基于取水卷载的滨海核电厂海洋生物损失量算法优化研究
时间：2023-01-28 18:15:05 来源：天一资源网 本文已影响 人 
於 凡
（1. 深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518049；
2. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100）
滨海核电厂在正常运行过程中，需抽取大量的海水作为循环冷却水。海水进入冷却系统时，其中夹带的部分个体较大的海洋生物被核电站设置的海水过滤系统的粗格栅、细格栅、滤网等装置拦截，该拦截过程导致的海洋生物伤害或死亡的物理现象，称之为卷塞。随同循环冷却水取水进入核电站冷却水系统的小型海洋生物被动携带传输并造成死亡的过程，即为卷载。针对核电站取水过滤系统的卷塞效应的研究是当前的热点问题[1-13]。
卷载的对象主要是中小型海洋生物，如浮游植物、浮游动物、鱼卵、仔稚鱼和其他生物幼体。卷载效应的危害主要由以下三个因素综合作用：即冷凝器内高速水流的冲击碰撞、高温冲击和余氯的毒性。核电厂的温排水、余氯和取水机械卷载效应对海洋环境[13]、海洋生物[14]，以及对鱼卵、仔稚鱼杀伤等[15]影响有不少的研究。取水过程中的机械卷载效应对生物损失的定量分析研究和探讨已经引起部分学者的关注[16,17]。
《核动力厂取排水环境影响评价指南（试行）》（HJ 1037—2019）[18]中指出“对于新建的取水设施，应通过对比历史数据、运行前的调查资料以及其他核动力厂的运行经验，获得可信的生物损失量估算。对于现有核动力厂，结合监测数据给出可信的取水造成的生物损失量，评价已发生的和可能的长期影响”。目前，核电厂建设及运行过程中上报政府主管部门的核电厂环境影响评价报告以及海域使用论证报告，涉及生物量损失的计算方法，均遵循《建设项目对海洋生物资源影响评价技术规程》（SC/T 9110—2007）[19]。
卷载效应引起的海洋生物量损失估算结果，是核电项目进行征海赔偿计算的重要基础性数据，有必要对其计算过程进行更为合理的优化以得到更为精准的数据。
目前核电厂海域使用论证中关于卷载效应的生物量损失的经典算法，参考执行SC/T 9110—2007，是按核电厂设计确定的平均负荷小时数，结合被卷载对象年平均密度进行估算。随着核电厂所在海域生态调查数据量的增加，在海洋生物卷载损失量估算方法中引入时间变量，更为精细地考虑核电运行中规律性的换料大修时间和取水口所在海域海洋生物中被卷载对象的丰度季节分布特性，可以更加精细准确的估算卷载所导致的海洋生物损失量。本研究将针对此问题，基于核电厂取水口所在海域海洋生态调查所积累的基础数据和目标电厂的运行换料大修的周期规律，对现有的卷载效应生物量损失计算方法进行改进，设定两个典型算例，对比新的计算方法卷载效应引起的生物量损失估算结果。
滨海核电厂三回路是以海水为介质，对二回路的剩余蒸汽和相关设备进行冷却，带走电站的弃热。典型核电厂的三回路示意图如图1所示。
由图1 可见，滨海核电厂三回路所用冷却水取自邻近海域，经过相关系统设备过滤阻拦（卷塞效应）后，作为最终冷源，经过泵站、管道、凝汽器换热后返回大海。卷载效应所夹带的生物体将在系统设备内经受生死考验带来数量上的锐减。核电厂的冷却水过滤系统示意图（见图2）。卷载是冷却水通过过滤系统之后发生在封闭系统内的过程，是本研究的关注问题。被卷载的生物体长或高度一般不大于滤网孔径[20]。
如前文所述，海洋生物随电厂抽取循环冷却水而进入冷却系统，并在其中受到热、机械应力（含压力变化）和氯化等化学因素影响而死亡的现象。这三个因素的作用强度并非均等的。
机械性损伤是三者中最经常和最主要的危害因素。主要指生物体与水泵内壁、管道和冷却设备的表面摩擦撞击，通过水泵时的高压、挤压和高压水流剪切造成的形态结构变形损伤[20]。
冷凝系统需要大量的海水进行冷却，冷却水管中急剧温升，对生物造成高温冲击，尤其是夏季高温气象条件下，本底温度较高，叠加升温冲击，是海洋生物受害致死的主要因素。
化学因素指电厂为防止管道系统堵塞而人为投放杀虫剂所产生的化学因素，一般是杀虫剂使用期间才起作用。
在现有技术条件下，尚未对机械损伤、高温冲击以及化学因素等引起的生物体死亡率进行相关数据积累，但根据我国及国外核电站相关运行经验，在卷载效应引起的海洋生物量损失分析计算当中，假定凡进入三回路系统设备的海洋生物体将无法生存，全部损失，具有较大的可信度，是对生物量损失较为合理的估算假设。
