田灣核電站擴建工程泥沙問題研究

崔方水，顧 磊,李文丹

（1.中核集團江蘇核電有限公司，連云港222042；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

田灣核電站擴建工程泥沙問題研究

崔方水1，顧 磊1,李文丹2

（1.中核集團江蘇核電有限公司，連云港222042；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

文章研究了連云港核電站擴建后工程海區有關的泥沙問題。首先對該海區自然條件和沖淤演變進行了分析。其次，使用考慮波浪作用的二維潮流泥沙數學模型，對田灣核電站擴建工程實施后的二維潮流場、泥沙場、地形沖淤場進行了模擬計算。最后，采用大風驟淤三維數學模型研究手段，研究了該工程實施后取水明渠內驟淤情況。研究結果表明，從水流泥沙角度考慮，田灣核電站擴建工程的實施是可行的。

數學模型；擴建工程；潮流；泥沙；驟淤；連云港

田灣核電站位于連云港市高公島，北側是連云港港。本次研究主要考慮了連云港旗臺港區防波堤規劃、黃窩吹填圍堰、徐圩港區總體規劃工程以及田灣核電站取排水擴建工程［1-2］。旗臺港區擴建工程是指沿旗臺港區外邊界向外海方向延伸至約-7.5m（56黃?；妫┑壬罹€處，北堤端部建一防波堤，與連云港口門北側東西連島南側擬建的防波堤形成環抱型。黃窩吹填工程是指在旗臺港區南側和核電工程取水明渠北堤之間圍墾造陸，沿陸地邊界向外海方向延伸約2.3 km，形成陸域面積約3.72 km2。徐圩港區總體規劃工程是在埒子口上方進行適當圍墾（外推9 km左右），東、西兩防波堤內形成“王”字型港池布置，港內水域面積約為28.65 km2。徐圩港區航道按30萬t級考慮，有效寬度350m，設計底標高-25.4m，航道軸線保持不變。田灣核電站取水導流堤包括南、北兩條堤，南北兩條堤在一期取水明渠的基礎上東延1.5 km，北導流堤再向東北外延500m，南導流堤再向東北延長2 600m，南、北導流堤中心線間距約320m。取水明渠考慮規劃容量1～8號機組共用，布置方案中取水明渠導流堤與黃窩吹填區圍堰部分結合，對于明渠單導流堤段考慮通過開挖形式形成取水明渠，1～8號機組共同運行時明渠底寬190m，明渠底高程-6.6m。排水導流堤在1#、2#機組排水口北堤基礎上通過505 m長的120°圓弧轉向西南，再直線延伸700 m，形成一半環抱型導流堤。1～8號機組的排水明渠也通過開挖形成,明渠內底標高-3.5m；排水口處位于約-2.0m等深線處。

鑒于連云港旗臺港區防波堤規劃、黃窩吹填圍堰、徐圩港區規劃工程以及田灣核電站新取排水布置方案的實施［1-2］對海岸線和流場預計可能發生較大的變化。本文主要采用二三維數學模型研究方法，預測了核電站壽期內取排水工程附近海域泥沙沖淤及取水明渠內年淤積和驟淤情況，保證取水安全，并為工程布置方案的確定提供可靠的基礎資料和科學依據。

1 自然條件及岸灘演變分析

本工程海區潮汐屬非正規淺海半日潮型，平均潮差達3.66 m。工程海區外側潮流呈逆時針旋轉，不同位置主流向略有變化，其中漲潮自北向南，主流向為SSW（200°），落潮自南向北，主流向為NNE（30°）。據2009年和2010年水文全潮觀測資料統計，各站漲落潮潮段平均流速隨著向海域推進而逐漸增大。據工程及附近海域1997～1998年固定觀測站資料統計，核電站取水海域年均含沙量為0.243 kg/m3，與鄰近高公島、燒香河、東連島諸站水域相比，為含沙量較小的水域，在一年當中海域含沙量以當年11月～翌年2月為較高時期，含沙量可達0.237～0.308 kg/m3，夏季6～8月為全年含沙量最小的季節，5月份最低，可達0.150 kg/m3。根據1998年前的底質資料分析，工程海區沉積物主要為粉砂質粘土和粘土質粉砂，據2005年9月底質資料分析，該海域以沙質粉砂和粘土質粉砂為主，說明該海域泥沙淤積主要為懸移質泥沙搬運沉積。

