CN116151085B - 风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法，包括，建立大尺度海域水动力数学模型；台风的气压场及风场计算；大尺度海域台风风暴潮模型验证；建立嵌套的中尺度工程海区水动力数学模型；嵌套模型的潮流验证；建立中尺度工程海区粒子追踪数学模型；电厂取水卷吸率的计算。本发明针对受台风影响的滨海核电厂为研究对象，建立适用于风暴潮模拟的大尺度海域模型与用于工程近区流场模拟的中尺度海区模型嵌套的二维数学模型，采用示踪粒子方法研究台风引起的风暴潮与天文潮共同作用下漂浮物的运移轨迹，分析漂浮物在电厂取水明渠内的分布情况，以此基础计算电厂取水卷吸率。为核电厂取水安全预警及应急措施的规划和设计提供科学依据。

Description

风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法

技术领域

本发明涉及一种风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法，是一种环境水力学计算方法，是一种适用于滨海电厂在台风引起的风暴潮与天文潮共同作用下电厂取水卷吸率的计算方法。

背景技术

在核电厂运行过程中，需要通过取水系统从河流、海洋等天然水域取水以冷却机组。如果取水系统发生堵塞，将可能导致机组被迫降功率或停机，严重时甚至引发核安全事故。取水明渠拦导工程措施在核电取水工程中陆续得到应用，它是核电厂冷源安全保障的重要部分。取水明渠内的流速、流向分布等水力特性对进入明渠的漂浮物和海生物的卷吸效应影响显著，是拦导工程设计中需要考虑的重要因素。对于沿海台风频发，不利的海洋水文、气象条件下漂浮物(海生物)对冷源安全造成的突发影响如何予以评估、如何计算台风引起的风暴潮与天文潮共同作用下滨海电厂取水卷吸率的计算，是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法。所述的方法针对滨海核电厂，利用大尺度海域模型与中尺度海区模型嵌套的二维数学模型结合台风模型及示踪粒子的方法，提出了一种台风引起的风暴潮与天文潮共同作用下电厂取水卷吸率的计算方法。为核电厂取水安全预警以及应急措施的规划和设计提供科学依据。

本发明是一种风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，建立大尺度海域水动力数学模型：根据厂址所在海域的位置及台风路径确定模型范围，建立适用于台风风暴潮模拟计算的大范围海域水动力数学模型，平面直角坐标系下模型的控制方程如下：

连续方程：

运动方程：

x方向：

y方向：

上式中：t为时间，x，y为笛卡尔坐标；η为水位，h＝d+η为总水深，d为静水深；为x方向的水深平均速度，/>为y方向的水深平均速度：/>u为x方向速度，v为y方向速度，z为笛卡尔坐标；u_s为源在x方向的排水速度；v_s为源在y方向的排水速度；f为柯氏力参数，f＝2Ωsinφ，其中：Ω为旋转角速度，φ为地理纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度，ρ₀为参考水密度；p_a为大气压力；A为涡粘性系数；τ_b＝(τ_bx,τ_by)为底部应力，c_f为阻力系数，/>床底上部流速；τ_s＝(τ_sx,τ_sy)为水面风应力，ρ_a为空气密度，c_d为空气阻力系数，/>水面上空10m处风速；S为源汇项；

大尺度海域数学模型的开边界水位条件由全球潮汐预报模型结果提取得到，台风的气压场及风场作为输入条件；大尺度海域数学模型的计算结果将为后续嵌套的中尺度海区模型提供计算所需的边界条件；

步骤2，台风的气压场及风场计算：分析电厂所在工程海域的台风资料，应用台风模型计算台风的气压场及风场；用于计算台风期间气压场变化的台风气压模型如下：

式中：p(r)为距台风中心r距离处的气压值；p_c为台风中心气压，p_n为台风外围气压(正常气压)，R_mw为台风最大风速半径；B为台风的形状参数，通常取值范围为1<B<2.5；

气压场确定之后，用于计算理论台风风场的公式如下：

式中：V_g(r)为距台风中心r距离处的风速；ρ_A为大气的密度；

步骤3，大尺度海域台风风暴潮模型验证：针对台风引起的风暴潮进行模拟计算，通过对台风期间风暴潮增减水过程实测值与计算值的比较，进行大尺度海域数学模型的验证，确保模型的可靠性；