以某核电厂海域2016 年四个季度海洋生态调查数据为例，按照浮游植物、浮游动物、鱼卵和仔稚鱼分别描述海洋浮游生物量的时间分布特点。
2.1 浮游植物
2.1.1 种类组成
调查海区范围内，四季共记录浮游植物4个门类149 种，其中硅藻110 种，甲藻34 种，金藻2 种，蓝藻3 种。硅藻门是浮游植物的主体，占总种数的73.3%。甲藻门次之，占总种数的22.82%。
冬季海区水温低，为浮游植物繁殖的低谷期；
春季夜光藻过度繁殖和浮游动物大量摄食，导致这两个季度浮游植物种类最贫乏。夏季因暖水种和甲藻大幅增加，种类最为丰富。
四季常见的种类有星脐圆筛藻、中肋骨条藻、菱形海线藻、伏氏海毛藻和三角角藻，中肋骨条藻为最主要的优势种，在冬、夏、秋3个季度均为第一优势种。
2.1.2 细胞总密度分布
调查海区浮游植物细胞丰度4 个季度月平均376.52 × 104个/m3，季节变化幅度巨大，相差高达2 755 倍多。冬季海区水温低，浮游植物丰度为年低谷，而春季因夜光藻和浮游动物的过度繁殖，也导致浮游植物丰度异常偏低，夏季为浮游植物丰度的年高峰。本海区浮游植物密度的平面分布趋势除春季由优势种夜光藻支配外，其它3 个季节均由优势种中肋骨条藻所主导。
春季浮游植物细胞密度平均为510.64 × 102个/m3，变化范围在54.54 × 102～2 546.11 × 102个/m3。
夏季浮游植物细胞密度平均为1 432.87 × 104个/m3，变化范围在58.82 × 104～5 116.67 × 104个/m3。秋季浮游植物细胞密度平均为67.58 × 104个/m3，变化范围在4.0 × 104～437.0 × 104个/m3。冬季浮游植物细胞密度平均为52.24 × 102个/m3，变化范围在3.78 × 102～337.34 × 102个/m3。
2.2 浮游动物
2.2.1 种类组成调查海区范围内，4 个季度共记录浮游动物167 种。其中夏季出现种类较多为108 种，春季次之为80 种，冬季较少仅41 种。按类型来分以桡足类种类最多为88 种，其次是水母类39 种，其它依序为十足类8 种、端足类和腹足类各6 种，介形类5 种，枝角类和被囊类各4种，糠虾类2 种，而多毛类和磷虾类仅各1 种。此外，还记录了21 类阶段性浮游幼虫。
2.2.2 数量和分布
四季调查浮游动物生物量均值为832.22 mg/m3，春季最高为1 525.57 mg/m3，夏季次之为 1 164.65 mg/m3，秋季最低仅为537.1 mg/m3，冬季为101.56 mg/m3。
2.3 鱼卵和仔稚鱼
2.3.1 种类组成
根据2016 年四个季度月调查所获的鱼卵和仔稚鱼的样品分析结果就显示，本海区共出现鱼卵和仔稚鱼29 科40 属56 种（含未定种）。种数上，以夏季种类最多，春季居次，秋季和冬季较少。种类上，以鯷科种类最多，其次为鰕虎鱼科种类。
2.3.2 数量和分布
调查期间，鱼卵数量低，平均四个季度月仅为20 个/1 000 m3，其中夏季（8 月）数量均值为69 个/1 000 m3，秋季（11 月）平均为11个/1 000 m3，冬季（1 月）和春季（4 月）鱼卵均未检测到。
数量上，以舌鳎和鲐鱼数量较高，分别占鱼卵总量的18%、小带鱼（7%）居次，大黄鱼占5%。但不同季节优势种的百分比组成有差异，除其它类外，如夏季以鲐鱼、舌鳎和小带鱼所占比例较高，秋季则以大黄鱼和舌鳎占主导地位，其它类别少见或未出现，可见本海区鱼卵的主要种类有季节更替。
本调查仔稚鱼略高于鱼卵，四季平均数量为111 个/1 000 m3。其中最高值在夏季，为301个/1 000 m3，春季为96 个/1 000 m3居次，秋季和冬季较低，平均分别为25 个/1 000 m3和22个/1 000 m3。
各主要种类组成有明显的季节更替，如冬季以褐鲳鮋占绝对主导地位，春季以鰕虎鱼、小公鱼、鯒和鲈鱼为主，夏季以小公鱼最占优势，同时数量较可观的还有鰕虎鱼、鳗鰕虎鱼小沙丁鱼和美肩鳃鳚。秋季也以小公鱼占绝对优势，此外，大黄鱼、棱鯷和银鲳的所占的比例也较高。根据对以上某核电厂取水口海域的卷载效应生物量调查数据，可以得出以下结论。
（1）通过对浮游植物、浮游动物、鱼卵和仔稚鱼一个完整自然年的生物量跟踪调查结果显示出明显的季节差异性。以浮游植物中细胞总密度数据为例，其季节引起的数量差异在2 700 余倍。
