根据国际原子能机构定义, 发电功率小于30万kW的发电机组定义为小型堆。每台小型堆的排水量比大功率电厂小很多, 其温排水的影响与火电厂是类似的。

　　 内陆河道的电厂取排水基本采用分列式布置方式, 上游取水、下游排水, 排水出流角度多选取在30~90°。宽浅型河道可采用水体表层排水方式, 取排水口之间需保持有适当的间距;窄深型河道, 宜采用淹没式取排水方式, 利用水温分层效应取得底层低温水, 增强温排水出流与环境水体间的掺混、稀释能力。

　　 弯道水域排水口宜布置在凹岸来流顶冲点下游, 有利于削弱温排水的上溯效用, 减少其对取水温升的影响, 增强其与环境水体的掺混、稀释能力。

　　 《核电厂温排水环境影响评价技术规范》 (NB/T 20299-2014) 规定, 1℃温升线离岸最远距离不超过河道水面宽度的2/3, 2℃温升线不超过河道横截面面积的1/2。《核动力厂环境辐射防护规定》 (GB6249-2011) 要求, 排放口下游1km处受纳水体中氚浓度不超过100Bq/L。

　　 由于温排水在横向扩散距离、温升面积上的要求, 从温排水、液态流出物两方面研究能够满足规范要求的排水方式、河流条件, 为后续小型堆选址提供依据和参考。

　　 基于国内主要河流水文、地形条件调研结果, 概化不同宽深比的顺直型河道, 选定3种宽深比河道开展三维数值模拟研究, 即浅水型、深水型以及过渡型。模拟范围为排水口上游河道长度取为500m, 排水口下游河段模拟区域长度取为不小于40倍的河宽, 河道宽度取为100 m, 相应模拟河道长度取为:排水口上游500m到下游4 000m。

　　 模拟研究河道、排放条件为:

　　 (1) 河道断面型式:矩形河槽。

　　 (2) 河道宽深比。宽度100 m、深度h分别为1.25m、2.5m、5m、7.5m、10m、15m。

　　 (3) 排口型式及其流量。考虑电厂温排水流量10m³/s, 排水温升8℃。

　　 深水型河道:水体底层水平出流, 出流口备淤高度1.0m;暗涵出口流速1.0m/s;出流方向与环境来流方向垂直, 见图1。

　　 浅水型河道:水体表层扩散段水平出流;扩散段出口平均流速0.5 m/s;出流方向与环境来流方向垂直, 见图2。

　　 过渡型河道:排口出流型式与深水型河道相同。水体底层水平出流, 出流口备淤高度1.0m;暗涵出口流速1.0m/s;出流方向与环境来流方向垂直。

　　 (4) 河道来流比。考虑河道环境流速取为0.1m/s、0.2m/s、0.4m/s、0.8m/s 4种情况。河道来流量为流速乘以断面积。河道来流量 (Q_a) 与排放流量 (Q_o) 之比为

　　 根据规范要求, 选取排水口断面处垂向平均和垂向最大的1℃等温升线横向扩散距离、河道下游1℃等温升线的最大横向扩散距离以及2℃等温升线横向扩散的最大断面相对包络面积作为特征量, 开展不同河道来流比、宽深比对温排水出流掺混、稀释规律影响的研究。其中, 2℃等温升线横向扩散的最大断面选取:模拟区域2℃等温升线最大横向扩散距离处断面与垂向平均最大横向扩散距离处断面两者之间2℃温升包络面积较大一方。

　　 参考前人成果, 横流中水平浮射流横向扩散距离的主要因素为来流条件与排水出流条件。参考类似研究工作成果, 并结合本项研究控制条件进行分析, 本项研究对象中影响温排水纵、横向扩散距离 (x, y) 的主要参数包括来流比宽深比 (β=B/h) 、水深 (h) 、环境流弗氏数所示。

　　 同样, 等温升线横向扩散的最大断面相对包络面积 (St=横向扩散断面面积/全断面面积) 受参数来流比宽深比 (β=B/h) 、水深 (h) 、环境流弗氏数所示。

　　 在排水流量 (10m³/s) 条件下, 不同河道宽深比 (β) 和来流比 (γ) 情况的计算结果见表1。相同宽深比条件下, 来流比越大, 掺混越充分, 横向扩散距离越小。

　　 依据上述式 (1) 对表1中排水口断面处1℃等温升线横向扩散距离及下游1℃等温升线最大横向扩散距离特征量随河道来流比变化情况进行分析, 如图3、图4所示。可见, 在本项研究的计算条件下无量纲的横向扩散距离特征量随来流比与环境流弗氏数的特征参数 (γ_a=γFr^1/3) 的变化规律基本相同, 且满足条件,

