田灣核電站擴(kuò)建工程泥沙問(wèn)題研究

崔方水，顧 磊,李文丹

（1.中核集團(tuán)江蘇核電有限公司，連云港222042；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

田灣核電站擴(kuò)建工程泥沙問(wèn)題研究

崔方水1，顧 磊1,李文丹2

（1.中核集團(tuán)江蘇核電有限公司，連云港222042；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

文章研究了連云港核電站擴(kuò)建后工程海區(qū)有關(guān)的泥沙問(wèn)題。首先對(duì)該海區(qū)自然條件和沖淤演變進(jìn)行了分析。其次，使用考慮波浪作用的二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)田灣核電站擴(kuò)建工程實(shí)施后的二維潮流場(chǎng)、泥沙場(chǎng)、地形沖淤場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。最后，采用大風(fēng)驟淤三維數(shù)學(xué)模型研究手段，研究了該工程實(shí)施后取水明渠內(nèi)驟淤情況。研究結(jié)果表明，從水流泥沙角度考慮，田灣核電站擴(kuò)建工程的實(shí)施是可行的。

數(shù)學(xué)模型；擴(kuò)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(cè)是連云港港。本次研究主要考慮了連云港旗臺(tái)港區(qū)防波堤規(guī)劃、黃窩吹填圍堰、徐圩港區(qū)總體規(guī)劃工程以及田灣核電站取排水?dāng)U建工程［1-2］。旗臺(tái)港區(qū)擴(kuò)建工程是指沿旗臺(tái)港區(qū)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(mén)北側(cè)東西連島南側(cè)擬建的防波堤形成環(huán)抱型。黃窩吹填工程是指在旗臺(tái)港區(qū)南側(cè)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(qū)總體規(guī)劃工程是在埒子口上方進(jìn)行適當(dāng)圍墾（外推9 km左右），東、西兩防波堤內(nèi)形成“王”字型港池布置，港內(nèi)水域面積約為28.65 km2。徐圩港區(qū)航道按30萬(wàn)t級(jí)考慮，有效寬度350m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-25.4m，航道軸線保持不變。田灣核電站取水導(dǎo)流堤包括南、北兩條堤，南北兩條堤在一期取水明渠的基礎(chǔ)上東延1.5 km，北導(dǎo)流堤再向東北外延500m，南導(dǎo)流堤再向東北延長(zhǎng)2 600m，南、北導(dǎo)流堤中心線間距約320m。取水明渠考慮規(guī)劃容量1～8號(hào)機(jī)組共用，布置方案中取水明渠導(dǎo)流堤與黃窩吹填區(qū)圍堰部分結(jié)合，對(duì)于明渠單導(dǎo)流堤段考慮通過(guò)開(kāi)挖形式形成取水明渠，1～8號(hào)機(jī)組共同運(yùn)行時(shí)明渠底寬190m，明渠底高程-6.6m。排水導(dǎo)流堤在1#、2#機(jī)組排水口北堤基礎(chǔ)上通過(guò)505 m長(zhǎng)的120°圓弧轉(zhuǎn)向西南，再直線延伸700 m，形成一半環(huán)抱型導(dǎo)流堤。1～8號(hào)機(jī)組的排水明渠也通過(guò)開(kāi)挖形成,明渠內(nèi)底標(biāo)高-3.5m；排水口處位于約-2.0m等深線處。

鑒于連云港旗臺(tái)港區(qū)防波堤規(guī)劃、黃窩吹填圍堰、徐圩港區(qū)規(guī)劃工程以及田灣核電站新取排水布置方案的實(shí)施［1-2］對(duì)海岸線和流場(chǎng)預(yù)計(jì)可能發(fā)生較大的變化。本文主要采用二三維數(shù)學(xué)模型研究方法，預(yù)測(cè)了核電站壽期內(nèi)取排水工程附近海域泥沙沖淤及取水明渠內(nèi)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(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 自然條件及岸灘演變分析

