濱海地區(qū)核電溫排水熱影響如何減緩

濱海地區(qū)核電溫排水熱影響如何減緩減緩核電溫排水熱影響是濱海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。結(jié)合核電發(fā)展形勢及海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，開展某核電排水工程改造優(yōu)化研究，充分利用海域地形、潮流特點(diǎn)及明渠結(jié)構(gòu)特征等，提出減緩溫排水熱影響的排水明渠優(yōu)化原則及改造方案。研究結(jié)果表明：與現(xiàn)狀排水明渠相比，推薦排水方案的高溫升影響區(qū)域不貼近濱海岸線，且影響面積減小了約64.1%，低溫升區(qū)域分布滿足生態(tài)環(huán)境要求，為生態(tài)友好型核電排水工程設(shè)計提供參考。引用本文：高寧，韓瑞，趙懿珺，等.基于減緩溫排水熱影響的濱海核電排水明渠改造優(yōu)化研究［J］.給水排水，2022，48（10）：109-115.“積極安全有序發(fā)展核電”已成為我國實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵?；趯穗娊ㄔ爝\(yùn)行成本、冷卻效率等因素的考慮，我國已建、在建的核電廠均布局于濱海地區(qū)，采用海水直流冷卻技術(shù)。核電廠從臨近海域取水，向核電機(jī)組供應(yīng)冷卻用水，冷卻水經(jīng)凝汽器發(fā)生熱交換后，將等量的超溫水體排入環(huán)境海域，即溫排水。核電運(yùn)行期間，溫排水源源不斷地排入近海。每臺百萬千瓦裝機(jī)容量的核電機(jī)組日均排熱量約1.22×1011~2.18×1011kJ。2021年我國核電總裝機(jī)容量約為5464.7萬kW，由此估算，核電排入近海水體的年排熱量（按機(jī)組年運(yùn)行7000h計算）約1.94×1015~3.47×1015kJ?！笆奈濉币?guī)劃提出，截止到2025年，我國核電運(yùn)行裝機(jī)容量需達(dá)7000萬kW，濱海核電排熱量將持續(xù)增加，加重了臨近海域的環(huán)境壓力。如何減緩核電溫排水的熱影響已成為我國濱海地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題，也是我國海洋環(huán)境保護(hù)和核電評審、監(jiān)管的關(guān)注重點(diǎn)。近年來，溫排水問題的關(guān)注點(diǎn)已從工程角度，即關(guān)注溫排水對核電取水溫升的影響轉(zhuǎn)向了生態(tài)環(huán)境角度。相關(guān)研究主要集中在以下幾方面：溫排水的稀釋擴(kuò)散特性、排水方式的選擇、排水工程的布置原則、排放口型式與結(jié)構(gòu)的設(shè)計、余熱綜合利用及減緩溫排水影響的輔助工程措施等，研究目標(biāo)旨在盡量將溫排水的熱影響區(qū)域限制在相對較小的范圍內(nèi)，以減小溫排水對水生生物及生態(tài)環(huán)境的影響。上述研究為新建電廠的取排水工程設(shè)計提供了較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，但對已經(jīng)運(yùn)行的電廠，如何在已有排水工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造優(yōu)化，使得排水熱影響滿足國家日益嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)與核電監(jiān)管要求是亟需解決的問題。結(jié)合核電發(fā)展的新形勢及海洋生態(tài)保護(hù)的新要求，基于我國某在運(yùn)濱海核電廠排放現(xiàn)狀，開展排水明渠工程改造優(yōu)化研究，對溫排水在受納海域中的稀釋擴(kuò)散特征及時空分布規(guī)律進(jìn)行深入分析，充分利用排水海域岸線、地形、潮流環(huán)境特點(diǎn)及明渠結(jié)構(gòu)特征等，提出減緩溫排水熱影響的排水明渠改造優(yōu)化原則及推薦方案，為在運(yùn)核電廠現(xiàn)有排水工程的改造提供思路，對緩減溫排水熱污染、制定生態(tài)友好型核電排水工程設(shè)計規(guī)范等具有重要意義。