國內(nèi)外溫排水熱影響監(jiān)測與評價研究方法探討

石繼香，官云蘭，趙利民，朱 利

(1.東華理工大學(xué)，江西 南昌330013;2.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京100094; 3.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094)

0 前言

核能技術(shù)是一項能夠提供大量能源而且不會釋放溫室效應(yīng)氣體的能源技術(shù)，各國對于核電發(fā)展越來越重視，但是核能發(fā)展仍面臨著一些問題，其中溫排水問題已引起國際社會的普遍關(guān)注［1］。核電廠冷卻方式有直流冷卻、通風(fēng)冷卻塔冷卻或是兩者結(jié)合使用進(jìn)行冷卻，冷卻方式的不同，其造成的熱污染也不一樣。采用通風(fēng)冷卻塔再循環(huán)冷卻，只需要考慮冷卻塔排污水的受納水體，熱影響較為微弱。由于條件限制采用冷卻塔冷卻的核電廠較少，多采用一次循環(huán)冷卻方式，將冷卻水直接排回自然水體，排水溫度一般高于受納水體環(huán)境溫度6～11℃，造成局部水域水體溫度的急劇升高，改變自然水體的水質(zhì)，因此，保障海域環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)正常運行，加強(qiáng)對核電站溫排水熱污染分布范圍的探測以及對熱污染程度的定量評價，是核電站運行期間環(huán)境監(jiān)測與評價的重要工作之一［2～5］。國內(nèi)外的海洋環(huán)境學(xué)家們從20世紀(jì)70年代開始，就核電廠溫排水對附近海域的影響做過很多的調(diào)查和研究工作。

1 研究方法

目前，國際上用于核電廠溫排水的環(huán)境影響評價的主要技術(shù)手段有實地測量、遙感觀測和數(shù)學(xué)物理模擬。隨著微尺度(1 km)溫排水熱污染研究的需要，X波段航海雷達(dá)技術(shù)也逐漸被用于核電站的熱污染監(jiān)測。一般情況下，較少單一使用某一種方法來進(jìn)行核電站溫排水熱污染影響研究，多使用幾種方法相結(jié)合的方法，相互輔助，相互驗證來進(jìn)行研究。

1.1 實地測量與遙感相結(jié)合方法

實地測量精度較高，但成本也高、時效性較差，難以反映較大范圍的空間分布，很少單獨采用此方法進(jìn)行核電站熱污染監(jiān)測。衛(wèi)星遙感的手段，大面積同步觀測可以快速、及時、直觀地得到監(jiān)測結(jié)果。2種方法相結(jié)合，可以開展衛(wèi)星調(diào)查與地面調(diào)查的比對，地面調(diào)查數(shù)據(jù)可以驗證遙感數(shù)據(jù)溫度反演的精度。

孫戀君［6］等對田灣核電站排放口附近海域溫排水環(huán)境影響范圍和程度進(jìn)行調(diào)查，就采用了以航天遙感測量為主、航空遙感測量為輔、近海面實地測量為補(bǔ)充的方式，獲得目前田灣核電站排放口附近海域海面溫度場特征分布。調(diào)查結(jié)果顯示，一期工程投入運行后，排放口附近海域環(huán)境有明顯影響，且隨著核電機(jī)組的擴(kuò)建有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢。周穎［7，8］等利用減災(zāi)環(huán)境衛(wèi)星B星(HJ-1B)和風(fēng)云三號衛(wèi)星(FY-3)的熱紅外數(shù)據(jù)，使用單通道溫度反演算法，反演田灣核電廠附近海域海面溫度，反演結(jié)果與MODIS海表溫度產(chǎn)品具有較好的一致性，說明HJ-1B和FY-3的熱紅外數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行溫排水的分布研究。進(jìn)而分析了溫排水的時空分布變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)夏季溫升超過3℃的區(qū)域遠(yuǎn)小于冬季，夏季溫排水沿海岸單向狹長擴(kuò)散，冬季的溫升區(qū)域呈扇形分布;低潮時超過3℃的溫升區(qū)域面積是高潮時的4倍。X Y Dai［9］等基于Landsat TM和ETM+6波段熱紅外圖像量化田灣核電站周圍海水表面溫度(SST)變化的一般規(guī)律，及2003－2009年田灣核電站熱污染的影響程度，并進(jìn)行了熱污染影響的強(qiáng)度和范圍的調(diào)查，以及不同的季節(jié)之間的熱污染面積、強(qiáng)度對比，調(diào)查得出這期間的溫升區(qū)主要分布在核電站附近的淺海水域，超出基準(zhǔn)溫度最高達(dá)6.2℃，也得出冬季溫排水熱污染強(qiáng)度及范圍明顯大于夏季的結(jié)論。

