国内外温排水热影响监测与评价研究方法探讨

石继香，官云兰，赵利民，朱 利

(1.东华理工大学，江西 南昌330013;2.环境保护部卫星环境应用中心，北京100094; 3.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100094)

0 前言

核能技术是一项能够提供大量能源而且不会释放温室效应气体的能源技术，各国对于核电发展越来越重视，但是核能发展仍面临着一些问题，其中温排水问题已引起国际社会的普遍关注［1］。核电厂冷却方式有直流冷却、通风冷却塔冷却或是两者结合使用进行冷却，冷却方式的不同，其造成的热污染也不一样。采用通风冷却塔再循环冷却，只需要考虑冷却塔排污水的受纳水体，热影响较为微弱。由于条件限制采用冷却塔冷却的核电厂较少，多采用一次循环冷却方式，将冷却水直接排回自然水体，排水温度一般高于受纳水体环境温度6～11℃，造成局部水域水体温度的急剧升高，改变自然水体的水质，因此，保障海域环境和生态系统正常运行，加强对核电站温排水热污染分布范围的探测以及对热污染程度的定量评价，是核电站运行期间环境监测与评价的重要工作之一［2～5］。国内外的海洋环境学家们从20世纪70年代开始，就核电厂温排水对附近海域的影响做过很多的调查和研究工作。

1 研究方法

目前，国际上用于核电厂温排水的环境影响评价的主要技术手段有实地测量、遥感观测和数学物理模拟。随着微尺度(1 km)温排水热污染研究的需要，X波段航海雷达技术也逐渐被用于核电站的热污染监测。一般情况下，较少单一使用某一种方法来进行核电站温排水热污染影响研究，多使用几种方法相结合的方法，相互辅助，相互验证来进行研究。

1.1 实地测量与遥感相结合方法

实地测量精度较高，但成本也高、时效性较差，难以反映较大范围的空间分布，很少单独采用此方法进行核电站热污染监测。卫星遥感的手段，大面积同步观测可以快速、及时、直观地得到监测结果。2种方法相结合，可以开展卫星调查与地面调查的比对，地面调查数据可以验证遥感数据温度反演的精度。

孙恋君［6］等对田湾核电站排放口附近海域温排水环境影响范围和程度进行调查，就采用了以航天遥感测量为主、航空遥感测量为辅、近海面实地测量为补充的方式，获得目前田湾核电站排放口附近海域海面温度场特征分布。调查结果显示，一期工程投入运行后，排放口附近海域环境有明显影响，且随着核电机组的扩建有继续扩大的趋势。周颖［7，8］等利用减灾环境卫星B星(HJ-1B)和风云三号卫星(FY-3)的热红外数据，使用单通道温度反演算法，反演田湾核电厂附近海域海面温度，反演结果与MODIS海表温度产品具有较好的一致性，说明HJ-1B和FY-3的热红外数据能够进行温排水的分布研究。进而分析了温排水的时空分布变化规律，发现夏季温升超过3℃的区域远小于冬季，夏季温排水沿海岸单向狭长扩散，冬季的温升区域呈扇形分布;低潮时超过3℃的温升区域面积是高潮时的4倍。X Y Dai［9］等基于Landsat TM和ETM+6波段热红外图像量化田湾核电站周围海水表面温度(SST)变化的一般规律，及2003－2009年田湾核电站热污染的影响程度，并进行了热污染影响的强度和范围的调查，以及不同的季节之间的热污染面积、强度对比，调查得出这期间的温升区主要分布在核电站附近的浅海水域，超出基准温度最高达6.2℃，也得出冬季温排水热污染强度及范围明显大于夏季的结论。

1.2 物理模型模拟方法

数学物理模拟主要是用于核电厂发电前评价的主要技术手段，模型的选择、水面综合散热系数、扩散系数等典型参数的不同选择均影响了评价的准确度［10］，物理模型能较好地模拟排水口近区三维水流、热水掺混和浮力效应。国内大多学者都是采用物理模型实验来进行热扩散近区的研究，利用物理模型实验来模拟温排水近区的温升分布。辛殿文［11］等基于2005年枯水期施测的大、小潮水文资料及数值计算的成果，建立了澳门路环发电厂温排水物理模型，模型潮流验证试验表明，各验证点位的潮位、流速、流向验证曲线均吻合较好，模型潮流模拟达到了较高的精度。模型除了需要对潮流验证外，还对电厂现状温排水的影响进行验证。详细研究了澳门机场扩建及机场以西水域规划实施后电厂温排水造成的热污染问题，通过改变不同排水口位置，对排水口附近水域表面温升以及取水口的取水温升分布进行对比分析，明确了工程布置的最优方案。

