内陆核电厂污染物浓度扩散研究

徐 美，王树鑫，谷 鑫

（1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；2.北京勘测设计研究院有限公司，北京 100000）

水资源是人类生存和发展不可或缺的自然资源与战略储备资源，目前我国约2/3城市缺水，人均水资源量仅是世界的28%，对水资源亟需。水资源短缺且时空分布不均的状况已严重制约我国的发展[1]。目前我国仍是一个以火电为主的国家，而火电的发展已不能满足现在这种“环境与经济友好发展”的形势，相比火电、水电、风力发电、太阳能发电等各类新能源，核电具有低碳环保、可靠性高、成本低等优点，正好满足“环境与经济友好发展”的大形势。

2007年，我国提出未来我国核电特别是内陆核电发展的目标。《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》[2]也提出在确保安全的基础上高效发展核电。针对内陆核电的科学布局，提出“十二五”时期只在沿海地区安排少量且通过充分验证的核电项目厂址，不安排内陆核电项目[3]。进入“十三五”后，内陆核电项目逐步开启，但其建设问题同样引起了大众的广泛关注[4]。Isabel C.Azevedo等[5]研究了不同水流流动状态对葡萄牙杜若河口核污染物扩散的影响；Sandy M.Y.NG等[6]提出了由GIS和三维水动力、泥沙和重金属运输的集成模型，可以动态模拟水流变化和核污染物的扩散过程，并可以很好地用于实例计算。研究成果也将会对内陆核电项目的建设及国家对放射性排放物标准的制定具有参考意义。

1 数学模型

水在自然界中的流动是沿着三维空间运动，即水流在x，y，z方向的流速均有变化，三维数学模型计算复杂，一般为了计算简便，将水流的运动特性用一维研究[7]。本文采用水动力学方程组，其控制方程如下[8]。

连续性方程：动量守恒方程：

湍流动能方程：

湍流耗散率方程：

2 数值模拟结果

2.1 水文条件

P河多年平均流量为517 m3/s，最枯流量为62.3 m3/s，河宽约80-320 m，最窄处仅为40 m，水深为2.36 m，流速为0.4 m/s，河流坡度为0.56%，P河最大弯曲系数1.25＜1.39，宽深比为25.8，P河为宽浅型。

核电厂排放核污染物元素种类很多，其中最难控制是元素3H的排放量，因此选取元素3H进行计算，模拟3H在P河下游1 km处的浓度变化。3H一般在核电厂排放的污水中，半衰期为12.28 a，在计算模拟时通常不计其自身衰变和泥沙吸附的影响[9]。P河3H起始浓度见表1。

表1 AP1000核电机组放射性流出物排放量与GB 6249—2011控制值比较

2.2 P河1 km处数值模拟结果

根据AP1000设计控制文件中3H年排放总量为3.74×1013Bq/a，假设全部以液态形式排放，忽略上下游对排放口的稀释影响。P河整体流场如图1所示，P河下游1 km处浓度结果如图2所示。

图1 P河整体流场

图2 P河1 km处浓度结果

3 解析法预测模拟

3.1 解析法模型计算

根据HJ 2.3—2018《环境影响评价技术导则地表水环境》[10]选取预测模型。低放射性核污水排放到P河内，核污水与河水混合段严格按照导则选择预测模型[11]。将核电厂排放污水口看作岸边连续排放点，3H进入P河后，在最不利情况下与河水进行垂向混合，考虑岸边反射影响。利用环境影响评价导则中算法进行计算。

混合过程段是从污水排放口开始到下游充分混合断面之间的河段，其长度可由式（6）估算：

其中：Lm为混合过程段长度，m；B为水面宽度，m；a为排放口离岸边的距离，m；u为断面水流流速，m/s；Ey为3H横向扩散系数，m2/s。

在预测河流中放射性核素浓度时，预测点位于混合过程段时需采用二维连续稳定排放模式见式（7）：

其中：C（x，y）是纵向距离x、横向距离y的点3H浓度，Bq/m3；Ch为河流上游3H浓度（因不考虑上下游影响，故此处为0），Bq/m3；h为平均水深，m；m为3H排放速率，取值25 Bq/s；k为3H综合衰减系数，1/s。

