內(nèi)陸核電液態(tài)流出物排放口型式優(yōu)化研究

李俊雄，陳小莉，紀(jì) 平，王松平

（1.湖南桃花江核電有限公司，湖南 益陽 413000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

內(nèi)陸核電液態(tài)流出物排放口型式優(yōu)化研究

李俊雄1，陳小莉2，紀(jì) 平2，王松平1

（1.湖南桃花江核電有限公司，湖南 益陽 413000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

液態(tài)流出物排放方式優(yōu)化是內(nèi)陸核電重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某內(nèi)陸核電廠址液態(tài)流出物排放口型式進(jìn)行優(yōu)化研究，以提高初始稀釋度，降低液態(tài)流出物排放對(duì)環(huán)境水體的影響。選取CORM IX軟件作為優(yōu)化工具，采用河道實(shí)體模型試驗(yàn)近區(qū)稀釋度測(cè)量結(jié)果對(duì)CORM IX斷面概化合理性進(jìn)行了驗(yàn)證分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)單噴口和多噴口排放的出流水平方位角、垂向仰角、出流流速，多噴口間距等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了各參數(shù)適宜的取值范圍。研究表明，本廠址水深有限，采用水平深層排放加強(qiáng)垂向摻混能獲得更好稀釋效果，同等環(huán)境流速、水深，采用相同的排放仰角、排放流速和排放位置等設(shè)計(jì)參數(shù)，多噴口排放型式稀釋效果優(yōu)于單噴口。本文結(jié)果可供工程設(shè)計(jì)和相關(guān)研究參考。

CORM IX；液態(tài)流出物；排放口型式；優(yōu)化

1 研究背景

鑒于內(nèi)陸核電受納水體的環(huán)境容量較濱海核電小，且受納水體是當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活用水水源，液態(tài)流出物排放成為了內(nèi)陸核電建設(shè)中公眾關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一。為確保內(nèi)陸水資源安全，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)陸核電液態(tài)流出物解控排放濃度限值遠(yuǎn)低于濱海核電廠。在實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低排放對(duì)環(huán)境的影響，消除公眾對(duì)內(nèi)陸核電建設(shè)的顧慮，增加核電廠運(yùn)行的靈活性，對(duì)內(nèi)陸核電廠液態(tài)流出物排放口型式進(jìn)行優(yōu)化尤為必要。

液態(tài)流出物一般與循環(huán)水排污水充分混合后進(jìn)入環(huán)境水體，排水溫度高于環(huán)境水體，在排放口近區(qū)以浮射流/羽流形式與環(huán)境水體快速摻混，直至接觸到水體任一邊界面（底面、表面、邊壁）或在溫躍層附近被捕獲［1］，過渡到遠(yuǎn)區(qū)后污染物擴(kuò)散主要受環(huán)境流主導(dǎo)，稀釋速率變慢。優(yōu)化排放口出流型式旨在使污染物在排放口近區(qū)盡快與環(huán)境水體摻混均勻，獲得最佳初始稀釋效果。國(guó)內(nèi)以往對(duì)于液態(tài)流出物排放影響研究以遠(yuǎn)區(qū)環(huán)境水動(dòng)力作用下的污染物輸移擴(kuò)散為主，對(duì)排放近區(qū)關(guān)注相對(duì)較少。隨著環(huán)保要求的不斷提高，近幾年逐漸開始重視對(duì)排放型式的優(yōu)化研究［2］。CORM IX軟件是美國(guó)環(huán)境保護(hù)署認(rèn)可并推薦用于液態(tài)流出物排放的混合區(qū)水動(dòng)力模型和決策支持系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)射流理論和大量物理模型試驗(yàn)，可以用于分析排放的混合區(qū)稀釋過程，包括分析表層排放的CORM IX3模塊和分析深層單孔排放的CORM IX1模塊、以及分析多孔排放的CORM IX2模塊［3］，在美國(guó)內(nèi)陸核電廠溫排水浮力羽流擴(kuò)散混合區(qū)估算以及液態(tài)流出物排放影響評(píng)價(jià)中獲得應(yīng)用，并得到美國(guó)核管會(huì)認(rèn)可，在我國(guó)內(nèi)陸核電排放優(yōu)化研究中有初步應(yīng)用探討［4］。

本文以某內(nèi)陸濱河廠址為例，采用物理模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)CORM IX進(jìn)行驗(yàn)證分析，將COR?M IX應(yīng)用于某內(nèi)陸核電廠址的排放口型式的優(yōu)化，對(duì)使用過程中模型的適宜性進(jìn)行探討。

