1、 秦山核电三期工程取水口冲淤变化研究和预测摘要：本文采用河床演变分析的方法研究秦山核电三期工程取水口附近海床的冲淤变化，并用数学模型和实体模型在验证的基础上进行了近期变化预测，为核电厂安全运行数十年和保证循环冷却水正常供水提供了科学依据。 关键词：河床演变 数学模型 实体模型 预测 1 前言秦山核电三期工程位于毗邻钱塘江河口的杭州湾顶附近的秦山、螳螂山(图 1)。三期工程拟建二台 Candub 重水堆机组，装机容量为 150 万 kw，取水口设在螳螂山的北侧( 图 2)，取水流量为84m3/s。由于取水口所在海域潮强流急、含沙量大，又是杭州湾北岸深槽的末段，海床受上游钱塘江河口径流丰、平、枯的
2、变化和围垦(钱塘江河口上游已围近百万亩)的影响而发生剧烈的冲淤变化，下游又受杭州湾北岸深槽冲淤变化的制约，因而取水口附近水域的水流、泥沙运动和海床冲淤变化尤为复杂。另外，三期工程需在螳螂山两侧的山岙海滩上围海造地作为厂区(见图 2)，从而改变了取水口附近的水流条件。此外，为进一步治理钱塘江河口，规划在邻近秦山水域的尖山河湾还将继续围涂缩窄，以及开发杭州湾南岸庵东滩面的海涂资源，由于过去钱塘江的治江围涂缩窄已对秦山水域产生了一定的淤积影响，下阶段的治江围涂越向下游发展，离秦山核电就越近，影响更直接。为保证核电厂四十年循环冷却水的正常供水和安全运行，必须研究取水口附近的水流、泥沙运动和河床冲淤变化
3、，以及对各种影响因素进行预测。为此，采用河床演变分析的方法研究核电三期取水口附近的冲淤变化，并用经验公式进行了预测。同时还采用数学模型计算和实体模型试验两种手段在实测资料验证的基础上，考虑影响近期变化的因素进行了冲淤变化预测。采用三种方法共同研究，取长补短、共同论证，使结论更可靠。2 取水口冲淤变化分析研究由于取水口所处的特殊地理位置决定了它的冲淤变化不仅与杭州湾、钱塘江大范围的冲淤变化有关，尤其是杭州湾北岸深槽的冲淤变化有关，还与秦山深潭冲淤变化有关。分析研究中运用了钱塘江河口 40 多年和杭州湾 30 多年的实测地形资料，还有厂区附近10 多次比尺较大(1/万)的测图，再结合多年来的水文观
4、测和测验资料，来分析研究河床的冲淤变化规律和机理，这些丰富的地形资料综合反映了水流、泥沙、河势和河床形态的变化，既包括了天然水文年的变化，也包括了人类活动(建库和围涂等) 的影响。2.1 杭州湾北岸深槽的冲淤变化杭州湾北岸金山至秦山、杨柳山有一条长 54km、平均水深710m 的深槽，称之为杭州湾北岸深槽。秦山核电取水口位于杭州湾北岸深槽的末段这一大环境中。因而深槽的冲淤变化，将直接影响到取水口的运行。图 1 秦山核电位置示意图 Schematic location plan of Qinshan Nuclear Power Plant图 2 取水口位置图 Location plan of w
5、ater intake计算分析 1959 年和 1998 年两次测图离岸 3.0km(深槽范围)、高程-2.0 以下的深槽容积变化可知，北岸深槽的上段( 场前以上)40年来是淤积的，累计淤积 0.76 亿 m3。场前以下至金山段是冲刷的，累计冲刷 0.77 亿 m3。2.2 秦山深潭的冲淤变化和形成机理在杭州湾北岸深槽稳定性分析的基础上，根据 40 余年来厂区水域的 10 多次较大比尺(1/万)测图分析，秦山深潭自 1971 年以来至1988 年，多年来呈累计淤积的变化，总计淤积 4177 万 m3，平均淤厚 5.0m，-18m 以下深潭面积减小 42.8%，而 1988 年以来变化不大，基本
6、趋于稳定，仅有季节性的冲淤变化（呈“夏淤冬冲” 的特点）。其淤积原因是由于河口段 60 年代和 70 年代末遭受连续枯水年加上大规模的围垦引起的，且淤积的时空分布有滞后现象。其淤积和面积缩小的部位主要在离岸的三个方向，而近岸边没有单向累积性的淤积变化。秦山深潭是由于秦山、螳螂山在平面上凸出岸线 300m 以上，形似一座丁坝。涨、落潮流由于丁坝的绕流作用而形成坝头附近的上升、下降的螺旋流，水流集中冲刷形成类似于坝头的冲刷坑。另外还有道罗山岛屿的绕流冲刷作用。运用张定邦1以实验资料为基础的公式(1)式中 k 为与边坡系数有关的系数，k=f(m)；h0 为行近水深；V 为行近流速；ds 为大于某粒径
7、重量百分数 5%所对应的粒径；d 为平均粒径； 为水流与坝轴线交角。 计算冲刷坑最大深度 h，当流速达 34m/s 时，坑底高程可冲深到-30 40m 左右，与实际情况基本一致。2.3 取水口附近冲淤变化 取水口底设计标高为 -13m。根据历年水下地形图分析，取水口附近在矶头绕流和回流的作用下，形成一个深水陡坡，-13m 线比较稳定，平面摆动不大，最大摆幅为 2040m，越近矶头头部越稳定，只要取水口离岸一定距离布置时，完全可以满足设计标高要求。 虽然秦山深潭多年来呈淤积趋势，但历年来淤得最高时（包括季节性变化）取水口附近深潭最深点还在-26m 以下，且近岸陡坡无累积性单向淤积。2.4 秦山水