步骤4，建立嵌套的中尺度工程海区水动力数学模型：根据电厂取排水工程所在海域的位置、岸线及水下地形等条件确定模型范围；建立适用于工程海区流场模拟计算的中尺度工程海区数学模型；模型的控制方程与步骤1相同；中尺度工程海区模型中水位和流量的边界条件由大尺度海域模型的计算结果提取得到；

步骤5，嵌套模型的潮流验证：应用大尺度海域数学模型，进行大范围海域内常规气象条件下天文潮为主的水动力模拟计算，从计算结果中提取中尺度工程海区模型所需的潮位和流量边界条件；在此基础上，应用中尺度工程海区模型模拟计算常规气象条件下厂址海域潮流场；通过对厂址近区潮位、流速、流向的实测值与计算值的比较，进行嵌套模型的验证，确保嵌套模型的可靠性；

步骤6，建立中尺度工程海区粒子追踪数学模型：以嵌套模型的中尺度工程海区水动力模型为基础，采用示踪粒子的方法，建立中尺度工程海区漂浮物运移轨迹模拟的粒子追踪数学模型；模拟计算中主要考虑水流的携带作用，不考虑漂浮物形状等的影响；粒子运动轨迹模拟控制方程如下：

dX_t＝a(t，X_t)dt+b(t，X_t)ξ_tdt

式中：X_t为t时刻粒子位置，a(t，X_t)为流、风影响产生的漂流移动项，b(t，X_t)为分子运动、湍流产生的扩散项，ξ_t为随机数；

步骤7，电厂取水卷吸率的计算：以台风的气压场和风场作为输入条件，模拟台风引起的风暴潮与天文潮共同作用下厂址工程海区内粒子的运移轨迹，分析粒子在电厂取水明渠内的分布情况，统计进入取水明渠内的粒子数，计算电厂取水卷吸率随时间的变化，所述的卷吸率ψ为进入取水明渠内的粒子数k与当前已投放粒子总数K之比：

本发明产生的有益效果是：本发明针对受台风影响的滨海核电厂为研究对象，建立适用于风暴潮模拟的大尺度海域模型与用于工程近区流场模拟的中尺度海区模型嵌套的二维数学模型，采用示踪粒子方法研究台风引起的风暴潮与天文潮共同作用下漂浮物的运移轨迹，分析漂浮物在电厂取水明渠内的分布情况，在此基础上计算电厂取水卷吸率。为核电厂取水安全预警以及应急措施的规划和设计提供科学依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例所述方法的流程示意图；

图2是本发明的实施例所述使用举例中的台风路径示意图；

图3是本发明的实施例所述使用举例中的大尺度海域模型与嵌套的中尺度工程海区模型的模拟范围示意图；

图4是本发明的实施例所述使用举例中台风期间瞬时气压场(图4-a)和风场(图4-b)；

图5是本发明的实施例所述使用举例中厂址附近台风风暴潮增减水验证图；

图6是本发明的实施例所述使用举例中取排水工程建设前常规气象条件下潮位观测站(W1)、流速和流向观测站(V1、V2、V3)位置示意图；

图7是本发明的实施例所述使用举例中常规气象条件下潮位验证图；

图8是本发明的实施例所述使用举例中常规气象条件下流速、流向验证图；

图9是本发明的实施例所述使用举例中电厂取排水工程建设后取水明渠位置示意图

图10是本发明的实施例所述使用举例中台风风暴潮和天文潮共同作用下某时刻示踪粒子短时运移轨迹及取水明渠内粒子分布与无台风影响时结果的对比图；

图11是本发明的实施例所述使用举例中台风期间风暴潮和天文潮共同作用下进入取水明渠内的粒子数随时间变化过程线与无台风影响时结果的对比图；

图12是本发明的实施例所述使用举例中台风期间风暴潮和天文潮共同作用下电厂取水卷吸率随时间变化过程线与无台风影响时结果的对比图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法，流程如图1所示。本实施例所述方法包括如下步骤：

步骤1：建立大尺度海域水动力数学模型：根据厂址所在海域的位置及台风路径确定模型范围，建立适用于台风风暴潮模拟计算的大范围海域水动力数学模型。平面直角坐标系下模型的控制方程如下：