2 CORMIX模型驗(yàn)證

CORM IX模型在分析排放出流摻混時(shí)需要將受納水體概化為矩形明渠，且下游方向概化為沿著水體平均流動(dòng)方向的均一斷面，為了防止對(duì)斷面極端不均勻水域稀釋能力的不當(dāng)應(yīng)用，CORMIX限定排水口處設(shè)計(jì)水深與概化斷面水深相差不超過30%。由于排放口近區(qū)的稀釋主導(dǎo)作用是初始出流動(dòng)量和浮力差，且小范圍內(nèi)地形和環(huán)境流速改變不至于太大，CORMIX模型將環(huán)境水體概化為矩形明渠的做法對(duì)于近區(qū)模擬影響相對(duì)小，為了對(duì)概化參數(shù)合理性進(jìn)行驗(yàn)證，采用廠址排水河段1∶50正態(tài)模型PLIF測(cè)量的浮射流中心線高度和中心線稀釋度與CORMIX計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比。所研究的內(nèi)陸濱河核電廠址排水水域?yàn)閺澢秃拥溃匦尾灰?guī)則，排水口位于深槽靠岸一側(cè)的斜坡上，排水水域概化水深取為10.23m，排水口在概化斷面上的位置按實(shí)際離岸寬度取為26m，設(shè)計(jì)水深10m，排放口處環(huán)境流速為0.04 m/s，環(huán)境水溫依據(jù)實(shí)驗(yàn)室水溫設(shè)為7.8°C，排放流量0.52 m3/s，排放水溫比環(huán)境水溫高出6°C，驗(yàn)證以單噴口排放為例，排放管徑0.8m，排放管軸線水平方向上與環(huán)境流夾角取為45°，垂向仰角為-2°，排放管距河底高度2.9m。

實(shí)體模型測(cè)量和CORMIX計(jì)算的中心線高度和中心線稀釋度對(duì)比分別見圖1和圖2所示，其中橫坐標(biāo)L表示中心線至排放源點(diǎn)的水平長(zhǎng)度，Z為水深，S為中心線稀釋度，由于浮射流上升至自由表面（Z=0m）附近時(shí)實(shí)測(cè)射流中心線和中心線稀釋度較為紊亂，這里給出了L＜25m范圍內(nèi)的結(jié)果。圖1中可以看出計(jì)算的中心線高度沿程分布與實(shí)測(cè)曲線趨勢(shì)一致，計(jì)算的中心線高度在后半段比實(shí)測(cè)略大。圖2中計(jì)算的稀釋度曲線與實(shí)測(cè)基本接近，計(jì)算的稀釋度增長(zhǎng)速率稍大。在出流起始端，射流理論認(rèn)為中心線處射流未發(fā)生摻混，中心線稀釋度為1［7］，CORM IX給出的值與理論值一致，模型實(shí)測(cè)值則大于1，這是由于試驗(yàn)中射流出流紊動(dòng)劇烈，射流中心線是擺動(dòng)的，實(shí)測(cè)固定斷面在連續(xù)拍攝時(shí)有時(shí)不能捕捉到中心線，再經(jīng)過時(shí)間平均處理后得到的稀釋度會(huì)比中心線稀釋度偏大。CORM IX軟件依據(jù)動(dòng)量、浮力等不同作用力主導(dǎo)段采用不同公式分段求解，兩段之間采用聯(lián)立求解確定連接點(diǎn)，不同段稀釋度曲線有時(shí)會(huì)存在拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)附近精度會(huì)稍差，但整條曲線與實(shí)測(cè)的總體偏離度不大。驗(yàn)證結(jié)果表明CORMIX依據(jù)工程水域斷面概化處理計(jì)算的近區(qū)射流軌跡及初始稀釋度與實(shí)體模型測(cè)量結(jié)果接近，用于比較不同排放型式的近區(qū)初始稀釋效果是可行的。

圖1 射流中心線高度沿程分布

圖2 中心線稀釋度沿程分布

3 單噴口排放優(yōu)化

選取環(huán)境流速Ua=0.04 m/s，環(huán)境水溫18℃，排放口斷面概化水深10.23 m，排水流量0.52 m3/s，排水溫度高出環(huán)境水溫3°C，單噴口排放管直徑初步為0.8m，排放口距離右岸初步為26m，排放口距河底高度為2m。采用CORM IX對(duì)單噴口排放出流與主流方向的水平夾角σ、出流仰角θ、出流流速u0等進(jìn)行了優(yōu)化。

