮最大浓度场。由图5中的模拟结果可知，核设施排放液态流出物后，在潮汐作用的影响下，近岸区域放射性核素浓度先逐步上升，后趋于稳定，随着潮汐呈周期性变化，在涨潮时浓度上升，落潮时浓度下降。整个海域放射性核素浓度大致以排放点为中心，离排放点越远浓度越低。

图5 入海口观测点氚浓度在潮汐作用下的变化曲线

同时由图6(a)所示的模拟结果表明，在均匀排放的工况下，近岸区域北侧放射性核素中氚的浓度超过了100 Bq/L(模拟得到的是氚相对于排放口液态流出物中氚的浓度，排放口氚浓度为2.5×1010Bq/m3,因此100 Bq/L所对应的相对浓度为4×10-6)，氚浓度超过100 Bq/L的海域面积为149 km2(为图6中的红色区域)。因此该核设施连续均匀排放液态流出物无法满足工程项目的近岸海域水质要求。

图6 不同潮型下排放液态流出物时海域中氚的全潮最大浓度场

由图6和表1所示的模拟结果表明，在落潮时排放液态流出物，近岸放射性核素的浓度更低，更有利于其向远海的稀释扩散。基于不同潮型下液态流出物稀释扩散的模拟结果，在研究潮位及排放方案的影响时，均考虑落潮排放时的工况。

表1 在不同潮型下排放液态流出物后近岸的氚浓度

2.2 潮位的影响

2.2.1计算工况 模拟了在典型大、中、小潮下的落潮时刻排放对液态流出物扩散的影响。以典型大、中、小潮位控制潮型，模拟在落潮时段均匀连续排放液态流出物(排放流量为0.038 04 m3/s)时放射性核素的稀释扩散规律。

2.2.2模拟结果 由图7和表2所示的模拟结果表明，在大潮和中潮时段排放液态流出物的工况下，近岸放射性核素浓度远低于小潮排放的工况。故选择潮差更大的时段排放液态流出物，更有利于放射性核素向远海的扩散。

图7 不同潮差下排放液态流出物时海域中氚的全潮最大浓度场

表2 在不同潮位下排放液态流出物后近岸的氚浓度

2.3 排放时段的影响

2.3.1集中排放与均匀排放的影响比较

(1) 计算工况

模拟了以典型大潮为控制潮型，在落潮时段连续均匀排放液态流出物(排放流量为0.038 04 m3/s)和分别集中在落潮的第1个小时、前2个小时、前3个小时排放液态流出物(排放流量分别为0.228 2 m3/s、0.114 1 m3/s、0.076 08 m3/s)对放射性核素稀释扩散规律的影响。

(2) 模拟结果

在典型大潮落潮时，连续均匀排放和落潮时第1个小时、落潮前2个小时、落潮前3个小时排放液态流出物后氚的稀释扩散模拟结果如图8和表3所示。模拟结果表明，液态流出物的排放时段越集中，越有利于放射性核素向远海的扩散，且集中排放液态流出物更加便于核设施的管理和监测。

图8 不同时长下排放液态流出物时海域中氚的全潮最大浓度场

表3 在不同排放时段下排放液态流出物后近岸的氚浓度

2.3.2不同集中排放时段的比较

模拟了典型大潮下，在落潮时第1至第6个小时分别集中排放液态流出物后(排放流量为0.228 2 m3/s)，氚的的稀释扩散规律。由表4及图9所示的模拟结果表明，从落潮第1个小时到第6个小时分别排放液态流出物时，近岸区域的放射性核素浓度依次增加，且在落潮第6个小时排放时，近岸核素的浓度比之前高出了一个指数级。在落潮的第1个小时排放液态流出物时，放射性核素向远海扩散效果最好。

表4 在不同排放时段下排放液态流出物后近岸氚的浓度

图9 不同时段排放液态流出物时海域中氚的全潮最大浓度场

2.4 分析与小结

通过对潮型、潮差及排放时段对放射性核素在海域稀释扩散规律影响的模拟，分析得知，当海域的潮汐由涨潮转为落潮刚开始的时段，是潮位变化最急的时段，该时段洋流更加趋向于向远海流动，因此在落潮刚发生的时段里核设施排放液态流出物，更有利于放射性核素向远海的扩散，该时段也是排放液态流出物的最佳时段。

