田湾核电站扩建工程泥沙问题研究

崔方水，顾 磊,李文丹

（1.中核集团江苏核电有限公司，连云港222042；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

田湾核电站扩建工程泥沙问题研究

崔方水1，顾 磊1,李文丹2

（1.中核集团江苏核电有限公司，连云港222042；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

文章研究了连云港核电站扩建后工程海区有关的泥沙问题。首先对该海区自然条件和冲淤演变进行了分析。其次，使用考虑波浪作用的二维潮流泥沙数学模型，对田湾核电站扩建工程实施后的二维潮流场、泥沙场、地形冲淤场进行了模拟计算。最后，采用大风骤淤三维数学模型研究手段，研究了该工程实施后取水明渠内骤淤情况。研究结果表明，从水流泥沙角度考虑，田湾核电站扩建工程的实施是可行的。

数学模型；扩建工程；潮流；泥沙；骤淤；连云港

田湾核电站位于连云港市高公岛，北侧是连云港港。本次研究主要考虑了连云港旗台港区防波堤规划、黄窝吹填围堰、徐圩港区总体规划工程以及田湾核电站取排水扩建工程［1-2］。旗台港区扩建工程是指沿旗台港区外边界向外海方向延伸至约-7.5m（56黄海基面）等深线处，北堤端部建一防波堤，与连云港口门北侧东西连岛南侧拟建的防波堤形成环抱型。黄窝吹填工程是指在旗台港区南侧和核电工程取水明渠北堤之间围垦造陆，沿陆地边界向外海方向延伸约2.3 km，形成陆域面积约3.72 km2。徐圩港区总体规划工程是在埒子口上方进行适当围垦（外推9 km左右），东、西两防波堤内形成“王”字型港池布置，港内水域面积约为28.65 km2。徐圩港区航道按30万t级考虑，有效宽度350m，设计底标高-25.4m，航道轴线保持不变。田湾核电站取水导流堤包括南、北两条堤，南北两条堤在一期取水明渠的基础上东延1.5 km，北导流堤再向东北外延500m，南导流堤再向东北延长2 600m，南、北导流堤中心线间距约320m。取水明渠考虑规划容量1～8号机组共用，布置方案中取水明渠导流堤与黄窝吹填区围堰部分结合，对于明渠单导流堤段考虑通过开挖形式形成取水明渠，1～8号机组共同运行时明渠底宽190m，明渠底高程-6.6m。排水导流堤在1#、2#机组排水口北堤基础上通过505 m长的120°圆弧转向西南，再直线延伸700 m，形成一半环抱型导流堤。1～8号机组的排水明渠也通过开挖形成,明渠内底标高-3.5m；排水口处位于约-2.0m等深线处。

鉴于连云港旗台港区防波堤规划、黄窝吹填围堰、徐圩港区规划工程以及田湾核电站新取排水布置方案的实施［1-2］对海岸线和流场预计可能发生较大的变化。本文主要采用二三维数学模型研究方法，预测了核电站寿期内取排水工程附近海域泥沙冲淤及取水明渠内年淤积和骤淤情况，保证取水安全，并为工程布置方案的确定提供可靠的基础资料和科学依据。

1 自然条件及岸滩演变分析

本工程海区潮汐属非正规浅海半日潮型，平均潮差达3.66 m。工程海区外侧潮流呈逆时针旋转，不同位置主流向略有变化，其中涨潮自北向南，主流向为SSW（200°），落潮自南向北，主流向为NNE（30°）。据2009年和2010年水文全潮观测资料统计，各站涨落潮潮段平均流速随着向海域推进而逐渐增大。据工程及附近海域1997～1998年固定观测站资料统计，核电站取水海域年均含沙量为0.243 kg/m3，与邻近高公岛、烧香河、东连岛诸站水域相比，为含沙量较小的水域，在一年当中海域含沙量以当年11月～翌年2月为较高时期，含沙量可达0.237～0.308 kg/m3，夏季6～8月为全年含沙量最小的季节，5月份最低，可达0.150 kg/m3。根据1998年前的底质资料分析，工程海区沉积物主要为粉砂质粘土和粘土质粉砂，据2005年9月底质资料分析，该海域以沙质粉砂和粘土质粉砂为主，说明该海域泥沙淤积主要为悬移质泥沙搬运沉积。

本文采用多个水深测图和海图对工程水域附近进行了水深对比分析可知，1962～2005年间历时44 a，靠海一侧呈现南侧海域冲刷、北侧海域淤积的变化，变化幅度由冲刷0.11 m到淤积0.40 m，靠岸一侧除去部分冲刷0.43～0.47 m外，其他部分由冲刷0.17 m变为淤积0.33 m，同样整体上冲淤变化幅度年最大也仅在1.0 cm以内。由此可得，该工程及其附近海域多年来呈现有冲淤变化，其多年平均年变化幅度在1.0 cm以内，整个海床范围处于基本稳定状态［1-3］。