8、域水沙运动概貌 秦山水域大潮时涨、落潮平均流速在 0.901.8m/s，涨、落潮最大流速可达 34m/s。螳螂山和道罗山之间的水道内流速更大。(1) 流路与流态 浮标流路追踪资料表明，涨潮时有二股水流向秦山、道罗山口门辐集交会，经道罗山水道时其间的水流十分湍急，上下翻滚，形成螺旋流。落潮时受杨柳山、秦山挑流作用，主要向白塔山外侧流去，经道罗山至北岸深槽的落潮流相对较强。另外，在螳螂山、道罗山附近均有回流存在，水流流态和结构十分复杂。数模和实体模型均模拟了上述流路和流态。(2) 流场分布 纵向变化 水域内涨潮时流速沿程向上游增大；落潮时向下游递减。横向变化 越近岸边涨落潮流速比值越大；离岸愈远，
9、比值越小，甚至小于 1。近岸水量是净进，离岸远时为净出。说明近岸区域是受涨潮流控制，由于外海涨潮流强度、方向几十年来无大的变化，因而近岸无单向淤积趋势。而离岸远处受落潮流控制，而落潮流速受上游河口围涂的影响已减小 10%以上，从而造成离岸远处区域的单向淤积。(3) 含沙量分布与输沙特征 秦山水域内涨、落潮含沙量最大可达 512kg/m3，平均为 36kg/m3 。涨潮时含沙量沿程向上递增，落潮时向下游递减；悬沙和底质粒径也呈相同趋势变化。近岸涨落潮输沙量比值大于 1，离岸远处则反之。大、小潮输沙量可差 24倍。3 数学模型简介和验证3.1 数学模型简介 考虑到杭州湾和钱塘江河口是以悬沙输移为主
10、，故采用潮汐水流、泥沙输移及河床变形垂线平均的二维模式来进行数值模拟计算2。其水流泥沙运动基本方程为(2)(3)(4)(5)(6)式中 Z 为潮位；H 为水深；g 为重力加速度； u、v 为分别为x、y 方向上垂线平均流速分量；f 为柯氏力系数；Cz 为谢才系数；Z0 为河床高程；t 为时间；x、y 分别为水流在 x、y 方向的涡动扩散系数； 为泥沙的沉速；x、y 分别为 x、y 方向的风应力分量；s 为泥沙干容重；S、S*分别为垂线平均含沙量和垂线平均挟沙能力；T1 、T2 分别为底部与垂线平均含沙量、挟沙能力的比值；Ex、Ey 分别为泥沙在 x、y 方向上的扩散系数。 模型的上、下边界为澉
11、浦和乍浦，并与大范围数模( 上、下边界分别为海宁盐官和南汇镇海一线)相衔接。模型模拟 912km2水域，共设 1385 个三角形单元和 759 个有效节点。最小空间步长40m，时间步长水流计算为 5s、泥沙、河床变形计算为 20s。3.2 模型验证 数模利用 1995 年实测水文、泥沙、地形资料进行了验证。高、低潮位验证误差一般小于 0.20m，流速误差在 20%左右，流向误差20之内，且涨、落潮流路和平面流态、局部回流均与天然相符。涨、落潮含沙量的峰谷过程基本与原型一致，且 85%以上的点据误差小于 30%，涨、落潮单宽输沙量的验证误差小于 30%的占 70%。河床变形的验证，每计算四步水流
12、求解一次泥沙输移方程和河床变形方程， 并修改一次地形，如此反复，求得验证期（5 个月）末的河床地形。结果为河段淤积量和平均淤积厚度的计算误差小于 15%（表1）。从上述验证结果看，模型较好地模拟了天然流场和泥沙输移，表明所选用的模式、参数、地形概化和边界处理等是合理的，可以用来预测工程后的冲淤变化。表 1 厂区附近淤积量、平均淤积厚度验证Verification of volume and mean thickness of siltation near the power plant region时段间隔天数比较淤积量(104m3)淤积厚度(m)1995 年 38 月150d实测726.64
13、.7计算618.44.04 实体模型简介与验证4.1 实体模型简介 实体模型是根据相似原理模拟和复演原型的水流和泥沙运动。为研究取水口附近冲淤变化,确定模型的范围为以螳螂山为中心,原型纵向 5.2km,横向离螳螂山矶头 1.4km 左右,约 10km2 海域面积,根据任务和场地条件,确定模型平面比尺 L=250,垂直比尺 H=100(变态率 =2.5)。模型按满足水流运动相似和悬沙运动相似条件设计3重力相似u=v=H 1/2(7)阻力相似n=H2/3L-1/2(8)水流连续相似t1=L/u(9)沉降相似=H3/2-1L(10)起动相似v0=u=v(11)河床变形相似t2=L0/us(12)经计算，选用比重 s=1.48g/cm3、中值粒径 d50=0.03mm 的电木粉基本上能满足沉降和起动相似的要求。4.2 模型验证模型经定床清水和浑水淤积二步验证。验证的结果为：模型水位过程和流速过程与原型基本吻合，涨、落潮流路也与天然基本一致。浑水淤积验证也采用 1995 年 38 月实测地形资料，河段总淤积量误差为 13.8%，各断面淤积厚度误差也在 20%以内(见表 2)，证明所选的模型沙是合适的，其验证的精度可用来预测建工程后的冲淤变化。5 取水口近期冲淤变化预测近期内影响三期取水口冲淤变化的主要因素有：
