13海南昌江核电厂低放废水数值模拟研究海南昌江核电厂低放废水数值模拟研究 陈丕翔 （广东省水利水电科学研究院，广州，510610） 摘 要：摘 要：建立了工程海域平面二维潮流、低放废水数学模型，对核电厂运营期排放的低放废水输运扩散进行数值模拟，分析核电厂低放废水在海域内输运和扩散规律，得出了不同类型核素的影响面积、取水回归浓度及排水口周围不同距离海域的核素平均浓度，为核电厂取排水工程的设计和环境影响评价提供科学依据 关键词：关键词：海南昌江；核电；低放废水；数学模型 1 项目概况项目概况 海南昌江核电厂新港厂址位于海南省昌江县海尾镇塘兴村，毗临北部湾电厂一期建设 2×650MW 核电机组，电厂冷却水采用直流冷却系统，以海水作为循环冷却水源，一期工程取排 水流量为 81.6m3/s核电厂低放废水随温排水一起排放，由潮流带至附近海域扩散[1]为了分析、 评价低放废水对海域环境造成辐射影响，在工程可行性研究阶段通过数值模拟手段，计算并分析 取、排水整体布置方案下，低放废水在北部湾海域的输移、扩散规律，预报厂址附近海域内低放 废水中不同类型放射性核素的相对浓度分布，为核电厂的取排水工程设计及环境影响评价提供必 要的科学依据。
2 潮流、低放废水数学模型潮流、低放废水数学模型 平面二维潮流、低放废水数学模型可表示如下： ( )( )( )F qG b qtxy∂∂∂++=∂∂∂其中{}qhhuhvhC=, , , 为守恒物理量，( ){}222F qhuhughhuvhuC=+, , , 为x向通量， ( ){}222G qhvhuvhvghhuC=+, , , 为y向通量，( )()()(){}0oxfxoyfyb qgh SSgh SSDhCCSλ=−−−∇∇−+, , , 为源、汇项式中h为水深，u和v分别为x和y向垂向平均流速分量，C为低放废水中核素的浓度，oxS和fxS分别为x方向的底坡和摩阻底坡，oyS和fyS分别为y方向的底坡和摩阻底坡，D为核素物质扩散系数，λ为放射性核素自身衰变产生的浓度衰减系数，S为源、汇项 采用非结构网格有限体积法对方程（1）进行离散得： ( )( )1mnjj jqAFqLAb qt=∂= −+∂∑14其中1dAAΩ=∫∫，( )( )1b qb q dAAΩ=∫∫分别为守恒物理量和源、汇项在控制体内的平均，( )( )( )nxyFqF q nG q n=+为穿越控制体周界的通量，xn、yn为控制体周界上单位外法向向量的x和y方向分量；jL为控制体第j边的边长。
)nFq采用基于黎曼间断的 Osher 格式进行估算[1] 3 电厂取排水工程布置方案电厂取排水工程布置方案 电厂采用明渠取水，排水形式为管排且为深排，取水明渠与排水管间距约 500m，排水口离岸 距离约 2.0km，取、排水口之间布置有防波堤 图 1 电厂取排水工程布置 4 计算条件计算条件 4.1 模型范围与计算网格模型范围与计算网格 根据环评要求，低放废水平面二维数模应给出不同类型放射性核素和余氯在受纳海域内相对 浓度为 0.01 等值线图，因此低放废水平面二维模型的范围应足够大，以使该浓度的等值线位于计 算范围内且不受边界影响此外，结合水文观测站位布置以及低放废水的扩散情况，最终选取模 型范围为整个北部湾海域模型采用三角形和四边形混合网格对计算区域进行离散，为了提高取、 排水口近区的模拟精度， 对取、 排水口附近海域进行局部网格加密， 加密网格的最小边长约为 75m 白马井大铲礁神尖石干冲排浦昌化洋浦角水文测站验潮站海尾海头N图 2 水文观测站位布置 图 3 计算网格 154.2 模型主要参数取值模型主要参数取值 （1）糙率n：经过模型验证，本海域糙率n取值为 0.015～0.020。
（2）核素物质扩散系数D：核素物质扩散系数是分子扩散、紊流扩散以及小于网格尺寸上 的流速的非均匀性引起的混合在方程中的一个综合反映，随具体环境的变化，核素物质扩散系数在一个较大的范围内变动数值试验表明，xD、yD取值在 1.0~5.0 之间时，参数的变化主要影响排水口近区海域的的浓度分布，对远区浓度分布的影响不明显本次计算D取值为 5.0 m2/s （3） 核素浓度衰减系数λ： 参照以往核污染计算的研究成果[2]~[3]， 本次选取短半衰期核素131I、长半衰期核素60Co 以及核素58Co、110mAg 为代表核素进行计算，λ取值见表 1 表表 1 低放射性物质衰变系数低放射性物质衰变系数 核素 131I 58Co 110mAg 60Co 半衰期 8d 70d 250d 5a λ 1.0×10-6 1.1×10-7 3.2×10-8 4.4×10-9 5 潮流场验证潮流场验证 采用 2008 年夏、冬季的全潮水文观测资料[4]对平面二维潮流数学模型进行率定验证，模型开 边界上水位采用丹麦水力学研究所开发的全球潮汐预报模型计算而得，并通过反复调试使模型内 各主要验证点的潮位和流速均尽可能接近实测值。
图 4 为夏季半月潮的计算潮位与实测潮位对比图，图 5 为夏季大潮 1#~12#站垂向平均流速、 流向计算值与实测值对比图，可以看出，无论是潮位还是流速、流向，模型计算值与实测值吻合 良好厂址附近海域潮流为往复流，潮流流向基本与岸线平行，大体呈 NE~SW 方向 昌化-2.0-1.00.01.02.03.02008-6-292008-7-12008-7-32008-7-52008-7-72008-7-92008-7-112008-7-13 时间(h)潮位(m)新港-2.0-1.00.01.02.03.02008-6-292008-7-12008-7-32008-7-52008-7-72008-7-92008-7-112008-7-13 时间(h)潮位(m)洋浦-2.0-1.00.01.02.03.02008-6-292008-7-12008-7-32008-7-52008-7-72008-7-92008-7-112008-7-13 时间(h)潮位(m)实测计算实测计算实测计算图 