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基于核电冷源安全的海洋生物调查及筛选评价方法研究

於凡 许波涛 吴昕 白洁 李勇

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基于核电冷源安全的海洋生物调查及筛选评价方法研究

    作者简介: 於 凡( 1982-),女,江苏南通人,高级工程师,硕士研究生,主要从事核电厂环境保护研究和设计,E-mail:yu-fan@cgnpc.com.cn;
  • 基金项目: 海洋(赤潮)灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室开放研究基金项目(MATHAB201812)
  • 中图分类号: X945

Study on the method of marine organisms investigation, screening and evaluation based on nuclear power plant cold source safety

  • 摘要: 我国滨海核电项目已发生多起海洋生物暴发导致取水系统异常的事件。当前核电厂建设前期海洋生物调查与评价缺乏对致灾海洋生物的针对性。本文结合国内外已开展的致灾海洋生物与核电厂冷源安全的现场工作反馈,分析了现有核电项目建设前期海洋生物调查工作的不足,提出了调查方案的优化措施,以尝试增强海洋生物调查、筛选评价与核电厂冷源安全纵深防御体系的关联。
  • 图 1  某电厂调查范围、观测布点等示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of investigation scope and observation points of a power plant

    表 1  潜在影响冷源系统的致灾海洋生物代表性物种及特征

    Table 1.  Representative species and characteristics of marine organisms causing disasters with potential impact on cold source system

    致灾生物种类代表种生物特征及分布特征
    浮游植物球形棕囊藻(Phaeocystis globosa Scherffel东南沿海分布居多,多在冬春之交季节集中暴发,个体生长期较长,成体后的
    个体可迅速结合成囊状体,囊体尺寸最大可达20 mm左右。集中暴发时
    群体规模大,单位水体中的密度很大,易形成赤潮
    浮游动物海月水母
    Aurelia aurita
    广泛分布于近岸、海湾和河口等区域,具有很强的环境适应能力,对温度和盐度的适应范围很广,对其他环境因子要求也很宽泛,在富营养化造成的缺氧水体中也可存活
    中国毛虾(Acetes chinensis)大亚湾-平海湾-红海湾周边水域为中国毛虾的主要渔场。在上述水域分布广,生物量密度高,以12月至次年2月群体数量居多。中国毛虾具有生长快、生命周期短、繁殖力强、世代更新快、游泳能力弱、集群和块状分布等生物和生态特征,具备生物种群暴发的基本要素
    底栖生物海地瓜(Acaudina molpadioides一般栖息在海床泥底,台风季节受气压影响钻出泥底,随潮流漂流。海地瓜的活动能力弱,在外部强烈的水动力条件的作用下,比如台风和风暴潮等,易入侵核电厂冷源系统
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    表 2  海洋生物暴发诱因分析表

    Table 2.  Analysis of the causes of marine biological outbreaks

    时间电厂
    所在
    海区
    暴发
    生物
    可能诱因
    生物
    本底分布
    不可控
    人为因素
    特殊
    气象
    生物
    繁殖特性
    设计
    因素
    2015.01南海毛虾[3]***
    2015.01南海棕囊藻**
    2015.01南海水母*
    2015.07渤海水母[4]****
    2015.01南海赤潮*
    2015.08东海海地瓜[5]***
    2018-06渤海浒苔**
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    表 3  渤海海域某核电站周边海洋生物风险日历

    Table 3.  Risk calendar of marine organisms around a nuclear power station in Bohai Sea

    类别种名拉丁学名春季夏季
    4月5月6月7月8月9月
    大型藻类长囊水云E.siliculosus Lyngb 需要
    关注
    需要
    关注
    点叶藻Punctaria latifolia 需要
    关注
    缘管浒苔Ulva linza需要
    关注
    重点
    关注
    孔石莼Ulva pertusa需要
    关注
    需要
    关注
    需要
    关注
    重点
    关注
    水母类海月水母Aurelia aurita重点
    关注
    重点
    关注
    重点
    关注
    需要
    关注
    白色霞
    水母
    Cyanea nozakii重点
    关注
    重点
    关注
    重点
    关注
    重点
    关注
    重点
    关注
    卡玛拉
    水母
    Malagazzia carolinar 需要
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    球型侧腕
    水母
    Pleurobrachia globosa重点
    关注
    重点
    关注
    八斑芮氏
    水母
    Rathkea octopunctata重点
    关注
    重点
    关注
    沙海蜇Rhopilema esculenta 重点
    关注
    重点
    关注
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-18
  • 录用日期:  2019-12-18
  • 刊出日期:  2021-02-20

