滨海地区核电温排水热影响如何减缓

滨海地区核电温排水热影响如何减缓减缓核电温排水热影响是滨海地区可持续发展的关键。结合核电发展形势及海洋生态环境保护要求，开展某核电排水工程改造优化研究，充分利用海域地形、潮流特点及明渠结构特征等，提出减缓温排水热影响的排水明渠优化原则及改造方案。研究结果表明：与现状排水明渠相比，推荐排水方案的高温升影响区域不贴近滨海岸线，且影响面积减小了约64.1%，低温升区域分布满足生态环境要求，为生态友好型核电排水工程设计提供参考。引用本文：高宁，韩瑞，赵懿珺，等.基于减缓温排水热影响的滨海核电排水明渠改造优化研究［J］.给水排水，2022，48（10）：109-115.“积极安全有序发展核电”已成为我国实现“碳达峰、碳中和”目标的关键。基于对核电建造运行成本、冷却效率等因素的考虑，我国已建、在建的核电厂均布局于滨海地区，采用海水直流冷却技术。核电厂从临近海域取水，向核电机组供应冷却用水，冷却水经凝汽器发生热交换后，将等量的超温水体排入环境海域，即温排水。核电运行期间，温排水源源不断地排入近海。每台百万千瓦装机容量的核电机组日均排热量约1.22×1011~2.18×1011kJ。2021年我国核电总装机容量约为5464.7万kW，由此估算，核电排入近海水体的年排热量（按机组年运行7000h计算）约1.94×1015~3.47×1015kJ。“十四五”规划提出，截止到2025年，我国核电运行装机容量需达7000万kW，滨海核电排热量将持续增加，加重了临近海域的环境压力。如何减缓核电温排水的热影响已成为我国滨海地区可持续发展的关键科学问题，也是我国海洋环境保护和核电评审、监管的关注重点。近年来，温排水问题的关注点已从工程角度，即关注温排水对核电取水温升的影响转向了生态环境角度。相关研究主要集中在以下几方面：温排水的稀释扩散特性、排水方式的选择、排水工程的布置原则、排放口型式与结构的设计、余热综合利用及减缓温排水影响的辅助工程措施等，研究目标旨在尽量将温排水的热影响区域限制在相对较小的范围内，以减小温排水对水生生物及生态环境的影响。上述研究为新建电厂的取排水工程设计提供了较强的指导意义，但对已经运行的电厂，如何在已有排水工程的基础上进行改造优化，使得排水热影响满足国家日益严苛的环境保护与核电监管要求是亟需解决的问题。结合核电发展的新形势及海洋生态保护的新要求，基于我国某在运滨海核电厂排放现状，开展排水明渠工程改造优化研究，对温排水在受纳海域中的稀释扩散特征及时空分布规律进行深入分析，充分利用排水海域岸线、地形、潮流环境特点及明渠结构特征等，提出减缓温排水热影响的排水明渠改造优化原则及推荐方案，为在运核电厂现有排水工程的改造提供思路，对缓减温排水热污染、制定生态友好型核电排水工程设计规范等具有重要意义。01数据与方法1.1研究区域概况某核电厂位于山东半岛某犄角状半岛上，半岛西侧沿岸为大面积水深低于1m的沙质浅滩，东侧为琵琶口湾，湾底水深较浅；半岛南侧海域逐渐加深，10、20m等深线离岸距离分别约为2.5、15km。核电厂附近潮汐观测站的统计结果表明，海域潮流为不正规半日浅海潮流类型。2019-2020年研究区域水文实测资料分析表明，海流以带有旋转流的往复流为主，夏季各测站最大流速范围为11~46cm/s。厂址气象站2016-2020年气象要素特征值统计结果表明，厂址附近年平均气温为13.5℃，平均风速3.7m/s，年平均相对湿度76％，夏季水温为27.1℃。