核电厂取水口海域底栖生物起动研究.pdf

第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期：；修回日期：基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（，）作者简介：张真（），女，北京人，助理工程师，主要从事核电厂热阱安全研究。：（），通讯作者：袁春光（），男，天津人，副研究员，主要从事港口海岸及近海工程研究。：核电厂取水口海域底栖生物起动研究张真，袁春光，姜新舒，李奇（中国核电工程有限公司，北京 ；交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 ）摘要：底栖生物作为一种典型致灾物，已在世界范围内引发多起取水口堵塞事件，在实际工程中备受关注。波、流等水动力条件是底栖生物输移、运动的主要原因之一，对于底栖生物在波浪、潮流作用下的运动特性进行研究，可以为核电厂取水口冷源堵塞风险评估提供有效的工程指导及建议。以自主运动能力较弱的双齿围沙蚕为例，通过波流水槽试验，系统地研究了双齿围沙蚕的沉速、起动流速、起动波高、止动流速、波流条件下输移率等运动特性，并提出了相应的计算方法。关键词：核电取水安全；双齿围沙蚕；波流试验；运动特性；计算方法中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着经济的快速发展和美丽环境需求的提高，能源供需的矛盾日益突出，社会对清洁能源的需求逐渐增多。在这种形势下，核电作为一种兼具低碳环保与低耗高效的绿色能源，引起了世界各国的广泛关注，在缓解气候变化、保证经济发展、推动能源转型等方面发挥显著作用，是目前唯一可大规模替代化石燃料的清洁能源 。在这种情况下，保证核电机组安全、稳定、经济运行显得尤为重要。目前我国在运核电机组在沿海修建，采用海水作为冷却介质，取水口的运行状态对核电机组运行具有直接影响 。据美国核动力运行研究所（）统计，年以来全球范围内由于取水口堵塞引发的核电机组运行事故多达 余起，造成了巨大的经济损失，是亟待解决的安全隐患 。按照堵塞致灾物存在的空间状态，可大致将其分为漂浮物、游泳及浮游物、海底物 类，如图 所示 。其中海底物又分为泥沙等海底非生物和底栖生物。底栖生物（此处特指海洋底栖生物）通常指完成发育后终生或一段时间内栖息于海洋基底表面或沉积物中的生物态群，包含海地瓜、沙蚕等底栖动物和绿藻、红藻等底栖植物，具有丰富复杂的物种多样性。其中沙蚕因其生活习性、在潮间带的物种优势及在沿海养殖量图 核电厂取水口常见致灾物分类 较大等特性，是值得被研究的潜在致灾物。核电厂的取水口通常位于近岸水域，在波、流动力作用下，明渠内外的海底物被起动，并进行向岸和沿岸方向的输移。本文以沙蚕为代表，对核电厂取水口海域底栖生物起动开展研究，探讨波浪和潮流对底栖生物的起动作用和下沉情况影响，为堵塞物清理、取水口拦污设计和取水口功能维护等工作提供基础数据支持。双齿围沙蚕的物理特性沙蚕（）别名海蜈蚣，属环节动物门、多毛 年 月张真，等核电厂取水口海域底栖生物起动研究纲、须虫目、沙蚕科、沙蚕属。其体形呈条状、稍扁，整体由头部、躯干部和尾部三部分组成。躯干部生有许多刚节，节上生有刚毛，具有一定的游泳能力。沙蚕通常随潮水涨落活动，昼伏夜出，摄食及交配时离开泥面。其生活范围十分广泛，在潮间带乃至深海中都极为常见，在泥质、沙质、泥沙质中均可生存，是石块石缝、珊瑚礁、海藻丛及软底质中的优势物种，且在我国浙江、福建、广州等地均有养殖 。试验选用底栖生物双齿围沙蚕为研究对象。表 沙蚕密度汇总表 组次质量 体积 密度（）选取 组沙蚕活体，每组 条，通过量筒和电子秤分别对其质量和体积进行测量。