基于取水卷載的濱海核電廠海洋生物損失量算法優化研究

於 凡

（1. 深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518049；2. 中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100）

濱海核電廠在正常運行過程中，需抽取大量的海水作為循環冷卻水。海水進入冷卻系統時，其中夾帶的部分個體較大的海洋生物被核電站設置的海水過濾系統的粗格柵、細格柵、濾網等裝置攔截，該攔截過程導致的海洋生物傷害或死亡的物理現象，稱之為卷塞。隨同循環冷卻水取水進入核電站冷卻水系統的小型海洋生物被動攜帶傳輸并造成死亡的過程，即為卷載。針對核電站取水過濾系統的卷塞效應的研究是當前的熱點問題[1-13]。

卷載的對象主要是中小型海洋生物，如浮游植物、浮游動物、魚卵、仔稚魚和其他生物幼體。卷載效應的危害主要由以下三個因素綜合作用：即冷凝器內高速水流的沖擊碰撞、高溫沖擊和余氯的毒性。核電廠的溫排水、余氯和取水機械卷載效應對海洋環境[13]、海洋生物[14]，以及對魚卵、仔稚魚殺傷等[15]影響有不少的研究。取水過程中的機械卷載效應對生物損失的定量分析研究和探討已經引起部分學者的關注[16,17]。

《核動力廠取排水環境影響評價指南（試行）》（HJ 1037—2019）[18]中指出“對于新建的取水設施，應通過對比歷史數據、運行前的調查資料以及其他核動力廠的運行經驗，獲得可信的生物損失量估算。對于現有核動力廠，結合監測數據給出可信的取水造成的生物損失量，評價已發生的和可能的長期影響”。目前，核電廠建設及運行過程中上報政府主管部門的核電廠環境影響評價報告以及海域使用論證報告，涉及生物量損失的計算方法，均遵循《建設項目對海洋生物資源影響評價技術規程》（SC/T 9110—2007）[19]。

卷載效應引起的海洋生物量損失估算結果，是核電項目進行征海賠償計算的重要基礎性數據，有必要對其計算過程進行更為合理的優化以得到更為精準的數據。

目前核電廠海域使用論證中關于卷載效應的生物量損失的經典算法，參考執行SC/T 9110—2007，是按核電廠設計確定的平均負荷小時數，結合被卷載對象年平均密度進行估算。隨著核電廠所在海域生態調查數據量的增加，在海洋生物卷載損失量估算方法中引入時間變量，更為精細地考慮核電運行中規律性的換料大修時間和取水口所在海域海洋生物中被卷載對象的豐度季節分布特性，可以更加精細準確的估算卷載所導致的海洋生物損失量。本研究將針對此問題，基于核電廠取水口所在海域海洋生態調查所積累的基礎數據和目標電廠的運行換料大修的周期規律，對現有的卷載效應生物量損失計算方法進行改進，設定兩個典型算例，對比新的計算方法卷載效應引起的生物量損失估算結果。

1 海洋生物卷載機制

濱海核電廠三回路是以海水為介質，對二回路的剩余蒸汽和相關設備進行冷卻，帶走電站的棄熱。典型核電廠的三回路示意圖如圖1所示。

由圖1 可見，濱海核電廠三回路所用冷卻水取自鄰近海域，經過相關系統設備過濾阻攔（卷塞效應）后，作為最終冷源，經過泵站、管道、凝汽器換熱后返回大海。卷載效應所夾帶的生物體將在系統設備內經受生死考驗帶來數量上的銳減。核電廠的冷卻水過濾系統示意圖（見圖2）。卷載是冷卻水通過過濾系統之后發生在封閉系統內的過程，是本研究的關注問題。被卷載的生物體長或高度一般不大于濾網孔徑[20]。

如前文所述，海洋生物隨電廠抽取循環冷卻水而進入冷卻系統，并在其中受到熱、機械應力（含壓力變化）和氯化等化學因素影響而死亡的現象。這三個因素的作用強度并非均等的。

機械性損傷是三者中最經常和最主要的危害因素。主要指生物體與水泵內壁、管道和冷卻設備的表面摩擦撞擊，通過水泵時的高壓、擠壓和高壓水流剪切造成的形態結構變形損傷[20]。

冷凝系統需要大量的海水進行冷卻，冷卻水管中急劇溫升，對生物造成高溫沖擊，尤其是夏季高溫氣象條件下，本底溫度較高，疊加升溫沖擊，是海洋生物受害致死的主要因素。

化學因素指電廠為防止管道系統堵塞而人為投放殺蟲劑所產生的化學因素，一般是殺蟲劑使用期間才起作用。

在現有技術條件下，尚未對機械損傷、高溫沖擊以及化學因素等引起的生物體死亡率進行相關數據積累，但根據我國及國外核電站相關運行經驗，在卷載效應引起的海洋生物量損失分析計算當中，假定凡進入三回路系統設備的海洋生物體將無法生存，全部損失，具有較大的可信度，是對生物量損失較為合理的估算假設。

2 海洋生物量的時間分布

以某核電廠海域2016 年四個季度海洋生態調查數據為例，按照浮游植物、浮游動物、魚卵和仔稚魚分別描述海洋浮游生物量的時間分布特點。

2.1 浮游植物

2.1.1 種類組成

調查海區范圍內，四季共記錄浮游植物4個門類149 種，其中硅藻110 種，甲藻34 種，金藻2 種，藍藻3 種。硅藻門是浮游植物的主體，占總種數的73.3%。甲藻門次之，占總種數的22.82%。

冬季海區水溫低，為浮游植物繁殖的低谷期；春季夜光藻過度繁殖和浮游動物大量攝食，導致這兩個季度浮游植物種類最貧乏。夏季因暖水種和甲藻大幅增加，種類最為豐富。

四季常見的種類有星臍圓篩藻、中肋骨條藻、菱形海線藻、伏氏海毛藻和三角角藻，中肋骨條藻為最主要的優勢種，在冬、夏、秋3個季度均為第一優勢種。

2.1.2 細胞總密度分布

調查海區浮游植物細胞豐度4 個季度月平均376.52 × 104個/m3，季節變化幅度巨大，相差高達2 755 倍多。冬季海區水溫低，浮游植物豐度為年低谷，而春季因夜光藻和浮游動物的過度繁殖，也導致浮游植物豐度異常偏低，夏季為浮游植物豐度的年高峰。本海區浮游植物密度的平面分布趨勢除春季由優勢種夜光藻支配外，其它3 個季節均由優勢種中肋骨條藻所主導。

春季浮游植物細胞密度平均為510.64 × 102個/m3，變化范圍在54.54 × 102～2 546.11 × 102個/m3。 夏季浮游植物細胞密度平均為1 432.87 × 104個/m3，變化范圍在58.82 × 104～5 116.67 × 104個/m3。秋季浮游植物細胞密度平均為67.58 × 104個/m3，變化范圍在4.0 × 104～437.0 × 104個/m3。冬季浮游植物細胞密度平均為52.24 × 102個/m3，變化范圍在3.78 × 102～337.34 × 102個/m3。

2.2 浮游動物

2.2.1 種類組成調查海區范圍內，4 個季度共記錄浮游動物167 種。其中夏季出現種類較多為108 種，春季次之為80 種，冬季較少僅41 種。按類型來分以橈足類種類最多為88 種，其次是水母類39 種，其它依序為十足類8 種、端足類和腹足類各6 種，介形類5 種，枝角類和被囊類各4種，糠蝦類2 種，而多毛類和磷蝦類僅各1 種。此外，還記錄了21 類階段性浮游幼蟲。

2.2.2 數量和分布

四季調查浮游動物生物量均值為832.22 mg/m3，春季最高為1 525.57 mg/m3，夏季次之為 1 164.65 mg/m3，秋季最低僅為537.1 mg/m3，冬季為101.56 mg/m3。

2.3 魚卵和仔稚魚

2.3.1 種類組成

根據2016 年四個季度月調查所獲的魚卵和仔稚魚的樣品分析結果就顯示，本海區共出現魚卵和仔稚魚29 科40 屬56 種（含未定種）。種數上，以夏季種類最多，春季居次，秋季和冬季較少。種類上，以鯷科種類最多，其次為鰕虎魚科種類。

2.3.2 數量和分布

調查期間，魚卵數量低，平均四個季度月僅為20 個/1 000 m3，其中夏季（8 月）數量均值為69 個/1 000 m3，秋季（11 月）平均為11個/1 000 m3，冬季（1 月）和春季（4 月）魚卵均未檢測到。

數量上，以舌鰨和鮐魚數量較高，分別占魚卵總量的18%、小帶魚（7%）居次，大黃魚占5%。但不同季節優勢種的百分比組成有差異，除其它類外，如夏季以鮐魚、舌鰨和小帶魚所占比例較高，秋季則以大黃魚和舌鰨占主導地位，其它類別少見或未出現，可見本海區魚卵的主要種類有季節更替。

本調查仔稚魚略高于魚卵，四季平均數量為111 個/1 000 m3。其中最高值在夏季，為301個/1 000 m3，春季為96 個/1 000 m3居次，秋季和冬季較低，平均分別為25 個/1 000 m3和22個/1 000 m3。