（2）对于卷载效应涉及的海域中，浮游植物，浮游动物、鱼卵和仔稚鱼的生物量，通过生态学调查能够获得季度生物量数据。
核电厂处于功率运行阶段，三回路必须运行；
反之若处于停堆状态则三回路停止运行，核电厂运行规律决定了三回路的运行时间。因此，卷载效应的生物损失量计算与核电厂的功率运行时间直接相关。
目前，我国在运压水堆核电厂的运行规律根据堆芯设计的不同，主要分为年度换料和18个月换料。两种运行规律的不同是根据堆芯燃料燃耗深度来确定的，其控制指标是等效满功率运行天数即EFPD 值。EFPD 值（单位为天数）是折算为满功率运行的等效自然日天数，与机组运行计划以及电网调度等原因直接相关。在电厂不能满功率运行时，电厂的实际运行日历天数将会略大于EFPD 值。根据我国核电运行实践，实际运行日历天数可取为1.1倍的EFPD 值。
核电厂的大修通常与停堆换料同时进行，这样可以使得电厂的大修不独立占用工期，提高核电机组利用率从而提高核电厂的能力因子。大修包括换料大修和十年大修，换料大修又分为首次大修和常规换料大修。在具体工期方面，根据我国的核电运行实践，首次大修工期约60 日历天，常规大修30 日历天，十年大修约60 日历天。
执行年度换料策略的核电站 EFPD 值为275 天，实际运行天数约为其1.1 倍，取303 天，首个年度大修时间取60 日历天，常规大修时间取30 日历天。在本研究中，对卷吸效应的时间效应精度取到月份是相对较为便捷且也能够体现出季节性差异的，因此，为方便计算，年度换料策略的换料周期取10 个日历月，首次大修工期取2 个日历月，常规大修取1 个日历月。
执行18 个月换料策略的核电站EFPD 值为478 天，实际运行天数约为526 日历天。首个年度大修时间60 日历天，常规大修时间取30个日历天。值得注意的是，实施18 个月换料策略的核电机组其首炉换料时间仍为年度换料，此后的各换料周期为18 个月。即首炉换料时间周期取EPFD 275 天（303 个日历日），之后的换料周期恢复为EFPD 478 天（526 个日历日）。同上，在本项评估算法中，换料周期取18 个日历月，首次大修与常规大修历时分别取2 个日历月与1 个日历月。
关于十年大修的执行频率，并非严格意义上的十年，而是以燃料循环周期次数来确定的对于年度换料策略的机组，每10 个燃料循环周期后执行十年大修；
对于18 个月换料策略的机组，每6 个燃料循环末期即开始十年大修。
核电厂大修期间即非运行期，是不需要取用循环冷却水的，在此期间核电厂不会造成海洋生物卷载的损失。根据上述核电厂的运行规律分析，可以设置机组投运时间，推算出整个运行寿期内功率运行的时间及季节分布与不取水的大修时间及其季节分布。
以18 个月换料策略的核电厂为例作为算例，假定有两座投运时间不同的核电厂，其投运时间分别假定如下：
假定情形一：投运时间为某年1 月1 日；
假定情形二：投运时间为某年7 月1 日。
基于前述经规范简化的核电厂运行规律进行推演，经统计后的情形一和情形二的非运行时间如表1 所示。
表1 核电厂大修的季度占比（日历月数量）Table 1 Quarterly percentage of nuclear power plant overhauls(number of calendar months)
4.1 基本假设
基于运行经验，以卷载效应进入管道系统海洋浮游生物将在三回路系统内全部损失，作为卷载损失分析的基本假设之一。
其次，损失分析中以某核电厂双机组海水取水量作为取水量常数，取值为123 m3/s。
4.2 经典算法
电厂取、排水卷载效应的鱼卵、仔稚鱼、幼鱼损害评估按下面公式计算[19]：
式中：Wi——第i种类生物资源年损失量，尾；
Di——评估区域第i种类生物资源平均分布密度，尾/m3；
Q——电厂年取水总量，m3；
Pi—— 第i种类生物资源全年出现的天数占全年的比率，%。
根据前述假设，对某核电厂进行估算如下。海水用水量约123 m3/s，电厂全年运行时间为7 000 h，按现场调查结果，浮游植物四季细胞平均丰度为376.52 × 104个/m3。浮游动物四季平均总湿重生物量为832.22 mg/m3。
以进入管道系统浮游生物全部被杀伤，则造成损失的浮游植物细胞为1.08 × 1015个/a，浮游动物总湿重生物量约为2 582.6 t/a。
