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  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

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2021年辽东湾东部核电站冷源取水区风险生物监测

聂洪臣 田新华 杨璐 康君峰 王孝程 陆宏亮 关春江 周存露

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2021年辽东湾东部核电站冷源取水区风险生物监测

    作者简介: 聂洪臣(1993-),男,辽宁大连人,硕士,主要研究方向为海洋生物监测,E-mail: 354605955@qq.com;
    通讯作者: 关春江(1965-),男,教授级高工,主要研究方向为海洋生物监测技术,E-mail: cjguan@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC1404404);国家海洋环境监测中心博士科研启动经费项目;辽宁省博士科研启动基金计划项目(2020-BS-290);国家自然科学基金青年科学基金项目(42106155)
  • 中图分类号: X835

Risk biological monitoring of cold source water intake area in eastern Liaodong Bay nuclear power plant of 2021

  • 摘要: 本文通过2021年3月-11月辽东湾东部核电站冷源取水区附近海域和鼓型滤网反冲洗的风险生物监测数据,分析了大型藻类、大型水母以及反冲洗的生物量状况,并结合2018-2020年的资料,探讨了大型藻类、大型水母的变化趋势,确定其高风险期。2021年的监测结果显示,大型藻类的生物量在5月中下旬至7月底处于高峰期;海月水母(Aurelia coerulea)、沙海蜇(Nemopilema nomurai)、白色霞水母(Cyanea nozakii)3种大型水母的生物量高峰期为7月-9月,其相对生物量总和均低于2018-2020年,其中,海月水母和沙海蜇的相对生物量低于2018-2020年,但沙海蜇出现的时间比2018-2020年推迟1个月,白色霞水母的相对生物量与2020年基本一致。冷源取水区附近海域大型藻类和大型水母的生物量与反冲洗监测结果无明显相关性,说明取水口5道拦截网的作用显著。2021年反冲洗取样风险评价等级均为安全。反冲洗监测发现新增风险生物凸壳肌蛤(Musculus senhousei),出现时间为10月-11月,今后需关注其风险状况。
  • 图 1  取水口外围及港池拦截体系

    Figure 1.  Schematic diagram of the water intake periphery and harbor pond interception system

    图 2  核电站冷源取水区调查站位及断面

    Figure 2.  Survey stations and transects of nuclear power plant cold source water intake area

    图 3  反冲洗采样示意图

    Figure 3.  Backwash sampling diagram

    图 4  冷源取水区附近海域潮间带大型藻类月平均生物量

    Figure 4.  Monthly average relative biomass of intertidal macroalgae in the sea near the cold water intake area

    图 5  2021年核电站冷源取水区附近海域大型水母相对生物量

    Figure 5.  Relative biomass of macrojellyfish in the sea near the cold water intake area of nuclear power plant of 2021

    图 6  反冲洗月均相对生物量

    Figure 6.  Average monthly relative biomass of backwashing

    图 7  5号机组反冲洗样品凸壳肌蛤日总重量

    Figure 7.  Total daily weight ofMusculus senhousei of backwashing machine No.5

    图 8  2018-2021年核电站冷源取水区附近海域潮间带大型藻类生物量

    Figure 8.  Biomass of intertidal macroalgae in the sea near the cold water intake area of nuclear power plant from 2018 to 2021

    图 9  核电站冷源取水区附近海域月平均海水温度

    Figure 9.  Monthly average seawater temperature in the sea near the eastern nuclear power plant

    图 10  2018-2021年核电站冷源取水区大型水母相对生物量

    Figure 10.  Relative biomass of macrojellyfish in the sea near the cold water intake area of nuclear power plant from 2018 to 2021

    表 1  反冲洗样品各月主要生物组分

    Table 1.  Percentage of major biological fractions in backwash samples in each month

    时间 藻类碎片/(%) 水母碎片/(%) 鱼虾类/(%) 蟹类/(%) 贝类/(%)
    3月 100 0 0 0 0
    4月 100 0 0 0 0
    5月 100 0 0 0 0
    6月 86.45 2.61 10.94 0 0
    7月 16.66 44.54 34.66 0 0
    8月 48.19 17.50 36.59 0.05 0.22
    9月 39.20 23.04 37.71 0.05 0.00
    10月 17.18 5.00 74.32 0.04 2.40
    11月 3.65 0.28 61.57 0.43 2.32
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    表 2  反冲洗各月风险等级

