CN115408887A - 一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滨海电厂取水工程基础设施领域，尤其涉及一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，包括：获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，根据进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案，采用室内水槽实验对致灾物的水力特性进行研究，判定致灾物的自身随水运动特性，同时口门卷吸能力评估针对“局地增殖型”致灾物，有效判断易于发生卷吸灾害的致灾物高风险位置和范围，与目前现有的模拟技术相比可更加真实的反映致灾物的实际运动特征，模拟结果更加真实可靠。

Description

一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法

技术领域

本发明涉及滨海电厂取水工程基础设施领域，具体涉及一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法。

背景技术

我国当前在营核电机组达54台，绝大多数建设于近海区域，采用直流循环供水的方式冷却发电机组，在运行过程中需要大量冷却水，采用于海岸近侧建设明渠或暗涵取水是最为常见的取水工艺，其中明渠取水应用最为广泛。近年来，我国近岸局部海域污染严重，常有大量海洋垃圾漂浮于海面，加之近岸养殖业的发展进一步增加了海洋生物的富营养化现象，以致例如藻类（浒苔、赤潮、海带等）、水母、毛虾、尖笔帽螺、海地瓜等小型海洋生物灾害频发，以上致灾污染物（垃圾或小型海洋生物）无游泳能力或游泳能力极弱，其运动形态体现出“随波逐流”的特征，即在潮流携带下随流输送。由于滨海电厂明渠大量、持续取水，改变了局部流态，使取水明渠口门成为了区域性流场“黑洞”，在取水作用下水中杂物（包括海生物及漂浮污染物）可持续进入取水明渠内，并在取水泵房前聚集，此即“卷吸”效应。被卷吸进入取水明渠的致灾物可引起取水泵堵塞，进而对机组的运行产生严重影响，导致机组被迫降低功率或停堆停机。近年来，我国核电厂已陆续报告了数十起由于海生物或漂浮污染物堵塞取水系统而引发的事件，相关异常报告的数量至今仍呈增长态势。其他国家核电厂近十年也发布了上百起取水系统堵塞的事件，引发了一系列工程问题。取水对污染物的卷吸，已成为影响核电站冷源安全的重大风险隐患。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，通过在取水明渠海域广布质点群落，充分包络致灾物接近电厂的所有可能入侵路径，研究致灾物的运动轨迹，为近海电厂取水工程的优化设计、清理运维提供技术依据，并为近海电厂取水冷源安全保障做出贡献。

为实现上述目的，本发明提供了一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，包括：

S1、获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；

S2、获取特征致灾物的基础水力特性数据，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据；

S3、建立近海电厂对应的三维水动力数学模型；

S4、利用特征致灾物的相关参数基于拉格朗日法建立特征致灾物性质-质点追踪数学模型；

S5、利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案模拟数值；

S6、根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量；

S7、根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；

S8、根据所述进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案。

优选的，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据包括：

利用所述特征致灾物的密度、起动流速u_c、沉降速度w_s与随水运动速度得到特征致灾物的水体垂向位置、运动速度、与潮流流速的响应关系、起动流速阈值、特征致灾物的运动速度与水流速度的比值K。

优选的，所述建立近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：

利用三维水动力数学模拟控制式建立三维水动力初始数学模型；

所述三维水动力数学模拟控制式如下：

其中，h为静水深，x、y分别为东西向、南北向水平坐标，z为垂向坐标，η为潮位，t为时间，σ=(z-η)/h为地形相对坐标；u为东西向流速，v为南北向流速；ω为σ坐标系下的垂向流速，w为z坐标下的垂向流速；ρ为温度和盐度影响下的水体实际密度，f为科氏力系数；υ_t为垂向紊动粘性系数，υ_h为水平紊动粘性系数，ρ₀为海水参考密度，S为点源流量，u_s为点源在东西向的水平速度分量，v_s为点源在南北向的水平速度分量。

利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型。

进一步的，所述利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：

当所述三维水动力初始数学模型输出的三维水动力模拟数值与近海电厂对应的实际海域数据的差值小于近似阈值时，输出三维水动力初始数学模型作为近海电厂对应的三维水动力数学模型；

其中，近似阈值包括潮位误差为10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15°。

优选的，所述基于拉格朗日法建立特征致灾物性质-质点追踪数学模型包括：

当（u²+v²）不小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

当（u²+v²）小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

其中，X，Y、Z分别为质点的平面与垂向坐标，t为当前时刻，Δt为计算时间步长，u、v、w为利用三维水动力模型模拟得到的x，y、z向流速、u_c为特征致灾物的起动流速、w_s为特征致灾物的沉降速度、K为特征致灾物的运动速度与水流速度的比值。