核电厂所在半岛附近海域是小黄鱼、带鱼、蓝点马鲛等多种重要经济鱼类的产卵场，生物资源较为丰富。近年来由于海洋环境污染、过渡捕捞及气候变化的影响，致使该区域渔业资源严重衰退，生物群落及资源结构均发生了变化，大型经济优势种被个体小、营养层次低的小型中上层鱼类逐步替代，如2016-2018年渔业调查表明，该核电附近海域鳀和黄鮟鱇均为全年优势种，优势种更替较快。与核电厂相临的环境敏感目标主要包括乳山湾限制区、大乳山红石崖禁止区、乳山口限制区这三个生态红线区及某临港工业与城镇建设区这一近岸海域环境功能区。1.2取排水工程现状概述该核电厂采用海水直流供水系统，以厂址附近海域作为机组运行的冷却水源。厂区一次规划，分期建设，4台机组的夏季冷却水总量为268m³/s，温升为8.1℃。电厂采用4台机组共用取排水明渠，取水明渠位于厂区东南侧，取水口位于-8.0m等深线处，排水明渠位于厂区西侧，排水口位于-3.0m等深线处，排水明渠的北堤距岸线相对较近，最短距离约800m。1.3数据来源研究采用的地形数据为厂区附近实测水下地形及海图；水文数据为2019年的实测资料，水文监测期间共布设12个潮流观测站及2个潮位观测站。1.4数学模型建立与验证采用Delft3D-Flow模型opensource版平面二维数学模型进行不同排水方案下温排水输运分布模拟。结合研究区域潮流特征及温排水扩散趋势，确定模拟范围为顺岸方向长约140km，离岸方向宽约70km的区域，计算域面积约9800km²。模型采用贴体曲面四边形网格，最小网格尺寸约为20m。模型参数设置：模型底部糙率与海床底质、水深分布有关，取值范围为0.012~0.02；水平热扩散系数取值范围为0.1~110m²/s，扩散系数分布总体表现为从近岸浅滩到离岸深水逐渐增大、从排口近区向远区逐渐增大的分布特点；水平粘性系数背景值为1.0m²/s；水面综合散热系数根据《冷却水工程水力、热力模拟技术规程》推荐公式计算，夏季为45W/（m²·℃）。采用实测资料对模型流场进行了验证，部分潮位及流速、流向验证结果如图4所示。验证结果表明：模型与原型潮位过程及定点流速、流向符合较好，模型的整体流场分布特征与原型基本一致。02排水明渠改造优化思路2.1排水明渠改造优化目标为减缓核电机组运行造成的环境影响，减小温排水混合区范围（4℃及以上温升影响范围），降低高温升区对滨海岸线的影响，提出了排水方案的改造优化目标：优化后方案较排水现状的4℃温升影响范围应有明显减小；4℃温升影响分布不贴岸（即高温升分布不贴近岸线附近生态物种较为丰富的区域）；夏季1℃温升影响范围满足海洋功能区划、近岸海洋环境功能区划及生态红线控制区的要求；兼顾考虑温排水对核电取水的影响，保障核电安全、经济运行。2.2排水明渠改造优化方案排水明渠改造优化的总体思路为充分利用排水海域潮流、地形特点及现有排水明渠结构特征，采用排水导流堤单边堤或双堤延伸方式将温排水送至离岸更远、水深流强的环境海区，以期提高温排水初始稀释扩散能力、促进高温升区远离岸线。排水改造方案的优化要素主要包括：明渠延伸类型、延伸角度、长度。（1）明渠延伸类型：明渠延伸类型可分为单边堤延伸和双堤延伸。（2）明渠导堤延伸方向：主要原则是充分利用地形特点，在较短距离内将排水口送至潮流主流区。为此，拟将延伸导堤沿海域潮流流向的法线方向（西南向，SW）及地形等深线梯度方向（西南南方向，SSW）作为主要延伸方向。（3）导堤延伸长度：在明渠延伸方向确定的基础上，结合排水明渠出流附近局部海域流场特征进一步优化导流堤延伸长度。