    Table 2.  Backwash monthly risk level

    时间 月均相对生物量/kg·(5 min)−1 风险等级
    3月 0.06 安全
    4月 0.22 安全
    5月 0.49 安全
    6月 0.12 安全
    7月 0.26 安全
    8月 0.26 安全
    9月 0.16 安全
    10月 0.17 安全
    11月 0.14 安全
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-25
  • 录用日期:  2022-03-22
  • 刊出日期:  2022-06-20

2021年辽东湾东部核电站冷源取水区风险生物监测

    作者简介:聂洪臣(1993-),男,辽宁大连人,硕士,主要研究方向为海洋生物监测,E-mail: 354605955@qq.com
    通讯作者: 关春江(1965-),男,教授级高工,主要研究方向为海洋生物监测技术,E-mail: cjguan@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 辽宁红沿河核电有限公司, 辽宁 大连116000
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC1404404);国家海洋环境监测中心博士科研启动经费项目;辽宁省博士科研启动基金计划项目(2020-BS-290);国家自然科学基金青年科学基金项目(42106155)

摘要: 本文通过2021年3月-11月辽东湾东部核电站冷源取水区附近海域和鼓型滤网反冲洗的风险生物监测数据,分析了大型藻类、大型水母以及反冲洗的生物量状况,并结合2018-2020年的资料,探讨了大型藻类、大型水母的变化趋势,确定其高风险期。2021年的监测结果显示,大型藻类的生物量在5月中下旬至7月底处于高峰期;海月水母(Aurelia coerulea)、沙海蜇(Nemopilema nomurai)、白色霞水母(Cyanea nozakii)3种大型水母的生物量高峰期为7月-9月,其相对生物量总和均低于2018-2020年,其中,海月水母和沙海蜇的相对生物量低于2018-2020年,但沙海蜇出现的时间比2018-2020年推迟1个月,白色霞水母的相对生物量与2020年基本一致。冷源取水区附近海域大型藻类和大型水母的生物量与反冲洗监测结果无明显相关性,说明取水口5道拦截网的作用显著。2021年反冲洗取样风险评价等级均为安全。反冲洗监测发现新增风险生物凸壳肌蛤(Musculus senhousei),出现时间为10月-11月,今后需关注其风险状况。

English Abstract

  • 2021年1月-12月全国累计发电量为81121.8亿千瓦时,运行核电机组累计发电量为4071.41亿千瓦时,占全国累计发电量的5.02%[1]。《我国核电发展规划研究》指出:到2030年、2035年和2050年,我国核电发电量分别占全国总发电量的10%、13.5%、22.1%[2]。在国内用电量持续增加、煤电新增项目大幅减少的背景下,作为清洁能源的核电是我国实现碳中和的重要手段。

    近年来,国内外核电站发生多起因海洋生物入侵导致取水口堵塞的事件,冷源安全受到严重威胁。南非Koeberg 核电厂1 号机组由于水母入侵取水口导致1 号机组循环水系统2 号泵停泵;美国Diablo Canyon核电厂1 号机组因褐藻入侵导致主冷凝器高压差并引起功率降低[3]。国内也发生数起由海洋生物影响核电厂冷源安全的典型事件:2014年12月至2015年2月,球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)入侵防城港核电站取水明渠及前池,影响1号机组热试进展;2014年7月,大量水母涌入红沿河核电站取水口,导致H1/2号机组停堆;2015年8月,大量海地瓜(Acaudina molpadioides)涌入宁德核电站取水口,进入鼓网,并聚集在鼓网内,造成鼓网压差高引发循环水泵跳闸,使得3 号机组停机[4]。大型藻类、海月水母、沙海蜇、中国毛虾(Acetes chinensis)、海地瓜等是我国核电冷源系统的主要风险生物。

    目前,国内核电站取水口海洋生物监测方法主要有生物学监测、仪器监测和反冲洗监测。仪器监测系统主要由水质监测、声呐监测、光学监测、水下机器人和雷达5部分构成[5]。反冲洗监测是指对鼓型滤网的滤出物进行取样监测,各核电站结合各自海域环境情况,均设置了反冲洗取样量的风险等级评判标准,如张朝文等人2015年提出的红沿河核电的该项标准[6]。本文采用生物学监测和反冲洗监测相结合的方法,并对其进行相关性分析,确定辽东湾东部核电站取水区的风险物种及其高风险期,类似相关研究未见报道。