连续方程：

运动方程：

x方向：

y方向：

上式中：t为时间，x，y为笛卡尔坐标；η为水位，h＝d+η为总水深，d为静水深；为x方向的水深平均速度，/>为y方向的水深平均速度：/>u为x方向速度，v为y方向速度，z为笛卡尔坐标；u_s为源在x方向的排水速度；v_s为源在y方向的排水速度；f为柯氏力参数，f＝2Ωsinφ，其中：Ω为旋转角速度，φ为地理纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度，ρ₀为参考水密度；p_a为大气压力；A为涡粘性系数；τ_b＝(τ_bx,τ_by)为底部应力，c_f为阻力系数，/>床底上部流速；τ_s＝(τ_sx,τ_sy)为水面风应力，ρ_a为空气密度，c_d为空气阻力系数，/>水面上空10m处风速；S为源汇项。

大尺度海域数学模型的开边界水位条件由全球潮汐预报模型结果提取得到，台风的气压场及风场作为输入条件；大尺度海域数学模型的计算结果将为后续嵌套的中尺度海区模型提供计算所需的边界条件。

应用实例：

某受台风影响的滨海核电厂，应用实例的厂址位置及台风路径如图2所示。利用大尺度海域模型与中尺度工程海区模型嵌套的二维数学模型，结合台风模型计算得到的气压场和风场，模拟计算台风风暴潮与天文潮共同作用下工程近区水动力特性。在此基础上采用示踪粒子的方法，应用粒子追踪数学模型模拟风暴潮与天文潮共同作用下厂址工程海区内漂浮物的运移轨迹，计算电厂取水卷吸率。本实施例所述的大尺度水域是指范围在100万平方千米以上的水域和气象范围。所述的中尺度水域是指0.5～5万平方千米的水域，相对而言的小尺度水域是指100平方千米以下的水域。

应用实例中建立大尺度海域水动力数学模型的步骤包括：根据厂址所在海域位置及台风路径确定大尺度海域模型范围，应用实例的模型范围如图3所示(大约230万平方千米)。采用世界上广泛应用的MIKE21建立适用于台风风暴潮模拟计算的大范围海域水动力数学模型。模型的开边界水位条件由用于天文潮预报的全球潮汐模型的结果提取得到。

步骤2，台风的气压场及风场计算：分析电厂所在工程海域的台风资料，应用台风模型计算台风的气压场及风场；用于计算台风期间气压场变化的台风气压模型如下：

式中：p(r)为距台风中心r距离处的气压值；p_c为台风中心气压，p_n为台风外围气压(正常气压)，R_mw为台风最大风速半径；B为台风的形状参数，通常取值范围为1<B<2.5；

气压场确定之后，用于计算理论台风风场的公式如下：

式中：V_g(r)为距台风中心r距离处的风速；ρ_A为大气的密度。

应用实例的台风期间气压场及风场计算的步骤包括：分析电厂所在工程海域的台风资料，依据台风的路径、最大风速、中心气压、台风外围气压等数据应用Holland台风模型计算台风的气压场。在气压场确定之后，应用理论台风风场公式计算风场。应用实例的台风气压场及风场如图4所示。计算得到的台风期间气压场及风场为大尺度海域水动力数学模型提供输入条件。

步骤3，大尺度海域台风风暴潮模型验证：对台风引起的风暴潮进行模拟计算，通过对台风风暴潮增减水过程的实测值与计算值的比较，进行大尺度海域数学模型的验证，确保模型的可靠性。

应用实例的大尺度海域台风风暴潮模型验证的步骤包括：应用大尺度海域水动力数学模型对台风引起的风暴潮进行模拟计算，通过台风期间厂址附近观测站(位置见图4)的风暴潮增减水过程实测值与计算值的比较，对大尺度海域数学模型进行验证。应用实例的风暴潮增减水验证如图5所示，良好的验证结果证明了大尺度海域水动力数学模型的可靠性。

步骤4，建立嵌套的中尺度工程海区水动力数学模型：根据电厂取排水工程所在海域的位置、岸线及水下地形等条件确定模型范围(大约1.2万平方千米)。建立适用于工程海区流场模拟计算的中尺度工程海区数学模型。中尺度工程海区模型所需的水位和流量边界条件由大尺度海域模型的计算结果提取得到。