优选的，利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案模拟数值包括：

利用近海电厂取水明渠的取水流量与排水流量输入三维水动力数学模型进行数值建模输出所模拟潮位、流速与流向数值；

其中，数值建模为模拟不少于15天的大、中、小连续潮下的潮流场时间、空间过程，输出间隔小于30min。

优选的，根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量包括：

在所述特征致灾物的高频率爆发位置每小时在相同位置间距小于100m投放控制性质点；

利用三维水动力数学模型输出控制性质点对应的三维水动力模拟数据；

利用控制性质点基于特征致灾物性质-质点追踪数学模型得到控制性质点的时间-运动轨迹；

利用所述控制性质点的时间-运动轨迹得到进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量。

优选的，所述根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量包括：

在所述近海电厂取水明渠口门处投放间距不大于近海电厂取水明渠口门宽度的0.5倍的面域型质点；

利用三维水动力数学模型输出面域型质点对应的三维水动力模拟数据；

利用面域型质点基于特征致灾物性质-质点追踪数学模型得到面域型质点的时间-运动轨迹；

利用所述面域型质点的时间-运动轨迹得到进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；

其中，面域型质点对应的三维水动力模拟数据的模拟时间不小于一个完整涨落潮过程的潮流场，范围为25h至27h。

优选的，根据所述进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案包括：

利用进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量作为近海电厂取水方案的卷吸风险的评估指标示数，控制性质点的时间-运动轨迹作为特征致灾物进入近海电厂取水方案口门的运动形式，进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点的初始投放位置作为引起卷吸风险的致灾物爆发热区；

利用进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量作为近海电厂取水方案的口门卷吸能力评估指标示数，进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点的初始位置所覆盖的水域作为一个涨落潮过程下的可卷吸范围；

当控制性质点与面域型质点的投放平面位置、垂向位置、投放初始时刻、投放终止时刻相同时，且控制性质点与面域型质点分别对应的特征致灾物的沉降速度、起动流速与特征致灾物运动速度和水流速度的比值相同时，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量均为最小值对应的近海电厂取水明渠布置方案作为近海电厂最佳防卷吸取水方案。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

首先，精确考虑了致灾物的自身性质，其次摒弃了“卷吸率”概念，建立了“卷吸发生风险”和“口门卷吸能力”等两个卷吸效应评估的新概念，据此形成了卷吸效应量化的联合评估体系，将卷吸效应与电厂运维紧密结合，可充分代表现场条件，为近海电厂取水工程的优化设计、清理运维提供技术依据，并为近海电厂取水冷源安全保障作出贡献。

附图说明

图1是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法流程图；

图2是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的拟开展优化的电厂取水明渠布置结构示意图；

图3是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的三维数学模型网格配置及边界位置示意图；

图4是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的图3局部放大结构示意图；

图5是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟得到的典型涨潮表层流场示意图；

图6是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟得到的典型落潮表层流场示意图；

图7是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得潮位与实测值对比示意图；

图8是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得表层流速与实测值对比示意图；

图9是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得表层流向与实测值对比示意图；

图10是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得原始方案卷吸发生风险所有质点轨迹示意图；

图11是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得原始方案卷吸发生风险被卷吸质点的初始溯源位置示意图；

图12是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得原始方案口门卷吸能力所有质点轨迹示意图；

图13是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得原始方案口门卷吸能力被卷吸质点的初始溯源位置示意图；

图14是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得调整方案卷吸发生风险所有质点轨迹示意图；

图15是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得调整方案卷吸发生风险被卷吸质点的初始溯源位置示意图；

图16是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得调整方案口门卷吸能力所有质点轨迹示意图

图17是本发明提供的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法的模拟所得调整方案口门卷吸能力被卷吸质点的初始溯源位置示意图；