基于核电冷源安全的海洋生物调查及筛选评价方法研究

    作者简介:於 凡( 1982-),女,江苏南通人,高级工程师,硕士研究生,主要从事核电厂环境保护研究和设计,E-mail:yu-fan@cgnpc.com.cn
  • 1. 中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100
  • 2. 深圳中广核工程设计有限公司,广东 深圳 518049
基金项目: 海洋(赤潮)灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室开放研究基金项目(MATHAB201812)

摘要: 我国滨海核电项目已发生多起海洋生物暴发导致取水系统异常的事件。当前核电厂建设前期海洋生物调查与评价缺乏对致灾海洋生物的针对性。本文结合国内外已开展的致灾海洋生物与核电厂冷源安全的现场工作反馈,分析了现有核电项目建设前期海洋生物调查工作的不足,提出了调查方案的优化措施,以尝试增强海洋生物调查、筛选评价与核电厂冷源安全纵深防御体系的关联。

English Abstract

  • 2008年到2015年,世界核电运营者协会 (World Association of Nuclear Operators,WANO)公布了60多起核电厂冷却水取水口堵塞导致电厂降功率、反应堆手动停堆和反应堆自动停堆的事件[1]。自2013年以来,国内核电厂也发生了多起因海洋生物暴发导致取水口堵塞的事件[2]。根据海洋生物暴发影响核电冷源安全的发生路径,核电厂冷源安全纵深防御体系可分为预警监测、消杀驱离、拦截打捞及运行策略,其体系建立的有效性与致灾海洋生物调查、评价的准确程度密切相关。

    目前,核电厂周边海洋生物暴发影响冷源安全的工作缺少评价导则,在工程实践方面,也处于各专业领域的探索与融合阶段。基于国内外历年来发生的海洋生物暴发事件,国家监管部门已在部分新建核电厂的厂址审批中重点关注。

    在核电项目可行性研究阶段,项目方需开展“受纳水体水质环境、水生生态与渔业资源”的调查专题。这项专题的成果理应成为项目后续冷源安全纵深防御体系设计的重要依据,但是根据现有的调查结果与投运后因海洋生物暴发导致冷源事件进行比对和追溯,发现部分电厂生物调查结果与实际致灾海洋生物有较大的偏差。出现这种情况的根本原因在于致灾海洋生物的暴发存在不确定性,主要体现如下:①致灾海洋生物种类和粒径不易确定;②暴发强度(密度)不易确定;③暴发时机不易确定。通过多个类似项目的比较后发现,应对前期海洋生态调查与评价方法有针对性的调整,从监测时段、布点、历史数据应用、诱发海洋生物暴发灾害的环境因子调查与分析等方面进行优化,以解决目前的数据需求与供给之间的错配问题。

    • 海洋生物暴发性增殖或因某种原因聚集于核电冷却水取水口附近,堵塞进水拦污网、格栅和鼓网等,使核电厂安全用水流量低于限值而引发机组跳机、跳堆。这类海洋生物被称为核电厂潜在冷源致灾海洋生物,简称致灾海洋生物。