    • 根据多年的监测结果可知,大型藻类和大型水母为主要风险生物。大型藻类选择其发生地−大咀子和江石底进行监测;大型水母选择海月水母(Aurelia coerulea)、沙海蜇(Nemopilema nomurai)和白色霞水母(Cyanea nozakii)进行监测。取水口外围布置5道拦截网(见图1),平面网与网兜型拦截网结合使用,拦截网外围的拦截网孔径较大,内侧网体孔径较小[7]。反冲洗样品是通过拦截网拦截后,鼓型滤网的滤出生物。

      图  1  取水口外围及港池拦截体系

      Figure 1.  Schematic diagram of the water intake periphery and harbor pond interception system

      2021年3月1日至2021年9月2日,每周进行1次潮间带大型藻类调查监测。大咀子和江石底各设置3个断面(图2中C1-C6),各断面分别设高、中、低3 个潮区, 每个潮区取2个采样样方。使用0.25 m2样方框采样,采样方法按照《海洋调查规范》(GB/T 12763.6-2007)执行。将以上2个采样区域得到的大型藻类监测数据的平均值,作为冷源取水区附近海域潮间带大型藻类的监测结果,据此评估大型藻类对冷源取水区的风险。

      图  2  核电站冷源取水区调查站位及断面

      Figure 2.  Survey stations and transects of nuclear power plant cold source water intake area

    • 2021年5月1日至6月25日,使用浅水II型浮游生物网监测大型水母幼体,每周1次;6月26日至10月21日采用网目单边长为50 mm的海蜇网(锚流网)对水母体进行监测(站位分布如图2),每3天监测1次。在水母体监测时,每个站位监测时间为1 h,水母监测结果用相对生物量[每网每小时捕捞水母的重量,kg/(net∙h)]表示。将所有站位大型水母监测数据的平均值,作为冷源取水区大型水母监测结果,据此评估大型水母对冷源取水区的风险。

    • 2021年3月1日至11月30日,每日至少进行1次反冲洗取样,并根据海上监测情况适当加密取样频次。反冲洗每次取样时间为5 min,称重其采样筐(孔径为5 mm)中的生物重量,作为反冲洗监测结果。对核电站5个机组进行取样,每个机组分为A、B列,每列有2个取样点(见图3)。采用日平均值来评价反冲洗风险等级,采用与评价标准一致的kg/(5 min)作为单位。

      图  3  反冲洗采样示意图

      Figure 3.  Backwash sampling diagram

    • 2021年潮间带大型藻类生物量变化状况如图4所示。2021年监测到缘管浒苔(Ulva linza)、孔石莼(Ulva pertusa)、鼠尾藻(Sargassum thunbergii)、三叉仙菜(Ceramium kondoi)、海蒿子(Sargassum pallidum)和囊藻(Colpomenia sinuosa)等大型藻类。大型藻类自3月中旬出现,逐渐增多,高峰期出现在6月、7月,这2个月的生物量均高于3000.0 g/m2,其中以7月15日生物量最高,达到5875.8 g/m2 ,之后生物量逐渐下降,9月降至最低,为286.9 g/m2

      图  4  冷源取水区附近海域潮间带大型藻类月平均生物量

      Figure 4.  Monthly average relative biomass of intertidal macroalgae in the sea near the cold water intake area

    • 2021年4月21日首次监测到水母碟状体,7月1日首次监测到大型水母体。从全年3种大型水母的相对生物量总和可以看出(如图5),大型水母从7月至9月底持续出现,其中9月11日大型水母相对生物量最高,为461.4 kg/(net∙h),全部为沙海蜇,其余时间3种相对生物量总和均低于120.0 kg/(net∙h)。7月至9月,月均相对生物量无明显变化,均高于50.0 kg/(net∙h),10月开始相对生物量骤减。7月优势水母为海月水母,8月优势水母为白色霞水母,9月优势水母为沙海蜇。

      图  5  2021年核电站冷源取水区附近海域大型水母相对生物量

      Figure 5.  Relative biomass of macrojellyfish in the sea near the cold water intake area of nuclear power plant of 2021

      沙海蜇从7月到9月相对生物量呈波动变化,9月11日相对生物量最高,为461.4 kg/(net∙h)。月均相对生物量从7月到9月逐渐增加,10月开始骤减,其中9月的月均相对生物量最大,为52.25 kg/(net∙h),10月最低,为0.10 kg/(net∙h),10月9日最后一次监测到沙海蜇水母体。

      海月水母从7月到8月相对生物量呈波动变化,7月8日和7月23日相对生物量较高,均高于90 kg/(net∙h),其中7月23日相对生物量最高,为94.96 kg/(net∙h)。月平均相对生物量从7月到8月逐渐减少,其中7月平均相对生物量最大,为41.98 kg/(net∙h),8月31日最后一次监测到海月水母水母体。

