CN107341293A - 一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射防护与环境保护以及辐射环境监测领域，具体涉及一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法。包括：步骤S1，勘察测量模拟区域的水文地质数据；步骤S2，利用达西定律和质量守恒定律，使用有限差分法进行数值模拟计算，得到模拟区域的数值模拟地下水流场的分布情况；步骤S3，对数值模拟地下水流场的水位、水均衡量进行校准；步骤S4，多次重复步骤S2、步骤S3，得到模拟区域的数值模拟地下水流场的分布图；步骤S5，根据数值模拟地下水流场的分布图确定放射性核素地通过下水的可能迁移路径；步骤S6，选择可能迁移路径的关键位置布设地下水放射性监测井。该方法避免了传统做法的盲目性，可有效完成核电厂地下水放射性的监测工作。

Description

一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法

技术领域

本发明属于辐射防护与环境保护以及辐射环境监测领域，具体涉及一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法。

背景技术

核电厂事故工况或者某些事件下，如废液储罐破裂叠加厂房密封性破坏、地下废液输送管沟破裂等，释放的放射性废液可能进入厂址下方的地下水中。由于地下水具有隐蔽性，产生的影响不易被察觉，有可能成为放射性污染的潜在途径。为尽可能降低环境影响的风险，有必要针对正常运行、事件及事故工况，对放射性核素经由地下水途径产生的影响进行监测，从而为环境评价和核电厂管理提供依据。

目前，国内核电厂对地下水中的放射性核素监测尚处于起步阶段，主要包括建设初期探测水位时设立的部分水井以及围绕着核岛区域的一些勘探井，这些监测井位置要么过于分散，要么过于集中，消耗成本较高，而且未考虑到核电厂正常运行及事故后核素迁移的可能路径，缺少较好的理论分析和计算方法，因此无法高效地完成核电厂地下水放射性监测任务。

发明内容

针对核电厂地下水放射性监测的需要，本发明提供一种基于地下水数值模拟方法的放射性监测井的布设方法，通过利用数值模拟得到的核电厂地下水流场分布情况获得放射性核素从核电厂释放后通过地下水可能的迁移途径，继而为正常运行、事件及事故工况下地下水放射性监测提供依据。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法，用于核电厂的放射性监测井的布置，包括如下步骤：

步骤(S1)，确定所述核电厂的厂区、核岛、以及包含所述厂区、核岛的模拟区域的位置及面积；

勘察测量所述模拟区域的水文地质数据；

步骤(S2)，利用达西定律和质量守恒定律构建数值模拟偏微分方程组，使用有限差分法进行数值模拟计算，得到所述模拟区域的数值模拟地下水流场的分布情况；

步骤(S3)，以所述模拟区域的地下水的实测水位、实测等水位分布和实测水均衡量为依据，对所述数值模拟地下水流场的模拟水位、模拟等水位分布和模拟水均衡量进行校准；

步骤(S4)，通过调整所述数值模拟计算中的所述水文地质数据，多次重复所述步骤(S2)、步骤(S3)，使所述模拟水位与所述实测水位保持一致、使所述模拟等水位分布与所述实测等水位分布保持一致、使所述模拟水均衡量与所述实测水均衡量保持一致，从而得到所述模拟区域的数值模拟地下水流场的分布图；

步骤(S5)，根据所述数值模拟地下水流场的分布图确定水力梯度方向，选择水力梯度大的所述水力梯度方向作为放射性核素通过地下水的可能迁移路径；所述水力梯度方向为等水位的梯度方向；

步骤(S6)，确定所述核岛的放射性核素释放源项，选择与所述放射性核素释放源项所对应的所述可能迁移路径作为监测迁移路径，在所述监测迁移路径与所述厂区、核岛、模拟区域的关键位置的交汇处布设地下水放射性监测井。