3.2 出流仰角排放管徑按0.8m計(jì)，出流流速為1.04m/s。固定水平夾角σ=60°，出流仰角θ在0～60°之間變化，得到中心線稀釋度沿程變化見圖5所示，可以看出稀釋度對(duì)出流仰角的敏感性高，仰角越小，稀釋度越大，θ=0°時(shí)出現(xiàn)了射流觸底，其稀釋度曲線與其它取值時(shí)有異。由于本廠址水深條件有限，建議單噴口盡量采用水平出流，以充分利用垂向摻混獲得較大初始稀釋度，同時(shí)為避免底床污染，可以采取5°～10°的小出流仰角。

3.3 出流流速固定水平夾角σ=60°，出流仰角θ= 10°，通過改變管徑使出流流速u0在5.41～0.66m/s之間變化，計(jì)算得到的稀釋度曲線如圖6所示，可以看出出流流速越大，近區(qū)稀釋度越大。然而過大的出流流速容易導(dǎo)致污染團(tuán)觸底和貼岸。在不改變其它參數(shù)條件下，根據(jù)CORM IX試算排放流速在6 m/s以上時(shí)會(huì)發(fā)生觸底。考慮到廠址排水量在特殊情況

3.1 水平夾角排放管徑按0.8m計(jì)，出流流速為1.04m/s。固定出流仰角θ=5°，排放出流與主流（X向）水平夾角在0°～90°之間變化，其它參數(shù)采用初設(shè)值。圖3中給出了σ為0°、45°和90°時(shí)浮射流在水平面（XY）和縱斷面（XZ）的投影，可以看出σ越小，浮射流沿X方向上升越慢，表面羽流的橫向展寬越小。當(dāng)浮射流上升越慢，熱團(tuán)寬度增加越快時(shí)，摻混面越大，稀釋效果越好，從圖3的結(jié)果看稀釋效果并不是與σ呈單向變化關(guān)系。圖4中給出了不同s值對(duì)應(yīng)的近區(qū)中心線稀釋度曲線，可以看出不同水平夾角近區(qū)末端至源點(diǎn)在X方向的長(zhǎng)度不同，最終初始稀釋度也不同，σ=45°時(shí)近區(qū)末端中心線稀釋度最大，即初始稀釋效果最好，σ較小時(shí)表面羽流很快接觸到邊岸，觸岸會(huì)造成熱團(tuán)堆積在近岸水域，不利于液態(tài)流出物擴(kuò)散，如果要采用較小的σ值，為防止貼岸效應(yīng)需要將排放管離岸距離增大更多。此外根據(jù)表面羽流區(qū)計(jì)算分析σ=60°與45°夾角時(shí)羽流區(qū)末端稀釋度較接近，大于其它角度時(shí)的值，為了盡量獲得大的稀釋度，有效節(jié)約主管長(zhǎng)度，建議本廠址單噴口排放最佳水平夾角σ的取值范圍為45°～60°。下會(huì)倍增，為了防止底床污染，正常情況下設(shè)計(jì)流速應(yīng)控制在3m/s以下，此外噴口射流流速增大會(huì)使水頭損失增加，因此出流流速的確定還需根據(jù)可接受的水頭損失、可選管徑等進(jìn)一步分析。

圖5 單噴口不同出流仰角下的稀釋度曲線

圖3 浮射流羽流在平面的投影

圖4 單噴口不同水平夾角下的稀釋度曲線

圖6 不同出流流速中心線稀釋度曲線

4 多噴口排放優(yōu)化

多噴口出流仰角和出流流速的優(yōu)化結(jié)果基本與單噴口一致，不再贅述。這里主要介紹多噴口排放出流水平夾角、上升管間距等的優(yōu)化。CORMIX2模塊在處理多噴口排放時(shí)將擴(kuò)散器概化為窄縫平面出流，縫寬，其中D0為噴口直徑，L0為相鄰噴口間距［5］。CORM IX2模塊在計(jì)算時(shí)要求排放管長(zhǎng)不能小于排放水深，本工程排放口處水深約10m，優(yōu)化出流參數(shù)初步假定擴(kuò)散器管長(zhǎng)12m，上升管數(shù)量為5，每個(gè)上升管上單噴口出流，噴口直徑D0=0.3m，出流流速為1.47m/s。