01數(shù)據(jù)與方法1.1研究區(qū)域概況某核電廠位于山東半島某犄角狀半島上，半島西側(cè)沿岸為大面積水深低于1m的沙質(zhì)淺灘，東側(cè)為琵琶口灣，灣底水深較淺；半島南側(cè)海域逐漸加深，10、20m等深線離岸距離分別約為2.5、15km。核電廠附近潮汐觀測站的統(tǒng)計結(jié)果表明，海域潮流為不正規(guī)半日淺海潮流類型。2019-2020年研究區(qū)域水文實測資料分析表明，海流以帶有旋轉(zhuǎn)流的往復(fù)流為主，夏季各測站最大流速范圍為11~46cm/s。廠址氣象站2016-2020年氣象要素特征值統(tǒng)計結(jié)果表明，廠址附近年平均氣溫為13.5℃，平均風(fēng)速3.7m/s，年平均相對濕度76％，夏季水溫為27.1℃。核電廠所在半島附近海域是小黃魚、帶魚、藍(lán)點(diǎn)馬鮫等多種重要經(jīng)濟(jì)魚類的產(chǎn)卵場，生物資源較為豐富。近年來由于海洋環(huán)境污染、過渡捕撈及氣候變化的影響，致使該區(qū)域漁業(yè)資源嚴(yán)重衰退，生物群落及資源結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變化，大型經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢種被個體小、營養(yǎng)層次低的小型中上層魚類逐步替代，如2016-2018年漁業(yè)調(diào)查表明，該核電附近海域鳀和黃鮟鱇均為全年優(yōu)勢種，優(yōu)勢種更替較快。與核電廠相臨的環(huán)境敏感目標(biāo)主要包括乳山灣限制區(qū)、大乳山紅石崖禁止區(qū)、乳山口限制區(qū)這三個生態(tài)紅線區(qū)及某臨港工業(yè)與城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)這一近岸海域環(huán)境功能區(qū)。1.2取排水工程現(xiàn)狀概述該核電廠采用海水直流供水系統(tǒng)，以廠址附近海域作為機(jī)組運(yùn)行的冷卻水源。廠區(qū)一次規(guī)劃，分期建設(shè)，4臺機(jī)組的夏季冷卻水總量為268m3/s，溫升為8.1℃。電廠采用4臺機(jī)組共用取排水明渠，取水明渠位于廠區(qū)東南側(cè)，取水口位于-8.0m等深線處，排水明渠位于廠區(qū)西側(cè)，排水口位于-3.0m等深線處，排水明渠的北堤距岸線相對較近，最短距離約800m。1.3數(shù)據(jù)來源研究采用的地形數(shù)據(jù)為廠區(qū)附近實測水下地形及海圖；水文數(shù)據(jù)為2019年的實測資料，水文監(jiān)測期間共布設(shè)12個潮流觀測站及2個潮位觀測站。1.4數(shù)學(xué)模型建立與驗證采用Delft3D-Flow模型opensource版平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不同排水方案下溫排水輸運(yùn)分布模擬。結(jié)合研究區(qū)域潮流特征及溫排水?dāng)U散趨勢，確定模擬范圍為順岸方向長約140km，離岸方向?qū)捈s70km的區(qū)域，計算域面積約9800km2。模型采用貼體曲面四邊形網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸約為20m。模型參數(shù)設(shè)置：模型底部糙率與海床底質(zhì)、水深分布有關(guān)，取值范圍為0.012~0.02；水平熱擴(kuò)散系數(shù)取值范圍為0.1~110m2/s，擴(kuò)散系數(shù)分布總體表現(xiàn)為從近岸淺灘到離岸深水逐漸增大、從排口近區(qū)向遠(yuǎn)區(qū)逐漸增大的分布特點(diǎn)；水平粘性系數(shù)背景值為1.0m2/s；水面綜合散熱系數(shù)根據(jù)《冷卻水工程水力、熱力模擬技術(shù)規(guī)程》推薦公式計算，夏季為45W/（m2·℃）。