      致灾海洋生物可分为4类,即浮游植物、浮游动物、游泳生物及底栖生物,其代表物种及分布特征如表1所示。

      致灾生物种类代表种生物特征及分布特征
      浮游植物球形棕囊藻(Phaeocystis globosa Scherffel东南沿海分布居多,多在冬春之交季节集中暴发,个体生长期较长,成体后的
      个体可迅速结合成囊状体,囊体尺寸最大可达20 mm左右。集中暴发时
      群体规模大,单位水体中的密度很大,易形成赤潮
      浮游动物海月水母
      Aurelia aurita
      广泛分布于近岸、海湾和河口等区域,具有很强的环境适应能力,对温度和盐度的适应范围很广,对其他环境因子要求也很宽泛,在富营养化造成的缺氧水体中也可存活
      中国毛虾(Acetes chinensis)大亚湾-平海湾-红海湾周边水域为中国毛虾的主要渔场。在上述水域分布广,生物量密度高,以12月至次年2月群体数量居多。中国毛虾具有生长快、生命周期短、繁殖力强、世代更新快、游泳能力弱、集群和块状分布等生物和生态特征,具备生物种群暴发的基本要素
      底栖生物海地瓜(Acaudina molpadioides一般栖息在海床泥底,台风季节受气压影响钻出泥底,随潮流漂流。海地瓜的活动能力弱,在外部强烈的水动力条件的作用下,比如台风和风暴潮等,易入侵核电厂冷源系统

      表 1  潜在影响冷源系统的致灾海洋生物代表性物种及特征

      Table 1.  Representative species and characteristics of marine organisms causing disasters with potential impact on cold source system

      海洋环境变化是海洋生物暴发的重要诱因,基于世界核电运营者协会的研究结果,海洋生物暴发的主要原因包括:①生物本底分布;②不可控人为因素(过度捕捞,因水体富营养化而起的赤潮等);③特殊气象(台风影响,风暴潮等);④生物繁殖特性(暴发物种快速增殖、聚集);⑤设计因素(核电厂构筑物给暴发物种提供适宜的生长条件)。表2统计了自2015年以来国内核电厂典型海洋生物暴发事件可能的诱发因素。

      时间电厂
      所在
      海区
      暴发
      生物
      可能诱因
      生物
      本底分布
      不可控
      人为因素
      特殊
      气象
      生物
      繁殖特性
      设计
      因素
      2015.01南海毛虾[3]***
      2015.01南海棕囊藻**
      2015.01南海水母*
      2015.07渤海水母[4]****
      2015.01南海赤潮*
      2015.08东海海地瓜[5]***
      2018-06渤海浒苔**

      表 2  海洋生物暴发诱因分析表

      Table 2.  Analysis of the causes of marine biological outbreaks

    • 以我国渤海海域某核电厂建设前的海洋生物调查数据为例,2014年项目附近海域浮游动物调查结果中,小拟哲水蚤(Paracalanus parvus)和双毛纺锤水蚤(Acartia bifilosa)为春、夏季浮游动物的主要优势种,夏季8、9月份,大型水母海月水母(Aurelia sp.1)大量聚集在该海域。该结论与2014年7月发生的大量海月水母涌入取水口的事件相吻合,说明前期海洋生物调查具有一定的代表性。另外,同样导致取水异常的海洋生物还有2016年至2017年于台风季大量涌入的潮间带脱落的浒苔(Ulva prolifera),不属于海洋生物调查结论中植物的优势种。

      另以我国东海海区某核电厂建设前的海洋生物调查数据为例,根据附近海域2010年春、秋两季的海洋生物调查结果,春季底栖生物中棘皮动物的优势种为洼颚倍棘蛇尾(Amphioplus depressus),秋季为棘刺锚参(Protankyra bidentata),而在2015年8月引起3号机停机的“海地瓜”(Acaudina molpadioides)并未被调查结果列入优势种[3-4]

      总体来说,前期海洋生物调查结果对致灾海洋生物的识别率偏低是当前的突出问题。因此,将致灾海洋生物的类型、发生规模、发生时特定的环境条件和诱因等内容纳入项目前期海洋生物调查与评价,为核电厂冷源安全纵深防御体系的建设提供更有参考性和指导性的基础数据。

    • 当前,国内核电厂建设前期海洋生物调查的主要依据为《海洋工程环境影响评价导则》(GB/T 19485-2014)及《海域使用论证技术导则》(国海发[2010]22号)。