根据渔业调查结果，附近海域鱼卵数量低，平均四个季度月为2.0 个/100 m3；
仔稚鱼年平均密度约为111 尾/1 000 m3。1、2 号机组海水用水量约123 m3/s 算，则2 台机组运行期卷吸效应每年对鱼卵、仔稚鱼造成的损失量分别约为鱼卵损失约为6.20 × 107粒，仔稚鱼损失为3.44 × 108尾。计算结果如表2 所示。
表2 核电厂全寿期范围内取水卷载效应引起的生物损失量Table 2 The biomass loss caused by the entrainment effect of water intake during the whole life of nuclear power plant
4.3 基于运行规律的卷载损失分析方法
基于运行规律，对卷载效应产生的生物量损失按式（2）计算。
式中：W——第i种生物在核电厂全寿期内的损失量；
Di，j——第i种生物在第j个季节的生物丰度；
Mj——第j个季节在核电厂全寿期内的总月数；
C——核电厂功率运行期间的取水速率，取常数123 m³/s；
T——时间换算系数，取30 × 24 × 3 600。
基于运行规律的卷载损失分析新算法，考虑了核电厂运行规律所带来的非工作时间与一年四季中取水口所在海域海洋生物量季节差异的耦合效应。按第3 节给出的两组假定数据，分别计算卷载损失的生物量，并与经典算法的计算结果做比较。
4.4 比较分析
对比表2、表3 计算结果，并将对比结果分类汇总如表4 所示。
表3 运行情形一之下取水卷载效应引起的生物损失量计算Table 3 Calculation of the biomass loss caused by the entrainment effect of water intake in operation case 1
续表
表4 全寿期内生物损失量对比表Table 4 Comparison of the biomass loss in the whole life
根据表4 可知：按照新的算法，在考虑了生物量季节分布的影响之后，各类海洋生物损失量的计算结果相较于经典算法均有所降低。
5.1 结论
（1） 核电厂功率运行期间连续运行的取水系统产生的卷载效应将对浮游生物产生损伤，降低海洋初、次级生产力，从而影响渔业资源。作为海洋渔业资源补偿计算的重要依据，尽可能准确、客观地计算核电厂运行对所在海域海洋生物损失量具有十分重要的现实意义。
（2） 现行基于卷载效应海洋生物损失量的计算方法，没有考虑生物量的季节分布以及核电厂实际功率运行时间对生物量损失的影响。改进算法在考虑这两个因素的结果后，两种情形下所有生物损失量均小于经典算法。此外，情形一的计算结果比情形二的结果略小。
（3） 改进生物损失量估算方法，可以给出更为准确合理的海洋生物损失量估算结果，给出的卷载效应生物损失量更为准确可靠。
（4） 核电厂所在海域生物量随季节的变化具有地域性，不同海域的海洋生物量随季节分布亦会有所差异，因此改进生物损失量估算方法的实际应用中，需基于目标海域的海洋调查工作所总结得出的生物量与季节的变化关系开展相关工作。
5.2 建议
（1） 卷载效应引起的海洋生物损失量估算，极大的依赖于取水口邻近海域海洋生态调查数据的准确性和精细度。由于可卷载海洋生物在时空布上的巨大差异，如果未来可以更精确到取水口门处给出单独的月度平均值，则计算结果会更加准确。
（2） 核电厂的全寿期范围内，海洋生物种类和数量有可能会发生很大的变化，电厂定期开展海洋生物的调查，生物损失量应根据电厂最新的调查数据更新计算。
（3） 目前，海域使用论证中关于海洋生物损失量的计算，均是电厂仍处于可行性研究阶段开展的。电厂实际运行后，可结合运行电厂的若干个燃料循环以及不同功率下的冷却水量、机组发电量（能力因子）、大修安排等实际情况更为优化地开展海洋生物损失量的计算。
（4） 卷载效应的数值模拟分析以及海洋生物量损失量的实测等研究可以在后续工作中加以考虑。
（5） 我国核电工业正在积极研发海洋生物回收遣返技术，随着滤网系统的改进，不但能够清理网面杂物、而且可将网前生物（鱼、虾等）收集并遣返至原水体。随着这类可以减少卷载效应的海洋生物回收遣返技术的进展，海洋生物损失量算法中可引入这部分的因素对算法进一步优化。
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