CC BY
41
УДК 621.311.25:502.51 (470.61)
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ РОСТОВСКОЙ АЭС НА ЦИМЛЯНСКОЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ
И.А. Бубликова, О.Ф. Цуверкалова, М.Г. Баклыкова
Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»
Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI»
Рассмотрено тепловое воздействие сброса подогретых вод в водоем-охладитель на температуру воды Цимлянского водохранилища. С помощью регрессионно-корреляционного анализа выявлены факторы, оказывающие определяющее влияние на температуру воды.
Ключевые слова: водоем-охладитель, Цимлянское водохранилище, тепловое воздействие, регрессионно-корреляционный анализ.
Thermal impact of dumping of warmed-up waters in a reservoir cooler on water temperature of the Tsimlyansky reservoir is considered. By means of the regression and correlation analysis the factors, making defining impact on water temperature are revealed.
Keywords: reservoir cooler, Tsimlyansky reservoir, thermal influence, regression and correlation analysis.
Сбросы подогретых вод атомных станций в поверхностные водоемы рассматриваются в настоящее время, как тепловое загрязнение, подлежащее нормированию и контролю. Экологические проблемы водоемов-охладителей, связанные с поступлением в гидросферу подогретых сбросных вод АЭС, с конца 1950-х гг. привлекали внимание многих исследователей в разных странах. За прошедший период было установлено, что изменения в экосистемах водоемов в результате подогрева в значительной степени зависят не только от типа водного объекта, используемого для охлаждения, системы водоснабжения электростанции, параметров охладителя и тепловой нагрузки на него, но и от ландшафтно-географической зоны, в которой расположен водоем-охладитель.
Цимлянское водохранилище - один из крупнейших искусственных водоемов степной зоны юга России. Этот водный объект является ценным источником воды и рыбных ресурсов. Водоем-охладитель (ВО) Ростовской АЭС создан путем отсечения плотиной прибрежного участка Цимлянского водохранилища (ЦВ). В соответствии с проектом плотина, отделяющая водохранилище от водоема-охладителя, выполнена как фильтрующая. Поддержанием в ВО более высокого уровня воды, чем в ЦВ, обеспечивается постоянное поступление в водохранилище фильтрующейся воды из ВО. Таким образом, создается возможность управления состоянием водоема-охладителя. Но при этом существует возможность поступления загрязнений, в том числе и теплового, в ЦВ из ВО с фильтрующейся водой.
При обсуждении экологических аспектов эксплуатации Ростовской АЭС проблемы, существующие в экосистеме Цимлянского водохранилища, неоднократно связывали с влиянием атомной станции. В мощном развитии синезеленых водорослей,
«цветении» водохранилища неоднократно обвинялась АЭС и ее тепловое загрязнение. У ряда специалистов существует твердое убеждение, что термическое воздействие АЭС на Цимлянское водохранилище провоцирует неблагоприятные изменения в его биоценозе. В связи с этим исследование тепловой нагрузки РоАЭС на Цимлянское водохранилище является актуальным. При этом необходимо выявить факторы, определяющие температурный режим Цимлянского водохранилища в непосредственной близости от АЭС и водоема-охладителя.
При выполнении исследования были использованы результаты гидрометеорологических наблюдений за рассматриваемыми водными объектами в период 2006-2009 гг., выполненными НИАЭП [1 - 4], в сравнении с менее подробными данными Федерального государственного учреждения «Управление водными ресурсами Цимлянского водохранилища» (ФГУ «УВРЦВ») и результатами многолетних наблюдений за ЦВ. [5]
Для оценки уровня тепловой нагрузки ВО на ЦВ был выполнен статистический анализ превышения температуры воды в ВО аналогичного показателя в ЦВ в непосредственной близости от разделяющей эти водоемы плотины за период 20062009 гг.. При этом данные, приходящиеся на период планово-предупредительного ремонта, были исключены из рассмотрения.