本工程海區(qū)潮汐屬非正規(guī)淺海半日潮型，平均潮差達(dá)3.66 m。工程海區(qū)外側(cè)潮流呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，不同位置主流向略有變化，其中漲潮自北向南，主流向?yàn)镾SW（200°），落潮自南向北，主流向?yàn)镹NE（30°）。據(jù)2009年和2010年水文全潮觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，各站漲落潮潮段平均流速隨著向海域推進(jìn)而逐漸增大。據(jù)工程及附近海域1997～1998年固定觀測(cè)站資料統(tǒng)計(jì)，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(dāng)中海域含沙量以當(dāng)年11月～翌年2月為較高時(shí)期，含沙量可達(dá)0.237～0.308 kg/m3，夏季6～8月為全年含沙量最小的季節(jié)，5月份最低，可達(dá)0.150 kg/m3。根據(jù)1998年前的底質(zhì)資料分析，工程海區(qū)沉積物主要為粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂，據(jù)2005年9月底質(zhì)資料分析，該海域以沙質(zhì)粉砂和粘土質(zhì)粉砂為主，說(shuō)明該海域泥沙淤積主要為懸移質(zhì)泥沙搬運(yùn)沉積。

本文采用多個(gè)水深測(cè)圖和海圖對(duì)工程水域附近進(jìn)行了水深對(duì)比分析可知，1962～2005年間歷時(shí)44 a，靠海一側(cè)呈現(xiàn)南側(cè)海域沖刷、北側(cè)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(cè)除去部分沖刷0.43～0.47 m外，其他部分由沖刷0.17 m變?yōu)橛俜e0.33 m，同樣整體上沖淤變化幅度年最大也僅在1.0 cm以內(nèi)。由此可得，該工程及其附近海域多年來(lái)呈現(xiàn)有沖淤變化，其多年平均年變化幅度在1.0 cm以內(nèi)，整個(gè)海床范圍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)［1-3］。

2 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

二維潮流泥沙數(shù)學(xué)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(wǎng)格的潮流數(shù)學(xué)模型和考慮波流共同作用下的泥沙數(shù)學(xué)模型模塊［4-5］。

2.1 模型建立與驗(yàn)證

二維潮流和泥沙數(shù)學(xué)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(wǎng)格剖分計(jì)算域［6］：三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為40 890個(gè)，三角形個(gè)數(shù)為80 748個(gè)，相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距為1 402.12m，最小間距為9.04m。

潮位及流速流向驗(yàn)證參見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。正常天氣下，一般認(rèn)為泥沙主要與海域的潮流動(dòng)力作用有關(guān)，而實(shí)際情況當(dāng)中，泥沙運(yùn)動(dòng)與潮流并不一定完全對(duì)應(yīng)，或多或少都會(huì)有波浪的影響，因此只靠正常天氣含沙量的驗(yàn)證來(lái)率定模型的參數(shù)不夠充分，年平均含沙量場(chǎng)計(jì)算時(shí)不僅要考慮潮流的影響，還要考慮波浪動(dòng)力條件，用年平均含沙量作為進(jìn)一步驗(yàn)證和率定參數(shù)，使整個(gè)模型的率定過(guò)程更加準(zhǔn)確和可靠。其中年均波浪場(chǎng)主要根據(jù)大西山海洋站1962～2003年實(shí)測(cè)波浪資料分向分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)NE、E、NNE、ENE浪向進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。正常天氣含沙量和年均含沙量驗(yàn)證參見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。大西山海洋站和羊山島有常年實(shí)測(cè)含沙量，分別為0.20～0.21 kg/m3和0.24 kg/m3，通過(guò)數(shù)值模擬，年均含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。海底地形沖淤變化計(jì)算考慮了大、中、小潮、各向向岸波分級(jí)波浪的組合，驗(yàn)證則采用了田灣核電站一、二期取水明渠的淤積結(jié)果和取水明渠附近8個(gè)斷面1997年和2005年兩次地形（以1997年為基礎(chǔ)，模擬到2005年）進(jìn)行了驗(yàn)證［1］。