记录各组次沙蚕质量和体积，计算得本次试验沙蚕的密度在 （见表 ），平均值为 ，可见其密度与海水比较接近，波动范围不大，较为稳定。分别选取 条沙蚕个体测量其体长和质量，得到沙蚕个体质量和长度关系（图 ）。由图 可见，随着沙蚕个体随着质量的增加，其体长也有增长的趋势。考虑到沙蚕本身具有一定的伸缩性，图 沙蚕个体质量与体长的关系 这对准确测量沙蚕体长客观上造成了一定困难，因此后续沙蚕运动特性试验主要将其运动过程与个体质量进行关联。沙蚕沉速试验沙蚕沉速试验在水槽中进行，试验水槽长 、宽 、高 ，水槽内水深 为 。水槽的两个相邻壁面中心位置处设置有高 、宽 的可透视观察窗，可架设相机专门用于记录、观测沙蚕沉落运动过程。试验前对每条沙蚕活体进行称重，记录其质量为 ，沙蚕以静止状态、单独个体投放于水中，同时记录下沙蚕下落的时间 ，根据试验水深 为 ，可以得到沙蚕个体沉速 。图 沙蚕个体质量与沉速之间的关系 沙蚕沉速试验共计开展 组，沙蚕个体质量和沉速之间的关系如图 所示。沙蚕进入水体后整体表现为下沉的趋势，沙蚕在下落过程中周围水体将形成扰流，扰流阻力与下沉速度的平方成正比，即 阻。沙蚕个体所受到的重力和其周围的扰流阻力相互抵消时沉速不再继续增加，达到稳定匀速下落。这里讨论的沉速即为匀速下落时沙蚕的稳定沉速。由图 可见，随着沙蚕个体质量的增加，沙蚕的沉速整体呈增长趋势，相同质量的沙蚕个体的沉降速度在一个区间范围内具有一定的波动性，这是由于沙蚕个体游动能力不同导致的。对沉速数据和个体质量进行关联拟合，得到的沙蚕沉速计算式如下 （）式中：为沉速，；为沙蚕个体质量，。沙蚕起动试验沙蚕起动试验在波流水槽中进行。水槽长 、宽 ，试验段为位于水槽中部，底床泥沙铺设深度 ，泥沙中值粒径 为 ，试验水深 ，试验选用沙蚕个体质量在 的成年活体，试验水温保持在 。由试验可知，沙蚕在沙质底床条件下具有钻洞的习性。当沙蚕钻入泥沙后，需要水道港口第 卷第 期将表层泥沙全部冲刷令沙蚕再次裸露后才能起动，此时沙坑附近的流场因底床严重冲刷而重新分布，变得难以控制。因此在试验时将沙蚕布置于床沙表面，在沙蚕钻入泥沙之前开展恒定流、波浪条件下的起动试验，同时观测沙蚕的运动特征，如图 所示。波流水槽 沙蚕起动试验布置图 沙蚕起动试验 图 恒定流条件沙蚕个体起动流速（试验水深 ）（：）恒定流沙蚕起动试验在恒定流条件下，分别对质量为 、和 的沙蚕个体开展起动流速试验，试验以沙蚕发生超过自身爬动速度整体平移或整体翻滚作为沙蚕起动的判别依据。试验结果如图 所示，不同质量沙蚕个体的起动流速主要在 上下波动，波动范围为 。根据 和 的研究，作用于沙蚕的水流流速 可通过下式计算，平均临界起动水流流速 为 。（）（）（）（），（），式中：；为沙蚕临界起动底床摩阻流速；为沙蚕个体的特征高度，取 ；为动力粘性系数；，其中 为底床泥沙中值粒径。影响沙蚕个体起动的主要因素包括：沙蚕自身对于底床的抓握能力和沙蚕身体的卷曲过程。在起动试验中发现，沙蚕的运动具有“走走停停”的特征，当沙蚕处于“停止”状态时，主要通过触足与底床接触，表现出一定的抓握能力，呈爬行状态，抓握能力越强，沙蚕的起动流速越大。同时，沙蚕还具有卷曲的习惯，当沙蚕卷曲身体时，部分身体抬高离开床面进入上层高流速区，在高速水流的推动下发生身体翻滚。沙蚕个体自身行为习惯对于其起动过程具有显著的影响。同时将试验水流进一步提高至 倍临界起动流速时可以发现，沙蚕个体的运动方式仍然为滚动和平移，未发现沙蚕起悬上浮进入水体的情况。波浪单独作用沙蚕起动试验在单纯波浪作用下，分别对质量为 、和 的沙蚕个体开展起动试验。试验 年 月张真，等核电厂取水口海域底栖生物起动研究造波为规则波，波周期分别为 、和 。