附图标记：

1、取水明渠；2、防波堤；3、重件码头；4、取水口；5、陆地岸线；6、水下地形等深线；7、潮位实测站；8、潮流实测站；9、北开边界；10、西开边界；11、东开边界；12、流量边界；13、卷吸发生风险质点投加位置A；14、卷吸发生风险质点运动轨迹A；15、卷吸发生风险被卷吸质点运动轨迹A；16、卷吸发生风险被卷吸质点溯源位置A；17、口门卷吸能力投加质点位置A；18、口门卷吸能力质点运动轨迹A；19、口门卷吸能力被卷吸质点运动轨迹A； 20、口门卷吸能力被卷吸质点溯源位置A；21、卷吸发生风险质点投加位置B；22、卷吸发生风险质点运动轨迹B；23、卷吸发生风险被卷吸质点运动轨迹B；24、卷吸发生风险被卷吸质点溯源位置B；25、固定监测点；26、捕捞点；27、口门卷吸能力投加质点位置B；28、口门卷吸能力质点运动轨迹B；29、口门卷吸能力被卷吸质点运动轨迹B；30、口门卷吸能力被卷吸质点溯源位置B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，如图1所示，包括：

S1、获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；

S2、获取特征致灾物的基础水力特性数据，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据；

S3、建立近海电厂对应的三维水动力数学模型；

S4、利用特征致灾物的相关参数基于拉格朗日法建立特征致灾物性质-质点追踪数学模型；

S5、利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案的水动力模拟数值；

S6、根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量；

S7、根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；

S8、根据所述进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案。

本实施例中，一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型是考虑致灾物性质建立的质点追踪数学模型。

S2具体包括：

S2-1、利用所述特征致灾物的密度、起动流速u_c、沉降速度w_s与随水运动速度得到特征致灾物的水体垂向位置、运动速度、与潮流流速的响应关系、起动流速阈值、特征致灾物的运动速度与水流速度的比值K。

S3具体包括：

S3-1、利用三维水动力数学模拟控制式建立三维水动力初始数学模型；

所述三维水动力数学模拟控制式如下：

其中，h为静水深，x、y分别为东西向、南北向水平坐标，z为垂向坐标，η为潮位，t为时间，σ=(z-η)/h为地形相对坐标；u为东西向流速，v为南北向流速；ω为σ坐标系下的垂向流速，w为z坐标下的垂向流速；ρ为温度和盐度影响下的水体实际密度，f为科氏力系数；υ_t为垂向紊动粘性系数，υ_h为水平紊动粘性系数，ρ₀为海水参考密度，S为点源流量，u_s为点源在东西向的水平速度分量，v_s为点源在南北向的水平速度分量。

S3-2、利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型。

S3-2具体包括：

S3-2-1、当所述三维水动力初始数学模型输出的三维水动力模拟数值与近海电厂对应的实际海域数据的差值小于近似阈值时，输出三维水动力初始数学模型作为近海电厂对应的三维水动力数学模型；

其中，近似阈值包括潮位误差为10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15°。

S4具体包括：

S4-1、当（u²+v²）不小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

S4-2、当（u²+v²）小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

其中，X，Y、Z分别为质点的平面与垂向坐标，t为当前时刻，Δt为计算时间步长，u、v、w为利用三维水动力模型模拟得到的x，y、z向流速、u_c为特征致灾物的起动流速、w_s为特征致灾物的沉降速度、K为特征致灾物的运动速度与水流速度的比值。

S5具体包括：

S5-1、利用近海电厂取水明渠的取水流量与排水流量输入三维水动力数学模型进行数值建模输出所模拟潮位、流速与流向数值；

其中，数值建模为模拟不少于15天的大、中、小连续潮下的潮流场时间、空间过程，输出间隔小于30min。

S6具体包括：

S6-1、在所述特征致灾物的高频率爆发位置每小时在相同位置间距小于100m投放控制性质点；

S6-2、利用三维水动力数学模型输出控制性质点对应的三维水动力模拟数据；

S6-3、利用控制性质点基于特征致灾物性质-质点追踪数学模型得到控制性质点的时间-运动轨迹；

S6-4、利用所述控制性质点的时间-运动轨迹得到进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量。

S7具体包括：

S7-1、在所述近海电厂取水明渠口门处投放间距不大于近海电厂取水明渠口门宽度的0.5倍的面域型质点；

S7-2、利用三维水动力数学模型输出面域型质点对应的三维水动力模拟数据；

S7-3、利用面域型质点基于特征致灾物性质-质点追踪数学模型得到面域型质点的时间-运动轨迹；

S7-4、利用所述面域型质点的时间-运动轨迹得到进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；

其中，面域型质点对应的三维水动力模拟数据的模拟时间不小于一个完整涨落潮过程的潮流场，范围为25h至27h。

S8具体包括：

S8-1、利用进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量作为近海电厂取水方案的卷吸风险的评估指标示数，控制性质点的时间-运动轨迹作为特征致灾物进入近海电厂取水方案口门的运动形式，进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点的初始投放位置作为引起卷吸风险的致灾物爆发热区；