1.2 物理模型模擬方法

數(shù)學(xué)物理模擬主要是用于核電廠發(fā)電前評價的主要技術(shù)手段，模型的選擇、水面綜合散熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等典型參數(shù)的不同選擇均影響了評價的準(zhǔn)確度［10］，物理模型能較好地模擬排水口近區(qū)三維水流、熱水摻混和浮力效應(yīng)。國內(nèi)大多學(xué)者都是采用物理模型實驗來進(jìn)行熱擴(kuò)散近區(qū)的研究，利用物理模型實驗來模擬溫排水近區(qū)的溫升分布。辛殿文［11］等基于2005年枯水期施測的大、小潮水文資料及數(shù)值計算的成果，建立了澳門路環(huán)發(fā)電廠溫排水物理模型，模型潮流驗證試驗表明，各驗證點位的潮位、流速、流向驗證曲線均吻合較好，模型潮流模擬達(dá)到了較高的精度。模型除了需要對潮流驗證外，還對電廠現(xiàn)狀溫排水的影響進(jìn)行驗證。詳細(xì)研究了澳門機(jī)場擴(kuò)建及機(jī)場以西水域規(guī)劃實施后電廠溫排水造成的熱污染問題，通過改變不同排水口位置，對排水口附近水域表面溫升以及取水口的取水溫升分布進(jìn)行對比分析，明確了工程布置的最優(yōu)方案。

1.3 值模擬方法

1.3.1 二維數(shù)值模擬方法 數(shù)值模擬又分為二維和三維模型，淺水二維模型能較好地模擬大范圍水域潮流場，較好地反映溫排水的對流、擴(kuò)散和累積等效果，并模擬計算水面熱量散失的影響。

J Yu［12］等采用分步有限元方法與三角形網(wǎng)格結(jié)合二維流體力學(xué)模型很好的模擬了日照海域的特點，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行日照電廠周圍海表的溫度熱傳輸和水平分布的數(shù)值模擬，并考慮排水口的位置、溫排水排放量等因素，設(shè)計不同方案預(yù)測溫排水對水環(huán)境的影響，得出從一期和二期項目P1排水口進(jìn)行海水冷卻方案最佳。張舒羽［13］等采用MIKE21軟件對核電廠溫排水進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同潮型、不同流量及不同季節(jié)下的最大溫升包絡(luò)面積和取水口的溫升變化。發(fā)現(xiàn)溫升包絡(luò)面積與電廠冷卻水的排放量不為線性關(guān)系，此研究成果可為核電廠的建設(shè)提供依據(jù)。孫艷濤［14］等采用Delft 3D軟件平面二維水流溫度場數(shù)學(xué)模型對常熟電廠一期、二期擴(kuò)建工程溫排水進(jìn)行數(shù)值模擬計算，模型計算的結(jié)果與實測值吻合良好，在此基礎(chǔ)上分析溫度場的分布情況。分析結(jié)果顯示，冬季小潮比大潮條件下的總的溫升影響面積要大，且向下游和離岸方向擴(kuò)散的距離也更遠(yuǎn)，取水口處的溫升面積均較小。

1.3.2 三維數(shù)值模擬相方法 二維海洋流體動力學(xué)模型無法知曉水平流速沿深度的變化、無法模擬垂向分布等，無法模擬溫排水近區(qū)廢熱水與周圍環(huán)境水體的卷吸稀釋混合現(xiàn)象，因此二維模型存在某些的局限性。為了精確地模擬熱擴(kuò)散近區(qū)的溫升分布，必須進(jìn)行三維熱擴(kuò)散預(yù)測方法的研究［15］。三維模型研究多采用物理模型試驗或試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。但由于受到實驗室條件限制，模型范圍相對較小，模型模擬的水域范圍較小，不易準(zhǔn)確模擬環(huán)境水體蓄熱，熱水回歸影響，也很難精確調(diào)節(jié)模型中水面綜合散熱系數(shù)使其滿足散熱系數(shù)相似要求，因此會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響，并且物理模型實驗實際工作中費用昂貴。隨著工程要求的提高，三維水流模型逐漸成為研究熱點，三維熱擴(kuò)散的數(shù)值計算在近些年得到了眾多學(xué)者的重視。