1.3 值模拟方法

1.3.1 二维数值模拟方法 数值模拟又分为二维和三维模型，浅水二维模型能较好地模拟大范围水域潮流场，较好地反映温排水的对流、扩散和累积等效果，并模拟计算水面热量散失的影响。

J Yu［12］等采用分步有限元方法与三角形网格结合二维流体力学模型很好的模拟了日照海域的特点，在此基础上进行日照电厂周围海表的温度热传输和水平分布的数值模拟，并考虑排水口的位置、温排水排放量等因素，设计不同方案预测温排水对水环境的影响，得出从一期和二期项目P1排水口进行海水冷却方案最佳。张舒羽［13］等采用MIKE21软件对核电厂温排水进行数值模拟，分析不同潮型、不同流量及不同季节下的最大温升包络面积和取水口的温升变化。发现温升包络面积与电厂冷却水的排放量不为线性关系，此研究成果可为核电厂的建设提供依据。孙艳涛［14］等采用Delft 3D软件平面二维水流温度场数学模型对常熟电厂一期、二期扩建工程温排水进行数值模拟计算，模型计算的结果与实测值吻合良好，在此基础上分析温度场的分布情况。分析结果显示，冬季小潮比大潮条件下的总的温升影响面积要大，且向下游和离岸方向扩散的距离也更远，取水口处的温升面积均较小。

1.3.2 三维数值模拟相方法 二维海洋流体动力学模型无法知晓水平流速沿深度的变化、无法模拟垂向分布等，无法模拟温排水近区废热水与周围环境水体的卷吸稀释混合现象，因此二维模型存在某些的局限性。为了精确地模拟热扩散近区的温升分布，必须进行三维热扩散预测方法的研究［15］。三维模型研究多采用物理模型试验或试验和数值模拟相结合的方法。但由于受到实验室条件限制，模型范围相对较小，模型模拟的水域范围较小，不易准确模拟环境水体蓄热，热水回归影响，也很难精确调节模型中水面综合散热系数使其满足散热系数相似要求，因此会对结果产生一定影响，并且物理模型实验实际工作中费用昂贵。随着工程要求的提高，三维水流模型逐渐成为研究热点，三维热扩散的数值计算在近些年得到了众多学者的重视。

我国目前采用三维数值模型进行研究已有一些进展。汪一航［16］等采用POM模式，建立了庄河电厂附近海域的包括4个主要分潮的潮汐潮流三维数值模拟，然后用所得流场对庄河电厂的温排水问题进行了数值模拟。彭溢［17］等以武汉阳逻电厂为例，采用三维水动力与温度输运数学模型预测温升场分布。采用电厂温排水平面与垂向两个方向上的实测温升资料对三维温升场数学模型进行验证，模拟结果较好的反映了水域中热量的输移扩散规律。模拟结果显示，温排水排入受纳水域后，由于密度较小，水体表面的扩散范围要大于底层，从垂向分布来看，温升分层现象明显，温水的扩散主要在中上层进行，距离排放口越远，温升影响越小。

国外大多数学者则是采用水利学实验和数值实验相结合的方法进行热扩散的研究。D J Lowe［18］等专门对较大温排量的情况进行了研究，功率为877 MW的CharlesPoletti核电厂和功率为1 253 MW的Astoria燃油电厂相距仅500 m远，这导致了在研究区域内水流较大流速较高。在低海潮的情形下，由于较低的水流速度情况下将会有更少的水可以使用来稀释温排水，所以电厂温排水处于水流最坏的情形下，D J Lowe基于非结构化三角形元素采用灵活的网格配方与三轴温度场实地调查数据成功校准后，采用三维水动力模型MIKE3，对排放到纽约市皇后区东河冷却水热羽流的影响进行评估，表明在温排量最大情况下产生的热羽流也不超过热污染监管标准。

三维热扩散数值模型方法的优劣很大程度上在于湍流的参数化方法上，为了尽可能地消除系数经验选取的人为性，常应用湍流模式理论。常用的有雷诺应力模型和κ－ε双方程模型。雷诺应力方程模式是比较精细的模型，能正确的反映浮力的作用，模拟效果较好，具有较高的精度，是目前比较精确的数学模型。但其计算繁琐，因此在复杂工程中的应用受到一定限制。H Ramirez-Leon［19］等从海逸豪园、韦拉克鲁斯、墨西哥核电厂，考虑鉴于上游的自由表面与大气相互作用的热通量，使用CAL-数值模型解决用于计算浅水区的温度变化的纳维-斯托克斯雷诺应力方程和能量方程，来进行沿海核电厂温排水的研究，并能量方程计算水深测量，海洋，气象，水文和运行机组数目用于数值模拟，分析热羽流扩散规律;并对旱季和雨季的温排水温升结果进行定性统计，通过模拟结果与观测数据比对，显示出较好的一致性。

