覃春麗，張琨，張愛玲，上官志洪，陳小莉

(1.中廣核集團蘇州熱工研究院，江蘇蘇州　215004；2.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京　100082；3.中國水利水電科學研究院，北京　100038)

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內陸水域排放口近區(qū)溫排水數值模擬研究概述

覃春麗1，張琨2，張愛玲2，上官志洪1，陳小莉3

(1.中廣核集團蘇州熱工研究院，江蘇蘇州215004；2.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082；3.中國水利水電科學研究院，北京100038)

摘要：根據內陸和濱海水域溫排水數值模擬的差異，對我國內陸水域溫排水數值模擬現狀進行了分析。在調研的基礎上，總結了美國國家環(huán)境保護署推薦的近區(qū)模擬工具CORMIX專家系統的特點，并簡要介紹了美國國家環(huán)境保護局推薦的兩個近區(qū)模擬工具的適用性和應用現狀，以期為我國內陸水域排放口近區(qū)溫排水數值模擬工作提供借鑒。

關鍵詞：環(huán)境水力學；溫排水；內陸水域；近區(qū)；數值模擬

為保證我國經濟的持續(xù)發(fā)展，解決經濟增長帶來的日益突出的電力供需矛盾，近年來我國相繼建設了一批火電和核電項目。電廠發(fā)電后廢熱通過溫排水排入受納水域，而溫排水對環(huán)境的影響程度取決于受納水體對溫排水的摻混稀釋作用。影響稀釋的主要因素包括：溫排水的流量、溫排水與受納水體的溫差、受納水體的水動力特征和溫排水的排放方式等。

一般來說，溫排水水溫高于受納水體，因而兩種流體的密度不一致，導致溫排水與受納水體初始摻混時呈現浮羽流特性。當溫排水排放流速大于受納水體流速時，初始摻混將呈現射流特性。以上兩種特性的組合使得溫排水與受納水體的初始摻混呈現三種水動力形態(tài)：浮羽流、純射流和浮射流。當溫排水排放呈現浮射流特性時，溫排水會與受納水體迅速摻混，能夠在較小范圍內達到較高的稀釋度。為了達到這種狀態(tài)，很多國家普遍采用擴散器形式排放溫排水。

由于溫排水與受納水體摻混稀釋的水動力特性在排放口附近水域和較遠水域有較大差異，因而在研究中，通常將摻混水域分為近區(qū)和遠區(qū)：近區(qū)溫排水的稀釋規(guī)律主要取決于排放口的幾何特征和浮射流特性，該階段溫排水的摻混稀釋以浮射流引起的剪切卷吸、湍流卷吸、渦流卷吸和強制混摻作用為主，稱為主動稀釋過程；遠區(qū)溫排水的摻混稀釋是通過受納水體的輸移擴散來完成的，稱為被動稀釋過程。由于這兩個空間區(qū)域的摻混稀釋機理不同，通常采取不同的模擬研究手段。

1我國內陸水域溫排水數值模擬研究現狀

溫排水數值模擬研究工作的程序一般是首先模擬流場，在流場的基礎上模擬溫度場。現有溫排水模擬的研究領域多集中于濱海水域，由于濱海水域與內陸水域在流動特性上存在較大不同，因而數值模擬工作的側重點也應有所不同。

在空間區(qū)域上，濱海水域的流場在水平方向通常具有往復性流動特征，水平尺度遠大于垂向尺度，呈現平面二維特性，則濱海水域的溫排水模擬工作大多采用沿水深平均的平面二維數值模型；對于內陸水域，受納水體為河流時，通常為單向流，其橫斷面尺度相近，一般來說呈現三維特性。當溫排水為表層排放時，溫排水的浮力特性較弱，一般可以忽略，因而濱海水域采用平面二維模型是合適的；若溫排水的排放口位置位于水面以下時，浮力特性則不可忽略，需采用三維模型進行模擬。

隨著理論認知的不斷深入和計算機技術的飛速發(fā)展，在水質數值求解領域發(fā)展出了眾多成熟的模擬工具，并在國際上得到了廣泛應用，如MIKE系列、EFDC、DELFT3D和FLUENT等。以上四種模擬工具均可開展濱海水域和內陸水域的溫排水模擬，在我國內陸水域三維水質模擬中也不乏應用案例，如MIKE3曾用于模擬湘潭火電廠溫排水在湘江中的分布特性[1]、新船伊型喀什河上游梯級開發(fā)對庫區(qū)水溫和流速的影響[2]等；EFDC曾用于模擬咸寧核電廠溫排水在富水水庫中的分布特性[3]、沈陽市渾河流域突發(fā)事件水質模擬[4]等；DELFT3D曾用于模擬西湖中污染物的推移擴散特性[5]、堵港蓄淡水庫水體淡化過程[6]、荊江沙市微彎河段流速和含沙量分布[7]等；FLUENT曾用于模擬咸寧核電廠排放的低放廢水在富水水庫中的分布特性[8]。MIKE3、EFDC和DELFT3D一般不考慮排放口的幾何特性，將排放口概化為點源，無法考慮完整的浮射流特性，或僅能考慮射流流速而無法考慮流向，或僅能考慮浮力而不能考慮射流流速。這三種模擬工具對溫排水遠區(qū)的模擬較為準確。