S8-2、利用进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量作为近海电厂取水方案的口门卷吸能力评估指标示数，进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点的初始位置所覆盖的水域作为一个涨落潮过程下的可卷吸范围；

S8-3、当控制性质点与面域型质点的投放平面位置、垂向位置、投放初始时刻、投放终止时刻相同时，且控制性质点与面域型质点分别对应的特征致灾物的沉降速度、起动流速与特征致灾物运动速度和水流速度的比值相同时，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量均为最小值对应的近海电厂取水明渠布置方案作为近海电厂最佳防卷吸取水方案。

实施例2：

本发明提供了一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估实际应用方法，包括：

步骤1：现场监测并调研工程海域的海洋海生物、海洋垃圾类型，明确可导致电厂取水卷吸灾害的特征致灾物种类，总结归纳特征致灾物的爆发特征及高频率爆发区位；

步骤2：对致灾物水力特性进行物理实验，根据步骤1中所述特征致灾物种类，于现场采取实际致灾物样品，在实验室水槽或水池中研究致灾物的水力特性，得到特征致灾物在水中的垂向位置、特征致灾物的沉降速度w_s、起动流速u_c、以及特征致灾物运动速度与水流速度的比值K；

步骤3：建立包含所研究的电厂取排水工程以及其周边海域的三维水动力数学模型，所述三维水动力数学模型需采用现场观测站点的实测潮位、流速、流向资料对模拟精度进行验证，保证模型计算得到对应现场观测站点处的潮位、流速、流向与实测值达到良好的一致性，其中潮位误差在10cm以内、涨落潮平均流速误差在15%以内、涨落潮平均流向误差在15°以内；所述模型控制方程如式如下：

其中，h为静水深，x、y分别为东西向、南北向水平坐标，z为垂向坐标，η为潮位，σ=(z-η)/h为地形相对坐标；u为东西向流速，v为南北向流速；ω为σ坐标系下的垂向流速，w为z坐标下的垂向流速；ρ为温度和盐度影响下的水体实际密度，f为科氏力系数；υ_t为垂向紊动粘性系数，υ_h为水平紊动粘性系数，ρ₀为海水参考密度，S为点源流量，u_s为点源在东西向的水平速度分量，v_s为点源在南北向的水平速度分量。

步骤4：建立基于拉格朗日法的质点追踪数学模型，模型中针对质点的水平与垂向初始投放位置与时刻，根据步骤3中三维水动力数学模型计算得到的各位置、各时刻u，v，w等流速数据，可计算质点各时刻位置坐标，所述质点追踪数学模型的计算式如下：

当（u²+v²）不小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

当（u²+v²）小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

其中，X，Y、Z分别为质点的平面与垂向坐标，t为当前时刻，Δt为计算时间步长，u、v、w为利用三维水动力模型模拟得到的x，y、z向流速，u_c为特征致灾物的起动流速、w_s为特征致灾物的沉降速度、K为特征致灾物的运动速度与水流速度的比值。

步骤5：在步骤3中建立的三维水动力数学模型基础上，对所需开展卷吸效应评估与优化的电厂不同取水明渠布置方案进行数值建模，在三维水动力数学模型中准确输入取水明渠的取水和排水流量，模拟不少于15天大、中、小连续潮下的潮流场时间、空间过程，并输出所模拟得到的潮位、流速与流向数值，输出间隔小于30min；

步骤6：在步骤1中调研的实际高风险爆发区位处布设控制性的质点投放断面，采用步骤3中所述三维水动力数学模型持续运行的潮流场，并加载运行步骤4中所述特征致灾物特征的拉格朗日质点运动数学模型，模拟运算得到各投放特征质点随时间运动的轨迹，统计进入取水明渠口门内的质点数量N1，根据所述N1个质点的初始编号，统计溯源所述N1个被卷吸质点自投放位置至取水口门处随时间运动的轨迹线，所述轨迹线的集合即为当前所计算电厂取水明渠方案的卷吸入侵路径，覆盖了可被取水卷吸的质点自初始爆发位置至取水明渠口门内的所有可能发生位置；