      白色霞水母于7月20日首次被监测到,其相对生物量从7月到9月呈波动变化,8月10日相对生物量最高,为69.64 kg/(net∙h)。月均相对生物量从7月到8月逐渐增加,其中8月的月均相对生物量最高,为15.57 kg/(net∙h),7月的月均相对生物量最低,为5.67 kg/(net∙h)。9月初白色霞水母相对生物量呈明显下降趋势,9月6日最后一次监测到白色霞水母。

    • 2021年3月-11月的反冲洗取样监测期内,主要监测到5类海洋生物:藻类碎片、水母碎片、鱼虾类、贝类、蟹类,如图6所示。5月的月平均相对生物量最高,为0.49 kg/(5 min),3月的月平均相对生物量最低,为0.06 kg/(5 min)。

      图  6  反冲洗月均相对生物量

      Figure 6.  Average monthly relative biomass of backwashing

      3月-5月反冲洗样品中全部为藻类碎片。6月反冲洗样品中藻类碎片占比最高,为86.45%。7月反冲洗样品中水母碎片占比最高,为44.54%;其次为鱼虾类,占34.66%。8月反冲洗样品中藻类碎片占比最高,为48.19%;其次为鱼虾类,占36.59%;第三为水母碎片,为17.50%。9月反冲洗样品中藻类碎片占比最高,为39.20%;其次为鱼虾类,占37.71%;第三为水母碎片,为23.04%。10月反冲洗样品中鱼虾类占比最高,为74.32%;其次为藻类碎片,占17.18%;第三为水母碎片,占5.00%。11月反冲洗样品中鱼虾类占比最高,为61.57%;其次为藻类碎片,占3.65%;第三为贝类,占2.32%(表1)。

      藻类碎片在3月-11月的反冲洗样品中每个月均有出现,其中5月藻类碎片的月均相对生物量最大,为0.49 kg/(5 min)。水母碎片出现在6月-11月,其中7月-9月数值较大,7月水母碎片的月均相对生物量最大,为0.12 kg/(5 min)。鱼虾类出现在6月-11月,其中10月鱼虾类的月均相对生物量最大,为0.13 kg/(5 min)。贝类在8月有微量出现,在10月、11月集中出现,其中10月贝类月均相对生物量最大,为0.004 kg/(5 min)。

      2021年8月9日,在核电站取水口5号机组的反冲洗监测样品中发现了凸壳肌蛤,随后进行跟踪监测,其日总重量的变化状况如图7所示。凸壳肌蛤在8月9日、10日出现,单日总重量分别为0.384 kg和0.144 kg,9月样品中没有监测到凸壳肌蛤,从10月中下旬开始增多,10月30日凸壳肌蛤的总重量达到最大值,为0.42 kg,从11月初开始下降。

      图  7  5号机组反冲洗样品凸壳肌蛤日总重量

      Figure 7.  Total daily weight ofMusculus senhousei of backwashing machine No.5

      时间 藻类碎片/(%) 水母碎片/(%) 鱼虾类/(%) 蟹类/(%) 贝类/(%)
      3月 100 0 0 0 0
      4月 100 0 0 0 0
      5月 100 0 0 0 0
      6月 86.45 2.61 10.94 0 0
      7月 16.66 44.54 34.66 0 0
      8月 48.19 17.50 36.59 0.05 0.22
      9月 39.20 23.04 37.71 0.05 0.00
      10月 17.18 5.00 74.32 0.04 2.40
      11月 3.65 0.28 61.57 0.43 2.32

      表 1  反冲洗样品各月主要生物组分

      Table 1.  Percentage of major biological fractions in backwash samples in each month

    • (1)潮间带大型藻类

      2021年大型藻类在6月-7月生物量处于高峰期,与其他月份相比,风险最高。结合2018-2020年的资料(见图8),核电站冷源取水区附近海域潮间带大型藻类生物量在5月中下旬至7月底处于高峰期,为冷源取水的高风险期。

      图  8  2018-2021年核电站冷源取水区附近海域潮间带大型藻类生物量

      Figure 8.  Biomass of intertidal macroalgae in the sea near the cold water intake area of nuclear power plant from 2018 to 2021

      (2)大型水母

      2021年大型水母的高峰期为7月-9月,7月主要风险物种为海月水母,8月主要风险物种为白色霞水母,9月主要风险物种为沙海蜇。结合2018-2020年的数据,冷源取水区大型水母从6月底至9月中旬处于高峰期,为冷源取水的高风险期。