进一步，

在步骤(S1)中，所述水文地质数据包括降雨补给量，以及岩土的孔隙度、密度、渗透系数。

进一步，

在步骤(S3)中，

所述实测水位是所述模拟区域内现有的观测井的实测水位值；

所述实测等水位分布是所述核电厂前期已有的简易地下水水位分布图中的等水位分布；

所述实测水均衡量包括，所述模拟区域内的不同区域的实测补给量和实测排泄量，所述实测补给量、实测排泄量根据所述模拟区域的所述水文地质数据计算得到；

所述模拟水位是所述数值模拟地下水流场中相对于现有的所述监测井的位置的模拟水位值；

所述模拟水均衡量包括，所述数值模拟地下水流场的不同区域的模拟补给量和模拟排泄量。

更进一步，

所述校准包括：

保证所述模拟水位与所述实测水位最终达到保持一致的结果；

保证所述模拟等水位分布与所述实测等水位分布最终达到保持一致的结果；

保证所述模拟补给量与所述实测补给量最终达到保持一致的结果；

保证所述模拟排泄量与所述实测排泄量最终达到保持一致的结果。

进一步，

在步骤(S6)中，所述关键位置包括：核岛外墙面、厂址边坡、厂外地表水体。

进一步，

在步骤(S2)中，使用有限元法代替所述有限差分法进行模拟计算，得到所述模拟区域的数值模拟地下水流场的分布情况。

本发明的有益效果在于：

本发明所提出的布设方法可以用于各种核电厂地下水放射性监测井布设方案的确定，弥补目前核电厂监测布井方案中的缺陷，能够有针对性对核素通过地下水的可能迁移路径设置地下水放射性监测井，避免了传统做法在监测井布设上的盲目性，降低了消耗成本，可高效完成核电厂地下水放射性的监测任务。本发明所提出的布设方法具有合理性、科学性和经济性，有利于核电厂尤其是将来内陆核电厂地下水放射性监测方案的实施和地下水环境影响评价工作的开展。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法的实施流程图；

图2是本发明具体实施方式中所述的数值模拟地下水流场的分布图；

图3是本发明具体实施例中针对核岛区域放射性释放源项进行的地下水放射性监测井布设示意图；

图中：1-厂区，2-核岛，3-模拟区域，4-核岛外墙面，5-厂址边坡，6-河流沿岸，7-地下水放射性监测井，8-监测迁移路径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本发明提供的一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法，用于核电厂的放射性监测井的布置，包括如下步骤(实施流程图见图1)：

步骤S1，确定核电厂的厂区1、核岛2、以及包含厂区1、核岛2的模拟区域3的位置及面积；

勘察测量模拟区域3的水文地质数据；水文地质数据包括降雨补给量，以及岩土的孔隙度、密度、渗透系数。

步骤S2，利用达西定律和质量守恒定律构建数值模拟偏微分方程组，使用有限差分法进行数值模拟计算，得到模拟区域3的数值模拟地下水流场的分布情况；

在步骤S2中，还能够使用有限元法代替有限差分法进行模拟计算，得到模拟区域3的数值模拟地下水流场的分布情况。而选择哪种数值计算方法则应根据核电厂址的复杂程度及对计算精度的要求等。

