濱海核電取水工程魚類回收遣返技術調研及分析

曹冉冉

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

為應對全球氣候變暖，減少碳排放已成為世界各國的共識。核能發電幾乎不產生二氧化碳等溫室氣體，具有清潔低碳優勢。因此，核電將在實現碳中和過程中發揮重要作用。截至2022 年12 月，中國在運核電機組數量僅次于美國和法國，位居世界第三位，是名副其實的世界核電大國。核電機組的安全穩定運行是其發展的根本。但是，近年來，我國濱海核電廠冷卻水取水堵塞事件時有發生，這可能會導致核電機組降功率乃至停堆，嚴重時甚至可能會對最終熱阱的可用性構成威脅，因此核電取水堵塞事件引起了政府監管部門、核電運營方和相關從業人員的高度關注。

另外，核電取水可能在一定程度上會造成魚類等海洋生物的損失[1]。國家對海洋生態環境保護越來越重視，因此對核電取水的環境友好性提出了更高的要求。2019 年生態環境部頒布了《核動力廠取排水環境影響評價指南》（HJ 1037-2019），對核電取水的生態影響提出了明確的要求，在選址、建造、設計階段，取水設施應考慮構建魚類回流通道等；在運行階段，需開展長期的取水卷塞和卷載影響調查，包括取水運行后局部海域魚類死亡量等，并根據調查結果提出相應的補救方案或改進措施。魚類是海洋生物中非常重要的存在，在海洋生態系統中具有調控作用。魚類對核電取水的潛在負面影響以及核電取水對魚類的影響均不容忽視，急需有關工程技術提高核電取水的安全性和環境友好性。

為了降低取水和魚類的相互影響而采取的措施即是魚類回收遣返技術，研究圍繞國內外火/核電廠魚類回收遣返技術研究現狀、工程應用情況及可能存在問題等開展調研分析，并且還調研了其他水利水電工程中魚類收集和保護技術，如魚道工程、集誘魚技術等。基于以上調研結果，為我國核電取水系統魚類回收遣返技術的研發，且為進一步響應和落實核電取水最佳實踐技術提供支撐。

1 魚類回收遣返技術現狀

目前，在我國，濱海核電取水對魚類等水生生物及生態環境的影響正在逐步受到重視，但是在取水口的設計或海水過濾系統的設計中均缺乏對魚類資源保護的相關考慮或措施。在國外部分核電廠中，魚類回收遣返技術有一定的應用，主要以被動型技術為主。在內陸河流的水利工程中，主要應用的是主動型技術。下文將“魚類回收遣返技術”分為“被動型魚類回收遣返技術”及“主動型魚類回收遣返技術”進行其技術特點、技術構成及其應用情況的闡述。

1.1 被動型魚類回收遣返技術

目前，國外部分核電廠濾網卷塞的魚類等海洋生物主要進行被動收集，美國、英國及加拿大的多個電廠應用了魚類回收遣返技術，部分核電廠采用魚類回收遣返技術后，對減小核電取水卷塞、恢復魚類資源具有一定的促進作用。

1.1.1 魚類回流系統

目前較為主流的魚類回流系統是通過改造目前的旋轉濾網等攔污設施實現，如改造后的濾網與傳統濾網相比，主要區別在于可對攔截的海生物和雜物進行收集，主要是通過高低壓結合的清洗系統將取水系統中過濾網上攔截的魚類反沖洗回集魚槽等收集魚類的系統中，進而將魚類等海生物運送回原水體中。魚類回流系統低壓清洗將過濾網上卷載的魚類等水生生物送至由管道構建的魚類回流系統，高壓清洗將黏附于過濾網上的殘渣、碎片等送回水體或收集后異地處置。

美國采用魚類回流系統的核電廠有：Pilgrim核電廠、Millstone 核電廠、Indian Point 核電廠、Oyster Creek 核電廠、Salem 核電廠、Calvert Cliffs 核電廠、Surry 核電廠、Brunswick 核電廠、South Texas Project 核電廠。各電廠采用的魚類回流系統原理一致，均采用反沖洗裝置將過濾網面上卷載的魚類等生物洗脫至魚類回流系統，通過管道、明渠、槽室結構將魚類收集暫存或直接輸送返回至海域或指定區域。

德國西門子公司研發了以雙進單出帶形濾網為基礎的魚類回流系統，該濾網水流從兩側流入，經過篩網后從下游濾網流出，移動條形帶將粘在篩網的雜物向上攜帶至上部，經過反向沖洗，雜物和海生物被沖刷進入中間的收集斗或者生物庇護區中，再將雜物和魚類通過升降機提升到指定夾板水位時，先采用低壓反向水流將魚類反沖釋放至指定水槽，然后繼續提升將雜物用高壓反沖至斗內。