4.1 水平夾角多噴口排放水平夾角σ與擴(kuò)散器軸線水平方位以及支管與擴(kuò)散器主管間夾角均有關(guān)，可以有非常多的組合。CORM IX2模塊可以用于分析常見的3種：（1）單向出流，所有的噴口/噴嘴都朝向擴(kuò)散器管線的同一側(cè)且出流方向與擴(kuò)散器軸線接近垂直，出流方向接近水平；（2）分段出流，所有的噴口朝向與擴(kuò)散器軸線平行的方向，或者呈小角度偏向任一側(cè)，總出流動(dòng)量朝向擴(kuò)散器軸線，出流接近水平；（3）交錯(cuò)出流，所有的噴口指向不同水平方位，噴口總出流不產(chǎn)生凈水平動(dòng)量，噴口出流垂向仰角θ接近0°或90°［3］。首先對(duì)單向出流、分段出流和交錯(cuò)出流3種方式進(jìn)行了比較，交錯(cuò)出流由于上升管數(shù)量為奇數(shù)，采用單根上升管上4個(gè)噴嘴，另2種方式采用單噴嘴，3種方式出流流速相同，計(jì)算的稀釋度曲線見圖7所示，由于CORM IX2模塊將出流簡(jiǎn)化為窄縫線性出流的假定在噴嘴射流交匯前存在一定偏差，因此對(duì)多孔排放以排放口下游50m處稀釋度進(jìn)行比較優(yōu)化（下同），圖中可以看出單向出流效果最好。

為了分析單向出流不同出流水平方位的影響，改變擴(kuò)散器軸線與主流的夾角以實(shí)現(xiàn)噴嘴出流與主流不同的水平交角，計(jì)算的稀釋度曲線見圖8所示。可以看出σ=0°，即出流方向與環(huán)境流同向時(shí)，稀釋效果最好，此時(shí)擴(kuò)散器與主流的交界面橫向?qū)挾茸畲螅瑓⑴c稀釋的主流流量大，隨著交界面橫向?qū)挾葴p小，初始稀釋度逐漸下降。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)于水平布置的擴(kuò)散器，采用主管軸線與主流垂直的單向出流方式，出流在水平方位上與主流同向時(shí)近區(qū)稀釋效果最佳。

圖7 3種擴(kuò)散器出流方式的稀釋度曲線

圖8 固定主管改變支管出流角度的稀釋度曲線

4.2 上升管間距多孔射流經(jīng)過一定距離后，相鄰射流相互交匯，若噴口十分密集，射流交匯時(shí)的殘余動(dòng)量有助于摻混程度的增強(qiáng)，但由于摻入大量“污水”，其稀釋效果反而有所降低［6］。噴口間間距太大時(shí)，相鄰噴口的射流不會(huì)互相干擾，擴(kuò)散器在排放口近區(qū)的稀釋特性接近于單噴口出流，管長(zhǎng)會(huì)有一定浪費(fèi)。根據(jù)單噴口射流軌跡得出觸頂前的射流段長(zhǎng)度約20m，據(jù)此可得射流末端的射流寬度W為：W=2×0.114×X+D0=2×0.114×20+0.3=4.86m。當(dāng)管間距超過4.86m時(shí)相鄰射流在到達(dá)頂部前不會(huì)交匯。

圖9 不同上升管間距中心線稀釋度曲線

圖10 單噴口和多噴口排放中心線稀釋度曲線

選取了3種噴口間距進(jìn)行比較，計(jì)算的稀釋度曲線如圖9所示，可以看出隨著噴口間距增大，稀釋度增加。根據(jù)以往研究成果，為了取得最大初始稀釋度，又不使擴(kuò)散器太長(zhǎng)造成浪費(fèi)，讓射流在剛好接近水面時(shí)開始相互交匯為最佳，垂直圓射流孔間距在靜水條件下建議取1/3倍水深，動(dòng)水條件下可略加大，對(duì)水平射流，可允許孔口間距更大一些［7］。結(jié)合本文的優(yōu)化結(jié)果，建議上升管間距3～5m以內(nèi)。

5 單噴口排放與多噴口排放比較

以單噴口水平夾角σ=60°，噴口離岸距離26m與多噴口水平夾角σ=0°，離岸近端距離14m，遠(yuǎn)端距離26m，單噴口和多噴口離底高度均按2m，出流仰角均按10°，出流流速均按2.5m/s考慮進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖10，多噴口排放計(jì)算的排放口下游50m處中心線稀釋度為30.3，單噴口則為14.8，多噴口排放稀釋度約為單噴口的2倍，圖中還給出了多噴口排放在射流交匯前CORMIX1模塊求解的單噴頭射流中心線稀釋度，比單噴口排放的稀釋度高。比較結(jié)果說明同等排放環(huán)境條件，同樣出流仰角及出流流速下多噴口排放優(yōu)于單噴口排放。