步骤7：在取水明渠口门附近均匀投放面域型质点，基于步骤3中所述建成的水动力数学模型，加载运行步骤4中所述考虑致灾物特征的拉格朗日质点运动数学模型，计算得到各投放特征质点的随时间运动轨迹，并统计进入取水明渠口门内的质点数量N2，根据所述N2个质点的初始编号，统计溯源所述N2个被卷吸质点的初始投放位置；

步骤8：对取水明渠口门卷吸效应综合评估以及电厂取水明渠方案形态进行优化，针对不同口门形态的取水明渠布置方案，分别开展步骤5至步骤7中的计算与分析，在以上过程中均保持与质点投放形式相关的各项参数，包括质点投放平面位置、垂向位置、投放初始时刻、投放终止时刻，以及质点的w_s、u_c、K值完全相同，计算完成后，对比各取水明渠布置方案于步骤6中得到的质点数量N1以及步骤7中得到的质点数量N2，并以某一取水明渠布置方案下N1、N2均为最小为原则确定具有最佳防卷吸效果的取水方案。

图2为拟开展优化的电厂取水明渠布置结构示意图，如图2所示，该电厂位于平直海岸，其中，1为取水明渠；2为防波堤；3为重件码头；4为取水口；5为陆地岸线；6为水下地形等深线；7为潮位实测站；8为潮流实测站，原始方案由两条防波堤2构成取水明渠，口门宽度120m，所述取水明渠的陆地末端布置取水口4，取水流量80m³/s；取水明渠所在海域设置潮位实测站7、潮流实测站8各1个，该电厂当前遭遇了明显的致灾物卷吸，拟应用本发明中提出的数值模拟方法及综合评估体系，对取水明渠平面布置进行优化设计，选取合理的致灾物卷吸抑制方案：

执行步骤1，经现场监测与实地调研，确定该电厂发生卷吸灾害的主要外源型特征致灾物为来自东北侧沿岸1.6km处的养殖区，具体以养殖筏流失的短型空心木棍为主；局地增殖型特征致灾物为毛虾。

执行步骤2，于实验室水槽内投撒木棍和毛虾，于静水环境下测量得到所述木棍的密度为0.31g/cm³，其形态为始终漂浮于水面表层，沉降速度w_s=0，所述中国毛虾的密度为1.021g/cm³，其形态为悬浮于水体中层，由于具备一定的弱游泳能力保持稳态，故沉降速度可视为ws=0；于实验室水槽内生成与现场实测潮流相同的流速，分别测量木棍，毛虾的起动流速和运动速度，得到木棍的起动流速uc=0.03m/s，运动速度为水流运动速度的0.724倍，即木棍的K=0.724；毛虾的起动流速uc=0.022m/s，运动速度为水流运动速度的0.976倍，即毛虾的K=0.976，（以上不同致灾物的特征参数可直接应用于步骤4中）。

执行步骤3，图3为三维数学模型网格配置及边界位置示意图，图4为图3的局部放大结构示意图，其中，9为北开边界；10为西开边界；11为东开边界；如图3与图4所示，建立所研究海域的大范围三维水动力数学模型。模型采用无结构三角形网格精确分辨岸线5和取水明渠边界1，模型西侧、北侧、东侧开边界采用潮位控制，由ChinaTide潮汐调和分析软件给定，取水口4处为流量边界12，输入实际取水流量80m³/s，垂向分层为6层，分别位于表层水面、0.2倍水深、0.4倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深、底层。采用所述三维水动力数学模型模拟了大、中、小潮条件下的水动力场；

本发明专利中的水动力数学模型采用三维水动力数学模型，可精确投放处于不同垂向分层位置处的致灾物，但如实际工程研究中如考虑到简便和快速筛选，且工程海域主要致灾物为中层浮游型，例如毛虾、水母等，也可采用平面二维水动力数学模型手段；

图5为本发明中模拟得到的典型涨潮流场示意图，图6为本发明中模拟得到的典型落潮流场示意图，如图5与图6所示，图中以水体表层的涨潮、落潮典型时刻为例给出了流场矢量分布，图7为本发明模拟所得潮位与实测值对比示意图，如图7所示，图7中示意了模拟所得结果与图2中潮位实测站7的测量资料对比情况。图8为本发明模拟所得表层流速与实测值对比示意图，如图8所示，图8中示意了模拟所得结果与图2中潮流实测站8的表层流速测量资料对比情况。图9为本发明模拟所得表层流向与实测值对比示意图，如图9所示，图9中示意了模拟所得结果与图2中潮流实测站8的表层流向测量资料对比情况，证实了模型计算得到对应现场观测站点处的潮位、流速、流向与实测值达到良好的一致性，其中潮位误差在10cm以内、涨落潮平均流速误差在15%以内、涨落潮平均流向误差在15°以内；模型可准确反映工程海域的三维水动力特征。