英國部分地區要求電廠取水過程中對鰻魚進行保護，因此大多數核電廠安裝了改進的鼓型濾網或板框濾網，并且為了提升卷塞魚類的存活率，改進鼓網的魚類收集裝置的材質主要考慮生物友好型材料[2]。

1.1.2 魚類逃逸通道

魚類逃逸通道是指在取水設施前端或某處設置一定寬度的通道，使得魚類在進入陸域過濾系統前有一定逃逸途徑。如美國Diablo Canyon 核電廠在取水設施前端設置了2.7m 寬格柵灣提供取水卷塞魚類逃逸，該電廠取水運行對魚類影響小；美國Pilgrim 核電廠在取水設施前端設置了撇渣墻用以去除漂浮物，撇渣墻處以及取水結構每個端處均設置了6-12 個孔徑為0.25m的圓形開口以供魚類通過該孔逃離取水系統，管道中存在一定流速，約為0.046m/s，運行觀測結果表明，該裝置是有效的。

1.1.3 改進型雷氏濾網

美國部分核電廠推行使用改進型雷氏濾網，其通常安裝在粗細細格柵之后。其包括一系列連續旋轉面板，當每個面板旋轉出取水時，卷塞的魚被保留在面板底部充水的籃中，并在通過軸時，使用設備背面的低壓噴頭將魚沖出進入光滑網格，使魚進入魚回流管道，而后使用設備前面的兩個高壓噴頭去除碎片。魚回流通道是直徑為30cm 管道，魚通過回流管道或排放渠排放到海洋或河流中。

Indian Point 核電廠、Surry 核電廠、Salem 核電廠和Pilgrim 核電廠采用了該濾網。采用后取水監測結果表明，Surry 核電廠取水運行對環境影響小；在Salem核電廠，改進型雷氏濾網的采用使得濾網攔截到的約94%的卷塞魚類在返回至詹姆士河后可以存活。

1.2 主動型魚類回收遣返技術

主動型魚類回收遣返技術主要是目前河道中采用的過魚設施，過魚設施主要包括魚道、升魚機、魚閘等。研究主要集中于水利工程中低水頭差的魚道類過魚設施。魚道是魚類能通過水利樞紐等溯河障礙物的重要通路，作為一種重要的生態保護工程，對保護魚類資源、恢復河流生態系統功能具有重要意義。

1.2.1 魚道的類型和特點

魚道按其結構型式及水力特征可分為近自然型魚道（仿自然魚道）、槽式魚道（包括簡單槽式魚道和丹尼爾式魚道）、隔板式魚道（包括溢流堰式、淹沒孔式、豎縫式和組合式）等[3]。各種型式的魚道主要特點如下：

1.近自然型魚道。近自然型魚道是目前國際上十分流行的魚道布置型式，其典型特點是基本沒有池室和阻水設施，主要通過緩坡設計，利用漂石與天然河床砂質構建，盡可能接近天然河道的水流流態[4]。其不足是適用水頭范圍較小，要求有合適的地形。

2.槽式魚道。前期的槽式魚道是一條連接上下游的水槽，不設有任何消能設施，此類型魚道長度大，坡度緩，運用水位差較小，只能用于水頭小且目標魚種游泳能力強的情況[5]。后期槽式魚道的發展主要為丹尼爾式魚道，在池室中設立間距相等的擋板和底坎，水流通過時形成反向水流沖擊主流，增加紊動以降低流速。其特點是寬度小、坡度陡、長度短，因而投資相對于隔板式魚道較少。魚類可在池室的任何水深中通過，上溯途徑不彎曲，過魚速率快，魚道流量較大[6]。丹尼爾式魚道的缺點是流態較差、水流紊動嚴重以及對上游水位的變化比較敏感。此外，由于隔板會截留漂浮和半浸沒的垃圾，丹尼爾式魚道的維護也比較困難。

3.隔板式魚道。隔板式魚道是利用隔板將魚道上下游的總水位差分成許多梯級，并利用水流對沖、水墊及沿程摩阻來消能，以達到改善流態、降低過魚孔流速的要求。按隔板過魚孔的形狀及位置，可將隔板式魚道分為溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式和組合式四種。目前應用較為廣泛的隔板式魚道為豎縫式魚道。豎縫式魚道的過魚孔是從上到下的一條豎縫，利用兩側隔板擋住水流，促使水流從豎縫下泄。該隔板又可分為不帶導板的一般豎縫式和帶導板的豎縫式（導豎式）兩種。導豎式又可分為雙側和單側兩種。這種型式的魚道能適應較大的水位變化，能適應多種不同水層的魚類洄游。