应用实例建立嵌套的中尺度工程海区水动力数学模型的步骤包括：根据厂址取排水工程所在海域的位置、岸线及水下地形等条件确定中尺度工程海区模型范围，应用实例的模型范围见图3所示。采用MIKE21建立适用于工程海区流场模拟计算的中尺度工程海区水动力数学模型。模型所需的水位和流量边界条件由大尺度海域模型的计算结果提取得到。

步骤5，嵌套模型的潮流验证：应用大尺度海域数学模型，进行大范围海域内常规气象条件下天文潮为主的水动力模拟计算，从计算结果中提取中尺度工程海区模型所需的潮位和流量边界条件。在此基础上，应用中尺度工程海区模型模拟计算常规气象条件下厂址海域潮流场。通过对厂址近区潮位、流速、流向的实测值与计算值的比较，进行嵌套模型的验证，确保嵌套模型的可靠性。

应用实例的嵌套模型潮流验证的步骤包括：首先应用大尺度海域数学模型进行大范围海域内常规气象条件下天文潮为主的水动力模拟计算，从计算结果中提取中尺度工程海区模型边界位置处的潮位和流量过程作为嵌套的中尺度工程海区模型的边界条件。在此基础上，应用中尺度工程海区模型模拟计算常规气象条件下厂址海域潮流场。通过厂址近区观测站的潮位、流速和流向的实测值与计算值比较，进行嵌套模型的验证。应用实例的工程建设前厂址附近观测站位置如图6所示，潮位验证结果如图7所示，流速、流向的验证结果如图8所示。良好的验证结果证明了嵌套模型的可靠性。

步骤6，建立中尺度工程海区粒子追踪数学模型：以嵌套模型的中尺度工程海区水动力模型为基础，采用示踪粒子的方法，建立用于漂浮物运移轨迹模拟的中尺度工程海区粒子追踪数学模型。

应用实例建立中尺度工程海区粒子追踪数学模型的步骤包括：针对取排水工程建设后的地形(取、排水明渠位置如图9所示)，以嵌套模型的中尺度工程海区水动力模型为基础，采用示踪粒子的方法，应用MIKE21的粒子追踪模块，建立用于漂浮物运移轨迹模拟的中尺度工程海区粒子追踪数学模型。应用实例中粒子的投放位置为位于海湾顶部断面上200个均匀分布的点位，断面位置如图9所示。粒子的投放方式为每个计算时间步长(5分钟)在每个点位各投放1个粒子，连续投放约6天，共计投放粒子的总数为344600个。

步骤7，电厂取水卷吸率的计算：以台风的气压场和风场作为输入条件，模拟台风风暴潮与天文潮共同作用下厂址工程海区内粒子的运移轨迹，分析粒子在电厂取水明渠内的分布情况，统计进入取水明渠内的粒子数，计算电厂取水卷吸率随时间的变化，所述的卷吸率ψ为进入取水明渠内的粒子数k与当前已投放粒子总数K之比：

应用实例的电厂取水卷吸率计算分析的步骤包括：以台风的气压场和风场作为输入条件，模拟台风风暴潮与天文潮共同作用下厂址工程海区内粒子的运移轨迹。统计进入电厂取水明渠内的粒子数随时间的变化。定义电厂取水卷吸率为进入取水明渠内的粒子数与当前已投放粒子总数之比，以此计算电厂取水卷吸率随时间的变化。应用实例的台风期间风暴潮和天文潮共同作用下某时刻示踪粒子短时运移轨迹及取水明渠内粒子分布如图10所示，图中显示了与无台风影响时结果的对比。结果表明台风对粒子的运移及取水明渠内粒子聚集情况的影响显著。应用实例的台风风暴潮与天文潮共同作用下进入电厂取水明渠内的粒子数随时间变化过程线如图11所示，计算得到的电厂取水卷吸率随时间变化过程线如图12所示，图中显示了与无台风影响时结果的对比。风暴潮与天文潮共同作用下最大取水卷吸率为3.42％，无台风影响时天文潮作用下最大取水卷吸率为3.02％，台风影响的最大取水卷吸率增量为0.73％。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如模型的选择、公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种风暴潮与天文潮共同作用下的电厂取水卷吸率计算方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，建立大尺度海域水动力数学模型：根据厂址所在海域的位置及台风路径确定模型范围，建立适用于台风风暴潮模拟计算的大范围海域水动力数学模型，平面直角坐标系下模型的控制方程如下：