基于上述3个优化要素，设置6种方案。03排水明渠改造优化效果选取夏季半月潮进行了各排水改造方案的温排水计算，全潮最大温升影响面积见表2、取水温升特征值见表3。计算结果表明：各方案温排水热影响区分布形态近似，高温升区主要集中在厂址西侧排水明渠所在的凹湾内。与现状方案相比，各改造方案均有效减小了混合区范围。不同计算工况4℃温升影响面积范围1.69～4.71km²，变异系数（即标准差与平均数的比值）为0.40；1℃温升影响面积范围38.40～43.68km²，变异系数为0.08。说明高温升影响面积对排水明渠设计方案的变化更为敏感。为确定推荐方案，从温排水混合区范围（4℃温升影响范围）、4℃温升贴岸与否、夏季1℃温升与功能区划的符合性、核电取水温升4个方面进行对比分析。（1）现状排水方案，全潮最大4℃温升影响范围为4.71km²。方案一采用单边堤延伸，在一定程度上将温排水明渠出流引向排口东侧水深较浅的礁石区，4℃温升影响范围较现状方案减小了35.2%；方案二采用双堤延伸，温排水在双侧导堤的束缚下出流位于水深较大、潮流相对较强的区域，4℃温升影响范围较现状方案减小了49.9%；方案三~方案六在明渠延伸方向为SSW的基础上，结合排水明渠出流附近局部海域流场特征优化导流堤延伸长度，其4℃温升影响范围较现状方案分别减小了59.9%、56.3%、63.5%、64.1%。（2）现状排水方案，如图5所示，全潮最大4℃温升区分布在排水口西北侧，并在明渠北侧出现贴岸现象；方案一，4℃温升区分布离礁石区所在的东侧岸线较近；方案二，4℃温升区分布在排水口东南侧一定范围内，离礁石区有一定距离；方案三，4℃温升区分布在排水口东南侧，离礁石区及东侧岸线较为贴近；方案四，4℃温升区分布距东侧岸线的距离增加，离岸效应明显；方案五，4℃温升区分布离岸效应更为显著；方案六，如图6所示，4℃温升区分布离东侧岸线的距离与方案五近似，未出现贴岸现象。（3）核电附近的功能区划主要有某临港工业与城镇建设区、生态红线控制区，环保要求夏季1℃不能进入。现状排水方案，如图5所示，全潮最大1℃温升区分布包络了厂址所在岬角，1℃温升区西边界在靠近某港防波堤一侧略超出近岸海域环境功能区，不符合生态环境的相关要求。方案一与方案二的1℃温升区分布近似现状方案，略超出近岸海域环境功能区，不符合生态环境的相关要求；方案三～方案六的1℃温升区分布较现状排水方案、方案一及方案二向东南方向略偏移，均未超出近岸海域环境功能区，也未进入相邻的3个生态红线控制区，符合生态环境的相关要求。（4）现状排水方案，温排水排放导致的取水温升全潮平均值和全潮最大值分别为0.9℃和1.3℃。各排水改造方案的排水出口较现状排水方案明渠出口向西南深水区方向有所延伸，温排水自排水出流口至取水口之间的“流程”略有缩短，会在一定程度上导致核电取水温升有所升高，但增幅非常有限，不超过0.1℃。考虑到核电取水口位于明渠根部水体中下层，各方案的取水温升差异会更小。通过上述综合比较分析，基于充分利用排水海域地形、海域潮流特征，增强温排水初始稀释掺混能力，综合考虑优化目标等因素，提出方案六为排水明渠改造优化推荐方案。