步骤S3，以模拟区域3的地下水的实测水位、实测等水位分布和实测水均衡量为依据，对数值模拟地下水流场的模拟水位、模拟等水位分布和模拟水均衡量进行校准；

实测水位是模拟区域3内现有的观测井的实测水位值；

实测等水位分布是核电厂前期已有的简易地下水水位分布图中的等水位分布；

实测水均衡量包括，模拟区域3内的不同区域的实测补给量和实测排泄量，实测补给量、实测排泄量根据模拟区域3的水文地质数据计算得到；

模拟水位是数值模拟地下水流场中相对于现有的监测井的位置的模拟水位值；

模拟水均衡量包括，数值模拟地下水流场的不同区域的模拟补给量和模拟排泄量；

校准包括：

保证模拟水位与实测水位最终达到保持一致的结果；

保证模拟等水位分布与实测等水位分布最终达到保持一致的结果；

保证模拟补给量与实测补给量最终达到保持一致的结果；

保证模拟排泄量与实测排泄量最终达到保持一致的结果。

步骤S4，通过调整数值模拟计算中的水文地质数据，多次重复步骤S2、步骤S3，使模拟水位与实测水位保持一致、使模拟等水位分布与实测等水位分布保持一致、使模拟水均衡量与实测水均衡量保持一致，从而得到模拟区域3的数值模拟地下水流场的分布图。

步骤S5，根据数值模拟地下水流场的分布图确定水力梯度方向，选择水力梯度大的水力梯度方向作为放射性核素通过地下水的可能迁移路径；水力梯度方向为等水位的梯度方向。水力梯度值越大，说明更利于地下水流动，以此作为放射性核素迁移的可能路径。

步骤S6，确定核岛2的放射性核素释放源项，选择与放射性核素释放源项所对应的可能迁移路径作为监测迁移路径8，在监测迁移路径8与厂区1、核岛2、模拟区域3的关键位置的交汇处布设地下水放射性监测井7。

关键位置包括：核岛外墙面4、厂址边坡5、厂外地表水体；地下水放射性监测井7的布设数量视具体地形情况和监管要求而定。

此步骤中，不同的核电厂地下水的放射性释放源项，对应的迁移路径可能不同，因此应针对具体的放射性释放源项确定放射性监测井的布设。

实施例

最后举例说明本发明所提供的基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法在实际当中的应用。

如图3所示，以某核电厂的核岛2区域可能发生的事故泄漏为例，按照本发明的步骤所进行的相关计算和假设如下：

第一步，根据该核电厂水文地质勘察量数据，获得降雨补给量以及岩土孔隙度、密度、渗透系数、降雨入渗量等参数，并确定该核电厂址中需要进行数值模拟计算的模拟范围3约为6km²,其中核电厂的厂区1约为1.5km²，核岛2的区域位于厂区1内西侧靠近山体的区域，整体水位西高东低，

第二步，进行核电厂地下水数值模拟计算。利用达西定律和质量守恒定律，构建数值模拟偏微分方程组，选择有限差分的方法进行模拟计算。

第三步，水位和水均衡量的校准。利用该模拟区域3内现有的25个观测井中的实测水位值和该区域前期测绘的简易地下水水位分布图作为模拟水位、模拟等水位分布校准的依据，利用该模拟区域水文地质普查数据计算的补给量和排泄量作为水均衡量的校准依据。

第四步，通过调整(第二步中)数值模拟计算中的相应的水文地质数据，重复第二步、第三步计算，使模拟水位与实测水位保持一致、使模拟等水位分布与实测等水位分布保持一致、使模拟水均衡量与实测水均衡量保持一致，最终获得的该核电厂的数值模拟地下水流场的分布图，如图2所示。调整水文地质数据的过程应根据数值模拟计算的结果以及输入参数调整所致结果的计算经验，适当调整改变数值模拟计算中的输入参数，如通过适当调整增加渗透系数，可以增加数值模拟计算结果中的下游水位，减少上游水位；适当调整渗透系数和降雨入渗量等参数，可以改变数值模拟计算结果中的水均衡量。以上调整数据和模拟计算过程需要重复进行，直到获得最优的水文地质数据和模拟结果。

第五步，给出可能的核素迁移路径。针对核岛2区域的放射性释放源项，以及可能的放射性核素事故泄漏情况，分析从核岛2区域流出的地下水的水力梯度方向，选择最大的水力梯度作为释放核素最可能的迁移路径(即图3中的监测迁移路径8)。