本文采用多個水深測圖和海圖對工程水域附近進行了水深對比分析可知，1962～2005年間歷時44 a，靠海一側呈現南側海域沖刷、北側海域淤積的變化，變化幅度由沖刷0.11 m到淤積0.40 m，靠岸一側除去部分沖刷0.43～0.47 m外，其他部分由沖刷0.17 m變為淤積0.33 m，同樣整體上沖淤變化幅度年最大也僅在1.0 cm以內。由此可得，該工程及其附近海域多年來呈現有沖淤變化，其多年平均年變化幅度在1.0 cm以內，整個海床范圍處于基本穩定狀態［1-3］。

2 二維潮流泥沙數學模型

二維潮流泥沙數學模型采用TK-2D軟件中考慮波浪及其破碎作用的基于三角形網格的潮流數學模型和考慮波流共同作用下的泥沙數學模型模塊［4-5］。

2.1 模型建立與驗證

二維潮流和泥沙數學模型東邊界到120°00′E，北邊界到34°55′N，南北距離約55 km，東西距離約76.6 km。采用三角形網格剖分計算域［6］：三角形網格節點數為40 890個，三角形個數為80 748個，相鄰網格節點最大間距為1 402.12m，最小間距為9.04m。

潮位及流速流向驗證參見文獻［1］。正常天氣下，一般認為泥沙主要與海域的潮流動力作用有關，而實際情況當中，泥沙運動與潮流并不一定完全對應，或多或少都會有波浪的影響，因此只靠正常天氣含沙量的驗證來率定模型的參數不夠充分，年平均含沙量場計算時不僅要考慮潮流的影響，還要考慮波浪動力條件，用年平均含沙量作為進一步驗證和率定參數，使整個模型的率定過程更加準確和可靠。其中年均波浪場主要根據大西山海洋站1962～2003年實測波浪資料分向分級統計結果對NE、E、NNE、ENE浪向進行了驗證計算。正常天氣含沙量和年均含沙量驗證參見文獻［1］。大西山海洋站和羊山島有常年實測含沙量，分別為0.20～0.21 kg/m3和0.24 kg/m3，通過數值模擬，年均含沙量計算值與實測值基本一致。海底地形沖淤變化計算考慮了大、中、小潮、各向向岸波分級波浪的組合，驗證則采用了田灣核電站一、二期取水明渠的淤積結果和取水明渠附近8個斷面1997年和2005年兩次地形（以1997年為基礎，模擬到2005年）進行了驗證［1］。

圖1 工程實施后漲落潮流場圖Fig.1 Flow field at flood and ebb strength of tide after project

2.2 工程后潮流場分布

圖1給出了工程前后漲落急時刻流場圖。由圖可見：

（1）工程海域等深線和岸線接近順直平行，外海潮流以逆時針的旋轉形式運動，漲潮近似西南向，落潮近似東北向。（2）工程方案實施后，工程區以外潮流運動基本不變，流場變化主要就集中在工程附近區域，流場變化主要由工程建設引起的，取排水量不同而造成的流場變化不大。（3）旗臺港區防波堤與取水明渠防波堤之間、徐圩港區內以及取水明渠與徐圩港區之間形成成了明顯的弱流區，有利于泥沙落淤。

2.3 工程后明渠淤積情況

由工程后廠址所在海區的流場分析可知，在2條防波堤的掩護下，取水口所在海區受漲落潮影響較小，漲落潮過程中防波堤間水體主要通過防波堤前端的開口與外海區的水體發生交換，防波堤外水體攜帶的懸沙經過明渠進入取水口，并沿程落淤。由于取水口在近岸，漲落潮水流攜帶的泥沙經過取水明渠落淤后，泥沙含量逐漸減小，相應的泥沙淤積也沿程減弱。利用經過驗證的泥沙運動與沖淤數學模型，對方案實施后取水明渠內年淤積情況進行了計算，經計算可知取水明渠內年平均淤積強度為0.76 m/a［7-8］。