推荐方案的温升分布如图6所示，与现状排水明渠相比，夏季半月潮条件下，全潮最大4℃温升分布区仍主要集中在厂址西侧浅滩内，但不存在贴岸现象，其影响面积为1.69km²，较现状方案减小了约64.1%；全潮最大1℃温升分布区仍包络厂址所在岬角，但未超出某临港工业与城镇建设区范围，也未进入乳山湾限制区、大乳山红石崖禁止区、乳山口限制区这3个生态红线控制区，其影响面积为42.71km²，较现状方案增大了约7.1%；推荐方案全潮平均取水温升为1.0℃、全潮最大取水温升为1.3℃，较现状方案取水温升增幅不大于0.1℃，对核电机组的安全和满发不产生影响。04讨论温排水相关的标准主要遵循两类，一类与取排水工程设计相关；一类与环境生态保护相关。例如，《核电厂海工构筑物设计规范》提出“排水口与取水口之间的距离应满足取水温升的要求”等。关于温排水环境影响控制标准，国内目前尚没有统一的、操作性较强的标准，仅在一些水环境质量标准中对水体温升提出了若干规定，但相关要求较为笼统。例如，《海籍调查规范》规定：沿海核电位于水产养殖区附近的电厂温排水用海，按照人为造成夏季升温1℃，其他季节升温2℃的水体所波及的外缘线界定；温排水用海按照人为造成升温4℃的水体所波及的外缘线界定。温排水的排放方式通常有明渠排放与暗涵排放两大类。我国目前21个滨海核电厂中80%以上采用明渠排放方式。早期排水明渠的设计重点主要考虑：温排水对取水温升的影响；特征温升区（如夏季1℃、冬季2℃温升区）与《海水水质标准》等相关生态环境标准的符合性等，而在温排水用海（温排水4℃及以上影响区）方面管控要求相对较松，基本采用一事一议的方式。如东海某核电厂、南海某核电厂均采用海水直流冷却方式，采用明渠排放温水，其排放参数及温升影响面积如。与本研究中黄海某核电厂温排水排放特征相比，以上两个核电厂虽总排热量减小，但特征温升区并未呈现一定的规律性。由此可见，排水问题的复杂性决定了仅从排热量、排水方式等方面进行相关性分析很难得出规律性的结论，温升影响范围受排水方式、排水流量、温升、排水工程特征、排水口出流动量、海域稀释扩散条件等多因素综合影响。近年来，国家海洋环境生态保护日趋严格，对核电温水排放提出更高的要求。生态环境部颁布的《核动力厂取排水环境影响评价指南》给出了核电厂温排水需满足“温排水热扩散区域应被限制在一个尽可能小的区域”“对环境影响小”等要求。海洋监管部门也要求尽量通过工程措施减小温排水用海范围。对于早期建成以明渠排放为主的核电厂，如何利用现有明渠进行改造，以尽可能小的经济代价实现对环境影响程度小的目的已成为绝大多数已建电厂面临的重要问题。结合本核电排水工程研究案例，排水明渠改造优化需综合考虑以下因素：温排水用海范围；温排水对海域养殖区、环境敏感目标的影响；温排水与功能区划、生态红线的符合性；核电取水的经济性与安全性；改造工程对水动力条件的影响以及施工运行维护成本等。通常情况下，明渠优化宜采用双堤延伸方案，以更好地约束与引导温排水的流向。明渠延伸方向宜尽量以地形等深线梯度方向为参考，以通过较短距离将温排水输送至潮流主流区。延伸距离宜充分结合排水出流点附近地形、潮流及明渠双堤构型特征等因素。具体工程还需结合当地海域的水文气象、地形、潮流等条件开展专项研究确定。新形势下，离岸深排已成为核电审评、监管部门向新建电厂主推的排放方式，其主要目的是采用暗涵或明渠方式将温排水输送至离岸较远的深水强流区，一方面可减小温排水混合区范围，同时还可以减轻温排水对近岸的影响。目前，我国采用离岸深排的核电厂相对较少，南海某核电厂采用海水直流冷却系统，两台机组冷却水总流量为81.6m³/s，温升为8℃。该厂址采用远海水体底层方涵排放方式，海域段暗涵长度2260m，排水头部位于-16.0m等深线附近。温排水研究结果