采用實測資料對模型流場進(jìn)行了驗證，部分潮位及流速、流向驗證結(jié)果如圖4所示。驗證結(jié)果表明：模型與原型潮位過程及定點(diǎn)流速、流向符合較好，模型的整體流場分布特征與原型基本一致。02排水明渠改造優(yōu)化思路2.1排水明渠改造優(yōu)化目標(biāo)為減緩核電機(jī)組運(yùn)行造成的環(huán)境影響，減小溫排水混合區(qū)范圍（4℃及以上溫升影響范圍），降低高溫升區(qū)對濱海岸線的影響，提出了排水方案的改造優(yōu)化目標(biāo)：優(yōu)化后方案較排水現(xiàn)狀的4℃溫升影響范圍應(yīng)有明顯減??；4℃溫升影響分布不貼岸（即高溫升分布不貼近岸線附近生態(tài)物種較為豐富的區(qū)域）；夏季1℃溫升影響范圍滿足海洋功能區(qū)劃、近岸海洋環(huán)境功能區(qū)劃及生態(tài)紅線控制區(qū)的要求；兼顧考慮溫排水對核電取水的影響，保障核電安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。2.2排水明渠改造優(yōu)化方案排水明渠改造優(yōu)化的總體思路為充分利用排水海域潮流、地形特點(diǎn)及現(xiàn)有排水明渠結(jié)構(gòu)特征，采用排水導(dǎo)流堤單邊堤或雙堤延伸方式將溫排水送至離岸更遠(yuǎn)、水深流強(qiáng)的環(huán)境海區(qū)，以期提高溫排水初始稀釋擴(kuò)散能力、促進(jìn)高溫升區(qū)遠(yuǎn)離岸線。排水改造方案的優(yōu)化要素主要包括：明渠延伸類型、延伸角度、長度。（1）明渠延伸類型：明渠延伸類型可分為單邊堤延伸和雙堤延伸。（2）明渠導(dǎo)堤延伸方向：主要原則是充分利用地形特點(diǎn)，在較短距離內(nèi)將排水口送至潮流主流區(qū)。為此，擬將延伸導(dǎo)堤沿海域潮流流向的法線方向（西南向，SW）及地形等深線梯度方向（西南南方向，SSW）作為主要延伸方向。（3）導(dǎo)堤延伸長度：在明渠延伸方向確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合排水明渠出流附近局部海域流場特征進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)流堤延伸長度?；谏鲜?個優(yōu)化要素，設(shè)置6種方案。03排水明渠改造優(yōu)化效果選取夏季半月潮進(jìn)行了各排水改造方案的溫排水計算，全潮最大溫升影響面積見表2、取水溫升特征值見表3。計算結(jié)果表明：各方案溫排水熱影響區(qū)分布形態(tài)近似，高溫升區(qū)主要集中在廠址西側(cè)排水明渠所在的凹灣內(nèi)。與現(xiàn)狀方案相比，各改造方案均有效減小了混合區(qū)范圍。不同計算工況4℃溫升影響面積范圍1.69～4.71km2，變異系數(shù)（即標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值）為0.40；1℃溫升影響面積范圍38.40～43.68km2，變異系數(shù)為0.08。說明高溫升影響面積對排水明渠設(shè)計方案的變化更為敏感。為確定推薦方案，從溫排水混合區(qū)范圍（4℃溫升影響范圍）、4℃溫升貼岸與否、夏季1℃溫升與功能區(qū)劃的符合性、核電取水溫升4個方面進(jìn)行對比分析。（1）現(xiàn)狀排水方案，全潮最大4℃溫升影響范圍為4.71km2。方案一采用單邊堤延伸，在一定程度上將溫排水明渠出流引向排口東側(cè)水深較淺的礁石區(qū)，4℃溫升影響范圍較現(xiàn)狀方案減小了35.2%；方案二采用雙堤延伸，溫排水在雙側(cè)導(dǎo)堤的束縛下出流位于水深較大、潮流相對較強(qiáng)的區(qū)域，4℃溫升影響范圍較現(xiàn)狀方案減小了49.9%；方案三~方案六在明渠延伸方向為SSW的基礎(chǔ)上，結(jié)合排水明渠出流附近局部海域流場特征優(yōu)化導(dǎo)流堤延伸長度，其4℃溫升影響范圍較現(xiàn)狀方案分別減小了59.9%、56.3%、63.5%、64.1%。