执行步骤4，建立考虑致灾物速度响应函数的拉格朗日质点追踪数学模型，对木棍的运动轨迹计算采用基于步骤2中所得到的木棍相关参数，即ws=0、uc=0.03m/s、K=0.724，所在位置为水体表层；对毛虾的运动轨迹计算采用基于步骤2中所得到的毛虾相关参数，即ws=0、uc=0.023m/s、K=0.976，所在位置为水体中层（0.4倍至0.6倍水深处）。根据以上参数，针对每个投放的质点分别执行三维水动力数学模型与特征致灾物性质-质点追踪数学模型，即可精确计算木棍、毛虾等致灾物的时间轨迹过程。

执行步骤5，基于步骤3中建立的三维水动力数学模型，针对图2中所示的双直堤型取水明渠1原始方案（以下简称原始方案）制作网格并开展计算，在数学模型中取排水流量按实际水量取为80m3/s，模拟15天大、中、小连续潮下的潮流场时空过程，并输出图3、图4中所示各计算网格节点处的潮位、各分层流速、各分层流向数值，输出时间间隔为15min。至此，所述原始方案的水动力场计算准备完成。

执行步骤6，针对所述原始方案的外源型卷吸发生风险进行计算及评估。由于步骤1中已分析得到外源型致灾物的来源为东北侧沿岸1.6km处的养殖区流失木棍，如图10所示，其中，13为卷吸发生风险质点投加位置A；14为卷吸发生风险质点运动轨迹A；15为卷吸发生风险被卷吸质点运动轨迹A，在该处设置典型质点断面13，断面中的质点间距为50m。质点投放时间为每小时在相同的位置投放；

采用步骤5中所模拟得到的水动力场，加载步骤4中建立的考虑木棍特征的拉格朗日追踪数学模型（由于木棍为表层漂浮型，故在数学模型中的垂向投加位置为表层），如图10所示，模拟得到于典型质点断面13处投放所有质点在15天内的随时间运动轨迹14，最终统计得到进入取水明渠1口门的质点个数为N1=50个，所述各质点运动轨迹的集合即为原始方案的卷吸入侵路径。通过分析最终进入取水明渠1口门的质点初始投放位置，即可得到卷吸风险的发生“热区”，见图11中卷吸发生风险被卷吸质点溯源位置16所示。

执行步骤7，针对所述原始方案的局地增殖型口门卷吸能力进行计算及评估。如图12所示，其中，17为口门卷吸能力投加质点位置A；18为口门卷吸能力质点运动轨迹A；19为口门卷吸能力被卷吸质点运动轨迹A，在距离取水明渠1口门附近范围内均匀投放面域型质点A，质点群落间距50m，小于取水明渠口门宽度120m的0.5倍，采用步骤3中所述水动力数学模型持续运行一个完整涨、落潮过程的27小时潮流场，加载步骤4中建立的考虑毛虾特征的拉格朗日追踪数学模型（由于毛虾为中层浮游型，故在数学模型中的垂向投加位置为水体中层0.4倍至0.6倍水深处），计算得到各投放特征质点的随时间运动轨迹A，经统计进入取水明渠1口门内的质点数量N2=40个。根据所述40个被卷吸质点的初始编号，统计溯源得到被卷吸质点的投放初始位置，以上初始位置所覆盖的水域为原始方案一个涨落潮过程下的“可卷吸范围”，见图13中的口门卷吸能力被卷吸质点溯源位置A20所示。

执行步骤8，考虑到避免来自东北侧的木棍直接在潮流作用下进入取水明渠1，将取水明渠1的口门形式调整为弧形，其中新的口门位置开向西南侧，即调整方案。针对所述调整方案分别开展步骤5至步骤7中的计算与分析；在以上过程中，均保持与质点投放形式相关的各项参数，包括质点投放平面位置、垂向位置、投放初始时刻、投放终止时刻，以及质点的w_s、u_c、K值完全相同。

