基于聲學方法的核電廠取水口冷源生物量監測

王梓 付媛媛

（大連海洋大學海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116021）

核電廠循環冷卻水系統(ccw)，以及其他重要設備等冷卻供水均依賴核電廠取水口。取水口的運行狀態直接影響電廠的安全穩定運行。根據美國核電運行研究所（INPO）數據統計，在2004 年至2008 年間全球核電廠發生取水口堵塞事件達61 起。其中近80%的事件導致機組降功率或者停堆，超過20%的事件直接對核電廠安全相關系統造成影響，而外來冷源生物入侵是造成取水口堵塞的主要原因[1]。國內的濱海核電廠的冷源至災生物主要包括各類水母、毛蝦、大型海藻等，其中，水母爆發所帶來的影響尤為惡劣。紅沿河核電廠地處渤海灣東南側海濱，取水口海域的海流主要受南北往復潮流影響，夏季水母的爆發會對取水口產生較強沖擊。現有的攔截網和漁船網具打撈方式雖有一定效果，但在惡劣海況條件下無法進行人工打撈和清網作業時，缺乏可靠的監測方法，無法選擇積極有效的應對措施，威脅電廠的安全運行。

在水母的監測工作中，受限于觀測和采樣技術，傳統大型水母的監測工作主要依靠網具監測方法[2-5]和目視觀測方法[6-7]，通過網具捕撈或目視觀測的結果對水母分布及資源變動進行研究，這種方法的優點是采樣方法統一，便于操作，可以直觀的反映出大型水母的平面分布特征，而缺點是對水母在水下的游泳、集群、垂直移動規律缺乏更加直觀的判斷和分析數據[8]。

近年來，隨著海洋監測技術的多樣化發展，水下聲學、水下光學和航空攝影技術等也已經開始應用到水母的監測調查中[9]。在水下光學技術領域，Davis 等研制的水下浮游生物視頻記錄系統（Video Plankton Recorder， VPR），利用前向散射光對浮游動物成像，能夠監測尺寸在0.2-20mm 之間的浮游動物，如水螅蟲、水母等[10-11]；Graham 等開發了水母攝像系統，實現了在水下對水母的原位光學監測[12]；于連生等利用“全自動數字顯微成像儀”實現現場浮游動物圖像的自動拍攝[13]。但水下光學攝像技術存在視野有限的缺點，且對水體透明度要求較高。在航空攝影技術領域，Houghto 等用航空攝影技術監測了南愛爾蘭海域的3種大型水母這些水母體型較大（直徑大于1m），具有不同的顏色且不透明，可以在低空（152m）通過肉眼直接辨認[14]。與水下光學技術相比，航空影像技術的水平監測范圍較大，但僅能監測表層或近表層水體，適用于監測大型水母的分布狀況及運動行為等。

而隨著水下聲學技術的不斷發展和完善，聲學監測作為一種切實有效的探測方法，有著探測范圍廣、能夠在渾濁或昏暗水體中進行探測等優點。Kang 等使用科學魚探儀（38 kHz 和120 kHz）在網箱內對韓國水域內的沙蜇進行了目標強度的測定，建立了單體沙蜇傘徑與目標強度之間的模型關系，發現在兩種探測頻率下沙蜇的目標強度隨著傘徑增加呈線性增長，與沙蜇共生的水母蝦對沙蜇聲學目標強度的影響較小可以忽略不計，并建議這些測定的結果可以應用到大型水母聲學調查中來評估沙蜇的分布和生物量[15]。2019 年Yoon 等利用頻差（38kHz 和120kHz）方法對韓國水域的水母進行了聲學識別分類和資源評估[16]。