2.4 工程后灘面沖淤情況

工程實施后，受工程建設影響，局部位置如防波堤堤頭、排水明渠外側會出現局部沖刷外，大部分為促淤環境。圖2給出了方案實施后，達到基本沖淤平衡狀態時，工程附近灘面沖淤變化?？梢?，工程方案實施后，取水明渠附近有限范圍內發生了沖淤，取水明渠口門東南側發生了沖刷，取水明渠南北兩側發生了淤積；排水口附近發生沖刷，排水明渠僅在口外附近岸灘水深地形有變化；取水明渠和徐圩港區之間發生淤積。

圖2 沖淤平衡分布Fig.2 Distribution of siltation and erosion

3 三維大風驟淤數學模型

田灣核電站位于江蘇省北部黃海海州灣西南岸—連云港的南側，該海域常遭受臺風和寒潮大風的侵襲。在正常天氣，該海域含沙量比較低，而大風天情況下，波浪掀沙作用強，底部會出現高含沙量，對田灣核電站取排水明渠淤積可能會造成一定的影響。本文主要利用三維潮流泥沙數學模擬技術，預測類似于2007年9月“韋帕”臺風入侵后，田灣核電站取水明渠和排水口的泥沙淤積情況［9-10］。

本次三維大風驟淤數學模型計算所采用的臺風場數學模型、臺風作用下的波浪數學模型、三維潮流數學模型和三維泥沙數學模型的建立以及驗證參見文獻［1］。中國海臺風場和氣壓場模型，其南邊界取至臺灣島以南海域，北至遼東灣，東邊界至E 132°經線，計算域為1 590 km×2 390 km，模型采用正四邊形網格，空間步長為5 km×5 km，采用大西山海洋站實測的風速過程進行了驗證。為了更準確地模擬臺風期間形成的波浪過程，從大到小建立了4層模型，采用4層嵌套的方式對波浪進行模擬，從大到小分別為中國海波浪模型、海州灣海域模型、連云港海域模型以及工程海域小模型，并采用連云港港口南側海域在-3m、-5m處2個波浪臨時測站在臺風其間波浪資料對該海域的波浪場及其過程進行驗證?？紤]到本次主要研究取排水明渠的驟淤問題，為了將明渠細化，三維模型又采用嵌套進行計算，三維潮流及泥沙數學模型采用漸變網格對取水明渠進行了加密處理，最大網格300 m，最小網格10 m，其中含沙量的驗證采用工程區-3 m和-5 m等深線位置實測“韋帕”臺風期間含沙量進行驗證，地形沖淤驗證采用“韋帕”臺風期間連云港30萬t級航道內驟淤資料對其進行驗證。

通過三維“韋帕”臺風期間取水明渠內驟淤計算可知（圖3），在類似“韋帕”臺風作用下，取水明渠附近產生了淤積，但淤積厚度不大，基本都在0.11m以下，因此該工程實施后驟淤可能性不大。

圖3 取水明渠驟淤分布Fig.3 Distribution of sudden siltation in intake open channel

4 結語

本文主要采用二三維數學模型方法，預測了田灣核電站取排水工程附近海域泥沙沖淤及取水明渠內年淤積情況，主要結論有：（1）工程方案實施后，工程區以外潮流運動基本不變，流場變化主要集中在工程附近區域，流場變化主要由工程建設引起的。旗臺港區防波堤與取水明渠防波堤之間、徐圩港區內以及取水明渠與徐圩港區之間形成了明顯的弱流區，有利于泥沙落淤。（2）取水明渠內年平均淤強為0.76m/a。（3）在類似“韋帕”臺風作用下，取水工程實施后驟淤可能性不大。（4）取水明渠兩側灘面淤高，排水口外側沖深。（5）從對取排水附近海區的水沙環境影響角度考慮，在取水明渠內準備好備淤深度，定期維護，取水工程方案是可行的。（6）在工程建設期間及完工后應加強現場監測工作。

［1］李文丹,張娜.田灣核電站擴建工程5、6號機組取排水工程泥沙沖淤演變及岸灘穩定性數學模型試驗研究［R］.天津:交通部天津水運工程科學研究所,2010.