在试验中以沙蚕发生超过自身爬动速度整体平移或整体翻滚作为沙蚕起动的判别依据。不同沙蚕个体质量对应周期的起动波高如图 所示。考虑到波浪作用下底床所受的切应力是随时间变化的，因此将沙蚕起动与波浪水质点引起的底床最大无量纲希尔兹参数 相关联，如图 所示，可以得到波浪作用下沙蚕的起动波高计算式如下 （）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为沙蚕密度，此处取 ；为海水密度，；为特征高度，此处取 。为波长，；为波浪近底层水质点最大速度，；为水深，；按照 方法计算；为沙蚕个体质量，。图 波浪单独作用下沙蚕起动波高（试验水深 ）（：）图 临界起动 与沙蚕个体质量之间的关系 图 沙蚕相对运动速度与 参数关系 波流共同作用下沙蚕输移特征为了研究波流共同作用下沙蚕的运动状态，选取 的沙蚕个体，在垂线平均流速为 、波高为 、周期为 和 的波流组合条件下开展输移速度试验。试验流速覆盖 ，试验波高包括 ，试验水深为 。试验结果如图 所示，波流作用下沙蚕的移动速度计算式如下（）（）（）（）（）（）（槡 ）（）水道港口第 卷第 期 （）式中：为水流单独作用下引起的摩阻流速，；为水深，；为水流单独作用下对底床的切应力，；为波浪单独作用下对底床的切应力，；为沙蚕个体在波流作用下的移动速度，；为沙蚕个体沉速，；为波流作用下单位宽度沙蚕输移率，（）；为单位面积内沙蚕个体数量，可以通过现场生物取样确定；为现场沙蚕个体平均质量，。沙蚕的止动流速和下沉波高当水流达到沙蚕的起动流速时，沙蚕在水流的作用下开始运动，如果此时水流流速降低，由运动转变为静止状态时的流速即为止动流速。参照止动流速的定义，将沙蚕由震荡运动转变为静止时的波高定义为下沉波高。根据水槽试验的结果（图 图 ），得到沙蚕的止动流速 止动 ，下沉波高 下沉 。图 沙蚕止动流速 止动与起动流速 的比值 图 沙蚕下沉波高 下沉与起动波高 的比值 结论近年来核电厂取水口冷源堵塞事故频发，海洋致灾生物在波流作用下涌入核电厂冷源取水口导致取水困难，准确评估核电厂冷源取水口致灾生物堵塞风险成为关注焦点。要准确模拟海洋环境中致灾生物的运动输移过程需要把握致灾生物的运动特性。通过波浪水槽试验对波流作用下沙蚕的运动特性进行研究，提出沙蚕的沉速、起动流速、起动波高、输移率、止动流速和下沉波高的计算方法。试验结果为沙蚕输移数学模型和整体物理模型试验提供数据支撑。参考文献：，：，：，（）：，：，（）：张国辉，宋和航，穆阳阳 北方核电厂取水口堵塞原因分析及改进措施评价 核动力工程，（）：，（）：韩瑞，纪平，赵懿臖，等 滨海核电厂取水堵塞事件调研及分析 给水排水，（）：，（）：李娜，杨嘉，沙聪，等核电站取水口绿色新型拦导污措施研究 中国环境科学学会 环境工程技术创新与应用分会场论文集 天津：中国环境科学学会，年 月张真，等核电厂取水口海域底栖生物起动研究 郑忠明，顾小英，蒋霞敏，等若干生态因子对双齿围沙蚕生长发育的影响 浙江海洋学院学报：自然科学版，（）：，：，（）：蒋霞敏，柳敏海沙蚕科的研究进展 海洋科学，（）：，（）：顾晓英，郑忠明，蒋霞敏，等沙蚕养殖技术 中国水产，（）：，（）：顾晓英，蒋霞敏，郑忠明，等双齿围沙蚕（）的生物学特征和开发利用现状 渔业信息与战略，（）：，（）：蒋霞敏，郑忠明双齿围沙蚕群浮现象的初步观察 动物学杂志，（）：，（）：周一兵，杨大佐，管兆成，等双齿围沙蚕人工育苗和虾池养殖技术研究 水产科学，（）：，（）：丁理法，蒋霞敏 双齿围沙蚕苗种培育与生态养殖试验报告 齐鲁渔业，（）：，（）：冷忠业，于天飞双齿围沙蚕人工育苗及养殖试验 水产科学，（）：，（）：，（）：，（，；，）：，：；