近岸海域海水温度变化除了流速、浓度、紊动特性、潮汐因素外，还受浅水分潮和近岸地形等因素的影响，因而近岸海水温度的预测也是热扩散预测方法研究中的一个重要课题。国内外学者有的采用修正的 k-ε模型和扩展的 k-ε模型。Z Li［20］等和Y L Cheng［21］等分别通过二维数值和三维数值模型，选择k-ε湍流模型，模拟相关区域的水流速度，获得不同水流速度和不同温排水排水口角度条件下的温度分布规律，并研究地形对电厂温排水扩散的影响结果表明，两人的研究表明，合理的选择热排水口角度和温排水的流速可以减少温排水对电厂排放口的影响。由于温排水受到逆流的影响，一些温排水又回到排放口附近的区域。由于再循环的影响，减小了温排水的影响。斜率较大的地形，温排水在水平方向上扩散较大，而在垂直方向上产生的影响更大。

为了评估温排水污染的影响，通常核电站周围的水域被分为两类，邻近区域和远区域。在Jiang［22］等人的研究中，新开发出一个嵌入式三维网格模型，通过该模型可以直接对近区域和远区域整个区域进行模拟，该模型已被用于韩国KIM和SEO核电站对平均深度数学模型的模拟结果进行评估。S Seddigh-Marvasti［23］等通过 NASIR软件，对于来自来源点的底部温排水建立模型并应用松散的三角形网格划分。应用平均深度有限元体积流量求解器，模拟温排水的排放，通过对比数值结果和现有的实验室测量的表面温度，求得平均深度和表面温度之间的换算因子关系(深度平均温度转换到表面温度)。为了解底部的热污染射流对环境的影响和可能的自然环流的影响提供了更好的方法。

1.4 航海雷达方法

X波段航海雷达，这通常是用于检测海岸线和海面上的障碍，是目前海洋遥感最常用的工具之一。基于海面风浪成像的原理，证明海面观测的可行性。X波段航海雷达图像通过不同的算法可以获得海面风浪、潮流和水深等不同物理特征的重要信息，例如內波、碎波和河流羽状河口区。除上述信息外同样能够观测到温排水分布情况。与机载和卫星的技术相比，基于地面的遥感监测主要是低掠角模式。基于地面的遥感监测也具有持续性和长期监测的优点。然而，使用低掠角海上雷达方式微扫描检测温排水热污染特性一直以来虽很少受到关注，却也有一些研究成果。

S V Nghiemet［24］等人研究墨西哥湾暖流环指出，通过KU波段散射，使用大的入射角(入射角大于20°和小于60°)的反向散射数据，可以检测出各种风向下的冷风和暖风海洋表面温升界线。并指出海洋表面温度的变化引起海表空间风压的变化，导致大气层变化。因此，变化无常的压力导致海浪的变化是中尺度峰面边界影像中的主导因素之一。暖流环的面积比来自核电厂的温排水热污染要大得多。H Y Bau［25］研究指出雷达反向散射受海面风浪所影响，海表温度的变化将会影响海面风浪，采用低掠角的航海雷达方法，微尺度检测(不到1 km)温排水，获取平均连续的图像序列，检测核电站的排水口得到到一个明显的回波带图案。这个区域的海表温度数据回波带与温排水的空间分布形态相匹配。基于X-波频段船用雷达获得的海表图像分析温排水分布规律，确认温排水热污染的分布受海潮现状所决定。

2 结论与建议

核电站温排水对环境的影响较大，对海洋生物的生长和繁殖造成影响，对它进行动态监测是非常必要的，遥感技术具有成本低、速度快、资料同步性好、大范围面状观测等优点，采用卫星遥感与大面测量相结合的方式对温排水进行监测能够反映核电厂运行期间温排水的影响范围。采用以航天遥感测量为主、航空遥感测量为辅、近海面实地测量为补充的方式进行核电站热污染环境监测，并与数模模拟结果进行比对，将是未来温排水物理影响监测与评价的方向。且进行足够的不同时空和不同光谱分辨率的核电站温排水热污染信息采集，对海表温升的时空格局变化进行量化分析，也将是未来温排水热污染监测的一个侧重点。

核电厂厂址的合理选择、取、排水口位置的合理布局以及核电站运行后温排水热影响的预测和评价工作，主要依赖于三维数值模型的模拟，而在国内将三维流体动力学数值模型用于热扩散的研究中还较少，仍属于探索的阶段，因此三维热扩散的数值计算在国内急需解决，仍需加强研究。

核电厂的热污染是很常见的，通过余热利用是减轻温排水热影响的根本性措施，在核电站温排水物理影响监测与评价中，也应加强对余热利用方式的研究和探索，在温排水排入受纳水体前，尽可能取出和利用部分余热，使温排水降低温度后再排入收纳水体，减小核电站温排水对受纳水体的热影响。

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