綜上所述，不同型式的魚道具有不同的水流特征，適合的目標魚種也各不相同。在進行魚道設計時，應綜合所保護魚類的生活習性、攔河建筑物的種類和規模以及當地地形條件等實際因素選擇合適的魚道類型。

1.2.2 集誘魚技術

為增加魚道進口的進魚效果，可利用魚類對水流、光、聲、色、氣等誘魚技術的生理反應，引誘魚類聚集至魚道進口附近，再通過魚道下泄水流導引下進入魚道進口。

1.水流誘魚技術。在工程實踐中，最常見的集魚技術是水流誘魚。北京上莊新閘魚道和老龍口水利樞紐都在集魚系統進口處設置了噴射水流[7]，以此增加進口的吸引力，達到誘魚目的。目前，雖然已經意識到魚道進口水流對于誘魚、集魚具有重要作用。但是對于誘魚水流的研究還是十分不足，研究成果仍以工程實踐和經驗性結論為主，理論成果很少。此外，聲、光等魚類誘捕技術在漁業領域已經表現出良好的效果，將這些誘魚技術移植到魚道進口，也能提高魚道過魚效率。

2.聲誘魚技術。魚類可能會對某一頻率段的聲波比較敏感，適宜的聲音對魚類有一定的誘導作用。從魚類對聲響的行為反應來看，主要分為以下三類[8]：正反應，即游向聲源；負反應，即游向背離聲源的方向；無動于衷或起初有所反應但很快適應后無反應。根據魚類對聲響的反應，可以水下播放人工聲響來誘集魚群，誘魚音源通常為錄制或模擬的魚群游泳聲、攝食聲，如漁民在捕撈金槍魚時，通過播放沙丁魚的錄音，引誘金槍魚來追食，再用漁輪圍捕金槍魚。

3.光誘魚技術。據報道，不同種類、不同階段的魚對于光照會呈現不同的行為反應，大致可分成三種類型：趨光行為、避光行為、無反應。由于部分魚類具有較強的趨光反應，可以通過光來引誘魚群到某特定地點。影響光誘集魚效果的主要因素包括光源強度、燈光顏色、燈具的配置等[9]。因此，要獲得理想的光誘效果，需要探明不同魚種及其生理發育階段所喜好的光色和光強。此外，聲光相結合的魚類誘捕方法也正逐步得到應用。

2 結論與展望

通過調研了核電廠的魚類回收遣返技術研究及應用現狀，以及水利工程過魚設施和集誘魚設施的研究及應用現狀，主要結論如下：

1.現階段，我國在運核電廠取水設施尚未設置魚類回收遣返設施，相關技術的研究也處于起步階段。

2.國外核電廠研究和應用較多的主要為“被動型魚類回收遣返技術”，包括：魚類回流系統、魚類逃逸通道、改進型雷氏濾網等。魚類回流系統通常在濾網基礎上優化改進，增加魚類收集功能。電廠長期運行監測結果表明，魚類回收遣返技術可以在一定程度上減少取水卷塞魚類的死亡率。

3.水利工程中的魚道等過魚設施主要為“主動型魚類回收遣返技術”，其設計和研究充分考慮了魚類的習性及其游泳能力，關鍵水力參數包括：魚道進口設計流速、池室內主流分布形態等。此外，魚道的選型、進口、槽室及出口的設置均與過魚目標的洄游習性、棲息水層、適宜水深等密切相關。

4.集誘魚技術可作為核電魚類回流系統構建的技術儲備，其對魚類的引導主要是基于魚類對相應刺激的生理行為應激反應。

5.未來，建議我國核電廠借鑒水利工程中過魚、集誘魚設施技術，針對核電取水明渠型式，深入開展明渠內部基于魚類行為或生理趨性（趨流性、趨光性等）的魚類回流技術研究，探索可使魚類主動回避取水口或使其主動或被動回溯至外部海域的魚類回流系統，以降低取水堵塞風險、提高取水的環境友好性。

核電取水設施的環境友好性是國家生態文明建設的一部分，降低核電取水卷載和卷塞效應更是需要取水設施的持續優化。從核電安全生態運行的層面出發，明晰核電運行的生態環境效應，保護魚類資源任重而道遠。