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(guó)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(xiàng)能夠提供大量能源而且不會(huì)釋放溫室效應(yīng)氣體的能源技術(shù)，各國(guó)對(duì)于核電發(fā)展越來(lái)越重視，但是核能發(fā)展仍面臨著一些問(wèn)題，其中溫排水問(wèn)題已引起國(guó)際社會(huì)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(yùn)行，加強(qiáng)對(duì)核電站溫排水熱污染分布范圍的探測(cè)以及對(duì)熱污染程度的定量評(píng)價(jià)，是核電站運(yùn)行期間環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的重要工作之一［2～5］。國(guó)內(nèi)外的海洋環(huán)境學(xué)家們從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，就核電廠溫排水對(duì)附近海域的影響做過(guò)很多的調(diào)查和研究工作。

1 研究方法

目前，國(guó)際上用于核電廠溫排水的環(huán)境影響評(píng)價(jià)的主要技術(shù)手段有實(shí)地測(cè)量、遙感觀測(cè)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(cè)。一般情況下，較少單一使用某一種方法來(lái)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(yàn)證來(lái)進(jìn)行研究。

1.1 實(shí)地測(cè)量與遙感相結(jié)合方法

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

孫戀君［6］等對(duì)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(cè)量為主、航空遙感測(cè)量為輔、近海面實(shí)地測(cè)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(chǎng)特征分布。調(diào)查結(jié)果顯示，一期工程投入運(yùn)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(shì)。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(hào)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(shuō)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(shí)空分布變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)夏季溫升超過(guò)3℃的區(qū)域遠(yuǎn)小于冬季，夏季溫排水沿海岸單向狹長(zhǎng)擴(kuò)散，冬季的溫升區(qū)域呈扇形分布;低潮時(shí)超過(guò)3℃的溫升區(qū)域面積是高潮時(shí)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(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(guó)內(nèi)大多學(xué)者都是采用物理模型實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行熱擴(kuò)散近區(qū)的研究，利用物理模型實(shí)驗(yàn)來(lái)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(cè)的大、小潮水文資料及數(shù)值計(jì)算的成果，建立了澳門(mén)路環(huán)發(fā)電廠溫排水物理模型，模型潮流驗(yàn)證試驗(yàn)表明，各驗(yàn)證點(diǎn)位的潮位、流速、流向驗(yàn)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(duì)潮流驗(yàn)證外，還對(duì)電廠現(xiàn)狀溫排水的影響進(jìn)行驗(yàn)證。詳細(xì)研究了澳門(mén)機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建及機(jī)場(chǎng)以西水域規(guī)劃實(shí)施后電廠溫排水造成的熱污染問(wèn)題，通過(guò)改變不同排水口位置，對(duì)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(duì)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(chǎng)，較好地反映溫排水的對(duì)流、擴(kuò)散和累積等效果，并模擬計(jì)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(diǎn)，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(jì)不同方案預(yù)測(cè)溫排水對(duì)水環(huán)境的影響，得出從一期和二期項(xiàng)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(duì)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(chǎng)數(shù)學(xué)模型對(duì)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(jì)算，模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好，在此基礎(chǔ)上分析溫度場(chǎng)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(dòng)力學(xué)模型無(wú)法知曉水平流速沿深度的變化、無(wú)法模擬垂向分布等，無(wú)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(cè)方法的研究［15］。三維模型研究多采用物理模型試驗(yàn)或試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。但由于受到實(shí)驗(yàn)室條件限制，模型范圍相對(duì)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(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，并且物理模型實(shí)驗(yàn)實(shí)際工作中費(fèi)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(diǎn)，三維熱擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算在近些年得到了眾多學(xué)者的重視。