　　 无量纲横向扩散距离y_a的最大值y_{a, Max}如下。

　　 (1) 排口断面处垂向平均1℃等温升线的横向最大扩散距离:

　　 (2) 排口断面处垂向最大1℃等温升线的横向扩散距离:

　　 (3) 1℃等温升线下游最大横向扩散距离:

　　 2℃等温升线最大横断面相对包络面积随河道来流比变化情况如图5所示。在本项研究的计算条件下最大横断面相对包络面积特征量 (St_a=Stβ^-0.3) 随来流比与环境流弗氏数的特征参数 (γ_a=γFr^1/3) 的变化规律基本相同, 且满足条件:

　　 等温升线横向扩散距离特征量的变化规律见表2。当河道宽深比 (β) 一定时, 相对横向扩散距离随来流比与环境流弗氏数的特征参数 (γ_a) 增大而减小。排水口断面处垂向平均和垂向最大的1℃等温升线扩散距离的变化趋势为aγ_a^-b, 排水口下游1℃等温升线最大横向扩散距离的变化趋势为ce^-dγa。常数a, b, c, d的取值如表2所示。

　　 当河道来流比 (γ) 一定时, 相对横向扩散距离受宽深比 (β) 和环境流弗氏数影响。排口断面处垂向平均和垂向最大的1℃等温升线扩散距离的变化趋势为aβ^2/3Fr^-b/3, 1℃等温升线下游最大横向扩散距离的变化趋势为

　　 影响液态流出物相对浓度的主要参数包括来流比宽深比 (_β=B/h) 、水深 (h) 、环境流弗氏数排水口下游1km断面处3个相对浓度特征量的变化规律总结见表3。当河道宽深比 (β) 一定时, 相对浓度特征量的变化趋势为aγ_b^-b。当河道来流比 (γ) 一定时, 相对浓度特征量 (c) 受宽深比 (β) 和环境流弗氏数影响。3个相对浓度特征量的变化趋势为aβ^pFr^-0.5b。

　　 基于湖南株洲电厂温度场原型观测结果对排水口下游1℃等温升线最大横向扩散距离估算结果进行比较验证。株洲电厂采用直流供水系统, 根据《环境影响评价技术导则-地表水环境》, 电厂所在河段在平面上弯曲系数为1.15 (小于1.3) , 环评时作为顺直河道。1996年2月9日对电厂 (4×25 MW+2×125 MW) 运行状态下的受纳水体温度场进行了原体观测, 电厂取排水温升、流量及环境水体温升平面分布如图6所示。观测期间河道上游来流量Q_a为729.6m³/s;取排水温升、流量分别为10℃温升的取排水流量为3.75m³/s, 11.5℃温升的取排水流量为7.7m³/s。

　　 原体观测的1℃等温升线下游最大横向扩散距离约96m。根据原体观测时的断面和来流条件以及排水出流条件可知, 原体的平均水深约7m, 河道平均宽度约500m, 宽深比β=71.4, 等效8℃排水温升的来流比γ=46.3, 环境流弗氏数Fr=0.025 2。由此根据式 (5) 计算得到1℃等温升线最大横向扩散距离约93.4m, 与原体观测的结果吻合良好, 验证结果进一步证明本文所提估算方法的可行性。

　　 当考虑环保要求“1℃温升线离岸最远距离不超过河宽2/3”的条件^时, 根据1℃等温升线下游最大横向扩散距离的变化规律[式 (5) ], 得到满足该要求所需的河道来流比 (γ) 条件如下:

　　 当考虑环保要求“2℃温升线不超过河道横断面面积1/2”的条件根据2℃等温升线最大横断面相对包络面积的变化规律式 (7) , 可得到满足该环保要求所需的河道来流比 (γ) 条件如下:

　　 式中, 常数m=0.215, n=0.709。

　　 考虑环保要求“排放口下游1km处受纳水体中氚浓度不超过100Bq/L”, 根据液态流出物的实际排放量及排放形式, 计算得到氚浓度100Bq/L对应的相对浓度c₀ (排口相对浓度为1) , 利用上述排放口下游1km处相对浓度特征量的变化规律, 可得到满足该环保要求所需的河道来流比 (γ) 条件, 基于不同控制条件满足环保要求的来流条件要求如下:

　　 (1) 若根据1km断面处垂向平均的最大相对浓

　　 (2) 若根据1km断面处相对浓度最大值的1%包络范围内的平均相对浓度作为判断条件:

　　 (3) 若根据1km断面处相对浓度最大值的10%包络范围内的平均相对浓度作为判断条件: