CC BY
62
ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ. СПЕЦИАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 621.311.25 + 551.5 А.Ф. Брюхань
ООО «ГрафПроектСтройИзыскания»
КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ АТМОСФЕРНОЙ ДИСПЕРСИИ НА ПЛОЩАДКЕ СТРОЯЩЕЙСЯ НИЖЕГОРОДСКОЙ АЭС
В рамках инженерно-гидрометеорологических изысканий на площадке Нижегородской АЭС (Навашинский район Нижегородской области) выполнено исследование климатических условий атмосферной дисперсии.
По результатам годового цикла синхронных аэрологических наблюдений на площадке АЭС и на опорной аэрологической станции Нижний Новгород в срединные месяцы сезонов, а также анализа аэроклиматических данных региона установлена репрезентативность опорной станции по отношению к площадке АЭС. В частности, показано, что составляющие вектора скорости ветра на площадке и на опорной аэрологической станции отличаются незначительно. Выполнены расчеты характеристик атмосферной дисперсии с использованием срочной аэрологической информации за 47-летний период наблюдений (с января 1964 г по декабрь 2010 г.), а также расчеты климатического поля коэффициента метеорологического разбавления в штатном режиме эксплуатации отдельного энергоблока АЭС.
Отмечено, что используемый подход к исследованию атмосферной дисперсии также применим для размещения и проектирования тепловых электростанций.
Ключевые слова: атомная электростанция, инженерные изыскания, атмосферная дисперсия, пограничный слой атмосферы, выбор площадки, аэрологические данные.
Требованиями действующих нормативно-технических документов к инженерным изысканиям для строительства атомных станций (АС) предусмотрено детальное исследование атмосферной дисперсии в пунктах и на площадках их размещения [1—3]. Результаты такого исследования используются при разработке радиационной защиты АС в составе проектной документации.
Рассеивающие свойства пограничного слоя атмосферы (от поверхности земли до высот 2...3 км) определяются в первую очередь температурной стратификацией пограничного слоя и ветром. Поэтому исследование атмосферной дисперсии сводится главным образом к изучению температурно-ветрового режима [2, 4].
Комплексное исследование атмосферной дисперсии на территориях размещения АС обычно предусматривает следующие основные этапы [4]:
сбор и анализ аэроклиматических и срочных аэрологических данных по исследуемой территории;
рекогносцировочное обследование территорий, прилегающих к пункту/ площадке намечаемого строительства АС, и выявление условий, влияющих на рассеивание радионуклидов;
выбор опорной аэрологической станции и установление ее репрезентативности по отношению к пункту/площадке АС;
проведение при необходимости циклов полевых аэрологических наблюдений на пункте/площадке АС для установления репрезентативности опорной станции Росгидромета и ее привязке к пункту/площадке;
Инженерные изыскания и обследование зданий. Специальное строительство УЕБТЫНС
_мвви
статистическую обработку данных многолетних аэрологических наблюдений на опорной аэрологической станции и определение расчетных характеристик атмосферной дисперсии.
Ниже излагаются основные результаты исследования атмосферной дисперсии, выполненного в 2011—2012 гг. для площадки Нижегородской АЭС, строительство которой планируется в составе двух энергоблоков по проекту АЭС-2006.
1. Рекогносцировочное обследование местности
Площадка Нижегородской АЭС расположена в Навашинском районе Нижегородской области в нескольких километрах от дер. Монаково, на границе с Владимирской областью, вблизи автодороги Муром — Нижний Новгород (рис. 1). Расстояние от площадки АЭС до г. Мурома Владимирской области составляет 26 км.
Рис. 1. Ситуационный план площадки Нижегородской АЭС на местности
На начальном этапе полевых исследований в июле 2011 г. на территории и вблизи площадки Нижегородской АЭС выполнялось рекогносцировочное обследование местности, которое включало:
маршрутное обследование местности в радиусе 5...7 км вокруг центра площадки;
анализ топографических особенностей территории и подстилающей поверхности;
сравнение физико-географических условий площадки с аналогичными условиями территории, прилегающей к опорной аэрологической станции Нижний Новгород.
Расстояние от центра площадки до дер. Монаково составляет около 4 км (см. рис. 1). К северу от площадки находится дер. Чудь, к юго-западу — дер. Ефаново. С запада и севера на расстоянии 4...6 км от центра площадки протекает р. Ока. Перепады высот в пределах площадки не превышают нескольких метров. Таким образом, местность является слабо пересеченной, характерной для центральной части России. Для площадки и прилегающей к ней территории имеет место чередование пашни и лугов с лесными массивами. Определенную неоднородность местности создает близость к площадке р. Оки.
Опорная аэрологическая станция расположена в нагорной части г. Нижнего Новгорода в пос. Черепичный на расстоянии 120 км от площадки АЭС. На западе от аэрологической станции протекает р. Ока, которая на севере от нее сливается с р. Волгой. Поскольку преобладающие воздушные потоки в пограничном слое атмосферы направлены с запада на восток, можно заключить, что физико-географические условия площадки АЭС и площадки аэрологической станции во многом аналогичны.
Важным этапом исследования атмосферной дисперсии является привязка данных опорной аэрологической станции к площадке АЭС. Подобная привязка представляет собой установление соответствия между значениями аэроклиматических характеристик на площадке АЭС, с одной стороны, и на опорной станции — с другой. Наличие такого соответствия означает, что опорный пункт наблюдений является репрезентативным по отношению к площадке намечаемого строительства АЭС.
2. Оценка репрезентативности опорной аэрологической станции по отношению к площадке АЭС
Установление репрезентативности опорной аэрологической станции возможно тремя способами.
Первый из них предполагает организацию циклов аэрологических наблюдений на площадке, синхронных с наблюдениями на опорной станции в различные сезоны [4]. В результате статистической обработки и анализа результатов измерений метеорологических элементов в двух пунктах определяется соответствие их основных статистических характеристик. В тех случаях, когда различия между средними значениями метеорологических элементов в двух пунктах оказываются одного порядка с соответствующими статистическими погрешностями, можно вести речь о репрезентативности климатических характеристик на опорной станции. В других случаях возможны систематические различия в измеряемых величинах, выявить и учесть которые в последующих расчетах не представляет труда.
Другой способ применим для простых условий орографии и более или менее однородной подстилающей поверхности, отсутствия гор и возвышенностей, а также крупных водных объектов. В подобных случаях оказывается возможным и резонным отказаться от проведения дорогостоящих циклов наблюдений и устанавливать репрезентативность опорной станции путем климатологического анализа местных условий.
Наконец, в ряде случаев возможен вариант установления репрезентативности на экспертном уровне.
В нашем случае реализован комбинированный способ установления репрезентативности: с применением анализа аэроклиматических данных по ис-
следуемой территории и путем производства годового цикла шаропилотных наблюдений в срединные месяцы сезонов (в июле, октябре, январе и апреле).
2.1. Оценка репрезентативности на основе анализа фондовых данных. Расстояния между географическими пунктами, в которых аэроклиматические данные характеризуют более или менее одинаковый климатический режим пограничного слоя атмосферы, определяется в первом приближении радиусом автокорреляции конкретных метеорологических элементов. Поскольку временная и пространственная изменчивость метеорологических величин с высотой уменьшается, условия репрезентативности для аэрологических наблюдений выполняются для больших горизонтальных масштабов, чем для приземных метеорологических наблюдений. В то же время хорошо известен факт о менее изменчивом поле температуры в сравнении с полем ветра.
Для условий относительно ровной местности и однородной подстилающей поверхности, каковыми являются условия окрестностей площадки, радиус автокорреляции приземных метеорологических элементов оценивается в несколько десятков километров. Радиус автокорреляции метеорологических элементов на высотах 100 м и более оценивается в 200.300 км. Согласно имеющимся данным аэрологических исследований площадок атомных электростанций на равнинной части Европейской территории России, в большинстве случаев условия репрезентативности аэрологических станций выполняются для указанных расстояний и при этом возможен перенос данных с опорных станций на площадки АЭС.
В настоящей работе для установления репрезентативности опорной станции помимо аэроклиматических данных по Нижнему Новгороду дополнительно использовались данные по другим близко расположенным к площадке АЭС аэрологическим станциям: Москва, Киров, Пенза. Расстояния от аэрологической станции Нижний Новгород до этих трех станций составляют соответственно 400, 420 и 360 км.
Сравнительный анализ мезомасштабных параметров пограничного слоя атмосферы (мезошероховатости и мезомасштабной динамической скорости), а также полей аэроклиматических характеристик на аэрологических станциях, отдаленных друг от друга на сотни километров, показал достаточно близкое соответствие между ними. Этот факт позволяет с известной степенью уверенности утверждать о репрезентативности опорной станции Нижний Новгород по отношению к площадке АЭС, расположенной на сравнительно небольшом расстоянии от площадки. Кроме того, такое утверждение обусловлено схожестью физико-географических условий площадки и опорной станции.
Таким образом, результаты анализа фондовых аэроклиматических данных указывают на репрезентативность опорной аэрологической станции.
2.2. Оценка репрезентативности на основе результатов полевых работ. Одним из наиболее распространенных способов натурных измерений ветра на высотах пограничного слоя атмосферы являются шаропилотные наблюдения. В последние годы в связи с деградацией сети радиозондовых наблюдений ша-ропилотные измерения вновь приобретают актуальность.
В рамках полевых исследований атмосферной дисперсии температурное зондирование пограничного слоя не предусмотрено по следующим причинам:
из-за значительной дороговизны проведения радиозондовых наблюдений, повсеместного дефицита соответствующего оборудования и отсутствия достаточного времени для организации радиозондирования на площадке АЭС;
имеющихся оснований о вероятной репрезентативности опорной аэрологической станции, основанных на объектах-аналогах;
хорошо известного факта о менее изменчивом поле температуры в сравнении с полем ветра.
Очевидно, что если результаты исследования позволяют установить репрезентативность опорной аэрологической станции для вектора ветра, можно с уверенностью утверждать о еще более близком соответствии между значениями температуры воздуха на площадке АЭС и на опорной аэрологической станции.
Программой исследования атмосферной дисперсии было предусмотрено производство годового цикла синхронных шаропилотных наблюдений на площадке АЭС и на опорной аэрологической станции в срединные месяцы сезонов. Наблюдения проводились ООО НПО «Гидротехпроект» с июля 2011 г. по апрель 2012 г.
По результатам шаропилотных наблюдений установлена статистическая
связь между зональной и (оп) и меридиональной и (оп) составляющими век-
х у
тора ветра на опорной аэрологической станции и на площадке АЭС — их(пл), иу(пл). Соответствующие уравнения линейной регрессии приведены в таблице, а графики статистической связи — на рис. 2. Анализ данных таблицы показывает, что различия между составляющими вектора ветра незначительны, а параметры уравнений регрессии находятся в пределах соответствующих статистических погрешностей. Графики, приведенные на рис. 2, наглядно иллюстрируют это обстоятельство.
Статистическая связь между составляющими вектора ветра на опорной аэрологической станции и на площадке АЭС
Высота, м Зональная составляющая Меридиональная составляющая
Июль 2011 г.
100 их(пл) = 0,80их(оп) - 0,12 м/с иу(пл) = 0,98иу(оп) + 0,09 м/с
200 их(пл) = 1,00их(оп) + 0,04 м/с иу(пл) = 1,06иу(оп) + 0,37 м/с
300 их(пл) = 1,02их(оп) + 0,07 м/с иу(пл) = 0,98иу(оп) - 0,02 м/с
500 их(пл) = 1,05их(оп) - 0,11 м/с иу(пл) = 0,97иу(оп) + 0,18 м/с
Октябрь 2011 г.