在我國，核電廠溫排水對水環(huán)境影響評價的審評過程中，遠區(qū)影響一般采用數值模擬結果，近區(qū)采用物理模型實驗結果。雖然FLUENT可以考慮排放口的幾何特性，從而將近區(qū)浮射流和遠區(qū)輸移擴散進行完整模擬，但其對網格剖分要求極高、計算量巨大。與此同時，國內科研院所自主開發(fā)的溫排水模擬工具中，或多或少都存在不能模擬近區(qū)浮射流的情況。

與濱海水域相比，內陸排放口附近的水域存在飲水點、灌溉點、養(yǎng)殖區(qū)和水生生物等，潛在的受影響對象更復雜，環(huán)境敏感點更多。因此，這對排放工程形式(如擴散器等)和溫排水排放近區(qū)的精細模擬提出了更高要求。

2美國近區(qū)模擬工具應用現狀及發(fā)展趨勢

排放口近區(qū)模擬以浮射流理論為基礎，浮射流的數學模型有長度比尺模型、積分模型和紊流模型。在解決浮射流實際問題時，往往是多種方法聯合使用。例如，在工程領域應用較為廣泛的是美國環(huán)保署推薦的CORMIX專家系統和Visual Plumes模型，這兩個模型均結合了卷吸積分模式和長度比尺模式。

2.1模型簡介

CORMIX是一個分析并預測污染流在受納水體混合區(qū)稀釋擴散規(guī)律的專家系統，該系統還可用于設計并優(yōu)化排放口或擴散器。CORMIX把水流的各種水動力條件，如射流與水體表面和水底的動力相互作用考慮在內，綜合了大量的物理模型和現場實驗資料，適用于篩選各種可能的初始混合情景，可對單孔排放、多孔排放和表面排放進行模擬，通過對各種流動情況下特征長度比尺的相對大小歸類，進行污染物分布特性模擬。

CORMIX將受納水體概化為三維矩形，根據排放口的不同形態(tài)分為三個模塊：CORMIX1和CORMIX2分別針對單孔和多孔排放，排放口位置可位于水面和水下；CORMIX3針對表層面源排放。在實際應用過程中，CORMIX對排放口參數的設置滿足絕大多數現實工程需求，如CORMIX1滿足95%以上的單孔排放情形，CORMIX2滿足80%以上的多孔擴散器設置，CORMIX3滿足90%以上面源排放情況。

對于排入水體的污染物，CORMIX可模擬溫排水、保守污染物、符合一階衰減規(guī)律的污染物、鹽水和含沙水體；對于受納水體，CORMIX可模擬穩(wěn)態(tài)流和潮位規(guī)則變動的水流形態(tài)。當水體密度隨水深變化時，CORMIX可模擬均勻密度、兩層或者三層密度變化的情況，亦適用于深水庫密度分層情況。CORMIX將受納水體的橫斷面概化為矩形，因此不適用于斷面形態(tài)極度不規(guī)則的水域，但這并不妨礙CORMIX在排放口附近水域污染物模擬的廣泛工程應用[9-10]。

此外，Visual Plumes也是美國環(huán)保署推薦的排放口浮射流近區(qū)模擬工具，由眾多子模塊組成，其中RSB模塊能夠應用于密度分層橫流中的線源浮力羽流，UM模塊可應用于單孔和多孔圓形浮射流。美國遭遇卡特里娜颶風后，在維護新奧爾良的堤壩時，美國環(huán)保署采用該程序模擬了48小時從龐恰特雷恩湖向密西西比河中排放的污水及泥沙造成的影響[11]。

2.2模型應用及發(fā)展趨勢

CORMIX和Visual Plumes均可模擬溫排水和符合一階衰減規(guī)律等污染物的排放。美國環(huán)保署對這兩個模型的適用性進行了詳細地分析討論，分為單孔排放、多孔擴散器和面源排放三個模塊，在各模塊下就污染物的水動力和物理特性、排放口幾何特性、受納水體的密度分層和受納水體的流動特性分別開展討論，并對各情景下的模型選取進行了初步的理論分析對比。

為評估Visual Plumes和CORMIX在排放口附近浮射流模擬的效果，A.Etemad-Shahidi[12]等利用Visual Plumes和CORMIX對Boston物理模型進行比對計算。Boston物理模型采用多孔擴散器排放，受納水體為密度分層的靜水。Visual Plumes和CORMIX的比對內容包括不同的排放流量、受納水體的密度分層形式和擴散器形式，將兩個模型的模擬結果與物理試驗實測結果進行比對，結果表明CORMIX模擬效果優(yōu)于Visual Plumes。