图14为本发明模拟所得调整方案卷吸发生风险所有质点轨迹示意图，图15为本发明模拟所得调整方案卷吸发生风险被卷吸质点的初始溯源位置示意图，图16为本发明模拟所得调整方案口门卷吸能力所有质点轨迹示意图，图17为本发明模拟所得调整方案口门卷吸能力被卷吸质点的初始溯源位置示意图。如图14所示，其中，21为卷吸发生风险质点投加位置B；22为卷吸发生风险质点运动轨迹B；23为卷吸发生风险被卷吸质点运动轨迹B，调整方案卷吸发生风险的质点投放断面位置B与图10中原始方案卷吸发生风险的质点投放断面位置13完全一致。如图16所示，其中，27为口门卷吸能力投加质点位置B；28为口门卷吸能力质点运动轨迹B；29为口门卷吸能力被卷吸质点运动轨迹B，调整方案口门卷吸能力投加质点位置B的投放密度、外边缘质点坐标与图12中原始方案口门卷吸能力的质点投放位置A的投放密度、外边缘质点坐标完全一致。如图14至图17所示，图中分别示意了调整方案的卷吸发生风险和口门卷吸能力相关质点运动轨迹，计算完成后，统计得到调整方案的N1=43个、N2=33个，分别较原始方案的N1=50个、N2=40个分别降低了14.0%和17.5%，证实了调整方案无论在抑制外源型木棍还是局地增殖型毛虾等两种特征致灾物方面均是切实有效的。

同时，对照图15中的卷吸发生风险被卷吸质点溯源位置B24，以及图14中的卷吸发生风险被卷吸质点运动轨迹B23，可见漂浮木棍进入电厂的轨迹为“先沿岸向南、再绕过防波堤2堤头”，再对照图17中关于口门卷吸能力被卷吸质点溯源位置B30，可见局地增殖型毛虾的可卷吸范围同时处于图14至图15中的卷吸路径上，故在清理运维中可合并处理。综合以上分析，建议在电厂实际运维中，于图15中所示A处设置固定监测点25，同时在图15中所示B处的捕捞点26处设置捕捞船，考虑到A点所处位置无船只通航、B处对外海波浪的掩护效果也较好，且如图1中所示，B处恰处于电厂的重件码头3位置，易于停泊捕捞船只，故该调整方案无论从降低卷吸发生风险、口门卷吸能力，以及清理运维等3个角度均具有优越性，综合评估后为值得推荐的较优方案。

本发明采用室内水槽实验对致灾物的水力特性进行研究，判定致灾物的自身随水运动特性，与目前现有的模拟技术相比可更加真实的反映致灾物的实际运动特征，模拟结果更加真实可靠。

本发明首次提出了卷吸效应研究中“卷吸发生风险”和“口门卷吸能力”两个新概念，同时兼顾了“外源输入型”和“局地增殖型”等两种卷吸致灾形式，可从多个角度综合判定取水明渠的卷吸效应，与现有技术相比形成了卷吸效应评估的研究原则与规范；

本发明首次形成了统一化、标准化的取水方案优化评估研究流程，综合考虑了卷吸发生风险和口门卷吸能力，以两者卷吸质点数量均为最小作为判断最优方案的依据，该流程理论严谨、效果可量化，填补了现有技术中“卷吸率”概念不清晰，且缺乏有效评估各类方案间卷吸效应差异的弊端；

本发明首次提出了卷吸致灾物“逆向溯源”和“入侵路径”概念，全面明晰了致灾的机理和过程，并为电厂提前感知风险、安排捕捞的重点区域等运维方案提供技术依据，真正发挥了卷吸效应研究的现场实际指导意义。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，包括：

S1、获取近海电厂取水卷吸灾害对应的海洋海生物与海洋垃圾类型，利用海洋海生物与海洋垃圾类型作为特征致灾物，获取特征致灾物的爆发特征与高频率爆发位置；

S2、获取特征致灾物的基础水力特性数据，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据；

S3、建立近海电厂对应的三维水动力数学模型；

S4、利用特征致灾物的相关参数基于拉格朗日法建立特征致灾物性质-质点追踪数学模型；

S5、利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案的水动力模拟数值；

S6、根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量；

S7、根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；

S8、根据所述进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案。

2.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，利用所述特征致灾物的基础水力特性数据得到所述特征致灾物的进阶水力特性数据包括：

利用所述特征致灾物的密度、起动流速u_c、沉降速度w_s与随水运动速度得到特征致灾物的水体垂向位置、运动速度、与潮流流速的响应关系、起动流速阈值、特征致灾物的运动速度与水流速度的比值K。