100 их(пл) = 0,89их(оп) + 0,15 м/с иу(пл) = 0,87иу(оп) - 0,12 м/с
200 их(пл) = 0,95их(оп) + 0,14 м/с иу(пл) = 0,97иу(оп) - 0,23 м/с
300 их(пл) = 1,07их(оп) - 0,10 м/с иу(пл) = 0,92иу(оп) - 0,28 м/с
500 их(пл) = 1,09их(оп) - 0,17 м/с иу(пл) = 0,93иу(оп) - 0,18 м/с
Январь 2012 г.
100 их(пл) = 0,93их(оп) + 0,08 м/с иу(пл) =0,93иу(оп) + 0,11 м/с
200 их(пл) = 1,04их(оп) - 0,08 м/с иу(пл) =1,06иу(оп) - 0,11 м/с
300 их(пл) = 0,94их(оп) + 0,10 м/с иу(пл) =0,96иу(оп) + 0,09 м/с
500 их(пл) = 1,06их(оп) - 0,10 м/с иу(пл) =0,97иу(оп) + 0,07 м/с
Окончание табл.
Высота, м Зональная составляющая Меридиональная составляющая
Апрель 2012 г.
100 их(пл) = 0,95их(оп) + 0,03 м/с и,(пл) =1,09и,(оп) - 0,06 м/с
200 их(пл) = 0,97их(оп) - 0,04 м/с и^(пл) =1,06и^(оп) - 0,16 м/с
300 их(пл) = 1,02их(оп) + 0,03 м/с и,(пл) =1,08и,(оп) - 0,18 м/с
500 их(пл) = 1,09их(оп) - 0,05 м/с и^(пл) =1,06и^(оп) - 0,14 м/с
8 64 2 Ил(пл), м/с 1 .M^fT ! и 8 1 6 5 4 3 2 1 Иу(пл), м/с
-2 Ü-ff * -2 -4 U 2 4 6 8 кДоп), м/с
-2 0*2 -1 fi 8 l'i(on), м/с
4 3 2 • \ ■ 0 нДпл), м/с , 1 6 5 4 3 2 I Мпл), м/с » ' * »—'
-3 -3 . ' 1 2 3 4 и,(оп), м/с Высота 100 м -4 -2 j^Î /г ' -3 -4 0 . 2 4 Ь lil^on), м/с Высота 200 м
Рис. 2. Графики статистической связи между составляющими скорости ветра на опорной аэрологической станции и на площадке АЭС
Результаты полевых работ в дополнение к результатам анализа фондовых аэроклиматических данных убедительно подтверждают репрезентативность опорной аэрологической станции Нижний Новгород по отношению к площадке АЭС.
3. Расчет климатических характеристик атмосферной дисперсии
В [5] описывается пакет компьютерных программ BL_PROGS, предназначенных для расчета климатических характеристик пограничного слоя атмосферы в районе расположения опорной аэрологической станции по многолетним данным аэрологического зондирования атмосферы. Программы учитывают наличие поправок на систематические отклонения между результатами измерения температуры и ветра на пункте/площадке АС и на опорной станции. Программный комплекс ориентирован на использование срочной аэрологической информации за достаточно продолжительный период наблюдений (в несколько десятков лет).
В настоящей работе с использованием пакета программ BL_PROGS и данных за период 1964—2010 гг. были выполнены расчеты характеристик атмосферной дисперсии, предусмотренные требованиями [1]. Основные расчетные характеристики дают качественную картину условий атмосферной дисперсии. Одна из этих характеристик — массив совместных повторяемостей классов устойчивости, скоростей ветра в градациях и направлений ветра в румбах для среднегодовых условий — обеспечивает расчет концентраций радиоактивных
1/2013
выбросов из вентиляционных труб АЭС применительно к гауссовой модели атмосферной дисперсии [2]. Последняя широко используется при оценках радиационной безопасности объектов атомной энергетики.
Примеры расчетов климатического поля коэффициента метеорологического разбавления для площадки строящейся Нижегородской АЭС приведены на рис. 3, 4. Расчеты выполнены для штатного режима эксплуатации отдельного энергоблока АЭС.