（2）現(xiàn)狀排水方案，如圖5所示，全潮最大4℃溫升區(qū)分布在排水口西北側(cè)，并在明渠北側(cè)出現(xiàn)貼岸現(xiàn)象；方案一，4℃溫升區(qū)分布離礁石區(qū)所在的東側(cè)岸線較近；方案二，4℃溫升區(qū)分布在排水口東南側(cè)一定范圍內(nèi)，離礁石區(qū)有一定距離；方案三，4℃溫升區(qū)分布在排水口東南側(cè)，離礁石區(qū)及東側(cè)岸線較為貼近；方案四，4℃溫升區(qū)分布距東側(cè)岸線的距離增加，離岸效應(yīng)明顯；方案五，4℃溫升區(qū)分布離岸效應(yīng)更為顯著；方案六，如圖6所示，4℃溫升區(qū)分布離東側(cè)岸線的距離與方案五近似，未出現(xiàn)貼岸現(xiàn)象。（3）核電附近的功能區(qū)劃主要有某臨港工業(yè)與城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)、生態(tài)紅線控制區(qū)，環(huán)保要求夏季1℃不能進(jìn)入?，F(xiàn)狀排水方案，如圖5所示，全潮最大1℃溫升區(qū)分布包絡(luò)了廠址所在岬角，1℃溫升區(qū)西邊界在靠近某港防波堤一側(cè)略超出近岸海域環(huán)境功能區(qū)，不符合生態(tài)環(huán)境的相關(guān)要求。方案一與方案二的1℃溫升區(qū)分布近似現(xiàn)狀方案，略超出近岸海域環(huán)境功能區(qū)，不符合生態(tài)環(huán)境的相關(guān)要求；方案三～方案六的1℃溫升區(qū)分布較現(xiàn)狀排水方案、方案一及方案二向東南方向略偏移，均未超出近岸海域環(huán)境功能區(qū)，也未進(jìn)入相鄰的3個生態(tài)紅線控制區(qū)，符合生態(tài)環(huán)境的相關(guān)要求。（4）現(xiàn)狀排水方案，溫排水排放導(dǎo)致的取水溫升全潮平均值和全潮最大值分別為0.9℃和1.3℃。各排水改造方案的排水出口較現(xiàn)狀排水方案明渠出口向西南深水區(qū)方向有所延伸，溫排水自排水出流口至取水口之間的“流程”略有縮短，會在一定程度上導(dǎo)致核電取水溫升有所升高，但增幅非常有限，不超過0.1℃?？紤]到核電取水口位于明渠根部水體中下層，各方案的取水溫升差異會更小。通過上述綜合比較分析，基于充分利用排水海域地形、海域潮流特征，增強(qiáng)溫排水初始稀釋摻混能力，綜合考慮優(yōu)化目標(biāo)等因素，提出方案六為排水明渠改造優(yōu)化推薦方案。推薦方案的溫升分布如圖6所示，與現(xiàn)狀排水明渠相比，夏季半月潮條件下，全潮最大4℃溫升分布區(qū)仍主要集中在廠址西側(cè)淺灘內(nèi)，但不存在貼岸現(xiàn)象，其影響面積為1.69km2，較現(xiàn)狀方案減小了約64.1%；全潮最大1℃溫升分布區(qū)仍包絡(luò)廠址所在岬角，但未超出某臨港工業(yè)與城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)范圍，也未進(jìn)入乳山灣限制區(qū)、大乳山紅石崖禁止區(qū)、乳山口限制區(qū)這3個生態(tài)紅線控制區(qū)，其影響面積為42.71km2，較現(xiàn)狀方案增大了約7.1%；推薦方案全潮平均取水溫升為1.0℃、全潮最大取水溫升為1.3℃，較現(xiàn)狀方案取水溫升增幅不大于0.1℃，對核電機(jī)組的安全和滿發(fā)不產(chǎn)生影響。04討論溫排水相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要遵循兩類，一類與取排水工程設(shè)計相關(guān)；一類與環(huán)境生態(tài)保護(hù)相關(guān)。例如，《核電廠海工構(gòu)筑物設(shè)計規(guī)范》提出“排水口與取水口之間的距離應(yīng)滿足取水溫升的要求”等。