我國目前采用三維數(shù)值模型進(jìn)行研究已有一些進(jìn)展。汪一航［16］等采用POM模式，建立了莊河電廠附近海域的包括4個主要分潮的潮汐潮流三維數(shù)值模擬，然后用所得流場對莊河電廠的溫排水問題進(jìn)行了數(shù)值模擬。彭溢［17］等以武漢陽邏電廠為例，采用三維水動力與溫度輸運數(shù)學(xué)模型預(yù)測溫升場分布。采用電廠溫排水平面與垂向兩個方向上的實測溫升資料對三維溫升場數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證，模擬結(jié)果較好的反映了水域中熱量的輸移擴(kuò)散規(guī)律。模擬結(jié)果顯示，溫排水排入受納水域后，由于密度較小，水體表面的擴(kuò)散范圍要大于底層，從垂向分布來看，溫升分層現(xiàn)象明顯，溫水的擴(kuò)散主要在中上層進(jìn)行，距離排放口越遠(yuǎn)，溫升影響越小。

國外大多數(shù)學(xué)者則是采用水利學(xué)實驗和數(shù)值實驗相結(jié)合的方法進(jìn)行熱擴(kuò)散的研究。D J Lowe［18］等專門對較大溫排量的情況進(jìn)行了研究，功率為877 MW的CharlesPoletti核電廠和功率為1 253 MW的Astoria燃油電廠相距僅500 m遠(yuǎn)，這導(dǎo)致了在研究區(qū)域內(nèi)水流較大流速較高。在低海潮的情形下，由于較低的水流速度情況下將會有更少的水可以使用來稀釋溫排水，所以電廠溫排水處于水流最壞的情形下，D J Lowe基于非結(jié)構(gòu)化三角形元素采用靈活的網(wǎng)格配方與三軸溫度場實地調(diào)查數(shù)據(jù)成功校準(zhǔn)后，采用三維水動力模型MIKE3，對排放到紐約市皇后區(qū)東河冷卻水熱羽流的影響進(jìn)行評估，表明在溫排量最大情況下產(chǎn)生的熱羽流也不超過熱污染監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

三維熱擴(kuò)散數(shù)值模型方法的優(yōu)劣很大程度上在于湍流的參數(shù)化方法上，為了盡可能地消除系數(shù)經(jīng)驗選取的人為性，常應(yīng)用湍流模式理論。常用的有雷諾應(yīng)力模型和κ－ε雙方程模型。雷諾應(yīng)力方程模式是比較精細(xì)的模型，能正確的反映浮力的作用，模擬效果較好，具有較高的精度，是目前比較精確的數(shù)學(xué)模型。但其計算繁瑣，因此在復(fù)雜工程中的應(yīng)用受到一定限制。H Ramirez-Leon［19］等從海逸豪園、韋拉克魯斯、墨西哥核電廠，考慮鑒于上游的自由表面與大氣相互作用的熱通量，使用CAL-數(shù)值模型解決用于計算淺水區(qū)的溫度變化的納維-斯托克斯雷諾應(yīng)力方程和能量方程，來進(jìn)行沿海核電廠溫排水的研究，并能量方程計算水深測量，海洋，氣象，水文和運行機(jī)組數(shù)目用于數(shù)值模擬，分析熱羽流擴(kuò)散規(guī)律;并對旱季和雨季的溫排水溫升結(jié)果進(jìn)行定性統(tǒng)計，通過模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)比對，顯示出較好的一致性。

近岸海域海水溫度變化除了流速、濃度、紊動特性、潮汐因素外，還受淺水分潮和近岸地形等因素的影響，因而近岸海水溫度的預(yù)測也是熱擴(kuò)散預(yù)測方法研究中的一個重要課題。國內(nèi)外學(xué)者有的采用修正的 k-ε模型和擴(kuò)展的 k-ε模型。Z Li［20］等和Y L Cheng［21］等分別通過二維數(shù)值和三維數(shù)值模型，選擇k-ε湍流模型，模擬相關(guān)區(qū)域的水流速度，獲得不同水流速度和不同溫排水排水口角度條件下的溫度分布規(guī)律，并研究地形對電廠溫排水?dāng)U散的影響結(jié)果表明，兩人的研究表明，合理的選擇熱排水口角度和溫排水的流速可以減少溫排水對電廠排放口的影響。由于溫排水受到逆流的影響，一些溫排水又回到排放口附近的區(qū)域。由于再循環(huán)的影響，減小了溫排水的影響。斜率較大的地形，溫排水在水平方向上擴(kuò)散較大，而在垂直方向上產(chǎn)生的影響更大。

