核電廠溫排水數學模型計算方法及實踐

李超

【摘 要】本文通過建立二位水流溫升場數學模型，模擬了水流變化規律，以某核電廠為例，選取典型水文條件，分析計算溫排水的影響范圍與程度，希望能為類似核電項目溫排水計算的提供依據。

【關鍵詞】核電廠；溫排水；數學模型

0 前言

國家“十三五”能源規劃將大力發展核電，核電廠址將會日趨集中，核電廠溫排水對環境的影響日益顯現。為此，研究核電廠溫排水數學模型的計算方法具有重要意義。本文采用平面二位水流溫升場數學模型，以某核電廠溫排水為例，重點闡述了數學模型[1]的建立方法、計算條件的選取、數學模型的驗證等內容。

1 平面二維水流溫升場數學模型

1.1 水流數學模型

2）邊界條件：水流數學模型的計算邊界為開邊界，計算時給以潮位邊界條件；固定邊界采用可滑動邊界條件，即？墜U/？墜n=0（U為邊界水流合速度，n為固定邊界法向單位向量）；對于兩岸邊灘，則采用動邊界方法處理。電廠取、排水口均給以恒定流量邊界條件，其進、出口流速隨潮位漲落而變化，由程序自動計算得到。

1.2 溫升場數學模型

1.3 數值計算方法

平面二維水流溫升場數學模型中含有非線性混合算子，可以采用剖開算子法進行離散求解。這一數值方法根據方程所含算子的不同特性，將其剖分為幾個不同的子算子方程，各子算子方程采用與之相適應的數值方法求解。剖開算子法能有效地解決方程的非線性和自由表面問題，具有良好的計算穩定性和較高的計算精度[2]。

2 計算條件的選取

2.1 計算區域及網格布置

某核電工程所在渤海灣海域岸線較為復雜，包括萊州灣、渤海灣和遼東灣等三個大海灣，既有小清河口、黃河口、海河口、灤河口等河口地區，也有菊花島、葫蘆島等幾十個大小島嶼，潮流受水下地形、陸域岸線及島嶼等的影響較大，在黃河口和秦皇島附近水域還存在M2分潮的兩個無潮點。

為較好地復演廠址附近海域的潮流運動，兼顧海洋站點的設置情況，應采用大、小區域嵌套方式進行計算分析，由大區域模型為小區域模型提供水流（潮位）邊界條件。

2.2 計算水文條件

利用原型觀測水文資料作為水流數學模型驗證的水文條件，根據全潮水文原型測驗，選取大潮和小潮2個冬季典型實測水文條件。

典型水文條件主要是溫排水影響預測所需的不利水文條件。根據國家相關規范規程及本專題技術任務書的要求，根據廠址附近黃驊港海洋站2010年～2014年預報逐時潮位資料，統計出該站的日均潮差（每天1個潮差值）值，得到黃驊港海洋站日均潮差統計頻率曲線。根據上述潮差特征值，反查潮汐報表，得到不同潮差的發生日期，由此得到計算采用的典型水文條件。

2.3 計算組次安排

根據核電項目六臺機組的取水量和排水量，2種設計工況，得到溫排水數模計算組次：6（六種典型水文條件）×2（兩種設計工況）=12。因此，溫排水排放數值模擬研究的計算組次共計12組。

3 數學模型驗證計算

結合冬季原型水文觀測資料，對上述建立的平面二維水流數學模型進行了驗證計算。綜合分析計算結果，可見：

1）潮位驗證結果良好：高、低平潮的潮位誤差基本小于5cm，潮時誤差基本小于10min；表明計算得到的潮波運動與實際潮波吻合良好，本數學模型較好地反映了工程所在海域的實際潮波運動情況。

2）流速（向）驗證結果較好：實測潮型下各點流速誤差基本小于0.05m/s，流向誤差基本小于15°，漲、落潮發生時刻誤差基本小于10min；表明模型較好地反映了廠址附近海域潮流主要為往復流、流向基本與岸線垂直的水流特性。

3）流量驗證結果良好：實測潮型下斷面流量計算值與實測變化規律基本一致，各點流量誤差基本小于5%；表明模型較好地反映了附近河道的水流變化特性。

4 結論

綜上所述，通過建立平面二維水流數學模型，能夠較好地模擬核電所在海域及主要入海河流的水（潮）流變化規律，可以滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》（JTS/231-2010）的要求，其計算結果是可信的，水流計算參數是合理的，可以利用該數學模型進行核電溫排水排放的計算分析研究，希望能夠為同類核電項目溫排水計算提供參考依據。

【參考文獻】

[1]孫艷濤，等.長江水域電廠溫排水數值模擬[J].南水北調與水利科技，2013（6）：163-166.

[2]吳時強，等.液化天然氣接收站取排水工程冷排水影響預測與分析[J].水利水運工程學報，2007（3）：38-43.

[責任編輯：田吉捷]