因此，本研究設計開發冷源生物（水母）聲學監測系統，對進入攔截網海域的水母等冷源生物進行實時監測，測量冷源密度并計算其通量，把握取水口海域的冷源生物量變化情況。

1 材料與方法

1.1 監測位置及聲吶

如圖1 所示，紅沿河核電廠取水口共設置5 道攔截網，最外側的攔截網使用浮筒和錨塊固定無法滿足設置聲吶的條件。因此本研究聲吶監測點選擇取外側第2 道攔截網前的南側第1 個沉箱（4 號沉箱），采用岸基監測方法，將分裂波束科學探魚儀（EK60 型，70kHz，Simrad，挪威）的換能器進行固定和安裝，安裝位置及波束的方向如圖1 所示。科學探魚與的收發機（GPT）被安裝在沉箱平臺上的設置的配電柜內，信號通過光纜傳回岸端的控制室，對科學探魚儀進行遠程操控。設置的主要參數為：發射功率700W、收發周期1s、脈沖寬度0.512ms。

圖1 紅沿河核電廠取水口及聲吶的監測位置

1.2 聲吶監測系統構成

聲吶監測系統主要分為兩部分，包括前端設備單元、岸基控制處理單元。其中前端設備單元位于沉箱上，主要負責數據的采集，包括科學探魚儀系統、水上攝像機和多功能氣象儀等；岸基控制處理單元，主要包括工控機和服務器，在工控機進行數據采集和保存，并將采集的數據通過網絡傳輸至服務器保存和處理。

1.3 聲吶換能器設置

科學探魚儀的換能器安裝在設計開發的專用支架上，固定在4 號沉箱外側，并連接在設置于沉箱上的配電箱內，與收發機（GPT）連接。基于現場情況專門設計聲吶換能器支架，該支架可手動調整換能器的水平方位角和垂直傾角，換能器的面對方向（即波束方向）設置成與取水口斷面方向垂直，設置深度為最大低潮位以下的0.5m 深。聲吶的監測區域為取水口前100m 左右的波束（波束角7°）覆蓋范圍（受潮位差限制）。現場根據聲吶的回波映像圖進行換能器方位和傾角的調整，確定為水平方向西北278°，該方向處于水母的流入取水口方向；垂直傾角向上1.2°， 經回波映像圖確認，監測有效距離為60m。

圖2 聲吶定點監測系統的回波映像圖

1.4 水上攝像機及氣象監測

由于攔網區域在聲吶波束前端有清網船只經過，清網船只的尾流氣泡會形成較強的干擾回波。因此設置一個水上攝像機，對清網船只的經過進行實時監測，同時也可以實施監測海況情況，為回波識別提供信息。在沉箱上設置多功能氣象監測站，實施提供風速、風向、氣溫、濕度等氣象信息。

1.5 岸基控制

設在岸基監控室的工控機通過光電復合纜連接，可以實時控制和顯示聲吶及攝像機的工作情況，并進行數據存儲。其中聲學監測使用ER60 軟件進行實時監測，水上攝像機使用配套軟件進行實時監測。監測數據通過外網傳輸至服務器進行數據保存與計算。

1.6 聲吶監測及數據處理

2019 年5 月25 日安裝完成開始監測。對流入取水口的水母等冷源生物進行實時監測。聲學數據使用專用軟件Echoview4，剔除高海況的氣泡回波、過往船只尾流氣泡回波后，進行體積散射強度（Volume backscattering strength，簡稱SV）的積分處理，和單體目標檢測。單體目標檢測范圍在有效聲學探測距離內進行（1m-60m），檢測最小閾值-80dB，對單體目標的TS 進行日加權平均處理。在此基礎上獲得SV 和TS 的日平均值，計算通過聲吶波束水母等冷源生物的日平均密度：

