基于MIKE21的濱海核設施液態流出物稀釋擴散規律及排放優化的模擬研究

左慶寧，林大超，邱 林，王曉亮

(中國核電工程有限公司，北京 100048)

隨著我國海洋開發利用程度的不斷提高，加強海洋生態保護、堅持綠色發展道路成為我國海洋發展的基本理念。為降低濱海核設施的液態流出物中放射性核素的排放對水生態環境和公眾的影響，需要研究排放的點位、排放口形式、排放時序選取等因素對液態流出物中的放射性核素稀釋擴散規律的影響，優化排放方案，最大限度地利用海域內潮流的稀釋擴散能力，使得液態流出物排放后的擴散范圍盡可能遠離岸線，降低近岸的放射性核素濃度，從而降低公眾和環境的輻射劑量。

對于一些半衰期較長的放射性核素，如氚、C-14等，很難在短時間內依靠自身衰變降低濃度，因此廠址海域的水動力特性、交換能力成為決定其稀釋擴散的關鍵因素。本文以我國某海域為例，研究某核設施的液態流出物中以氚為主的核素在該海域的稀釋擴散規律，研究排放時段、潮位、風向等相關因素對放射性核素在海域稀釋擴散及近岸濃度的影響，并依據模擬結果對排放方案提出優化建議。

1 排放海域水動力模擬計算

1.1 MIKE21軟件及其原理

本文研究使用丹麥水力研究所開發的MIKE21軟件的水動力模塊和對流擴散模塊進行模擬計算。海域潮流場及濃度場滿足如下沿深度平均的平面二維水流方程：

連續性方程，

(1)

運動方程，

(2)

(3)

物質傳輸方程，

(4)

式中，h0為基準面水位(m);h為基準面以下水深(m);H(H=h0+h) 為絕對水深(m);C為謝才系數(m1/2/s);g為重力加速度常數(m/s2);Ω為柯氏力系數(1/s);f為風應力系數(無量綱)；V為風速，Vx、Vy分別為風速沿x、y方向的分速度(m/s);ρ為流體密度(kg/m3)；Ex、Ey、Exy為剪應力系數(kg/m·s2);φ為液態流出物濃度;φ0為排放的初始濃度;Dx、Dy分別為x、y方向擴散系數(m2/s);u、v為x,y方向的水深平均流速(m/s);λ為核素的衰變常數(1/s);q為排水口流量(m3/s)，δS為排口所在網格的面積。

1.2 核設施海域潮流場信息

本文研究的核設施液態流出物排放海域東西跨度約20 km，南北跨度約10 km。模擬時段為冬季1月—3月，其中，以2月13日15時至2月28日15時的潮位數據作為典型半月潮，2月20日9時至2月21日9時作為典型大潮，2月24日12時至2月25日12時作為典型中潮，2月27日14時至2月28日14時作為典型小潮。

1.3 計算條件

1.3.1坐標選取與網格劃分 坐標系選取西安80坐標系，模擬核設施廠址20 km范圍內的海域，橫坐標范圍在658 000～682 000 m之間，縱坐標范圍在319 200～3 203 000 m之間。采用三角形網格對計算海域進行劃分，從排口位置由近及遠網格長度為10～500 m，在近岸及島嶼處網格進行局部加密，共約50 000個網格，網格劃分如圖1所示。

圖1 海域的網格及水下地形

1.3.2邊界條件 陸地邊界為固定壁面條件，即壁面的流速為0，海域邊界采用開邊界，邊界的水位數據由MIKE21軟件自帶的全球潮汐預報模型得到。

1.3.3水動力及擴散參數 根據前期海域水下地形的勘探工作，模擬計算海域的糙率系數n(s/m1/3)與水深h(m)滿足經驗公式:n=0.015+0.012/h，其中糙率系數n與公式(2)～(3)中的謝才系數C滿足關系C=h1/6/n；剪應力系數設置為0.28 kg/m·s2，水平擴散系數設置為1 m2/s。

1.3.4排放源項 在西安80坐標系下，排放點的坐標為(671 847 m，3 197 913 m)假定該核設施正常運行時，液態流出物中主要核素氚和C-14的年排放量分別為1.5×1016Bq和6×1012Bq，每年排放的液態流出物體積為6×105m3。排口處氚和C-14的濃度分別為2.5×107Bq/L和1×107Bq/L。

1.4 潮流場率定

在典型大潮下，模擬得到的潮流場的潮位、流速、流向和實測值的對比結果示于圖2、圖3。

圖2 典型大潮的水位率定

圖3 典型大潮的流場率定

潮流場率定結果表明，用MIKE21模擬得到的排放海域的水動力條件與實際情況相近，模擬結果具有海域實際潮流場的特征，故能使用該模型對液態流出物中放射性核素的稀釋擴散規律進行模擬。