圖1 工程實(shí)施后漲落潮流場(chǎng)圖Fig.1 Flow field at flood and ebb strength of tide after project

2.2 工程后潮流場(chǎng)分布

圖1給出了工程前后漲落急時(shí)刻流場(chǎng)圖。由圖可見(jiàn)：

（1）工程海域等深線和岸線接近順直平行，外海潮流以逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)形式運(yùn)動(dòng)，漲潮近似西南向，落潮近似東北向。（2）工程方案實(shí)施后，工程區(qū)以外潮流運(yùn)動(dòng)基本不變，流場(chǎng)變化主要就集中在工程附近區(qū)域，流場(chǎng)變化主要由工程建設(shè)引起的，取排水量不同而造成的流場(chǎng)變化不大。（3）旗臺(tái)港區(qū)防波堤與取水明渠防波堤之間、徐圩港區(qū)內(nèi)以及取水明渠與徐圩港區(qū)之間形成成了明顯的弱流區(qū)，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(qū)的流場(chǎng)分析可知，在2條防波堤的掩護(hù)下，取水口所在海區(qū)受漲落潮影響較小，漲落潮過(guò)程中防波堤間水體主要通過(guò)防波堤前端的開(kāi)口與外海區(qū)的水體發(fā)生交換，防波堤外水體攜帶的懸沙經(jīng)過(guò)明渠進(jìn)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(jīng)過(guò)取水明渠落淤后，泥沙含量逐漸減小，相應(yīng)的泥沙淤積也沿程減弱。利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的泥沙運(yùn)動(dòng)與沖淤數(shù)學(xué)模型，對(duì)方案實(shí)施后取水明渠內(nèi)年淤積情況進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)計(jì)算可知取水明渠內(nèi)年平均淤積強(qiáng)度為0.76 m/a［7-8］。

2.4 工程后灘面沖淤情況

工程實(shí)施后，受工程建設(shè)影響，局部位置如防波堤堤頭、排水明渠外側(cè)會(huì)出現(xiàn)局部沖刷外，大部分為促淤環(huán)境。圖2給出了方案實(shí)施后，達(dá)到基本沖淤平衡狀態(tài)時(shí)，工程附近灘面沖淤變化?？梢?jiàn)，工程方案實(shí)施后，取水明渠附近有限范圍內(nèi)發(fā)生了沖淤，取水明渠口門(mén)東南側(cè)發(fā)生了沖刷，取水明渠南北兩側(cè)發(fā)生了淤積；排水口附近發(fā)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(qū)之間發(fā)生淤積。