连续方程：

运动方程：

x方向：

y方向：

上式中：t为时间，x，y为笛卡尔坐标；η为水位，h＝d+η为总水深，d为静水深；为x方向的水深平均速度，/>为y方向的水深平均速度：/>z为笛卡尔坐标；u_s为源在x方向的排水速度；v_s为源在y方向的排水速度；f为柯氏力参数，f＝2Ωsinφ，其中：Ω为旋转角速度，φ为地理纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度，ρ₀为参考水密度；p_a为大气压力；/>A为涡粘性系数；τ_b＝(τ_bx,τ_by)为底部应力，/>c_f为阻力系数，/>床底上部流速；τ_s＝(τ_sx,τ_sy)为水面风应力，ρ_a为空气密度，c_d为空气阻力系数，/>水面上空10m处风速；S为源汇项；

大尺度海域数学模型的开边界水位条件由全球潮汐预报模型结果提取得到，台风的气压场及风场作为输入条件；大尺度海域数学模型的计算结果将为后续嵌套的中尺度海区模型提供计算所需的边界条件；

步骤2，台风的气压场及风场计算：分析电厂所在工程海域的台风资料，应用台风模型计算台风的气压场及风场；用于计算台风期间气压场变化的台风气压模型如下：

式中：p(r)为距台风中心r距离处的气压值；p_c为台风中心气压，p_n为台风外围气压(正常气压)，R_mw为台风最大风速半径；B为台风的形状参数，通常取值范围为1<B<2.5；

气压场确定之后，用于计算理论台风风场的公式如下：

式中：V_g(r)为距台风中心r距离处的风速；ρ_A为大气的密度；

步骤3，大尺度海域台风风暴潮模型验证：针对台风引起的风暴潮进行模拟计算，通过对台风期间风暴潮增减水过程实测值与计算值的比较，进行大尺度海域数学模型的验证，确保模型的可靠性；

步骤4，建立嵌套的中尺度工程海区水动力数学模型：根据电厂取排水工程所在海域的位置、岸线及水下地形等条件确定模型范围；建立适用于工程海区流场模拟计算的中尺度工程海区数学模型；模型的控制方程与步骤1相同；中尺度工程海区模型中水位和流量的边界条件由大尺度海域模型的计算结果提取得到；

步骤5，嵌套模型的潮流验证：应用大尺度海域数学模型，进行大范围海域内常规气象条件下天文潮为主的水动力模拟计算，从计算结果中提取中尺度工程海区模型所需的潮位和流量边界条件；在此基础上，应用中尺度工程海区模型模拟计算常规气象条件下厂址海域潮流场；通过对厂址近区潮位、流速、流向的实测值与计算值的比较，进行嵌套模型的验证，确保嵌套模型的可靠性；

步骤6，建立中尺度工程海区粒子追踪数学模型：以嵌套模型的中尺度工程海区水动力模型为基础，采用示踪粒子的方法，建立中尺度工程海区漂浮物运移轨迹模拟的粒子追踪数学模型；模拟计算中主要考虑水流的携带作用，不考虑漂浮物形状等的影响；粒子运动轨迹模拟控制方程如下：

dX_t＝a(t，X_t)dt+b(t，X_t)ξ_tdt

式中：X_t为t时刻粒子位置，a(t，X_t)为流、风影响产生的漂流移动项，b(t，X_t)为分子运动、湍流产生的扩散项，ξ_t为随机数；

步骤7，电厂取水卷吸率的计算：以台风的气压场和风场作为输入条件，模拟台风引起的风暴潮与天文潮共同作用下厂址工程海区内粒子的运移轨迹，分析粒子在电厂取水明渠内的分布情况，统计进入取水明渠内的粒子数，计算电厂取水卷吸率随时间的变化，所述的卷吸率ψ为进入取水明渠内的粒子数k与当前已投放粒子总数K之比：