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

(1.中国核电工程有限公司,北京 100840;2.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456)

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[1-4]。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[5]。据美国核动力运行研究所(INPO)统计,2000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200余起,造成了巨大的经济损失,是亟待解决的安全隐患[6]。

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3类,如图1所示[7]。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较大等特性,是值得被研究的潜在致灾物。

图1 核电厂取水口常见致灾物分类Fig.1 Classification of common hazards in water intakes of nuclear power plants

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。

1 双齿围沙蚕的物理特性

沙蚕(Nereis succinea)别名海蜈蚣,属环节动物门、多毛纲、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[8-15]。试验选用底栖生物双齿围沙蚕为研究对象。

选取5组沙蚕活体,每组5～7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1.011～1.057 g/cm3(见表1),平均值为1.035 g/cm3,可见其密度与海水比较接近,波动范围不大,较为稳定。

表1 沙蚕密度汇总表Tab.1 Density summary of nereis succinea

分别选取25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2)。由图2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,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。

图2 沙蚕个体质量与体长的关系Fig.2 Relationship between individual mass and body length of nereis succinea

2 沙蚕沉速试验

沙蚕沉速试验在水槽中进行,试验水槽长3.0 m、宽3.0 m、高1.8 m,水槽内水深h为1.535 m。水槽的两个相邻壁面中心位置处设置有高1.5 m、宽0.4 m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m,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t,根据试验水深h为1.535 m,可以得到沙蚕个体沉速w=h/t。

沙蚕沉速试验共计开展110组,沙蚕个体质量和沉速之间的关系如图3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F阻～w2。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3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。

图3 沙蚕个体质量与沉速之间的关系Fig.3 Relationship between individual mass and sedimentation velocity of nereis succinea

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

w=2.71×m

(1)

式中：w为沉速,cm/s;m为沙蚕个体质量,g。

3 沙蚕起动试验

沙蚕起动试验在波流水槽中进行。水槽长50 m、宽0.7 m,试验段为位于水槽中部,底床泥沙铺设深度15 cm,泥沙中值粒径d50为0.18 mm,试验水深0.3 m,试验选用沙蚕个体质量在0.4～3.2 g的成年活体,试验水温保持在24～26℃。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4所示。

3.1 恒定流沙蚕起动试验

在恒定流条件下,分别对质量为0.8 g、0.9 g、1 g、1.1 g、1.3 g、1.5 g、1.6 g、1.7 g和2.1 g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5所示,不同质量沙蚕个体的起动流速主要在Vc=6.76 cm/s上下波动,波动范围为3.36～8.64 cm/s。根据CHRISTOFFERSEN和JONSSON[16]的研究,作用于沙蚕的水流流速Vsc可通过下式计算,平均临界起动水流流速Vsc为0.034 m/s。

图5 恒定流条件沙蚕个体起动流速(试验水深0.3 m)Fig.5 Start-up flow rate of Nereis succinea under constant flow conditions (test depth：0.3 m)

(2)

(3)

式中：К=0.4;u*c为沙蚕临界起动底床摩阻流速;z为沙蚕个体的特征高度,mm,取z=2;υ为动力粘性系数;Ks=2.5d50,其中d50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10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。

3.2 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0.6 g、1.1 g、1.6 g、2.1 g和2.4 g的沙蚕个体开展起动试验。试验造波为规则波,波周期分别为1.2 s、1.6 s、2 s和2.4 s。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6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θw相关联,如图7所示,可以得到波浪作用下沙蚕的起动波高计算式如下

图6 波浪单独作用下沙蚕起动波高(试验水深0.3 m)Fig.6 The starting wave height of nereis succinea under the action of wave alone (test depth：0.3 m)

图7 临界起动θw与沙蚕个体质量之间的关系Fig.7 The relationship between critical starting θw and individual mass of nereis succinea

θwc=0.22×m0.15

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ρs为沙蚕密度,此处取1.035×103kg/m3;ρ为海水密度,kg/m3;Δ为特征高度,此处取0.003 m。L为波长,m;uw为波浪近底层水质点最大速度,m/s;d为水深,m;fw按照Swart方法计算;m为沙蚕个体质量,kg。

3.3 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0.5～3.3 g的沙蚕个体,在垂线平均流速为13.2～37.2 cm/s、波高为2.9～7.7 cm、周期为1.2 s和2 s的波流组合条件下开展输移速度试验。试验流速覆盖1.5Vc～3.5Vc,试验波高包括1.5Hc～3.5Hc,试验水深为0.3 m。试验结果如图8所示,波流作用下沙蚕的移动速度计算式如下

图8 沙蚕相对运动速度与Shields参数关系Fig.8 The relationship between the relative motion speed of nereis succinea and the Shields parameter

(10)

(11)

τcw=τc+τw

(12)

(13)

(14)

qs=Vs×n×m0

(15)

式中：u*为水流单独作用下引起的摩阻流速,m/s;d为水深,m;τc为水流单独作用下对底床的切应力,N/m2;τw为波浪单独作用下对底床的切应力,N/m2;VS为沙蚕个体在波流作用下的移动速度,m/s;w为沙蚕个体沉速,m/s ;qs为波流作用下单位宽度沙蚕输移率,kg/(m·s);n为单位面积内沙蚕个体数量,ind/m2,可以通过现场生物取样确定;m0为现场沙蚕个体平均质量,kg。

3.4 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9～图10),得到沙蚕的止动流速V止动=0.87Vc,下沉波高H下沉=0.78Hc。

图9 沙蚕止动流速V止动与起动流速Vc的比值Fig.9 The ratio of stop flow rate to start flow rate of nereis succinea

图10 沙蚕下沉波高H下沉与起动波高Hc的比值Fig.10 The ratio of the sinking wave height to the starting wave height of nereis succinea

4 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。