各主要種類組成有明顯的季節更替，如冬季以褐鯧鮋占絕對主導地位，春季以鰕虎魚、小公魚、鯒和鱸魚為主，夏季以小公魚最占優勢，同時數量較可觀的還有鰕虎魚、鰻鰕虎魚小沙丁魚和美肩鰓鳚。秋季也以小公魚占絕對優勢，此外，大黃魚、棱鯷和銀鯧的所占的比例也較高。根據對以上某核電廠取水口海域的卷載效應生物量調查數據，可以得出以下結論。

（1）通過對浮游植物、浮游動物、魚卵和仔稚魚一個完整自然年的生物量跟蹤調查結果顯示出明顯的季節差異性。以浮游植物中細胞總密度數據為例，其季節引起的數量差異在2 700 余倍。

（2）對于卷載效應涉及的海域中，浮游植物，浮游動物、魚卵和仔稚魚的生物量，通過生態學調查能夠獲得季度生物量數據。

3 核電廠運行規律

核電廠處于功率運行階段，三回路必須運行；反之若處于停堆狀態則三回路停止運行，核電廠運行規律決定了三回路的運行時間。因此，卷載效應的生物損失量計算與核電廠的功率運行時間直接相關。

目前，我國在運壓水堆核電廠的運行規律根據堆芯設計的不同，主要分為年度換料和18個月換料。兩種運行規律的不同是根據堆芯燃料燃耗深度來確定的，其控制指標是等效滿功率運行天數即EFPD 值。EFPD 值（單位為天數）是折算為滿功率運行的等效自然日天數，與機組運行計劃以及電網調度等原因直接相關。在電廠不能滿功率運行時，電廠的實際運行日歷天數將會略大于EFPD 值。根據我國核電運行實踐，實際運行日歷天數可取為1.1倍的EFPD 值。

核電廠的大修通常與停堆換料同時進行，這樣可以使得電廠的大修不獨立占用工期，提高核電機組利用率從而提高核電廠的能力因子。大修包括換料大修和十年大修，換料大修又分為首次大修和常規換料大修。在具體工期方面，根據我國的核電運行實踐，首次大修工期約60 日歷天，常規大修30 日歷天，十年大修約60 日歷天。

執行年度換料策略的核電站 EFPD 值為275 天，實際運行天數約為其1.1 倍，取303 天，首個年度大修時間取60 日歷天，常規大修時間取30 日歷天。在本研究中，對卷吸效應的時間效應精度取到月份是相對較為便捷且也能夠體現出季節性差異的，因此，為方便計算，年度換料策略的換料周期取10 個日歷月，首次大修工期取2 個日歷月，常規大修取1 個日歷月。

執行18 個月換料策略的核電站EFPD 值為478 天，實際運行天數約為526 日歷天。首個年度大修時間60 日歷天，常規大修時間取30個日歷天。值得注意的是，實施18 個月換料策略的核電機組其首爐換料時間仍為年度換料，此后的各換料周期為18 個月。即首爐換料時間周期取EPFD 275 天（303 個日歷日），之后的換料周期恢復為EFPD 478 天（526 個日歷日）。同上，在本項評估算法中，換料周期取18 個日歷月，首次大修與常規大修歷時分別取2 個日歷月與1 個日歷月。

關于十年大修的執行頻率，并非嚴格意義上的十年，而是以燃料循環周期次數來確定的對于年度換料策略的機組，每10 個燃料循環周期后執行十年大修；對于18 個月換料策略的機組，每6 個燃料循環末期即開始十年大修。

核電廠大修期間即非運行期，是不需要取用循環冷卻水的，在此期間核電廠不會造成海洋生物卷載的損失。根據上述核電廠的運行規律分析，可以設置機組投運時間，推算出整個運行壽期內功率運行的時間及季節分布與不取水的大修時間及其季節分布。

以18 個月換料策略的核電廠為例作為算例，假定有兩座投運時間不同的核電廠，其投運時間分別假定如下：

假定情形一：投運時間為某年1 月1 日；

假定情形二：投運時間為某年7 月1 日。

基于前述經規范簡化的核電廠運行規律進行推演，經統計后的情形一和情形二的非運行時間如表1 所示。

表1 核電廠大修的季度占比（日歷月數量）Table 1 Quarterly percentage of nuclear power plant overhauls(number of calendar months)

4 海洋生物卷載損失分析

4.1 基本假設

基于運行經驗，以卷載效應進入管道系統海洋浮游生物將在三回路系統內全部損失，作為卷載損失分析的基本假設之一。

其次，損失分析中以某核電廠雙機組海水取水量作為取水量常數，取值為123 m3/s。

4.2 經典算法

電廠取、排水卷載效應的魚卵、仔稚魚、幼魚損害評估按下面公式計算[19]：

式中：Wi——第i種類生物資源年損失量，尾；

Di——評估區域第i種類生物資源平均分布密度，尾/m3；

Q——電廠年取水總量，m3；

Pi—— 第i種類生物資源全年出現的天數占全年的比率，%。

根據前述假設，對某核電廠進行估算如下。海水用水量約123 m3/s，電廠全年運行時間為7 000 h，按現場調查結果，浮游植物四季細胞平均豐度為376.52 × 104個/m3。浮游動物四季平均總濕重生物量為832.22 mg/m3。