3.2 模型参数确定

3H在河流里横向扩散系数Ey采用泰勒法求取见公式（8）：

其中：g为重力加速度，取值9.8 m/s2；I为水面坡度，无量纲系数。

由公式（8）可知P河枯水期3H的横向扩散系数Ey为0.143。

考虑核素具有明显衰减特征，需要对该特性进行衰减系数设定，核素综合衰减系数k按照式（9）计算：

3.3 3H浓度下游1 km处结果

由公式（6）计算核污水在P河混合过程段长度为4.5 km。此次计算应采用稳态混合模式对排放口下游1 km处受纳水体造成的放射性浓度进行估算。为了保守估算，排放泵按照流量23 m3/s进行排放，采用式（7）进行计算。经4台AP1000机组正常工作排出核废水在污水口下游1 km距离岸边40 m处3H放射性浓度约为86.2 Bq/L，叠加本底值0.08 Bq/L，其水体中的总3H放射性浓度86.28 Bq/L，低于《核动力厂环境辐射防护规定》和《核电厂放射性液态流出物排放技术要求》两项标准中的1 Bq/L的限值。

4 两次模拟结果对比分析

两次模拟方法仅考虑受纳水体与岸边的影响，但实际核电厂放射性液态流出物排入受纳水体时需经过一系列复杂的物理和化学作用后才可能与水体达到一个平衡的状态，而核素大多留在受纳水体中，只有少部分沉积到底部泥土中，本次模拟时未考虑核素的沉积作用假设核素全部存在于水体中。在数值模拟结果中，通过流场我们可以看出因河道的影响导致在P河尾部造成3H的部分淤积导致在P河尾部浓度分布不均匀。通过数值模拟导出的结果在P河下游1 km断面处平均值在78.5 Bq/L。而依据HJ 2.3—2018《环境影响评价技术导则地表水环境》中解析法预测模型计算结果为P河1 km处距岸边40 m处3H浓度为86.28 Bq/L，通过图3的对比可以清楚看到两者在P河下游1 km处预测结果相差不大，可认为此次模拟结果可信，后续将对实测资料进行整理分析得到可靠真实的模拟结果。

核电厂放射性液态流出物通过对受纳水体的稀释与核素自身衰变影响，核污水排放口下游1 km处完全满足环境保护部颁布的核电厂放射性污水排放的两项标准3H浓度小于100 Bq/L的规定，不会影响下游居民饮用水的水质。根据多个内陆核电厂的剂量浓度估算结果显示：核电厂液态放射性流出物对人体的剂量贡献是有限的，远低于国家标准剂量约束值0.25 mSv/a。根据IAEA NO.19报告可计算出氚最大浓度：

其中：C为水体中放射性核素活度浓度，Bq/L；E为放射性核元素对个人有效的剂量标准，mSv/a；Fd为成年人食入某种放射性核素的剂量转换系数，mSv/Bq；Q为成年人摄入饮用水的容积，L/a。

氚在淡水中的剂量转化系数为1.8×10-8mSv/Bq。若假设成年人每年需摄入730 L饮用水，据式（10）则可计算出氚最大浓度为1.903×104Bq/L。而两种方法模拟的结果值都远远小于最大氚浓度值。

5 结论

通过研究内陆核电厂排放的3H放射性废液在受纳水域的浓度扩散得出以下结论：

（1）通过数值模拟导出的结果在排放口下游1 km断面处平均值约78.5 Bq/L。解析法预测模型计算结果为P河下游1 km断面距岸边40 m处3H浓度为86.28 Bq/L，两次浓度结果相差不大，可认为污染物浓度扩散模拟相对准确，后续也将对实测资料进行整理分析得出真实可靠的模拟结果。

（2）河流为恒定流动且废水连续稳定排放，测算结果表明此方法判断依据简单可行，预测模型科学合理。

（3）其排放口下游1 km处完全满足环境保护部颁布的两项标准3H浓度小于100 Bq/L的规定，所以核电厂的放射性液态流出物经过1 km的不断稀释向下游扩散后的浓度对公众的影响较小。