在近10年向美國核管會提交申請的10份內陸核電廠環(huán)境報告中，除2個核電廠采用Visual Plumes進行排放口附近溫排水混合區(qū)模擬外，其余8個核電廠均采用了CORMIX進行模擬。采用CORMIX進行模擬的8個內陸核電廠多數采用幾何形態(tài)較為復雜的多孔擴散器，受納水體涵蓋了流量較大的河流(如密西西比河)、流量較小的河流(如薩斯奎哈納河)、流速較小的湖泊(如格蘭伯里湖)和水庫(如帕爾水庫)。不僅如此，CORMIX還廣泛應用于濱海核電廠溫排水模擬、符合一階衰減規(guī)律的常規(guī)污染物模擬領域。從CORMIX的功能出發(fā)，其可以應用于符合一階衰減規(guī)律的放射性液態(tài)流出物的近區(qū)摻混模擬。

根據水動力條件的不同，排放口近區(qū)的空間尺度由米至千米量級不等，這導致了排放口附近有可能包含近區(qū)和遠區(qū)，盡管CORMIX和Visual Plumes具有遠區(qū)稀釋擴散模擬的功能，但由于這兩種模型無法完備地考慮實際地形變化，而地形和糙率等因素對污染物的遠區(qū)稀釋擴散影響極大，因此需要采用其他的模型進行遠區(qū)稀釋擴散模擬。近年來發(fā)展出排放口近區(qū)和遠區(qū)聯合模擬的應用，即采用遠場模型進行受納水體全流場模擬，將計算得到的排放口附近的受納水體流場條件(如水位和流速等)導入近區(qū)模型中進行近區(qū)模擬，這在受納水體為濱海水域[13-14]和湖泊[15]的排放工程中有較多的應用。當然，將近、遠區(qū)的水動力場和溫度場耦合模擬將是未來發(fā)展的趨勢。

3結語

當前，我國水環(huán)境問題已引起社會各界的廣泛關注?，F階段，為減少溫排水對水環(huán)境的影響，我國位于內陸水域的排放工程在設計階段傾向于采用擴散器。而我國現有溫排水數學模擬研究側重于考慮大尺度空間范圍的遠場模型，當電廠溫排水的受納水體位于內陸并需要考慮排放口附近溫排水對水環(huán)境的影響時，如排放口下游1 km空間范圍內，這些遠場模型的效果差強人意。因此，對于內陸水域中溫排水排放這類需要重點研究排放口近區(qū)溫升分布的情況，就需要采用近場模擬工具，如CORMIX專家系統。與此同時，為減少溫排水對水環(huán)境的影響，美國位于內陸水域的排放工程實踐中已廣泛采用擴散器，且美國環(huán)保署推薦的排放口近區(qū)模擬工具在實際溫排水模擬工作中有較為廣泛的應用實踐和深入的對比探討。通過對國外排放工程的排放口近區(qū)溫排水模擬研究的學習，可以為我國內陸水域排放口附近溫排水模擬研究提供一定的參考，以便更好地服務于溫排水環(huán)境影響評價。

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收稿日期：2015-04-22

基金項目：國家自然科學基金項目(51209228)

作者簡介：覃春麗(1986—)，女(壯族)，廣西河池人，工程師，碩士，研究方向為核電廠環(huán)境影響評價，E-mail：qinchunli@cgnpc.com.cn 通訊作者：張愛玲(1973—)，女，山東濰坊人，研究員，碩士，研究方向為核設施環(huán)境影響評估和安全分析，E-mail：zhang20040701@sina.com

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.011

中圖分類號：X824；X11

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6444(2016)04-0040-03

Preliminary Studies on Numerical Simulation of Thermal Effluent near Discharge Outlet in Inland Waters

QIN Chun-li1, ZHANG Kun2, ZHANG Ai-ling2, SHANGGUAN Zhi-hong1,CHEN Xiao-li3

(1.Suzhou Nuclear Power Research Institute, China General Nuclear Power Corporation, Suzhou 215004, China; 2.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environment Protection, Beijing 100082, China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract:According to difference in the numerical simulation of thermal effluent between the inland and littoral areas, the current numerical simulation situation of thermal effluent in inland waters in China was analyzed. In order to provide reference for the numerical simulation of thermal effluent near discharge outlet in inland waters in China, the characteristics of CORMIX Expert System recommended by U.S. EPA were summarized. In addition, the applicability and application situation of two U.S. EPA recommended near-zone simulation tools were briefly introduced in this paper.

Key words:environmental hydraulics; thermal effluent; inland waters; near-zone; numerical simulation