2 液態流出物稀釋擴散規律模擬與分析

本文主要模擬了不同潮型、潮位、排放時段及風場對液態流出物稀釋擴散的影響。主要模擬了氚的稀釋擴散規律，并依據氚的稀釋擴散規律提出合適的排放優化方案，依據方案計算近岸處的氚以及C-14的濃度，并評估其環境影響。

模擬得到的液態流出物稀釋擴散效果主要由以下指標來衡量。

(1) 區域近岸約1 km處的海岸線上的氚和C-14的濃度隨時間變化趨勢及全潮平均濃度，測量線如圖4所示，同時還在入海口處設置了觀測點測量放射性核素的濃度。圖4標出了近岸濃度評價線的位置及排放源的位置。

圖4 近岸放射性核素稀釋擴散指標檢測示意圖

(2) 模擬得到整個計算域的全潮最大濃度的濃度場。參考標準《核動力廠環境輻射防護規定》(GB 6249—2011)中核設施排放口下游1 km處的氚濃度不得超過100 Bq/L，因此重點考慮氚的全潮最大濃度超過100 Bq/L的海域面積。

2.1 潮型的影響

2.1.1計算工況 模擬了在典型半月潮下，分別在全時段均勻排放和落潮時排放對液態流出物擴散的影響。均勻排放工況下，在整個模擬時間內，液態流出物以恒定流量(0.019 02 m3/s)連續排放；落潮排放工況下，液態流出物僅在落潮時以恒定流量(0.038 04 m3/s)連續排放。

2.1.2模擬結果 以均勻排放工況為例展示了入海口觀測點放射性核素相對排水口濃度隨潮汐作用變化情況及全潮最大濃度場。由圖5中的模擬結果可知，核設施排放液態流出物后，在潮汐作用的影響下，近岸區域放射性核素濃度先逐步上升，后趨于穩定，隨著潮汐呈周期性變化，在漲潮時濃度上升，落潮時濃度下降。整個海域放射性核素濃度大致以排放點為中心，離排放點越遠濃度越低。

圖5 入海口觀測點氚濃度在潮汐作用下的變化曲線

同時由圖6(a)所示的模擬結果表明，在均勻排放的工況下，近岸區域北側放射性核素中氚的濃度超過了100 Bq/L(模擬得到的是氚相對于排放口液態流出物中氚的濃度，排放口氚濃度為2.5×1010Bq/m3,因此100 Bq/L所對應的相對濃度為4×10-6)，氚濃度超過100 Bq/L的海域面積為149 km2(為圖6中的紅色區域)。因此該核設施連續均勻排放液態流出物無法滿足工程項目的近岸海域水質要求。

圖6 不同潮型下排放液態流出物時海域中氚的全潮最大濃度場

由圖6和表1所示的模擬結果表明，在落潮時排放液態流出物，近岸放射性核素的濃度更低，更有利于其向遠海的稀釋擴散。基于不同潮型下液態流出物稀釋擴散的模擬結果，在研究潮位及排放方案的影響時，均考慮落潮排放時的工況。

表1 在不同潮型下排放液態流出物后近岸的氚濃度

2.2 潮位的影響

2.2.1計算工況 模擬了在典型大、中、小潮下的落潮時刻排放對液態流出物擴散的影響。以典型大、中、小潮位控制潮型，模擬在落潮時段均勻連續排放液態流出物(排放流量為0.038 04 m3/s)時放射性核素的稀釋擴散規律。

2.2.2模擬結果 由圖7和表2所示的模擬結果表明，在大潮和中潮時段排放液態流出物的工況下，近岸放射性核素濃度遠低于小潮排放的工況。故選擇潮差更大的時段排放液態流出物，更有利于放射性核素向遠海的擴散。

圖7 不同潮差下排放液態流出物時海域中氚的全潮最大濃度場

表2 在不同潮位下排放液態流出物后近岸的氚濃度

2.3 排放時段的影響

2.3.1集中排放與均勻排放的影響比較

(1) 計算工況

模擬了以典型大潮為控制潮型，在落潮時段連續均勻排放液態流出物(排放流量為0.038 04 m3/s)和分別集中在落潮的第1個小時、前2個小時、前3個小時排放液態流出物(排放流量分別為0.228 2 m3/s、0.114 1 m3/s、0.076 08 m3/s)對放射性核素稀釋擴散規律的影響。

(2) 模擬結果

在典型大潮落潮時，連續均勻排放和落潮時第1個小時、落潮前2個小時、落潮前3個小時排放液態流出物后氚的稀釋擴散模擬結果如圖8和表3所示。模擬結果表明，液態流出物的排放時段越集中，越有利于放射性核素向遠海的擴散，且集中排放液態流出物更加便于核設施的管理和監測。

