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，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7～10m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。

　　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

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；d_s为大于某粒径重量百分数5%所对应的粒径；d为平均粒径；α为水流与坝轴线交角。

计算冲刷坑最大深度h，当流速达3～4m/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20～40m，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 秦山水域水沙运动概貌

秦山水域大潮时涨、落潮平均流速在0.90～1.8m/s，涨、落潮最大流速可达3～4m/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，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5～12kg/m³，平均为3～6kg/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2～4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，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

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；C_z为谢才系数；Z₀为河床高程；t为时间；ε_x、ε_y分别为水流在x、y方向的涡动扩散系数；ω为泥沙的沉速；τ_x、τ_y分别为x、y方向的风应力分量；γ′_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；E_x、E_y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912km2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

4 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λ_L=250，垂直比尺λ_H=100(变态率η=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

　　阻力相似

　　水流连续相似

　　沉降相似

　　起动相似

　　河床变形相似

经计算，选用比重γ_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3～8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：①螳螂山山岙内围堤；②钱塘江河口进一步围涂；③杭州湾北岸深槽部分萎缩。针对上述因素主要采用数模和实体模型来进行预测。

表2 模型淤积量与淤积厚度验证

Siltation volume and thickness of model test in comparison with prototype

5.1 螳螂山山岙内围涂对取水口影响

　　(1)实测资料分析认为，螳螂山山岙内围涂筑堤是建在较高处，围堤修筑后，使山岙海湾内的潮蓄量减少17%左右，且不在主流中，不会影响涨、落潮主流。取水口水深主要靠矶头的绕流和回流强度维持，围堤后使回流变窄，减少了水流能量损失，因此估计围堤后不致于产生不利的影响。

　　(2)数模计算结果表明：围堤建后取水口附近流速增大3.7%～7.1%，河床将冲刷0.1～0.3m。

　　(3)实体模型试验结果为，围堤后取水口处流速增大6%～15%，冲刷0.2～0.7m。

　　由上述分析和计算、试验可见，围堤后对取水口不会产生不利的影响。

5.2 钱塘江河口进一步治理和杭州湾南岸开发对取水口的影响

　　根据钱塘江河口治理规划(已批准实施)和杭州湾开发规划(在研究中)，近期内(估计需40余年时间)将在河口口门段和杭州湾南岸的庵东滩面进一步围涂70万亩左右。其中钱塘江河口口门附近的尖山河湾南岸围涂25万亩、北岸围涂10万亩，合计35万亩；杭州湾南岸庵东滩涂约有35万亩可围涂开发利用。围涂后将对秦山深潭和三期取水口产生一定的淤积影响。

　　考虑到数学模型下边界远、改变边界条件方便、适合大范围变化预测，以及速度快、成本低的特点，先采用数学模型对核电厂运行期内、即近期内的各种围涂方案都进行了淤积影响预测(见表3)，计算结果表明：钱塘江河口围涂35万亩对秦山核电的影响最大。因此，河床演变分析和实体模型主要考虑围涂35万亩方案的影响预测，以资与数模计算相对照。

表3 近期各种围涂方案影响(数模预测结果)

Influence prediction by mathematic modeling for different polder schemes in the near future

5.2.1 秦山深潭淤积影响预测比较

　　(1)采用冲刷坑计算经验公式估算。根据数模提供的围垦35万亩后秦山水域内流速将减小0.37m/s左右，用（1）式计算，冲刷坑将抬高4.06m。

　　(2)数模计算:根据流速、单宽流量及含沙量的变化，利用挟沙能力关系式导得的工程前后水深关系^[4]，可以计算出河口围垦35万亩后平均淤积4.81m左右(见表3)。

　　(3)实体模型试验，因模型范围较小，只能根据数模提供的围垦35万亩后涨、落潮流量减少30%左右，上、下边界按流量减少30%控制试验，结果为水域内平均淤积3.9～4.8m。

　　三者基本一致。由于深潭内的淤积主要淤积在离岸侧，尚不致于对取水口造成威胁。

5.2.2 取水口淤积影响预测比较

　　(1)数模计算结果为，取水口附近流速减小17.6%，平均淤厚2.28m(见表3)。

　　(2)模型试验结果为，取水口附近流速减小17.3%，平均增加淤厚1.5m。模型试验结果较数模计算要小。

　　需要指出的是，计算和模型预测的淤积影响从时空分布来看，呈现深潭淤积多、取水口附近少；离岸远处多、近岸处少的淤积分布规律。在影响时间上有一个滞后过程，即围涂完成后需几年时间才能达到最终的平衡，即预测的淤积厚度。另外，数模曾对过去大规模围垦以来的流速变化和淤积量进行过模拟计算和验证，其结果与目前实测的淤积量基本一致。因此，上述预测的结果估计将来围涂实施后即使有增加也不会很大，且目前取水口富余水深较大，能满足核电厂运行期冷却水取水的要求。

5.3 杭州湾北岸深槽部分萎缩对取水口影响

　　数模计算假定深槽的上段淤高到-2m高程(比原先淤积3m)、实体模型则假定下边界涨潮流量减少30%当作北岸深槽部分萎缩来进行计算和试验。

　　计算结果表明，取水口附近流速将减少18.3%；试验的结果为，取水口附近减少15.8%，两者差异不大，将会产生一定的淤积。

6 结论

　　本文通过河床演变分析、数学模型计算和比尺模型试验对秦山核电三期工程厂区附近水域及取水口的稳定性和冲淤变化进行了研究和预测，主要结论如下。

　　1.秦山深潭多年来由于钱塘江河口遭遇连续枯水年和大规模的围垦造成累积性的淤积，但自1988年以来冲淤趋于平衡。

　　2.取水口位于螳螂山矶头的深水陡坡上，由于近岸边主要受涨潮流控制，加上矶头的绕流和回流作用，-13m等深线比较稳定，摆幅不大，多年来无单向累积淤积的变化。按目前淤得最高的情况考虑，取水口头部至最深点还有13m的富余水深。只要取水口设置在离岸一定距离处，能满足设计要求。

　　3.在核电厂运行期限内，钱塘江河口治理和杭州湾南岸开发需进一步围垦70万亩，则秦山深潭将最终淤积4～5m，取水口平均淤积2m左右，由于富余水深较大，不致于影响循环冷却水供水。

　　4.螳螂山两侧围堤后，仅削减了部分潮蓄量，不影响涨、落潮主流，且增加了回流强度，计算和试验表明，流速反有增大，略有冲深，因而不会产生不利的影响。

参 考 文 献

[1] 张定邦。丁坝局部冲刷的计算方法。水运工程，1982，(11).

[2] 韩曾萃，程杭平等。钱塘江河口河床变形计算方法及其应用。泥沙研究，1987，(3).

[3] 李昌华，金德春。河工模型试验。北京：人民交通出版社，1981.

[4] 卢祥兴，陶圭棱。人工变形在航道整治试验中的应用。水运工程，1990，(9).