В результате анализа было выявлено, что отклонение температуры воды в ВО по сравнению с ЦВ вблизи плотины водоема-охладителя составляет от +6,4 до -3оС. В среднем температура воды в ВО на 1 градус выше, чем в водохранилище при среднеквадратичном отклонении 1,46оС. Коэффициент асимметрии составил 0,53 что свидетельствует о левосторонней асимметрии, т.е. положительные отклонения более вероятны, чем отрицательные. Значение коэффициента эксцесса 0,64 говорит о том, что график плотности вероятности имеет более «острый» пик, чем график плотности нормального распределения. Вместе с тем, отклонения от нуля коэффициентов асимметрии и эксцесса достаточно незначительны, чтобы при дальнейшей обработке результатов использовать гипотезу о нормальном распределении отклонений.
Регрессионный анализ зависимости разности температур от текущей температуры воздуха показал, что она низкого качества, т.е. практически отсутствует. Значения разности температур в рассматриваемых водоемах находились как в области положительных значений, так и в области отрицательных. Несмотря на то, что преимущественно температура воды ВО была выше, чем в ЦВ, значительная часть данных располагается в области отрицательных значений (см. рис. 1). Более того, ситуации, когда вода в ЦВ теплее, чем в ВО, не носят сезонный характер, т.к. не зависят от температуры воздуха. А это значит, что это не может быть объяснено более быстрым охлаждением водоема-охладителя по сравнению с Цимлянским водохранилищем осенью вследствие его мелководности. Поэтому причины подобных «аномалий» требуют дальнейшего исследования.
Таким образом, можно заключить, что несмотря на то, что большую часть времени температура воды в ВО выше, чем в ЦВ, говорить об однозначном влиянии тепловых сбросов АЭС на повышение температуры ЦВ нельзя.
Для определения значимости теплового влияния Ростовской АЭС на Цимлянское водохранилище было выполнено сравнение температуры воды в водохранилище в рассматриваемые годы с результатами многолетних наблюдений за ЦВ. [5]
Общий анализ гидрометеорологических данных в период с 2006 по 2009 гг. показал, что в целом наиболее теплой вода в Цимлянском водохранилище в непосредственной близости от фильтрующейся плотины бывает в июле-августе (средние значения в анализируемый период 24,5°С и 23,9 °С соответственно, но в
2006 г. температура воды в августе была выше июльской). Средняя многолетняя температура воды в ЦВ в июле на 0,3°С выше, чем в августе.
Рисунок 1 - Зависимость разности температур воды в ВО и ЦВ от температуры воздуха, °С
Средняя температура воды в ЦВ в апреле в 2006-2009 гг. была выше среднего многолетнего значения на 2,2°С (рис. 2), но необходимо иметь в виду, что апрель либо полностью, либо частично приходился на период планово-предупредительного ремонта энергоблока №1 Ростовской АЭС, когда сбросы подогретых вод отсутствуют. Например, температура воды в апреле 2006 г. была выше многолетней на 2,8°С, а блок не работал с 20 марта по 12 мая.
Рисунок 2 - Температура воды в ЦВ в апреле, °С
Рисунок 3 - Температура воды в ЦВ в мае, °С
Средняя температура воды в водохранилище в мае в 2006-2009 гг. была на 0,9°С ниже средней многолетней. Это не может быть связано только с ППР, поскольку, например, в мае 2009 г. средняя температура была на 1,5°С ниже среднего многолетнего значения, а ППР закончился 11 мая. А в 2006 г. ППР закончился 12 мая, а средняя температура месяца практически соответствовала среднемноголетнему значению (рис. 3). Таким образом, весной на температуру воды в Цимлянском водохранилище влияние оказывают не только тепловые сбросы АЭС, но и другие факторы, и значимость этих факторов достаточно высока.
В июне средняя температура воды в ЦВ в 2006-2009 гг. выше соответствующего многолетнего значения на 1°С. При этом наибольший вклад вносит 2007 г. с превышением в 2°С, в то время как в июне трех остальных лет рассматриваемого периода превышение многолетней величины было менее 1°С.