以進入管道系統浮游生物全部被殺傷，則造成損失的浮游植物細胞為1.08 × 1015個/a，浮游動物總濕重生物量約為2 582.6 t/a。

根據漁業調查結果，附近海域魚卵數量低，平均四個季度月為2.0 個/100 m3；仔稚魚年平均密度約為111 尾/1 000 m3。1、2 號機組海水用水量約123 m3/s 算，則2 臺機組運行期卷吸效應每年對魚卵、仔稚魚造成的損失量分別約為魚卵損失約為6.20 × 107粒，仔稚魚損失為3.44 × 108尾。計算結果如表2 所示。

表2 核電廠全壽期范圍內取水卷載效應引起的生物損失量Table 2 The biomass loss caused by the entrainment effect of water intake during the whole life of nuclear power plant

4.3 基于運行規律的卷載損失分析方法

基于運行規律，對卷載效應產生的生物量損失按式（2）計算。

式中：W——第i種生物在核電廠全壽期內的損失量；

Di，j——第i種生物在第j個季節的生物豐度；

Mj——第j個季節在核電廠全壽期內的總月數；

C——核電廠功率運行期間的取水速率，取常數123 m3/s；

T——時間換算系數，取30 × 24 × 3 600。

基于運行規律的卷載損失分析新算法，考慮了核電廠運行規律所帶來的非工作時間與一年四季中取水口所在海域海洋生物量季節差異的耦合效應。按第3 節給出的兩組假定數據，分別計算卷載損失的生物量，并與經典算法的計算結果做比較。

4.4 比較分析

對比表2、表3 計算結果，并將對比結果分類匯總如表4 所示。

表3 運行情形一之下取水卷載效應引起的生物損失量計算Table 3 Calculation of the biomass loss caused by the entrainment effect of water intake in operation case 1

續表

表4 全壽期內生物損失量對比表Table 4 Comparison of the biomass loss in the whole life

根據表4 可知：按照新的算法，在考慮了生物量季節分布的影響之后，各類海洋生物損失量的計算結果相較于經典算法均有所降低。

5 結論和建議

5.1 結論

（1） 核電廠功率運行期間連續運行的取水系統產生的卷載效應將對浮游生物產生損傷，降低海洋初、次級生產力，從而影響漁業資源。作為海洋漁業資源補償計算的重要依據，盡可能準確、客觀地計算核電廠運行對所在海域海洋生物損失量具有十分重要的現實意義。

（2） 現行基于卷載效應海洋生物損失量的計算方法，沒有考慮生物量的季節分布以及核電廠實際功率運行時間對生物量損失的影響。改進算法在考慮這兩個因素的結果后，兩種情形下所有生物損失量均小于經典算法。此外，情形一的計算結果比情形二的結果略小。

（3） 改進生物損失量估算方法，可以給出更為準確合理的海洋生物損失量估算結果，給出的卷載效應生物損失量更為準確可靠。

（4） 核電廠所在海域生物量隨季節的變化具有地域性，不同海域的海洋生物量隨季節分布亦會有所差異，因此改進生物損失量估算方法的實際應用中，需基于目標海域的海洋調查工作所總結得出的生物量與季節的變化關系開展相關工作。

5.2 建議

（1） 卷載效應引起的海洋生物損失量估算，極大的依賴于取水口鄰近海域海洋生態調查數據的準確性和精細度。由于可卷載海洋生物在時空布上的巨大差異，如果未來可以更精確到取水口門處給出單獨的月度平均值，則計算結果會更加準確。

（2） 核電廠的全壽期范圍內，海洋生物種類和數量有可能會發生很大的變化，電廠定期開展海洋生物的調查，生物損失量應根據電廠最新的調查數據更新計算。

（3） 目前，海域使用論證中關于海洋生物損失量的計算，均是電廠仍處于可行性研究階段開展的。電廠實際運行后，可結合運行電廠的若干個燃料循環以及不同功率下的冷卻水量、機組發電量（能力因子）、大修安排等實際情況更為優化地開展海洋生物損失量的計算。

（4） 卷載效應的數值模擬分析以及海洋生物量損失量的實測等研究可以在后續工作中加以考慮。

（5） 我國核電工業正在積極研發海洋生物回收遣返技術，隨著濾網系統的改進，不但能夠清理網面雜物、而且可將網前生物（魚、蝦等）收集并遣返至原水體。隨著這類可以減少卷載效應的海洋生物回收遣返技術的進展，海洋生物損失量算法中可引入這部分的因素對算法進一步優化。