前言
核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)除對取排水區(qū)域的水環(huán)境可能造成污染外(熱污染，低放污染)，還可 能對水生物產(chǎn)生傷害。伴隨著核電廠巨大的取水量而產(chǎn)生的卷吸效應(yīng)是造成水生物死亡的主 要因素。特別是取水口附近存在水生物產(chǎn)卵場和索餌場的情況下，由于卵和幼魚無游泳回 避 能力或游泳回避能力弱，這種卷吸效應(yīng)的影響比較大。目前，我國對該方面的研究還處于起 步階段，美國ORNL(橡樹嶺國立實驗室)在70年代末至80年代初對核電廠取水產(chǎn)生的卷吸 效應(yīng)進行了深入的研究，并采用數(shù)學模型對卷吸效應(yīng)造成的結(jié)果模擬計算，計算結(jié)果用于評 價核電廠取水產(chǎn)生的卷吸效應(yīng)的影響。對卷吸效應(yīng)的評價著重于冷卻水系統(tǒng)對水生物的卷吸數(shù)量，該量可以用卷吸率來表征。卷吸 率定義為取水口處運移物(水生物)的濃度與取水水量的乘積(核電廠取水卷吸的量)除以源 處產(chǎn)生運移物(水生物)的數(shù)量。顯然，卷吸率大，核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生的卷吸作用嚴 重，水生物損失相應(yīng)也大；反之，水生物損失則小。卷吸效應(yīng)涉及到水動力，物質(zhì)輸移和擴散，水生物特性等方面的知識，其機制是十分復雜的 。在實際應(yīng)用中，為了便于模擬計算卷吸效應(yīng)造成水生物的損失量，常常忽略水生物特性因 素的影響，將水生物看作是被動的，其在水中垂直方向上均勻分布，水平方向上的輸移分布 則符合物質(zhì)輸移和擴散規(guī)律。這樣，可以采用二維深度平均潮流運動方程和物質(zhì)質(zhì)量方程相 耦合的數(shù)學模型，對卷吸效應(yīng)進行評價。
2 水動力計算
流場計算是卷吸率計算的基礎(chǔ)，只有在流場模擬正確的情況下，計算得到的卷吸率才具有實 際意義。流場計算時可采用沿深平均二維潮流運動數(shù)學模型，這是由連續(xù)性方程和一組動量 守恒方程相耦合而成的。
連續(xù)性方程：
動量守恒方程：
上式中：x,y,t:水平坐標和時間坐標；
H：全水深；
ZB：水底到基準面的距離；
u,v:沿深平均流速在x,y兩方向上的分量；
α：紊亂粘滯系數(shù)；
f：地轉(zhuǎn)系數(shù)；
g:重力加速度；
Cf：阻力系數(shù)。
上述數(shù)學模型須滿足以下條件：
(1)速度是沿水深平均的；
(2)水不可壓縮且密度均一；
(3)大氣壓力定常，水面風作用忽略不計；
(4)水底應(yīng)力可以參數(shù)化。
在已知邊界條件和初始條件情況下，采用數(shù)值計算方法對該數(shù)學模型進行求解，得到計算卷 吸率所需的流場。求解該數(shù)學模型的數(shù)值計算方法很多，國內(nèi)常用的是控制體積法，即在方 程離散時，時間采用前差，空間采用四邊形交錯網(wǎng)格，全水深H，x向速度u和y向速度v的計 算網(wǎng)格錯開，將計算速度分量的網(wǎng)格點布置在計算全水深的控制體積的相應(yīng)交界面上。顯然 控制體積法是差分法的一種改進。美國ORNL在研究卷吸效應(yīng)時，采用有限元方法進行水動力 計算。需要指出的是，在流場計算前，應(yīng)該采用實測數(shù)據(jù)對數(shù)學模型及其中的參數(shù)進行標定，以確 保所用的數(shù)學模型合理，計算參數(shù)正確。只有這樣，計算出的流場才可靠。
3 卷吸率計算
在流場已知情況下，將卷吸對象(幼魚和卵)視作完全溶于水中的運移物。采用物質(zhì)質(zhì)量守恒 方程，求解運移物在水中的濃度分布，從而計算出卷吸率。
物質(zhì)質(zhì)量守恒方程：
式中：Dx，Dy：X，Y向擴散系數(shù)；Sc：源項。
這里的源項涉及到兩個方面，在取水口位置，該值為被卷吸的運移物的數(shù)量，可用取水口處 的濃度與取水量的乘積(Si)來表征；在產(chǎn)卵場位置，該值為每單位面積，單位時間產(chǎn)卵的數(shù) 量(P)。
卷吸率定義為：
在建立以上描述運移物輸移和擴散規(guī)律的數(shù)學模型時，用到了以下的假設(shè)條件：
(1)濃度在垂向上進行平均；
(2)模擬區(qū)域內(nèi)擴散系數(shù)為常數(shù)；
(3)將被核電廠取水裝置卷吸的水生物視作無游泳能力的運移物，僅隨水流作被動運移，或 從高濃度向低濃度擴散；