Анализ значений температуры воды в ЦВ в июле (наиболее теплая воды по многолетним наблюдениям) показывает, что превышение средней величины температуры многолетних наблюдений в 2006-2009 гг. составляет 0,7°С. При этом в 2006 г. средняя температура месяца была несколько ниже многолетней, а наиболее высокая средняя температура июля отмечалась в 2007 г., и она была выше многолетней на 1,9 °С (рис. 4).
Рисунок 4 - Температура воды в ЦВ в июле, °С
В августе 2006-2009 гг. среднее значение температуры воды в ЦВ выше многолетнего лишь на 0,4°С, а в сентябре - всего лишь на 0,1°С, в октябре - на 1,3°С. Несмотря на то, что средняя температура воды в ноябре 2006 г. была на 1,1°С выше среднего многолетнего значения, среднее значение этого показателя за рассматриваемый период на 0,1°С ниже.
Результаты контроля температуры воды Цимлянского водохранилища, полученные ФГУ УВРЦВ в районе расположения Ростовской АЭС, не противоречат данным приведенным в технических отчетах РоАЭС [1 - 4].
Таким образом, максимальное превышение средней температуры воды в Цимлянском водохранилище в рассматриваемый период средних многолетних значений [5] приходится на апрель месяц (2,2°С), т.е. полностью или частично на период ППР (рис. 5). В остальные месяцы эта величина - менее 1,5°С., а летом - в пределах 1°С. При таком небольшом различии значений сравниваемых параметров для установления его значимости необходимо провести дополнительный анализ погрешностей их определения.
Рисунок 5 - Разность средней температуры воды в ЦВ за 2006-2009 гг. и средних многолетних значений, °С
Для определения факторов, влияющих на температуру воды в ЦВ в непосредственной близости от плотины, отделяющей ВО от ЦВ, был использован регрессионно-корреляционный анализ данных гидрометеорологического мониторинга. [1-4] Полученная зависимость температуры воды в ЦВ от температуры воды в ВО (на примере 2009 г.) имеет очень высокое качество связи (рис. 6). Это означает, что эти два параметра жестко связаны между собой.
При определении взаимосвязи между температурой воды в ЦВ и температурой воздуха так же была получена математическая зависимость с очень высоким коэффициентом детерминации (рис. 7). Поэтому была определена зависимость температуры воды в ВО от температуры воздуха, при этом коэффициент детерминации так же близок к единице (рис. 8).
30 25 20 15 10 5 0 -5
♦ тцв
Ш х*?
5 10 1 15 20 1 25 30
-Линейная (Т Ц8)
у =0,961x^0,887 Р!г = 0,968
Рисунок 6 - Зависимость температуры воды в ЦВ от температуры воды в ВО, °С
Рисунок 7 - Зависимость температуры воды в ЦВ от температуры воздуха, °С
Таким образом, на основании проведенного анализа данных (а он был выполнен и для других лет рассматриваемого периода с аналогичным результатом) можно утверждать, что как на температуру воды в ЦВ, так и на температуру воды в ВО определяющее влияние оказывает температура воздуха.
Рисунок 8 - Зависимость температуры воды в ВО от температуры воздуха, °С
При этом проведенный анализ показал практически полное отсутствие зависимости температуры воды как в ЦВ так и ВО от скорости ветра (рис. 9).
