基于声学方法的核电厂取水口冷源生物量监测

王梓 付媛媛

（大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116021）

核电厂循环冷却水系统(ccw)，以及其他重要设备等冷却供水均依赖核电厂取水口。取水口的运行状态直接影响电厂的安全稳定运行。根据美国核电运行研究所（INPO）数据统计，在2004 年至2008 年间全球核电厂发生取水口堵塞事件达61 起。其中近80%的事件导致机组降功率或者停堆，超过20%的事件直接对核电厂安全相关系统造成影响，而外来冷源生物入侵是造成取水口堵塞的主要原因[1]。国内的滨海核电厂的冷源至灾生物主要包括各类水母、毛虾、大型海藻等，其中，水母爆发所带来的影响尤为恶劣。红沿河核电厂地处渤海湾东南侧海滨，取水口海域的海流主要受南北往复潮流影响，夏季水母的爆发会对取水口产生较强冲击。现有的拦截网和渔船网具打捞方式虽有一定效果，但在恶劣海况条件下无法进行人工打捞和清网作业时，缺乏可靠的监测方法，无法选择积极有效的应对措施，威胁电厂的安全运行。

在水母的监测工作中，受限于观测和采样技术，传统大型水母的监测工作主要依靠网具监测方法[2-5]和目视观测方法[6-7]，通过网具捕捞或目视观测的结果对水母分布及资源变动进行研究，这种方法的优点是采样方法统一，便于操作，可以直观的反映出大型水母的平面分布特征，而缺点是对水母在水下的游泳、集群、垂直移动规律缺乏更加直观的判断和分析数据[8]。

近年来，随着海洋监测技术的多样化发展，水下声学、水下光学和航空摄影技术等也已经开始应用到水母的监测调查中[9]。在水下光学技术领域，Davis 等研制的水下浮游生物视频记录系统（Video Plankton Recorder， VPR），利用前向散射光对浮游动物成像，能够监测尺寸在0.2-20mm 之间的浮游动物，如水螅虫、水母等[10-11]；Graham 等开发了水母摄像系统，实现了在水下对水母的原位光学监测[12]；于连生等利用“全自动数字显微成像仪”实现现场浮游动物图像的自动拍摄[13]。但水下光学摄像技术存在视野有限的缺点，且对水体透明度要求较高。在航空摄影技术领域，Houghto 等用航空摄影技术监测了南爱尔兰海域的3种大型水母这些水母体型较大（直径大于1m），具有不同的颜色且不透明，可以在低空（152m）通过肉眼直接辨认[14]。与水下光学技术相比，航空影像技术的水平监测范围较大，但仅能监测表层或近表层水体，适用于监测大型水母的分布状况及运动行为等。

而随着水下声学技术的不断发展和完善，声学监测作为一种切实有效的探测方法，有着探测范围广、能够在浑浊或昏暗水体中进行探测等优点。Kang 等使用科学鱼探仪（38 kHz 和120 kHz）在网箱内对韩国水域内的沙蜇进行了目标强度的测定，建立了单体沙蜇伞径与目标强度之间的模型关系，发现在两种探测频率下沙蜇的目标强度随着伞径增加呈线性增长，与沙蜇共生的水母虾对沙蜇声学目标强度的影响较小可以忽略不计，并建议这些测定的结果可以应用到大型水母声学调查中来评估沙蜇的分布和生物量[15]。2019 年Yoon 等利用频差（38kHz 和120kHz）方法对韩国水域的水母进行了声学识别分类和资源评估[16]。

因此，本研究设计开发冷源生物（水母）声学监测系统，对进入拦截网海域的水母等冷源生物进行实时监测，测量冷源密度并计算其通量，把握取水口海域的冷源生物量变化情况。

1 材料与方法

1.1 监测位置及声呐

如图1 所示，红沿河核电厂取水口共设置5 道拦截网，最外侧的拦截网使用浮筒和锚块固定无法满足设置声呐的条件。因此本研究声呐监测点选择取外侧第2 道拦截网前的南侧第1 个沉箱（4 号沉箱），采用岸基监测方法，将分裂波束科学探鱼仪（EK60 型，70kHz，Simrad，挪威）的换能器进行固定和安装，安装位置及波束的方向如图1 所示。科学探鱼与的收发机（GPT）被安装在沉箱平台上的设置的配电柜内，信号通过光缆传回岸端的控制室，对科学探鱼仪进行远程操控。设置的主要参数为：发射功率700W、收发周期1s、脉冲宽度0.512ms。

图1 红沿河核电厂取水口及声呐的监测位置

1.2 声呐监测系统构成

声呐监测系统主要分为两部分，包括前端设备单元、岸基控制处理单元。其中前端设备单元位于沉箱上，主要负责数据的采集，包括科学探鱼仪系统、水上摄像机和多功能气象仪等；岸基控制处理单元，主要包括工控机和服务器，在工控机进行数据采集和保存，并将采集的数据通过网络传输至服务器保存和处理。

1.3 声呐换能器设置

科学探鱼仪的换能器安装在设计开发的专用支架上，固定在4 号沉箱外侧，并连接在设置于沉箱上的配电箱内，与收发机（GPT）连接。基于现场情况专门设计声呐换能器支架，该支架可手动调整换能器的水平方位角和垂直倾角，换能器的面对方向（即波束方向）设置成与取水口断面方向垂直，设置深度为最大低潮位以下的0.5m 深。声呐的监测区域为取水口前100m 左右的波束（波束角7°）覆盖范围（受潮位差限制）。现场根据声呐的回波映像图进行换能器方位和倾角的调整，确定为水平方向西北278°，该方向处于水母的流入取水口方向；垂直倾角向上1.2°， 经回波映像图确认，监测有效距离为60m。