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

3 三維大風(fēng)驟淤數(shù)學(xué)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(cè)，該海域常遭受臺(tái)風(fēng)和寒潮大風(fēng)的侵襲。在正常天氣，該海域含沙量比較低，而大風(fēng)天情況下，波浪掀沙作用強(qiáng)，底部會(huì)出現(xiàn)高含沙量，對(duì)田灣核電站取排水明渠淤積可能會(huì)造成一定的影響。本文主要利用三維潮流泥沙數(shù)學(xué)模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)類似于2007年9月“韋帕”臺(tái)風(fēng)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(fēng)驟淤數(shù)學(xué)模型計(jì)算所采用的臺(tái)風(fēng)場(chǎng)數(shù)學(xué)模型、臺(tái)風(fēng)作用下的波浪數(shù)學(xué)模型、三維潮流數(shù)學(xué)模型和三維泥沙數(shù)學(xué)模型的建立以及驗(yàn)證參見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。中國(guó)海臺(tái)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)模型，其南邊界取至臺(tái)灣島以南海域，北至遼東灣，東邊界至E 132°經(jīng)線，計(jì)算域?yàn)? 590 km×2 390 km，模型采用正四邊形網(wǎng)格，空間步長(zhǎng)為5 km×5 km，采用大西山海洋站實(shí)測(cè)的風(fēng)速過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。為了更準(zhǔn)確地模擬臺(tái)風(fēng)期間形成的波浪過(guò)程，從大到小建立了4層模型，采用4層嵌套的方式對(duì)波浪進(jìn)行模擬，從大到小分別為中國(guó)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(cè)海域在-3m、-5m處2個(gè)波浪臨時(shí)測(cè)站在臺(tái)風(fēng)其間波浪資料對(duì)該海域的波浪場(chǎng)及其過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到本次主要研究取排水明渠的驟淤問(wèn)題，為了將明渠細(xì)化，三維模型又采用嵌套進(jìn)行計(jì)算，三維潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型采用漸變網(wǎng)格對(duì)取水明渠進(jìn)行了加密處理，最大網(wǎng)格300 m，最小網(wǎng)格10 m，其中含沙量的驗(yàn)證采用工程區(qū)-3 m和-5 m等深線位置實(shí)測(cè)“韋帕”臺(tái)風(fēng)期間含沙量進(jìn)行驗(yàn)證，地形沖淤驗(yàn)證采用“韋帕”臺(tái)風(fēng)期間連云港30萬(wàn)t級(jí)航道內(nèi)驟淤資料對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)三維“韋帕”臺(tái)風(fēng)期間取水明渠內(nèi)驟淤計(jì)算可知（圖3），在類似“韋帕”臺(tái)風(fēng)作用下，取水明渠附近產(chǎn)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(shí)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(jié)語(yǔ)

本文主要采用二三維數(shù)學(xué)模型方法，預(yù)測(cè)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(nèi)年淤積情況，主要結(jié)論有：（1）工程方案實(shí)施后，工程區(qū)以外潮流運(yùn)動(dòng)基本不變，流場(chǎng)變化主要集中在工程附近區(qū)域，流場(chǎng)變化主要由工程建設(shè)引起的。旗臺(tái)港區(qū)防波堤與取水明渠防波堤之間、徐圩港區(qū)內(nèi)以及取水明渠與徐圩港區(qū)之間形成了明顯的弱流區(qū)，有利于泥沙落淤。（2）取水明渠內(nèi)年平均淤?gòu)?qiáng)為0.76m/a。（3）在類似“韋帕”臺(tái)風(fēng)作用下，取水工程實(shí)施后驟淤可能性不大。（4）取水明渠兩側(cè)灘面淤高，排水口外側(cè)沖深。（5）從對(duì)取排水附近海區(qū)的水沙環(huán)境影響角度考慮，在取水明渠內(nèi)準(zhǔn)備好備淤深度，定期維護(hù)，取水工程方案是可行的。（6）在工程建設(shè)期間及完工后應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。

［1］李文丹,張娜.田灣核電站擴(kuò)建工程5、6號(hào)機(jī)組取排水工程泥沙沖淤演變及岸灘穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究［R］.天津:交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2010.

［2］閆勇,麥苗.田灣核電站擴(kuò)建工程5、6號(hào)機(jī)組取排水工程泥沙沖淤演變及岸灘穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)研究［R］.天津:交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)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(yùn)工程科學(xué)研究所,2006.

［4］李孟國(guó),張華慶,陳漢寶,等.海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件包TK-2D的開(kāi)發(fā)研制［J］.水運(yùn)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(guó),張華慶,陳漢寶,等.海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件包TK-2D的研究與應(yīng)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(guó).三角形網(wǎng)格在水動(dòng)力水環(huán)境數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),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(guó).田灣核電站海域潮流泥沙數(shù)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(guó).港口開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)田灣核電站取水工程的影響［J］.中國(guó)港灣建設(shè),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(tái)風(fēng)“韋帕”過(guò)境時(shí)連云港波浪、潮流、泥沙現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)報(bào)告［R］.天津:交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2008.

［10］左書(shū)華,張娜,龐啟秀,等.連云港徐圩航道泥沙環(huán)境及大風(fēng)天回淤研究［R］.天津:交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)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(jí)工程師，主要從事海濱核電工程設(shè)計(jì)及研究管理。

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