      2021年沙海蜇相对生物量低于2018-2020年各年数值,首次被监测到的时间较2018-2020年有所推迟,高峰期为9月,较2018-2020年推迟约1个月,10月初仍有少量沙海蜇存在。王彬等[8]研究发现,海水温度变化的差异很可能导致海区大型水母出现的时间不同。温度对水螅体横裂过程影响显著,水螅体在宜横裂的温度范围内,且持续时间达到水螅体的响应时间阈值, 才可以完成从底栖阶段的水螅体到浮游阶段水母体的转化[9]。2021年3月-6月核电站取水口附近海域月平均海水温度均低于2019年和2020年同期(见图9),因此,海水温度变低可能是造成沙海蜇2021年推迟出现的原因之一。辽东湾东部核电站南北两侧、辽东湾西部沿岸、辽东湾北部近岸、渤海湾沿岸以及莱州湾等区域产生的水母均有可能迁移至核电站附近[10]。另外,水母自身游泳能力较弱,极易受风海流的流动性影响[11]。根据上述结果可以推测,可能由于海流的变化导致沙海蜇由发源地迁移至核电站附近的时间延后。

      图  9  核电站冷源取水区附近海域月平均海水温度

      Figure 9.  Monthly average seawater temperature in the sea near the eastern nuclear power plant

      2021年海月水母的高峰期为7月,与2018-2020年基本一致;相对生物量均低于2018-2020年各年数值,对冷源安全的影响有所降低。

      2021年白色霞水母的高峰期为8月,在取水区附近海域出现和消失的时间与2020年基本一致,相对生物量与2020年基本持平(图10)。

      图  10  2018-2021年核电站冷源取水区大型水母相对生物量

      Figure 10.  Relative biomass of macrojellyfish in the sea near the cold water intake area of nuclear power plant from 2018 to 2021

    • 将监测得到的取水口附近海域和反冲洗样品中大型藻类和大型水母的数据,通过SPSS软件进行相关性分析,结果显示2组数据的相关系数r分别为−0.200和0.194(P>0.05),无明显相关关系。此结果表明,冷源取水区的5道拦截网的作用显著,有效减少了大型藻类、水母碎片等进入冷源系统,降低了冷源风险。

    • 根据张朝文等[6]在2015年提出的反冲洗风险评价标准,鼓型滤网反冲洗5 min取样量为大于或等于5 kg而小于10 kg时,风险评价为“低”。 对3月-11月的反冲洗风险等级进行评价(见表2),风险等级均为安全。

      时间 月均相对生物量/kg·(5 min)−1 风险等级
      3月 0.06 安全
      4月 0.22 安全
      5月 0.49 安全
      6月 0.12 安全
      7月 0.26 安全
      8月 0.26 安全
      9月 0.16 安全
      10月 0.17 安全
      11月 0.14 安全

      表 2  反冲洗各月风险等级

      Table 2.  Backwash monthly risk level

    • 凸壳肌蛤喜泥砂底[12],辽东湾东部海域沉积物类型主要为泥质砂和砂质粉砂[13],核电站冷源取水区位于辽东湾的东部,其地质条件适宜凸壳肌蛤的生长。

      辽东湾与渤海湾底栖生物优势种的同质性较高,变化规律也较为相似,而凸壳肌蛤在渤海湾已经开始迅速增殖,从2011年开始,渤海湾底栖生物的优势种变成凸壳肌蛤,已对该海域底栖动物群落结构的稳定性带来了不良的影响[14]。李轶平等人在2016年对辽东湾潮间带夏季大型底栖动物群落结构研究中发现,凸壳肌蛤在鲅鱼圈断面成片丛生分布[15],由此推断核电站冷源取水区有可能出现凸壳肌蛤的大量增殖,风险会逐渐增加,后续应该持续对凸壳肌蛤进行监测。

    • (1)通过2021年的监测,并结合2018-2020年的数据,确定了辽东湾东部核电冷源取水区大型藻类的高风险期为5月中下旬至7月底;大型水母的高风险期为6月底至9月中旬。

      (2) 冷源取水区附近海域中的大型藻类和大型水母的生物量与反冲洗取样量无明显相关性,说明冷源取水区5道拦截网作用显著,是保障冷源安全的重要手段。

      (3) 辽东湾核电冷源取水区的地质条件适宜凸壳肌蛤生长,今后需关注其风险状况。

参考文献 (15)

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