＜n＞=＜Sv＞/＜σbs＞

其中，Sv 為反向體積散射系數（單位m2/m3），與SV（單位dB）的關系為：

SV=10lgSv

σbs 為反向散射截面（單位m2），與TS（單位dB）的關系為：TS=10lgσbs

在此基礎上，推算通過聲吶波束的日平均生物通量：

＜F＞=＜n＞·v·sinθ

其中，v 是取水口的流速，θ 是流速與取水口斷面的夾角。通量的單位為ind/(s·m2)。

1.7水母的清網量

水母的清網量數據由核電廠取水口清網日報中獲得，為每天攔污清理工作人員在不同攔截網清理水母及其他雜物等重量。由于取水口攔截網的清理工作受海況與人工因素影響，故以周為單位進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 聲吶監測結果

2.2 取水口流速

取水口流速數據根據紅沿河核電廠以往的實測值，大潮時流速均值為0.5m/s；中潮時流速均值為0.26m/s；小潮時流速均值為0.01m/s。

2.3 平均SV 與平均TS

2019 年6 月-7 月監測期間的每日平均SV 和TS 統計結果如圖3 所示，最大SV 值在6 月8 日，為-62.5 dB；最小值在7月20 日，為-76.3 dB；平均目標強度的最大值在6 月6 日，為-37.2±19.1 dB，單體目標檢測并可跟蹤個數為3562 個；最小值為6 月22 日，為-81.1±3.1 dB，單體目標檢測并可以跟蹤個數為44 個。

圖3 紅沿河核電廠取水口2019 年6、7 月份每日平均體積散射強度和目標強度

2.4 水母的通量

根據公式（4）計算了6 月至7 月的每日平均通量，結果如圖4 所示。在6 月20 日、22 日和7 月5 日出現較大峰值，分別達到1.97ind/(s·m2)、5.36ind/(s·m2)、3.62ind/(s·m2)。最大值在6.22 日，平均通量為5.36ind/ (s·m2)；最小值在6.5 日，平均通量為1.2x10-5ind/(s·m2)。可以發現取水口海域水母生物量從六月初開始持續增加，在七月相對趨于穩定。

圖4 紅沿河核電廠取水口2019 年6、7 月水母通量

3 討論

本研究針對濱海核電廠冷源生物爆發，開發基于分裂波束科學探魚儀（EY60 型）的聲吶岸基監測系統，根據在紅沿河核電廠取水口的2 個月實驗監測結果，系統具有較好的監測功能和實際應用前景，具體討論如下：

3.1 聲吶的水平波束使用

分裂波束科學探魚儀是一款具有漁業資源聲學調查評估的專業儀器設備，具有較窄的7°半功率波束角，且一般是波束垂直向下進行魚類等的探測使用。由于濱海核電廠的取水口水設計水深一般較淺（10m 左右），為提高冷源生物的聲學采樣體積，本研采用水平方向波束的探測模式，有效探測范圍超過60m。但是由于波束的水平使用會產生冷源生物目標強度的水平方向性差異問題，姿態平均目標強度的空間統計需要在3 維坐標系考慮，該方面的研究需要結合冷源生物的類型和取水口流場變動等因素今后開展更為細致的研究。

3.2 取水口的流速

本研究主要使用水母的資源平均通量參數來進行冷源生物量變化趨勢的分析，因此取水口的流速參量也是監測的重要指標之一。由于紅沿河核電廠取水口流速主要受潮汐和風速風向影響，取水口的動態流速信息也需要把握。本研究中使用的流速參量是根據往年的實測值推定的大、中、小潮平均流速值，與每日的實際情況仍存在一些偏差，需要在以后的監測工作中進一步完善。

3.3 聲吶監測系統

本研究中設計開發的聲學監測系統，雖然基本滿足了紅沿河核電廠的冷源生物監測要求，但也存在若干需要改進的問題，主要包括：

3.3.1 聲吶換能器姿態的遠程控制問題

由于取水口的海況、風雨、過往船只等產生的表層氣泡會對監測區域產生較大影響，在未來的研究中，可在換能器支架上增加步進電機，實現換能器姿態角的遠程遙控。

3.3.2 換能器維護

在夏季長時間的監測過程中，污損生物會附著于換能器上，影響聲學探測準確度，需要潛水員進行定期清理維護。