2 二维潮流泥沙数学模型

二维潮流泥沙数学模型采用TK-2D软件中考虑波浪及其破碎作用的基于三角形网格的潮流数学模型和考虑波流共同作用下的泥沙数学模型模块［4-5］。

2.1 模型建立与验证

二维潮流和泥沙数学模型东边界到120°00′E，北边界到34°55′N，南北距离约55 km，东西距离约76.6 km。采用三角形网格剖分计算域［6］：三角形网格节点数为40 890个，三角形个数为80 748个，相邻网格节点最大间距为1 402.12m，最小间距为9.04m。

潮位及流速流向验证参见文献［1］。正常天气下，一般认为泥沙主要与海域的潮流动力作用有关，而实际情况当中，泥沙运动与潮流并不一定完全对应，或多或少都会有波浪的影响，因此只靠正常天气含沙量的验证来率定模型的参数不够充分，年平均含沙量场计算时不仅要考虑潮流的影响，还要考虑波浪动力条件，用年平均含沙量作为进一步验证和率定参数，使整个模型的率定过程更加准确和可靠。其中年均波浪场主要根据大西山海洋站1962～2003年实测波浪资料分向分级统计结果对NE、E、NNE、ENE浪向进行了验证计算。正常天气含沙量和年均含沙量验证参见文献［1］。大西山海洋站和羊山岛有常年实测含沙量，分别为0.20～0.21 kg/m3和0.24 kg/m3，通过数值模拟，年均含沙量计算值与实测值基本一致。海底地形冲淤变化计算考虑了大、中、小潮、各向向岸波分级波浪的组合，验证则采用了田湾核电站一、二期取水明渠的淤积结果和取水明渠附近8个断面1997年和2005年两次地形（以1997年为基础，模拟到2005年）进行了验证［1］。

图1 工程实施后涨落潮流场图Fig.1 Flow field at flood and ebb strength of tide after project

2.2 工程后潮流场分布

图1给出了工程前后涨落急时刻流场图。由图可见：

（1）工程海域等深线和岸线接近顺直平行，外海潮流以逆时针的旋转形式运动，涨潮近似西南向，落潮近似东北向。（2）工程方案实施后，工程区以外潮流运动基本不变，流场变化主要就集中在工程附近区域，流场变化主要由工程建设引起的，取排水量不同而造成的流场变化不大。（3）旗台港区防波堤与取水明渠防波堤之间、徐圩港区内以及取水明渠与徐圩港区之间形成成了明显的弱流区，有利于泥沙落淤。

2.3 工程后明渠淤积情况

由工程后厂址所在海区的流场分析可知，在2条防波堤的掩护下，取水口所在海区受涨落潮影响较小，涨落潮过程中防波堤间水体主要通过防波堤前端的开口与外海区的水体发生交换，防波堤外水体携带的悬沙经过明渠进入取水口，并沿程落淤。由于取水口在近岸，涨落潮水流携带的泥沙经过取水明渠落淤后，泥沙含量逐渐减小，相应的泥沙淤积也沿程减弱。利用经过验证的泥沙运动与冲淤数学模型，对方案实施后取水明渠内年淤积情况进行了计算，经计算可知取水明渠内年平均淤积强度为0.76 m/a［7-8］。

2.4 工程后滩面冲淤情况

工程实施后，受工程建设影响，局部位置如防波堤堤头、排水明渠外侧会出现局部冲刷外，大部分为促淤环境。图2给出了方案实施后，达到基本冲淤平衡状态时，工程附近滩面冲淤变化。可见，工程方案实施后，取水明渠附近有限范围内发生了冲淤，取水明渠口门东南侧发生了冲刷，取水明渠南北两侧发生了淤积；排水口附近发生冲刷，排水明渠仅在口外附近岸滩水深地形有变化；取水明渠和徐圩港区之间发生淤积。

图2 冲淤平衡分布Fig.2 Distribution of siltation and erosion

3 三维大风骤淤数学模型

田湾核电站位于江苏省北部黄海海州湾西南岸—连云港的南侧，该海域常遭受台风和寒潮大风的侵袭。在正常天气，该海域含沙量比较低，而大风天情况下，波浪掀沙作用强，底部会出现高含沙量，对田湾核电站取排水明渠淤积可能会造成一定的影响。本文主要利用三维潮流泥沙数学模拟技术，预测类似于2007年9月“韦帕”台风入侵后，田湾核电站取水明渠和排水口的泥沙淤积情况［9-10］。