6 結(jié)論

與實(shí)體模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比表明，針對(duì)依托廠址排放模擬所采用的CORMIX斷面概化參數(shù)對(duì)模擬近區(qū)稀釋是合理的，可以據(jù)此開展排放口近區(qū)分析和排放型式優(yōu)化。根據(jù)環(huán)境流速0.04m/s，水深10.23m的優(yōu)化結(jié)果，單噴口排放出流流速建議在3m/s以內(nèi)，出流水平方向與主流呈45°夾角時(shí)獲得最佳稀釋效果；多噴口排放主管盡量與岸線垂直以獲得射流與環(huán)境流更大的橫向交界面寬度，噴口出流方向與環(huán)境流水平夾角在45°以內(nèi)效果更好，多噴口上升管間距在3～5m以內(nèi)。由于廠址水深有限，排放應(yīng)盡量采用近水平向出流，出流仰角可采用5°～10°小仰角防止射流觸底。同等環(huán)境條件和排放仰角、流速等設(shè)計(jì)條件下，多噴口排放比單噴口能獲得更好的初始稀釋效果。當(dāng)CORMIX用于分析計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)時(shí)斷面概化對(duì)計(jì)算結(jié)果可能存在較大影響，需要采用物理模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)于大范圍濃度模擬建議近區(qū)采用CORMIX軟件與遠(yuǎn)區(qū)水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型耦合計(jì)算。

［ 1］ Robert L Doneker，Gerhard H Jirka.Expert system for hydrodynamic mixing zone analysis of conventional and toxic submerged single portdischarges（CORMIX1）［R］.Athens，GA，1990.

［ 2］ 曾利，秦曉，紀(jì)平.核電廠排水深層排放研究工作報(bào)告［R］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2012.

［ 3］ Robert L Doneker，Gerhard H Jirka.CORM IX USER MANUAL A hydrodynam icm ixing zonemodel and decision support system for pollutantdischarges into surfacewaters［R］.Washington D C，2007.

［ 4］ 劉永葉，楊陽，喬亞華，等.濱河核電廠液態(tài)流出物排放方式的對(duì)比分析［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（4）：133-137.

［ 5］ Paul JAkar，Gerhard H Jirka.CORM IX2：An expert system for hydrodynam icm ixing zone analysis of convention?aland toxicmultiportdiffuser discharges［R］.Washington DC，1991.

［ 6］ 韋鶴平，李行偉，錢達(dá)仁，等.環(huán)境工程水力模擬［M］.北京：海洋出版社，2001.

［ 7］ 郭振仁.污水排放工程水力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

Study on optimization of inland NPPliquid effluent outfalltype

LI Junxiong1，CHEN Xiaoli2，JI Ping2，WANG Songping1
（1.Hunan Taohuajiang Nuclear Power Company，Ltd.，Yiyang 413000，China；2.China Institute of Water Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Optimization of liquid effluent discharging approach is an important problem for inland NPP.In this paper，the discharging outfall type of a planned Chinese inland NPP site is optimized to raise the ini?tial m ixing rate and decrease the impact of effluent on the marine environment.CORM IX is used as the op?timization software in this study.The measured mixing data of a scaled field model is used to verify the feasibility of schematization of the water body's geometry parameter in CORMIX.Then the parameters such as horizontal angle，vertical angle，discharge velocity，and port spacing are optimized for single port dis?charge type and multiport diffuser discharge type.Optimal value range for these discharge parameters is giv?en.Since the environmental water depth is shallow in the studied NPP site，the nearly flat and deeply p laced outfall type is more efficient in mixing.Different type comparison shows the mixing rate of the diffus?er discharge type is better than the single port discharge type with same discharge vertical angle and initial velocity in the same environmental water velocity and water depth condition.The result provides useful refer?ence for the project design and similar other studies.

CORMIX；liquid effluent；outfall type；optimization

??

Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.013

1672-3031（2015）05-0391-06

（責(zé)任編輯：韓 昆）

2015-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51209228）

李俊雄（1981-），湖南湘潭人，高級(jí)工程師，主要從事核電輻射防護(hù)、環(huán)境保護(hù)、應(yīng)急準(zhǔn)備和職業(yè)健康管理研究。

陳小莉（1980-），女，湖北天門人，博士，高級(jí)工程師，主要從事電廠環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail：chenxl_iwhr@126.com