［2］閆勇,麥苗.田灣核電站擴建工程5、6號機組取排水工程泥沙沖淤演變及岸灘穩定性物理模型試驗研究［R］.天津:交通部天津水運工程科學研究所,2010.

［3］吳以喜,麥苗,閆勇.田灣核電站附近岸灘演變及泥沙淤積分析研究［R］.天津:交通部天津水運工程科學研究所,2006.

［4］李孟國,張華慶,陳漢寶,等.海岸河口多功能數學模型軟件包TK-2D的開發研制［J］.水運工程,2005（12）:1-4. LIM G,ZHANG H Q,CHEN H B,et al.Development of multi-functional mathematical model software package TK-2D on coast and estuary［J］.Port&Waterway Engineering,2005（12）:1-4.

［5］李孟國,張華慶,陳漢寶,等.海岸河口多功能數學模型軟件包TK-2D的研究與應用［J］.水道港口,2006,27（1）:51-56. LIM G,ZHANG H Q,CHEN H B,et al.Study on multi-function mathematical model software package TK-2D and its application for coast and estuary［J］.Journal of Waterway and Harbor,2006,27（1）:51-56.

［6］李孟國.三角形網格在水動力水環境數學模型中的應用［J］.水利水運工程學報,2001（3）:59-64. LIM G.Application of triangular mesh in mathematical models of hydrodynamic and hydro-environment field［J］.Hydro-Science and Engineering,2001（3）:59-64.

［7］李孟國.田灣核電站海域潮流泥沙數值模擬研究［J］.泥沙研究,2008,4（2）:16-23. LIM G.Numerical modeling of tidal current and sediment movement in the coastal area near Tianwan Power Station［J］.Journal of Sediment Research,2008,4（2）:16-23.

［8］李孟國.港口開發建設對田灣核電站取水工程的影響［J］.中國港灣建設,2007,2（1）:23-26. LIM G.Numerical modeling of tidal current and sediment movement in the coastal area near Tianwan Power Station［J］.China Harbour Engineering,2007,2（1）:23-26.

［9］趙群,盧佐.2007年9月臺風“韋帕”過境時連云港波浪、潮流、泥沙現場觀測報告［R］.天津:交通部天津水運工程科學研究所,2008.

［10］左書華,張娜,龐啟秀,等.連云港徐圩航道泥沙環境及大風天回淤研究［R］.天津:交通部天津水運工程科學研究所,2009.

Sediment problems related to expansion project of Tianwan Nuclear Power Plant

CUIFang-shui1,GU Lei1,LIW en-dan2
(1.Jiangsu Nuclear Power Co.,Ltd.,Lianyungang 222042,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The sediment problems related to the expansion project of Lianyungang Power Plant was studied in this paper.Firstly,the natural conditions and sediment environments in the sea area near the project were analyzed.Secondly,based on the observed data,a two-dimensional mathematical model of tidal flow and sediment was used to study the tidal current field,sediment field,terrain siltation and erosion field after the implementation of expansion project.Finally,the sudden deposition in the intake open channel was studied by the three-dimensional model under strong wind.The results show that it is feasible to implement the expansion from the view of tidal current and sediment.

mathematical model;expansion project;tidal current;sediment;sudden deposition; Lianyungang

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0323-04

2013-04-02；

2013-05-06

崔方水（1976-），男，山東省人，高級工程師，主要從事海濱核電工程設計及研究管理。

Biography：CUIFang-shui（1976-）,male,senior engineer.