為了評估溫排水污染的影響，通常核電站周圍的水域被分為兩類，鄰近區(qū)域和遠(yuǎn)區(qū)域。在Jiang［22］等人的研究中，新開發(fā)出一個嵌入式三維網(wǎng)格模型，通過該模型可以直接對近區(qū)域和遠(yuǎn)區(qū)域整個區(qū)域進(jìn)行模擬，該模型已被用于韓國KIM和SEO核電站對平均深度數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評估。S Seddigh-Marvasti［23］等通過 NASIR軟件，對于來自來源點的底部溫排水建立模型并應(yīng)用松散的三角形網(wǎng)格劃分。應(yīng)用平均深度有限元體積流量求解器，模擬溫排水的排放，通過對比數(shù)值結(jié)果和現(xiàn)有的實驗室測量的表面溫度，求得平均深度和表面溫度之間的換算因子關(guān)系(深度平均溫度轉(zhuǎn)換到表面溫度)。為了解底部的熱污染射流對環(huán)境的影響和可能的自然環(huán)流的影響提供了更好的方法。

1.4 航海雷達(dá)方法

X波段航海雷達(dá)，這通常是用于檢測海岸線和海面上的障礙，是目前海洋遙感最常用的工具之一。基于海面風(fēng)浪成像的原理，證明海面觀測的可行性。X波段航海雷達(dá)圖像通過不同的算法可以獲得海面風(fēng)浪、潮流和水深等不同物理特征的重要信息，例如內(nèi)波、碎波和河流羽狀河口區(qū)。除上述信息外同樣能夠觀測到溫排水分布情況。與機(jī)載和衛(wèi)星的技術(shù)相比，基于地面的遙感監(jiān)測主要是低掠角模式?；诘孛娴倪b感監(jiān)測也具有持續(xù)性和長期監(jiān)測的優(yōu)點。然而，使用低掠角海上雷達(dá)方式微掃描檢測溫排水熱污染特性一直以來雖很少受到關(guān)注，卻也有一些研究成果。

S V Nghiemet［24］等人研究墨西哥灣暖流環(huán)指出，通過KU波段散射，使用大的入射角(入射角大于20°和小于60°)的反向散射數(shù)據(jù)，可以檢測出各種風(fēng)向下的冷風(fēng)和暖風(fēng)海洋表面溫升界線。并指出海洋表面溫度的變化引起海表空間風(fēng)壓的變化，導(dǎo)致大氣層變化。因此，變化無常的壓力導(dǎo)致海浪的變化是中尺度峰面邊界影像中的主導(dǎo)因素之一。暖流環(huán)的面積比來自核電廠的溫排水熱污染要大得多。H Y Bau［25］研究指出雷達(dá)反向散射受海面風(fēng)浪所影響，海表溫度的變化將會影響海面風(fēng)浪，采用低掠角的航海雷達(dá)方法，微尺度檢測(不到1 km)溫排水，獲取平均連續(xù)的圖像序列，檢測核電站的排水口得到到一個明顯的回波帶圖案。這個區(qū)域的海表溫度數(shù)據(jù)回波帶與溫排水的空間分布形態(tài)相匹配?；赬-波頻段船用雷達(dá)獲得的海表圖像分析溫排水分布規(guī)律，確認(rèn)溫排水熱污染的分布受海潮現(xiàn)狀所決定。

2 結(jié)論與建議

核電站溫排水對環(huán)境的影響較大，對海洋生物的生長和繁殖造成影響，對它進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測是非常必要的，遙感技術(shù)具有成本低、速度快、資料同步性好、大范圍面狀觀測等優(yōu)點，采用衛(wèi)星遙感與大面測量相結(jié)合的方式對溫排水進(jìn)行監(jiān)測能夠反映核電廠運行期間溫排水的影響范圍。采用以航天遙感測量為主、航空遙感測量為輔、近海面實地測量為補(bǔ)充的方式進(jìn)行核電站熱污染環(huán)境監(jiān)測，并與數(shù)模模擬結(jié)果進(jìn)行比對，將是未來溫排水物理影響監(jiān)測與評價的方向。且進(jìn)行足夠的不同時空和不同光譜分辨率的核電站溫排水熱污染信息采集，對海表溫升的時空格局變化進(jìn)行量化分析，也將是未來溫排水熱污染監(jiān)測的一個側(cè)重點。

核電廠廠址的合理選擇、取、排水口位置的合理布局以及核電站運行后溫排水熱影響的預(yù)測和評價工作，主要依賴于三維數(shù)值模型的模擬，而在國內(nèi)將三維流體動力學(xué)數(shù)值模型用于熱擴(kuò)散的研究中還較少，仍屬于探索的階段，因此三維熱擴(kuò)散的數(shù)值計算在國內(nèi)急需解決，仍需加強(qiáng)研究。

核電廠的熱污染是很常見的，通過余熱利用是減輕溫排水熱影響的根本性措施，在核電站溫排水物理影響監(jiān)測與評價中，也應(yīng)加強(qiáng)對余熱利用方式的研究和探索，在溫排水排入受納水體前，盡可能取出和利用部分余熱，使溫排水降低溫度后再排入收納水體，減小核電站溫排水對受納水體的熱影響。

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