(4)運移物的所有擴散特性均包含在擴散系數(shù)中。
在給定計算參數(shù)、初始條件和邊界條件后，仍可采用控制體積法或有限元法對以上數(shù)學模型 進行求解，得出模擬區(qū)域內(nèi)運移物的濃度分布，進而計算核電廠取水裝置對水生物的卷吸率 。
我們對某核電廠的卷吸效應(yīng)進行了計算，并分析了各種因素對卷吸率的影響。該核電廠取水 口位于半封閉海灣的灣口，灣內(nèi)水動力條件弱，與灣外水交換條件差。在灣內(nèi)(A區(qū))、灣口( B區(qū))和灣外(C區(qū))選取三個區(qū)域作為模擬計算的產(chǎn)卵地，分別計算在不同的水動力強度(大潮 ，中潮，小潮)下，取水設(shè)施對這三個產(chǎn)卵地卷吸率的大小。模擬計算時間長度總共為40個 潮周期(約42天)，每個潮周期的卷吸率均給出，每個計算時步為120秒。
計算結(jié)果表明水動力強度對卷吸率影響較大。強度大的潮在開始幾個潮周期，卷吸率相對比 強度小的潮要大，但隨著潮周期數(shù)的增加，強度大的潮的卷吸率增長幅度要比強度小的潮的 卷吸率增長幅度小，到一定的潮周期之后，強度小的潮的卷吸率反而超過強度大的潮的卷吸 率。以B區(qū)為例，第1個潮周期后，大潮的卷吸率為004，小潮的卷吸率為002；第5個潮 周期后，大潮的卷吸率為152，小潮的卷吸率為143；第10個潮周期后，大潮的卷吸率為 363，小潮的卷吸率為384；到第40個潮周期后，大潮的卷吸率為976，小潮的卷吸率 為1210�？梢姡�5個潮周期前大潮的卷吸率大于小潮的卷吸率；第5個潮周期之后，小潮 的卷吸率逐漸超過大潮的卷吸率。
潮強度大小對卷吸率的影響可以用物質(zhì)輸運規(guī)律來解釋。當潮強度大的時候，運移物從產(chǎn)卵 區(qū) 到卷吸口的時間要快，因此短時間內(nèi)強度大的潮卷吸的數(shù)量多。但隨著潮周期數(shù)的增加，卷 吸口附近的運移物濃度會逐漸趨于平衡，此時，強度大的潮的平衡濃度要比強度小的潮的平 衡濃度要小。這是由于潮強度小時，運移物的輸移速度慢，已到達卷吸口的運移物不易被輸 移，濃度相應(yīng)也大。因此，潮周期增加到一定程度，強度小的潮的卷吸率反而比強度大的潮 的卷吸率要大一些。計算結(jié)果還顯示了潮周期對卷吸率的影響是很大的。無論何種計算條件，卷吸率均隨潮周期 數(shù)的增加而增大，但增大幅度趨于平緩。
至于產(chǎn)卵場位置的影響可以從水動力強度和距取水口遠近兩方面來分析。A區(qū)位于灣內(nèi)，雖 距取水口較遠，但灣內(nèi)水動力弱，與外界交換速度慢，物質(zhì)不易往外輸移，隨著潮周期數(shù)的 增加，卷吸口附近運移物的濃度不斷積聚，卷吸的數(shù)量也逐漸增加，卷吸率相應(yīng)增大。C區(qū) 位 于灣外，水動力強，距取水口遠，取水口附近運移物的濃度小，相應(yīng)的卷吸率要��；位于灣 口的B區(qū)，一方面距取水口近，有利于取水裝置對運移物的卷吸作用；另一方面，灣口水動 力強，有利于運移物向外輸移。這兩方面決定了B區(qū)的卷吸率要小于A區(qū)，但比C區(qū)大。
擴散系數(shù)對卷吸率也有一定的影響。計算結(jié)果表明，當擴散系數(shù)縮小5倍時，開始卷吸率減 小，到一定潮周期后，卷吸率反而增大。這種現(xiàn)象的機制與水動力強度對卷吸率影響相似。 本次計算得到，擴散系數(shù)縮小5倍時，第10個潮周期之后，卷吸率減小42%；但第40個潮周 期之后，卷吸率則增大36%。
4 結(jié)語
核電廠取水設(shè)施對水生物的卷吸效應(yīng)是一個十分復雜的過程，在忽略水生物的生物特性情況 下，通過對實際條件進行一系列的簡化，可以建立二維深度平均潮流運動方程和物質(zhì)質(zhì)量方 程相耦合的數(shù)學模型來模擬計算卷吸效應(yīng)。顯然這種計算與實際情況存在某些偏差，其主要 問題是數(shù)學模型忽視了水生物的主動性，將一個多因素影響的問題簡化為簡單的物理機械問 題。盡管如此，建立的數(shù)學模型還是能反映核電廠卷吸效應(yīng)的強度，計算的卷吸率比實際的 要偏大，結(jié)果趨于保守，計算結(jié)果可用于對核電廠取水對水生物卷吸效應(yīng)的評價。二維深度平均潮流運動方程和物質(zhì)質(zhì)量方程相耦合的數(shù)學模型計算卷吸率的關(guān)鍵是流場的計 算，只有將流場模擬正確，計算出的卷吸率才具有意義。水動力強度大小和產(chǎn)卵場距取水口 遠近是影響卷吸率大小的兩個主要因素，其它因素一般都通過這兩個因素間接地起作用。