5^10
4^10
3x10
2x10
10-1
Рис. 3. Зависимость коэффициента метеорологического разбавления у земной поверхности от расстояния от источника выбросов в основных угловых секторах (С, В, Ю, З). Высота источника 100 м
Рис. 4. Пространственное распределение коэффициента метеорологического разбавления у земной поверхности. Высота источника 100 м
Кривые графиков, приведенных на рис. 3, показывают характерный быстрый рост коэффициента разбавления с расстоянием от источника и его относительно медленное уменьшение после достижения максимумов на расстояниях 400...500 м. Горизонтальное распределение коэффициента разбавления показывает существенную неоднородность, обусловленную различием ветро-
0
вого режима в разных направлениях, и в частности розой ветров (см. рис. 4). Это же обстоятельство обусловливает несовпадение кривых на рис. 3.
Необходимо подчеркнуть, что при размещении и проектировании тепловых электростанций (ТЭС) используется аналогичная концепция исследования атмосферной дисперсии [б]. Поэтому описанный подход во многом применим при производстве инженерных изысканий для строительства ТЭС.
Заключение. 1. В рамках инженерно-гидрометеорологических изысканий на площадке строящейся Нижегородской АЭС выполнен комплекс работ по исследованию климатических условий атмосферной дисперсии.
2. На основе анализа аэроклиматических данных по исследуемой территории и по результатам годового цикла синхронных шаропилотных наблюдений на площадке АЭС и на опорной аэрологической станции Нижний Новгород в срединные месяцы сезонов (в июле и октябре 2011 г., в январе и апреле 2012 г.) установлена репрезентативность опорной аэрологической станции Нижний Новгород по отношению к площадке АЭС.
3. Выполнены расчеты характеристик атмосферной дисперсии с использованием срочной аэрологической информации за 47-летний период наблюдений (с января 19б4 г. по декабрь 2010 г.), а также расчеты климатического поля коэффициента метеорологического разбавления.
4. Отмечается, что используемый подход к исследованию атмосферной дисперсии также применим для размещения и проектирования тепловых электростанций.
Библиографический список
1. СППНАЭ—87. п. 4.1. Основные требования по составу и объему изысканий и исследований при выборе пункта и площадки АС. М. : Минатомэнерго СССР, 1987. 93 с.
2. Atmospheric Dispersion in Nuclear Power Plant Siting: A Safety Guide // IAEA Safety series. No 50-SG-S3. Vienna, IAEA, 1980. 108 p.
3. Dispersion of Radioactive Material in Air and Water and Consideration of Population Distribution in Site Evaluation for Nuclear Power Plants // IAEA Safety series. No NS-G-3.2. Vienna, IAEA, 2002. 32 p.
4. Брюхань Ф.Ф., Иванов В.Н. Концептуальная схема аэрометеорологических исследований при выборе пункта и площадки атомных станций // Труды ИЭМ. 1992. Вып. 55 (155). М. : Гидрометеоиздат, 1992. С. 3—12.
5. Алдухов O.A., Брюхань А.Ф. Пакет программ статистической обработки аэрологических данных для оценки условий атмосферной дисперсии при геоэкологическом обосновании строительства АЭС и ТЭС // Вестник МГСУ 2012. № 2. М. : МГСУ, 2012. С. 188—192.
6. ВСН 34 72.111—92. Инженерные изыскания для проектирования тепловых электрических станций. М. : Минтопэнерго РФ, 1992. 121 с.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
Об авторе: Брюхань Андрей Федорович — кандидат технических наук, главный инженер проекта, ООО «ГрафПроектСтройИзыскания», 141100, Московская обл., г. Щелково, ул. Фабричная, д. 1, 8(495)бЗ7-б7-71, [email protected].
Для цитирования: Брюхань А.Ф. Климатические условия атмосферной дисперсии на площадке строящейся Нижегородской АЭС // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 11б—124.