4 夏季半月潮的计算潮位过程与实测潮位过程对比 1#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)1#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)2#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)2#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)3#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)3#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)4#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)4#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)5#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)5#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)6#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)6#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)167#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)7#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)8#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)8#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)9#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)9#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)10#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)10#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)11#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)11#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)12#0.00.30.60.91.21.5171921231357911131517 时间(h)流速(m/s)12#090180270360171921231357911131517 时间(h)流向(度)图 5 夏季大潮 1#~12#站垂向平均流速、流向计算值与实测值对比 6 计算结果计算结果 6.1 计算稳定条件计算稳定条件 采用的稳定判断条件为：厂址半径 80km 范围海域内核素的平均浓度跨计算周期（15 天）的 变幅小于 0.1%。
经计算发现，历经约 16 个计算周期后，厂址半径 80km 海域内 5 年半衰期核素的 平均浓度跨计算周期的变幅已经小于 0.1%，可以认为核素浓度已达到动态稳定状态 6.2 低放废水浓度场分布特性低放废水浓度场分布特性 潮流是低放废水的载体，低放废水的浓度分布除了受自身衰减速度的影响外，主要取决于潮 流的运动由于厂址附近海域的潮流主要为 NE~SW 方向的往复流，因此核电厂排放的低放废水 主要沿 NE~SW 方向输移扩散，沿岸线垂直方向扩展不远（见图 6、图 7） 核电厂一期装机容量，夏、冬季半月潮条件下，5a 半衰期核素相对浓度大于 0.5 的海域面积 （全潮最大包络面积，以下同）不超过 0.84km2；相对浓度大于 0.1 的海域面积不超过 55.0km2； 相对浓度大于 0.01 的海域面积不超过 677km2（见表 2） 不同半衰期核素相对浓度大于 0.01 的海 域面积对比有以下规律：70d 半衰期核素影响面积约为 8d 半衰期核素的 1.5~2.1 倍，250d 半衰期 核素的影响面积约为 70d 半衰期核素的 1.1 倍， 5a 半衰期核素的影响面积与 250d 半衰期核素的影 响面积相当。
夏季半月潮和冬季半月潮的影响面积相差不大 6.3 核电厂取水回归浓度核电厂取水回归浓度 核电站排出的放射性核素大部分在潮流的作用下向外海输运扩散，部分向核电站的取水口运 动并随电厂取水再次进入循环冷却系统，这种现象称为电厂低放废水的回归核电厂取水回归浓 度受潮流、取排水流量及核素种类等因素影响当潮型、取排水流量相同时，核素的半衰期越长， 电厂的取水回归浓度亦越高计算结果显示，核电厂一期装机容量条件下，夏、冬季半月潮 5a 半 衰期核素的平均取水浓度分别为 0.114 和 0.113（见表 2） ，总体而言，核电厂取水回归浓度较低， 这表明取、排水工程布置是合理的 6.4 距厂址不同距离海域的核素平均浓度距厂址不同距离海域的核素平均浓度 核电厂一期装机容量，夏、冬季半月潮条件下，厂址附近 0~5km、5~20km、20~80km 海域 5a 半衰期核素的平均浓度分别不超过 0.047、0.012 和 0.001（见表 2） ，稀释倍率分别不小于 21、 83、1000，这表明厂址附近海域的潮流稀释能力较强，低放废水排放后能被潮流迅速稀释扩散， 不会在厂址附近累积 17表表 2 低放废水计算结果汇总表低放废水计算结果汇总表 等相对。