本次三维大风骤淤数学模型计算所采用的台风场数学模型、台风作用下的波浪数学模型、三维潮流数学模型和三维泥沙数学模型的建立以及验证参见文献［1］。中国海台风场和气压场模型，其南边界取至台湾岛以南海域，北至辽东湾，东边界至E 132°经线，计算域为1 590 km×2 390 km，模型采用正四边形网格，空间步长为5 km×5 km，采用大西山海洋站实测的风速过程进行了验证。为了更准确地模拟台风期间形成的波浪过程，从大到小建立了4层模型，采用4层嵌套的方式对波浪进行模拟，从大到小分别为中国海波浪模型、海州湾海域模型、连云港海域模型以及工程海域小模型，并采用连云港港口南侧海域在-3m、-5m处2个波浪临时测站在台风其间波浪资料对该海域的波浪场及其过程进行验证。考虑到本次主要研究取排水明渠的骤淤问题，为了将明渠细化，三维模型又采用嵌套进行计算，三维潮流及泥沙数学模型采用渐变网格对取水明渠进行了加密处理，最大网格300 m，最小网格10 m，其中含沙量的验证采用工程区-3 m和-5 m等深线位置实测“韦帕”台风期间含沙量进行验证，地形冲淤验证采用“韦帕”台风期间连云港30万t级航道内骤淤资料对其进行验证。

通过三维“韦帕”台风期间取水明渠内骤淤计算可知（图3），在类似“韦帕”台风作用下，取水明渠附近产生了淤积，但淤积厚度不大，基本都在0.11m以下，因此该工程实施后骤淤可能性不大。

图3 取水明渠骤淤分布Fig.3 Distribution of sudden siltation in intake open channel

4 结语

本文主要采用二三维数学模型方法，预测了田湾核电站取排水工程附近海域泥沙冲淤及取水明渠内年淤积情况，主要结论有：（1）工程方案实施后，工程区以外潮流运动基本不变，流场变化主要集中在工程附近区域，流场变化主要由工程建设引起的。旗台港区防波堤与取水明渠防波堤之间、徐圩港区内以及取水明渠与徐圩港区之间形成了明显的弱流区，有利于泥沙落淤。（2）取水明渠内年平均淤强为0.76m/a。（3）在类似“韦帕”台风作用下，取水工程实施后骤淤可能性不大。（4）取水明渠两侧滩面淤高，排水口外侧冲深。（5）从对取排水附近海区的水沙环境影响角度考虑，在取水明渠内准备好备淤深度，定期维护，取水工程方案是可行的。（6）在工程建设期间及完工后应加强现场监测工作。

［1］李文丹,张娜.田湾核电站扩建工程5、6号机组取排水工程泥沙冲淤演变及岸滩稳定性数学模型试验研究［R］.天津:交通部天津水运工程科学研究所,2010.

［2］闫勇,麦苗.田湾核电站扩建工程5、6号机组取排水工程泥沙冲淤演变及岸滩稳定性物理模型试验研究［R］.天津:交通部天津水运工程科学研究所,2010.

［3］吴以喜,麦苗,闫勇.田湾核电站附近岸滩演变及泥沙淤积分析研究［R］.天津:交通部天津水运工程科学研究所,2006.

［4］李孟国,张华庆,陈汉宝,等.海岸河口多功能数学模型软件包TK-2D的开发研制［J］.水运工程,2005（12）:1-4. LIM G,ZHANG H Q,CHEN H B,et al.Development of multi-functional mathematical model software package TK-2D on coast and estuary［J］.Port&Waterway Engineering,2005（12）:1-4.

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［7］李孟国.田湾核电站海域潮流泥沙数值模拟研究［J］.泥沙研究,2008,4（2）:16-23. LIM G.Numerical modeling of tidal current and sediment movement in the coastal area near Tianwan Power Station［J］.Journal of Sediment Research,2008,4（2）:16-23.

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［9］赵群,卢佐.2007年9月台风“韦帕”过境时连云港波浪、潮流、泥沙现场观测报告［R］.天津:交通部天津水运工程科学研究所,2008.

［10］左书华,张娜,庞启秀,等.连云港徐圩航道泥沙环境及大风天回淤研究［R］.天津:交通部天津水运工程科学研究所,2009.

Sediment problems related to expansion project of Tianwan Nuclear Power Plant

CUIFang-shui1,GU Lei1,LIW en-dan2
(1.Jiangsu Nuclear Power Co.,Ltd.,Lianyungang 222042,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The sediment problems related to the expansion project of Lianyungang Power Plant was studied in this paper.Firstly,the natural conditions and sediment environments in the sea area near the project were analyzed.Secondly,based on the observed data,a two-dimensional mathematical model of tidal flow and sediment was used to study the tidal current field,sediment field,terrain siltation and erosion field after the implementation of expansion project.Finally,the sudden deposition in the intake open channel was studied by the three-dimensional model under strong wind.The results show that it is feasible to implement the expansion from the view of tidal current and sediment.

mathematical model;expansion project;tidal current;sediment;sudden deposition; Lianyungang

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0323-04

2013-04-02；

2013-05-06

崔方水（1976-），男，山东省人，高级工程师，主要从事海滨核电工程设计及研究管理。

Biography：CUIFang-shui（1976-）,male,senior engineer.