A.F. Bryukhan'
CLIMATIC CONDITIONS OF THE ATMOSPHERIC DISPERSION AT THE CONSTRUCTION SITE OF NIZHEGORODSKAYA NUCLEAR POWER PLANT
A study of the climatic conditions of the atmospheric dispersion has been performed within the framework of a hydrometeorological survey of the site of Nizhegorodskaya NPP (Navashino district, Nizhny Novgorod Region).
According to the findings of annual synchronous observations performed at the NPP site and at the principal aerological station of Nizhny Novgorod in the median months of seasons, as well as the climatic data analysis over the region, representativeness of data generated at the principal station in relation to the NPP site data has been identified. In particular, it is proven that components of the wind velocity vector at the site and at the principal aerological station differ insignificantly. Analyses of characteristics of the atmospheric dispersion using relevant aerological data covering the period of 47 years (January 1964 to December 2010), as well as analyses of the climatic field of the meteorological dilution factor in the normal mode of operation of a separate power unit have been performed.
The author has found that the approach to the study of the atmospheric dispersion is also applicable to the positioning and design of thermal power plants.
Key words: nuclear power plant, engineering survey, atmospheric dispersion, atmospheric boundary layer, siting, aerological data.
References
1. SPPNAE—87. p. 4.1. Osnovnye trebovaniya po sostavu i ob"emu izyskaniy i issle-dovaniy pri vybore punkta i ploshchadki AS [Summarized List and Plan for Development of Rules and Regulations in Nuclear Energy — 87, Chapter 4.1. Basic Requirements for the Composition and Volume of Engineering Surveys and Researches concerning the Siting of Nuclear Power Plants]. Moscow, Minatomenergo SSSR [Ministry of Atomic Energy of the USSR]. 1987, 93 p.
2. Atmospheric Dispersion in Nuclear Power Plant Siting: A Safety Guide. IAEA Safety Series, no. 50-SG-S3. Vienna, IAEA, 1980, 108 p.
3. Dispersion of Radioactive Material in Air and Water and Consideration of Population Distribution in Site Evaluation for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Series, no. NS-G-3.2. Vienna, IAEA, 2002, 32 p.
4. Bryukhan' F.F., Ivanov V.N. Kontseptual'naya skhema aerometeorologicheskikh issledo-vaniy pri vybore punkta i ploshchadki atomnykh stantsiy [Conceptual Framework of Aero-meteorological Research into Siting of Nuclear Power Plants]. Trudy iEm [Proceedings of the Institute of Experimental Meteorology]. Moscow, Gidrometeoizdat Publ., 1992, no. 55(155), pp. 3—12.
5. Aldukhov O.A., Bryukhan' A.F. Paket programm statisticheskoy obrabotki aero-logicheskikh dannykh dlya otsenki usloviy atmosfernoy dispersii pri geoekologicheskom obos-novanii stroitel'stva AES i TES [Software Package for Statistical Processing of Upper-air Data Designated for Assessment of Conditions of Atmospheric Dispersion as Part of Geoecological Justification of Construction of Nuclear and Thermal Power Plants]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 2, pp. 188—192.
6. VSN 34 72.111—92. Inzhenernye izyskaniya dlya proektirovaniya teplovykh elek-tricheskikh stantsiy [Institutional Building Codes 34 72.111—92. Engineering Survey for the Design of Thermal Power Plants]. Mintopenergo Rossii [Ministry of Fuel and Energy of the Russian Federation]. Moscow, 1992, 121 p.
About the author: Bryukhan' Andrey Fedorovich — Candidate of Technical Sciences, Principal Project Engineer, GrafProektStroyIzyskaniya Limited Liability Company, 1 Fab-richnaya Str., Schelkovo, Moscow Region, 141100, Russian Federation; [email protected]; +7 (495) 637-67-71.
For citation: Bryukhan' A.F. Klimaticheskie usloviya atmosfernoy dispersii na ploshchadke stroyashcheysya Nizhegorodskoy AES [Climatic Conditions of the Atmospheric Dispersion at the Construction Site of Nizhegorodskaya Nuclear Power Plant]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp. 116—124.