3.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，所述建立近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：

利用三维水动力数学模拟控制式建立三维水动力初始数学模型；

所述三维水动力数学模拟控制式如下：

其中，h为静水深，x、y分别为东西向、南北向水平坐标，z为垂向坐标，η为潮位，t为时间，σ=(z-η)/h为地形相对坐标；u为东西向流速，v为南北向流速；ω为σ坐标系下的垂向流速，w为z坐标下的垂向流速；ρ为温度和盐度影响下的水体实际密度，f为科氏力系数；υ_t为垂向紊动粘性系数，υ_h为水平紊动粘性系数，ρ₀为海水参考密度，S为点源流量，u_s为点源在东西向的水平速度分量，v_s为点源在南北向的水平速度分量；

利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型。

4.如权利要求3所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，所述利用近海电厂对应的实际海域数据对所述三维水动力初始数学模型进行验证得到近海电厂对应的三维水动力数学模型包括：

当所述三维水动力初始数学模型输出的三维水动力模拟数值与近海电厂对应的实际海域数据的差值小于近似阈值时，输出三维水动力初始数学模型作为近海电厂对应的三维水动力数学模型；

其中，近似阈值包括潮位误差为10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15°。

5.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，所述利用特征致灾物的相关参数基于拉格朗日法建立特征致灾物性质-质点追踪数学模型包括：

当（u²+v²）不小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

当（u²+v²）小于u_c ²时，所述特征致灾物性质-质点追踪数学模型的计算式如下：

其中，X，Y、Z分别为质点的平面与垂向坐标，t为当前时刻，Δt为计算时间步长，u、v、w为利用三维水动力模型模拟得到的x，y、z向流速、u_c为特征致灾物的起动流速、w_s为特征致灾物的沉降速度、K为特征致灾物的运动速度与水流速度的比值。

6.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，利用所述三维水动力数学模型获取近海电厂取水明渠方案模拟数值包括：

利用近海电厂取水明渠的取水流量与排水流量输入三维水动力数学模型进行数值建模输出所模拟潮位、流速与流向数值；

其中，数值建模为模拟不少于15天的大、中、小连续潮下的潮流场时间、空间过程，输出间隔小于30min。

7.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，根据所述特征致灾物的高频率爆发位置设置控制性质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量包括：

在所述特征致灾物的高频率爆发位置每小时在相同位置间距小于100m投放控制性质点；

利用三维水动力数学模型输出控制性质点对应的三维水动力模拟数据；

利用控制性质点基于特征致灾物性质-质点追踪数学模型得到控制性质点的时间-运动轨迹；

利用所述控制性质点的时间-运动轨迹得到进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量。

8.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，所述根据近海电厂取水明渠口门对应位置设置面域型质点，获取进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量包括：

在所述近海电厂取水明渠口门处投放间距不大于近海电厂取水明渠口门宽度的0.5倍的面域型质点；

利用三维水动力数学模型输出面域型质点对应的三维水动力模拟数据；

利用面域型质点基于特征致灾物性质-质点追踪数学模型得到面域型质点的时间-运动轨迹；

利用所述面域型质点的时间-运动轨迹得到进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量；

其中，面域型质点对应的三维水动力模拟数据的模拟时间不小于一个完整涨落潮过程的潮流场，范围为25h至27h。

9.如权利要求1所述的一种近海电厂取水卷吸机制数值模拟与评估方法，其特征在于，根据所述进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量进行评估，获取近海电厂最佳防卷吸取水方案包括：

利用进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量作为近海电厂取水方案的卷吸风险的评估指标示数，控制性质点的时间-运动轨迹作为特征致灾物进入近海电厂取水方案口门的运动形式，进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点的初始投放位置作为引起卷吸风险的致灾物爆发热区；

利用进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量作为近海电厂取水方案的口门卷吸能力评估指标示数，进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点的初始位置所覆盖的水域作为一个涨落潮过程下的可卷吸范围；

当控制性质点与面域型质点的投放平面位置、垂向位置、投放初始时刻、投放终止时刻相同时，且控制性质点与面域型质点分别对应的特征致灾物的沉降速度、起动流速与特征致灾物运动速度和水流速度的比值相同时，获取进入近海电厂取水明渠口门内的控制性质点数量与进入近海电厂取水明渠口门内的面域型质点数量均为最小值对应的近海电厂取水明渠布置方案作为近海电厂最佳防卷吸取水方案。

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