關(guān)于溫排水環(huán)境影響控制標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)目前尚沒有統(tǒng)一的、操作性較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，僅在一些水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對水體溫升提出了若干規(guī)定，但相關(guān)要求較為籠統(tǒng)。例如，《海籍調(diào)查規(guī)范》規(guī)定：沿海核電位于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)附近的電廠溫排水用海，按照人為造成夏季升溫1℃，其他季節(jié)升溫2℃的水體所波及的外緣線界定；溫排水用海按照人為造成升溫4℃的水體所波及的外緣線界定。溫排水的排放方式通常有明渠排放與暗涵排放兩大類。我國目前21個濱海核電廠中80%以上采用明渠排放方式。早期排水明渠的設(shè)計重點(diǎn)主要考慮：溫排水對取水溫升的影響；特征溫升區(qū)（如夏季1℃、冬季2℃溫升區(qū)）與《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的符合性等，而在溫排水用海（溫排水4℃及以上影響區(qū)）方面管控要求相對較松，基本采用一事一議的方式。如東海某核電廠、南海某核電廠均采用海水直流冷卻方式，采用明渠排放溫水，其排放參數(shù)及溫升影響面積如。與本研究中黃海某核電廠溫排水排放特征相比，以上兩個核電廠雖總排熱量減小，但特征溫升區(qū)并未呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。由此可見，排水問題的復(fù)雜性決定了僅從排熱量、排水方式等方面進(jìn)行相關(guān)性分析很難得出規(guī)律性的結(jié)論，溫升影響范圍受排水方式、排水流量、溫升、排水工程特征、排水口出流動量、海域稀釋擴(kuò)散條件等多因素綜合影響。近年來，國家海洋環(huán)境生態(tài)保護(hù)日趨嚴(yán)格，對核電溫水排放提出更高的要求。生態(tài)環(huán)境部頒布的《核動力廠取排水環(huán)境影響評價指南》給出了核電廠溫排水需滿足“溫排水熱擴(kuò)散區(qū)域應(yīng)被限制在一個盡可能小的區(qū)域”“對環(huán)境影響小”等要求。海洋監(jiān)管部門也要求盡量通過工程措施減小溫排水用海范圍。對于早期建成以明渠排放為主的核電廠，如何利用現(xiàn)有明渠進(jìn)行改造，以盡可能小的經(jīng)濟(jì)代價實現(xiàn)對環(huán)境影響程度小的目的已成為絕大多數(shù)已建電廠面臨的重要問題。結(jié)合本核電排水工程研究案例，排水明渠改造優(yōu)化需綜合考慮以下因素：溫排水用海范圍；溫排水對海域養(yǎng)殖區(qū)、環(huán)境敏感目標(biāo)的影響；溫排水與功能區(qū)劃、生態(tài)紅線的符合性；核電取水的經(jīng)濟(jì)性與安全性；改造工程對水動力條件的影響以及施工運(yùn)行維護(hù)成本等。通常情況下，明渠優(yōu)化宜采用雙堤延伸方案，以更好地約束與引導(dǎo)溫排水的流向。明渠延伸方向宜盡量以地形等深線梯度方向為參考，以通過較短距離將溫排水輸送至潮流主流區(qū)。延伸距離宜充分結(jié)合排水出流點(diǎn)附近地形、潮流及明渠雙堤構(gòu)型特征等因素。具體工程還需結(jié)合當(dāng)?shù)睾Ｓ虻乃臍庀?、地形、潮流等條件開展專項研究確定。新形勢下，離岸深排已成為核電審評、監(jiān)管部門向新建電廠主推的排放方式，其主要目的是采用暗涵或明渠方式將溫排水輸送至離岸較遠(yuǎn)的深水強(qiáng)流區(qū)，一方面可減小溫排水混合區(qū)范圍，同時還可以減輕溫排水對近岸的影響。目前，我國采用離岸深排的核電廠相對較少，南海某核電廠采用海水直流冷卻系統(tǒng)，兩臺機(jī)組冷卻水總流量為81.6m3/s，溫升為8℃。該廠址采用遠(yuǎn)海水體底層方涵排放方式，海域段暗涵長度2260m，排水頭部位于-16.0m等深線附近。溫排水研究結(jié)果