第六步，确定地下水放射性监测井7的布设位置(地下水放射性监测井布设示意图见图3。)。利用第五步得到的迁移路径(即图3中的监测迁移路径8)，选择其与核岛外墙面4、厂址边坡5、厂外的河流沿岸6等关键位置交汇处布设放射性观测井，其中核岛东侧布设3个，南侧布设2个，厂区东侧边坡处布设1个，厂区南侧边坡处布设1个，北部河流沿岸布设1个，南侧河流沿岸布设1个。

本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种基于地下水数值模拟的放射性监测井布设方法，用于核电厂的放射性监测井的布置，包括如下步骤：

步骤(S1)，确定所述核电厂的厂区(1)、核岛(2)、以及包含所述厂区(1)、核岛(2)的模拟区域(3)的位置及面积；

勘察测量所述模拟区域(3)的水文地质数据；

步骤(S2)，利用达西定律和质量守恒定律构建数值模拟偏微分方程组，使用有限差分法进行数值模拟计算，得到所述模拟区域(3)的数值模拟地下水流场的分布情况；

步骤(S3)，以所述模拟区域(3)的地下水的实测水位、实测等水位分布和实测水均衡量为依据，对所述数值模拟地下水流场的模拟水位、模拟等水位分布和模拟水均衡量进行校准；

步骤(S4)，通过调整所述数值模拟计算中的所述水文地质数据，多次重复所述步骤(S2)、步骤(S3)，使所述模拟水位与所述实测水位保持一致、使所述模拟等水位分布与所述实测等水位分布保持一致、使所述模拟水均衡量与所述实测水均衡量保持一致，从而得到所述模拟区域(3)的数值模拟地下水流场的分布图；

步骤(S5)，根据所述数值模拟地下水流场的分布图确定水力梯度方向，选择水力梯度大的所述水力梯度方向作为放射性核素通过地下水的可能迁移路径；所述水力梯度方向为等水位的梯度方向；

步骤(S6)，确定所述核岛(2)的放射性核素释放源项，选择与所述放射性核素释放源项所对应的所述可能迁移路径作为监测迁移路径(8)，在所述监测迁移路径(8)与所述厂区(1)、核岛(2)、模拟区域(3)的关键位置的交汇处布设地下水放射性监测井(7)。

2.如权利要求1所述的放射性监测井布设方法，其特征是：在步骤(S1)中，所述水文地质数据包括降雨补给量，以及岩土的孔隙度、密度、渗透系数。

3.如权利要求1所述的放射性监测井布设方法，其特征是：在步骤(S3)中，

所述实测水位是所述模拟区域(3)内现有的观测井的实测水位值；

所述实测等水位分布是所述核电厂前期已有的简易地下水水位分布图中的等水位分布；

所述实测水均衡量包括，所述模拟区域(3)内的不同区域的实测补给量和实测排泄量，所述实测补给量、实测排泄量根据所述模拟区域(3)的所述水文地质数据计算得到；

所述模拟水位是所述数值模拟地下水流场中相对于现有的所述监测井的位置的模拟水位值；

所述模拟水均衡量包括，所述数值模拟地下水流场的不同区域的模拟补给量和模拟排泄量。

4.如权利要求1所述的放射性监测井布设方法，其特征是，所述校准包括：

保证所述模拟水位与所述实测水位最终达到保持一致的结果；

保证所述模拟等水位分布与所述实测等水位分布最终达到保持一致的结果；

保证所述模拟补给量与所述实测补给量最终达到保持一致的结果；

保证所述模拟排泄量与所述实测排泄量最终达到保持一致的结果。

5.如权利要求1所述的放射性监测井布设方法，其特征是：在步骤(S6)中，所述关键位置包括：核岛外墙面(4)、厂址边坡(5)、厂外地表水体。

6.如权利要求1至4所述的放射性监测井布设方法，其特征是：

在步骤(S2)中，使用有限元法代替所述有限差分法进行模拟计算，得到所述模拟区域(3)的数值模拟地下水流场的分布情况。