图2 声呐定点监测系统的回波映像图

1.4 水上摄像机及气象监测

由于拦网区域在声呐波束前端有清网船只经过，清网船只的尾流气泡会形成较强的干扰回波。因此设置一个水上摄像机，对清网船只的经过进行实时监测，同时也可以实施监测海况情况，为回波识别提供信息。在沉箱上设置多功能气象监测站，实施提供风速、风向、气温、湿度等气象信息。

1.5 岸基控制

设在岸基监控室的工控机通过光电复合缆连接，可以实时控制和显示声呐及摄像机的工作情况，并进行数据存储。其中声学监测使用ER60 软件进行实时监测，水上摄像机使用配套软件进行实时监测。监测数据通过外网传输至服务器进行数据保存与计算。

1.6 声呐监测及数据处理

2019 年5 月25 日安装完成开始监测。对流入取水口的水母等冷源生物进行实时监测。声学数据使用专用软件Echoview4，剔除高海况的气泡回波、过往船只尾流气泡回波后，进行体积散射强度（Volume backscattering strength，简称SV）的积分处理，和单体目标检测。单体目标检测范围在有效声学探测距离内进行（1m-60m），检测最小阈值-80dB，对单体目标的TS 进行日加权平均处理。在此基础上获得SV 和TS 的日平均值，计算通过声呐波束水母等冷源生物的日平均密度：

＜n＞=＜Sv＞/＜σbs＞

其中，Sv 为反向体积散射系数（单位m2/m3），与SV（单位dB）的关系为：

SV=10lgSv

σbs 为反向散射截面（单位m2），与TS（单位dB）的关系为：TS=10lgσbs

在此基础上，推算通过声呐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 是流速与取水口断面的夹角。通量的单位为ind/(s·m2)。

1.7水母的清网量

水母的清网量数据由核电厂取水口清网日报中获得，为每天拦污清理工作人员在不同拦截网清理水母及其他杂物等重量。由于取水口拦截网的清理工作受海况与人工因素影响，故以周为单位进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 声呐监测结果

2.2 取水口流速

取水口流速数据根据红沿河核电厂以往的实测值，大潮时流速均值为0.5m/s；中潮时流速均值为0.26m/s；小潮时流速均值为0.01m/s。

2.3 平均SV 与平均TS

2019 年6 月-7 月监测期间的每日平均SV 和TS 统计结果如图3 所示，最大SV 值在6 月8 日，为-62.5 dB；最小值在7月20 日，为-76.3 dB；平均目标强度的最大值在6 月6 日，为-37.2±19.1 dB，单体目标检测并可跟踪个数为3562 个；最小值为6 月22 日，为-81.1±3.1 dB，单体目标检测并可以跟踪个数为44 个。

图3 红沿河核电厂取水口2019 年6、7 月份每日平均体积散射强度和目标强度

2.4 水母的通量

根据公式（4）计算了6 月至7 月的每日平均通量，结果如图4 所示。在6 月20 日、22 日和7 月5 日出现较大峰值，分别达到1.97ind/(s·m2)、5.36ind/(s·m2)、3.62ind/(s·m2)。最大值在6.22 日，平均通量为5.36ind/ (s·m2)；最小值在6.5 日，平均通量为1.2x10-5ind/(s·m2)。可以发现取水口海域水母生物量从六月初开始持续增加，在七月相对趋于稳定。

图4 红沿河核电厂取水口2019 年6、7 月水母通量

3 讨论

本研究针对滨海核电厂冷源生物爆发，开发基于分裂波束科学探鱼仪（EY60 型）的声呐岸基监测系统，根据在红沿河核电厂取水口的2 个月实验监测结果，系统具有较好的监测功能和实际应用前景，具体讨论如下：

3.1 声呐的水平波束使用

分裂波束科学探鱼仪是一款具有渔业资源声学调查评估的专业仪器设备，具有较窄的7°半功率波束角，且一般是波束垂直向下进行鱼类等的探测使用。由于滨海核电厂的取水口水设计水深一般较浅（10m 左右），为提高冷源生物的声学采样体积，本研采用水平方向波束的探测模式，有效探测范围超过60m。但是由于波束的水平使用会产生冷源生物目标强度的水平方向性差异问题，姿态平均目标强度的空间统计需要在3 维坐标系考虑，该方面的研究需要结合冷源生物的类型和取水口流场变动等因素今后开展更为细致的研究。

3.2 取水口的流速

本研究主要使用水母的资源平均通量参数来进行冷源生物量变化趋势的分析，因此取水口的流速参量也是监测的重要指标之一。由于红沿河核电厂取水口流速主要受潮汐和风速风向影响，取水口的动态流速信息也需要把握。本研究中使用的流速参量是根据往年的实测值推定的大、中、小潮平均流速值，与每日的实际情况仍存在一些偏差，需要在以后的监测工作中进一步完善。

3.3 声呐监测系统

本研究中设计开发的声学监测系统，虽然基本满足了红沿河核电厂的冷源生物监测要求，但也存在若干需要改进的问题，主要包括：

3.3.1 声呐换能器姿态的远程控制问题

由于取水口的海况、风雨、过往船只等产生的表层气泡会对监测区域产生较大影响，在未来的研究中，可在换能器支架上增加步进电机，实现换能器姿态角的远程遥控。

3.3.2 换能器维护

在夏季长时间的监测过程中，污损生物会附着于换能器上，影响声学探测准确度，需要潜水员进行定期清理维护。