圖8 不同時長下排放液態流出物時海域中氚的全潮最大濃度場

表3 在不同排放時段下排放液態流出物后近岸的氚濃度

2.3.2不同集中排放時段的比較

模擬了典型大潮下，在落潮時第1至第6個小時分別集中排放液態流出物后(排放流量為0.228 2 m3/s)，氚的的稀釋擴散規律。由表4及圖9所示的模擬結果表明，從落潮第1個小時到第6個小時分別排放液態流出物時，近岸區域的放射性核素濃度依次增加，且在落潮第6個小時排放時，近岸核素的濃度比之前高出了一個指數級。在落潮的第1個小時排放液態流出物時，放射性核素向遠海擴散效果最好。

表4 在不同排放時段下排放液態流出物后近岸氚的濃度

圖9 不同時段排放液態流出物時海域中氚的全潮最大濃度場

2.4 分析與小結

通過對潮型、潮差及排放時段對放射性核素在海域稀釋擴散規律影響的模擬，分析得知，當海域的潮汐由漲潮轉為落潮剛開始的時段，是潮位變化最急的時段，該時段洋流更加趨向于向遠海流動，因此在落潮剛發生的時段里核設施排放液態流出物，更有利于放射性核素向遠海的擴散，該時段也是排放液態流出物的最佳時段。

3 排放優化建議及方案模擬

基于第2節中對潮型、潮差及排放時段對放射性核素在海域稀釋擴散規律影響的模擬，本文為該核設施提出的建議排放方案為在落潮的第1個小時里排放液態流出物。在典型連續半月潮下，模擬依據此排放方案下液態流出物的稀釋擴散規律，模擬得到的氚核素的全潮最大濃度場及核素相對排放口濃度的包絡線面積分別示于圖10和列于表5。

圖10 依據優化方案模擬得到的全潮最大濃度場

表5 不同相對濃度下的包絡線面積

依據本文近岸海水氚濃度100 Bq/L的限制，該濃度在本研究中所對應的相對濃度為4×10-6，所對應的包絡線面積為107.42 km2，由圖7可知在近岸5 km內的海域中氚的濃度均未達到該值，且在近岸觀測線上氚和C-14的最大濃度分別為83.78 Bq/L和0.034 Bq/L。

依據IAEA第19號報告中提供的劑量評價模型[10]，液態流出物對公眾照射的總劑量De滿足公式：

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為公眾個人食入k海域內海產品p所致的有效劑量(Sv/a)；Des為岸邊沉積物對公眾個人所致的有效劑量(Sv/a)；Dew為在k海域內公眾個人游泳和水上活動時，受到的有效劑量(Sv/a)；Cpki為在k海域內的海產品中放射性核素i的濃度(Bq/kg)；Up為公眾個人的海產品p消費量(kg/a)；λi為放射性核素i的衰變常數(h-1)；tp為海產品p從捕撈到被消費的時間間隔(h)；DFei為因食入海產品p，放射性核素i對公眾個人的有效劑量轉換因子(Sv/Bq)；Cwki為靠近岸邊的海水中放射性核素i濃度(Bq/m3)；Kdi為核素i的吸附分配系數(m3/kg)；W為岸寬因子，無量綱；DS為有效沉積密度(kg/m2)；OF為岸邊居留因子，或個人一年內在受污染岸邊度過的時間份額，無量綱；Te為有效累積時間，取一年；DFsi為岸邊沉積物中放射性核素i對公眾個人的有效劑量轉換因子((Sv·m2)/(Bq·a))；Up1、Up2分別為公眾個人在k海域內一年中游泳和水上活動時間份額，無量綱；DFwi為在海中游泳和水上活動時，放射性核素i對公眾個人的有效劑量轉換因子((Sv·m3)/(Bq·a))，Bpi為海產品p中放射性核素i的濃集因子(m3/kg)。

依據模型的評估結果，該近岸濃度造成的年劑量約為13.1 μSv，根據國家標準《核動力廠環境輻射防護規定》(GB 6249—2011)，每座核電廠向環境釋放的放射性核素對公眾造成的個人年有效劑量應小于0.25 mSv，模擬計算的劑量遠低于該限值，故在模擬驗證下該排放方案可行。

4 總結

(1) 本文使用MIKE21軟件建立了我國某海域的水動力模型，模擬結果與該海域潮流場實測結果基本相符。

(2) 基于建立的水動力模型，模擬了在不同排放情況下核設施液態流出物在海域的稀釋擴散規律，通過對規律的詳細研究分析，表明在落潮時排放液態流出物，且排放時潮差越大，排放越集中，近岸放射性核素濃度越低，越有利于核設施排放的液態流出物向遠海的擴散。

(3) 基于不同工況的模擬研究，提出了在落潮的第1個小時排放液態流出物的優化方案，并模擬驗證了該方案的可靠性。

(4) 本文進行了核設施液態流出物的稀釋擴散規律及排放優化的模擬，為我國濱海核設施液態流出物排放方案的選擇和優化提供了相應的科學依據，在工程上具有一定的應用價值。