我國(guó)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(gè)主要分潮的潮汐潮流三維數(shù)值模擬，然后用所得流場(chǎng)對(duì)莊河電廠的溫排水問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬。彭溢［17］等以武漢陽(yáng)邏電廠為例，采用三維水動(dòng)力與溫度輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)溫升場(chǎng)分布。采用電廠溫排水平面與垂向兩個(gè)方向上的實(shí)測(cè)溫升資料對(duì)三維溫升場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)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(lái)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(guó)外大多數(shù)學(xué)者則是采用水利學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行熱擴(kuò)散的研究。D J Lowe［18］等專門(mén)對(duì)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(huì)有更少的水可以使用來(lái)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(chǎng)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)成功校準(zhǔn)后，采用三維水動(dòng)力模型MIKE3，對(duì)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(píng)估，表明在溫排量最大情況下產(chǎn)生的熱羽流也不超過(guò)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(yàn)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(jì)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(jì)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(lái)進(jìn)行沿海核電廠溫排水的研究，并能量方程計(jì)算水深測(cè)量，海洋，氣象，水文和運(yùn)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(duì)旱季和雨季的溫排水溫升結(jié)果進(jìn)行定性統(tǒng)計(jì)，通過(guò)模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，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(dòng)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(cè)也是熱擴(kuò)散預(yù)測(cè)方法研究中的一個(gè)重要課題。國(guó)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(guò)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(duì)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(duì)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(píng)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(kāi)發(fā)出一個(gè)嵌入式三維網(wǎng)格模型，通過(guò)該模型可以直接對(duì)近區(qū)域和遠(yuǎn)區(qū)域整個(gè)區(qū)域進(jìn)行模擬，該模型已被用于韓國(guó)KIM和SEO核電站對(duì)平均深度數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。S Seddigh-Marvasti［23］等通過(guò) NASIR軟件，對(duì)于來(lái)自來(lái)源點(diǎn)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(guò)對(duì)比數(shù)值結(jié)果和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(duì)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(cè)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?；诤Ｃ骘L(fēng)浪成像的原理，證明海面觀測(cè)的可行性。X波段航海雷達(dá)圖像通過(guò)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(cè)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(cè)主要是低掠角模式?；诘孛娴倪b感監(jiān)測(cè)也具有持續(xù)性和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。然而，使用低掠角海上雷達(dá)方式微掃描檢測(cè)溫排水熱污染特性一直以來(lái)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(guò)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(cè)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(wú)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(lái)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(huì)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(cè)(不到1 km)溫排水，獲取平均連續(xù)的圖像序列，檢測(cè)核電站的排水口得到到一個(gè)明顯的回波帶圖案。這個(gè)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。基于X-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(duì)環(huán)境的影響較大，對(duì)海洋生物的生長(zhǎng)和繁殖造成影響，對(duì)它進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)等優(yōu)點(diǎn)，采用衛(wèi)星遙感與大面測(cè)量相結(jié)合的方式對(duì)溫排水進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠反映核電廠運(yùn)行期間溫排水的影響范圍。采用以航天遙感測(cè)量為主、航空遙感測(cè)量為輔、近海面實(shí)地測(cè)量為補(bǔ)充的方式進(jìn)行核電站熱污染環(huán)境監(jiān)測(cè)，并與數(shù)模模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，將是未來(lái)溫排水物理影響監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的方向。且進(jìn)行足夠的不同時(shí)空和不同光譜分辨率的核電站溫排水熱污染信息采集，對(duì)海表溫升的時(shí)空格局變化進(jìn)行量化分析，也將是未來(lái)溫排水熱污染監(jiān)測(cè)的一個(gè)側(cè)重點(diǎn)。

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(yùn)行后溫排水熱影響的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)工作，主要依賴于三維數(shù)值模型的模擬，而在國(guó)內(nèi)將三維流體動(dòng)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(jì)算在國(guó)內(nèi)急需解決，仍需加強(qiáng)研究。

核電廠的熱污染是很常見(jiàn)的，通過(guò)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(cè)與評(píng)價(jià)中，也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)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(duì)受納水體的熱影響。

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