      根据核电厂邻近海域的环境特点,其调查范围包括两类。水质、沉积物、生物和潮间带的调查范围以核电厂排水口为中心,半径不小于50 km;海洋水产资源、渔业生产、海水利用情况、渔业保护区及保护性水生生物调查范围为厂址半径20 km。由此可见,针对取水口附近海域的观测和布点较少,导致其结论缺乏针对性。某电厂调查范围、观测布点等如图1所示[5]

      图  1  某电厂调查范围、观测布点等示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of investigation scope and observation points of a power plant

      核电厂厂址选取的可行性研究阶段,海洋生物调查分为春、夏、秋、冬4个季节,时间分别为2月、5月、8月和11月。而致灾海洋生物的暴发时机与繁殖时间和台风出现等密切相关,但这些因素均未体现在调查时段内。

    • 海洋生物灾害的发生具有偶发性。灾害发生期间的生物密度、尺寸和垂直分布等与核电厂的设计密切相关,这些参数对后续监测、拦截和消杀等环节的涉及具有重要的作用。

      早期核电厂的海洋生物调查均不收集海洋生物灾害的历史数据。近年来,国内核电厂频繁暴发海洋致灾生物影响冷源安全的事件,研究人员开始收集生物灾害的历史数据,但目前也仅限于赤潮灾害。

    • 海洋调查一般包括海洋水文、海洋水质以及海洋生物。其中,海洋水文包括水温、盐度、潮位、海流(流速和流向)、悬浮物、波浪、潮位、气温、降水、风速和风向等长期历史统计数据以及项目用海区域短期实测波浪资料。海洋生物调查包括叶绿素a、初级生产力、浮游植物、浮游动物(含鱼卵、仔稚鱼)、底栖生物、潮间带生物和游泳生物等。

      目前海洋生物评价中,缺乏对水文、水质和生物等因子以何种方式组合可导致海洋生物暴发的有效性分析,这也说明前期海洋生物调查、评价与后期设计工作缺乏有机的结合。

    • 海洋生物调查监测布点以满足全面覆盖、近密远疏、重点代表为基本原则。在核电厂方案设计中明确取水点后,可在取水口附近范围海域加密监测,以调查可能涌入取水口的海洋生物种类。

      通过取水明渠的设计流速、尺寸、运行取水流量等要素确定电厂启动海洋生物防护装置的应急时间[6],进一步反推出该时间内进入取水明渠的海水量,结合取水口附近的海域地形,确定需要加密监测点的范围。

      海域生态环境背景调查的监测周期应在一个年度内完成,调查频率为4次,需要覆盖春、夏、秋、冬四季,而日常监测仅需要一年两次。潜在致灾生物的可能诱因如表2所示,包括生物本底分布、特殊气象、生物繁殖特性和设计因素等。对于特殊气象与生物繁殖特性这两大因素而言,其发生具有短时、突发的特征。因此,适当延长海洋生物调查与评价工作的监测周期并加密其监测频率是有必要的。在实际工作中,可以根据取水口临近海域重点致灾海洋生物的分布和历年气象变化信息,适当延长监测时间并加密监测周期,采取重点月份每月1次的监测频率。

    • 目前,我国有部分地区已建立海洋灾害数据系统,对海洋灾害(风暴潮、赤潮等)进行记录。在前期海洋环境现状调查时,应将项目海区的生物灾害数据列入基础资料。

      以南海海区某核电厂为例,在北部湾北侧的广西近岸海域,2007年秋季(10月14日至11月15日),球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)在浮游植物群落中是第一优势种,棕囊藻主要分布在防城港和北海附近海域[7];有研究者于2011年在防城港附近海域记录有高密度的棕囊藻分布[8],这使枯水期期间防城港离岸海域浮游植物丰度出现了明显的高值区。上述文献记载的附近海域,2014年2月15日至3月7日和2014年2月20日至3月10日分别在北部湾近海的铁山港湾和廉州湾出现两起球形棕囊藻赤潮;而在2014年年底至2015年年初,防城港核电站机组调试期间,棕囊藻暴发导致电厂冷却水取水异常。综上可以看出,核电厂附近海域海洋生物灾害的文献记载对取水口海洋生物防御目标的筛选具有指导意义,应该纳入前期海洋生物调查中。