Рисунок 9 - Зависимость температуры воды в ЦВ (°С) от скорости ветра (м/с)
Зависимость температуры воды в ЦВ (рис. 10) и ВО от относительной влажности воздуха имеет более высокий коэффициент детерминации (0,543 и 0,564 соответственно), но в обоих случаях характер зависимости противоречит физическому представлению о том, что более низкая влажность увеличивает испарение воды с поверхности водного объекта, следовательно, должна приводить к понижению ее температуры. Для объяснения этой «странности» была получена зависимость относительной влажности воздуха от его температуры. Анализ этой зависимости показал, что существует определенное распределение относительной влажности воздуха по сезонам года, т.е. от температуры воздуха. Поэтому математическая модель на рисунке 9 отражает зависимость температуры воды в ЦВ от изменения температуры воздуха опосредованно через сезонное изменение относительной влажности воздуха, в связи с этим и коэффициент детерминации на рисунке 9 несколько ниже, чем на рисунке 10. Это пример того, что использование математических инструментов без физической интерпретации полученных закономерностей может привести к неверным результатам анализа данных.
Для более детального определения влияния относительной влажности воздуха на температуру воды в ВО необходимо провести дополнительные исследования, поскольку известно, что в летние месяцы охлаждение, сбрасываемых АЭС в этот водоем, подогретых вод происходит преимущественно за счет испарения.
Рисунок 10 - Зависимость температуры воды в ЦВ (°С) от относительной влажности воздуха
120
♦ Отн. Влажность, %
Линейная (Отн. Влажность, %)
-20
-10
0
10
20
30
40
у = -1,318х + 8б,90 Я2 = 0,600
Рисунок 11 - Зависимость относительной влажности воздуха (%) от его температуры (°С)
Таким образом, по итогам выполненной работы можно сделать следующие выводы:
1. Превышение средней температуры воды в Цимлянском водохранилище в период 2006-2009 гг. средних многолетних значений [5] составляет менее 1,5°С., а летом - в пределах 1°С.
2. На температурный режим, как Цимлянского водохранилища, так и водоема-охладителя, практически не влияет скорость ветра в диапазоне от 0 до 7 м/с.
3. Установлено, что наиболее мощное и определяющее влияние на температуру воды Цимлянского водохранилища и водоема-охладителя оказывает температура воздуха.
4. Несмотря на то, что большую часть времени температура воды в ВО выше, чем в ЦВ, говорить об однозначном влиянии тепловых сбросов АЭС на повышение температуры ЦВ нельзя.
5. Целесообразно дальнейшее развитие исследований с более детальным анализом влияния перечисленных факторов, в том числе с учетом погрешностей анализируемых параметров и привлечение данных о тепловой нагрузке АЭС в различные периоды времени.
1. Ростовская АЭС. Технический отчет «О натурных гидрометеорологических наблюдениях за 2006 год». ОАО «НИАЭП». 2007. - 96 с.
2. Ростовская АЭС. Технический отчет «О натурных гидрометеорологических наблюдениях за 2007 год». ОАО «НИАЭП». 2008. - 106 с.
3. Ростовская АЭС. Технический отчет «О натурных гидрометеорологических наблюдениях за 2008 год». ОАО «НИАЭП». 2009. - 109 с.
4. Ростовская АЭС. Технический отчет «О натурных гидрометеорологических наблюдениях за 2009 год». ОАО «НИАЭП». 2010. - 113 с.
5. Цимлянское, водораздельные и Манычское водохранилища. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР, Л.: Гидрометеоиздат, 1977, 204 с.
6. Ростовская АЭС. Энергоблоки 1 - 4. Оценка воздействия на окружающую среду. ОАО «НИАЭП», г. Н. Новгород, 2008 г.
Литература
Бубликова Ирина Альбертовна - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой инженерной экологии, Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». E-mail: IABublikova@ mephi.ru.
Цуверкалова Ольга Феликсовна - доцент кафедры информационных и управляющих систем, Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». E-mail: [email protected].
Баклыкова Мария Георгиевна - студентка, Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». E-mail: [email protected].
Bublikova Irina A. - Candidate of technical science, senior lecturer, head of engineering ecology department, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI». E-mail: IABublikova@ mephi.ru.
Tsuverkalova Olga F. - senior instructor of information and managing systems department, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI». E-mail: [email protected].
Baklykova Maria G. - student, Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI». E-mail: [email protected].