3 排放优化建议及方案模拟

基于第2节中对潮型、潮差及排放时段对放射性核素在海域稀释扩散规律影响的模拟，本文为该核设施提出的建议排放方案为在落潮的第1个小时里排放液态流出物。在典型连续半月潮下，模拟依据此排放方案下液态流出物的稀释扩散规律，模拟得到的氚核素的全潮最大浓度场及核素相对排放口浓度的包络线面积分别示于图10和列于表5。

图10 依据优化方案模拟得到的全潮最大浓度场

表5 不同相对浓度下的包络线面积

依据本文近岸海水氚浓度100 Bq/L的限制，该浓度在本研究中所对应的相对浓度为4×10-6，所对应的包络线面积为107.42 km2，由图7可知在近岸5 km内的海域中氚的浓度均未达到该值，且在近岸观测线上氚和C-14的最大浓度分别为83.78 Bq/L和0.034 Bq/L。

依据IAEA第19号报告中提供的剂量评价模型[10]，液态流出物对公众照射的总剂量De满足公式：

De=Dep+Des+Dew

(5)

Dep=∑Cpki·Up·exp(-λitp)·DFei

(6)

(7)

Dew=∑Cwki(Up1+Up2/2)DFwi

(8)

Cpki=Cwki·Bpi

(9)

其中：Dep为公众个人食入k海域内海产品p所致的有效剂量(Sv/a)；Des为岸边沉积物对公众个人所致的有效剂量(Sv/a)；Dew为在k海域内公众个人游泳和水上活动时，受到的有效剂量(Sv/a)；Cpki为在k海域内的海产品中放射性核素i的浓度(Bq/kg)；Up为公众个人的海产品p消费量(kg/a)；λi为放射性核素i的衰变常数(h-1)；tp为海产品p从捕捞到被消费的时间间隔(h)；DFei为因食入海产品p，放射性核素i对公众个人的有效剂量转换因子(Sv/Bq)；Cwki为靠近岸边的海水中放射性核素i浓度(Bq/m3)；Kdi为核素i的吸附分配系数(m3/kg)；W为岸宽因子，无量纲；DS为有效沉积密度(kg/m2)；OF为岸边居留因子，或个人一年内在受污染岸边度过的时间份额，无量纲；Te为有效累积时间，取一年；DFsi为岸边沉积物中放射性核素i对公众个人的有效剂量转换因子((Sv·m2)/(Bq·a))；Up1、Up2分别为公众个人在k海域内一年中游泳和水上活动时间份额，无量纲；DFwi为在海中游泳和水上活动时，放射性核素i对公众个人的有效剂量转换因子((Sv·m3)/(Bq·a))，Bpi为海产品p中放射性核素i的浓集因子(m3/kg)。

依据模型的评估结果，该近岸浓度造成的年剂量约为13.1 μSv，根据国家标准《核动力厂环境辐射防护规定》(GB 6249—2011)，每座核电厂向环境释放的放射性核素对公众造成的个人年有效剂量应小于0.25 mSv，模拟计算的剂量远低于该限值，故在模拟验证下该排放方案可行。

4 总结

(1) 本文使用MIKE21软件建立了我国某海域的水动力模型，模拟结果与该海域潮流场实测结果基本相符。

(2) 基于建立的水动力模型，模拟了在不同排放情况下核设施液态流出物在海域的稀释扩散规律，通过对规律的详细研究分析，表明在落潮时排放液态流出物，且排放时潮差越大，排放越集中，近岸放射性核素浓度越低，越有利于核设施排放的液态流出物向远海的扩散。

(3) 基于不同工况的模拟研究，提出了在落潮的第1个小时排放液态流出物的优化方案，并模拟验证了该方案的可靠性。

(4) 本文进行了核设施液态流出物的稀释扩散规律及排放优化的模拟，为我国滨海核设施液态流出物排放方案的选择和优化提供了相应的科学依据，在工程上具有一定的应用价值。