    • 海洋生物调查中涉及的海洋生物种类繁多,在制定监测工作大纲时有必要对目标海区潜在致灾海洋生物进行筛选,以提高精准性和工作效率,因此需要针对不同种类海洋生物的特点及其暴发诱因等制定筛选原则。

      以浮游植物为例,浮游植物除了少数营漂浮生活的大型海藻(如马尾藻Sargassum等)外,大部分浮游植物属于单细胞藻类,个体微小。但部分单细胞浮游植物营群体生活,通过成链、成团或成囊等大大增加了藻体粒径。因此,根据循环水鼓网的孔径并结合国内外已发生的海洋生物影响冷源事件,将潜在影响冷源系统的浮游植物的筛选标准定为:①细胞或群体粒径可能大于2000 μm的藻类;②在电厂或周边海域发生过藻华或聚集事件;③在与本海域环境相似的其他海域发生过藻华或聚集事件[9]

      针对浮游动物、游泳动物以及底栖动物筛选致灾生物,主要考虑以下几方面:生物特征(本身是否为胶质类)是否易形成胶质性外壳或集群特性;结合各电厂海洋生物调查数据的动物种类、丰度和生物量信息;参考国内和国际上已发生的海洋致灾生物堵塞事件;此外,极端天气情况下是否喜聚集生活、易受风暴潮等影响的生物。

    • 电厂运行期间,应依据项目前期和实时的海洋生物调查与评价结果,编写冷源风险生物日历(海洋生物暴发季节和生物特性等),动态筛选可能对冷源造成威胁的海洋生物物种。这就要求海洋生物调查评价工作应考虑到后续的工作需求,有针对性地搜集和监测。

      表3为渤海海域某核电站的海洋生物风险日历[10]。海洋生物风险日历的编制是以前期海洋生物调查数据(优势种、潜在致灾种类、行为特点及高发时段等)为基础的重要工作,该项工作可为核电厂拦截设施的部署和防御策略的调整提供有效的指导。

      类别种名拉丁学名春季夏季
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      表 3  渤海海域某核电站周边海洋生物风险日历

      Table 3.  Risk calendar of marine organisms around a nuclear power station in Bohai Sea

    • 在核电厂冷源防护体系中,监测预警系统有早发现、早预警、早准备的作用。海水水质在线监测浮标,搭载了多参数水质监测仪,同时配备多参数气象传感器,水下机器人、高清水下摄像机等都是目前冷源防护体系中的可选配置[11]。通过监测设备可以获取环境数据(海浪强度、盐度、风向等)、水质数据(pH、水温、电导、浊度、叶绿素、溶解氧等)和气象数据(风速、风向、气压、湿度、气温等)。将各数据整合到预警预报系统中,使监测数据发挥最大效能。

      因此,作为工程设计单位,迫切希望通过流场计算等理论预测手段与海洋生物调查相结合的方式,建立有效的预报模型[12]。国内已有相关领域的研究者尝试将氮、磷、硅酸盐和叶绿素a等营养物质作为赤潮暴发的前置变量因子进行数值模拟[13-14]。相关数学模型和物理模型的发展将推动海洋生物暴发事件的模拟,这项工作如果与海洋生物调查、评价工作相结合,通过实际的海洋生物调查数据对理论模型进行验证,必将为后续冷源核电厂的工程设计提供重要的参考依据。

    • (1)在项目前期,对核电厂取水口附近加密海洋水质与海洋生态调查的监测点位,其半径可根据工程设计参数反推后确定;海洋生物灾害历史数据对项目取水口生物防御目标的筛选具有指导性作用,前期调查应尽可能补充该海区的历史数据;海洋生物暴发日历是核电项目运营的重要工具,因此,海洋生物调查与评价应以海洋生物暴发风险日历的数据需求为导向。

      (2)核电厂冷源安全预警系统设计的依据为致灾生物优势种的生物特性。因此,海洋生物调查与评价应根据优势种的生物特性对项目日常监测手段提出合理化建议,结合取水口附近小尺度的数模、物模等建立致灾海洋生物暴发预报模型,完善核电厂的冷源安全预警系统。

参考文献 (14)

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