海阳滨海核电取水口卷塞生物量及其与相关因子关系研究

张 敏，高紫薇，尹晓斐，翟绪辉，刘长东

（1.海阳市海洋与渔业综合服务中心，山东烟台 265100；2.海阳市龙山海洋与渔业工作站，山东烟台 265100；3.自然资源部第一海洋研究所，山东青岛 266061；4.中国海洋大学水产学院，山东青岛 266003）

“碳中和”背景下，核能作为一种高效安全的清洁能源，在节能减排、稳定电力供应方面有着举足轻重的作用。2022年中国核电以占比2.22%的发电装机容量贡献了4.72%的发电量，核电发电相当于减少燃烧标准煤近1.2×108t，减少排放二氧化碳近3.1×108t［1］，促进了中国“碳中和”目标的实现。据国际原子能机构报告［2］显示，2021年全球范围内有超过36%的新增电力来自亚洲，并且仍在持续增长。截至2022年9月，中国运行核电机组共54台，广泛分布在中国沿海发达地区，满足了社会发展的能源需求［3］。随着核电产业的快速发展，冷却水取水量不断加大，因此，核电设施对生态环境造成的负面影响日益受到关注。

较大体积的固体碎片、水生生物（鱼类、虾类、蟹类、头足类和水母等）在取水过程中被拦截网等过滤装置拦截，受到物理损伤，同时游泳能力较弱的生物被困在拦截装置中，造成生物损伤和死亡，被称为卷塞（亦称“撞击”）［4－6］。同时，由于大量水生生物卷塞，可能导致取水口处滤网大规模的堵塞，威胁生产安全的现象，称为取水堵塞。目前，生物卷塞现象已经成为滨海核电站取水过程中产生的主要生态问题之一［7］，而中国关于取水口生物卷塞现象研究较少，卷塞生物数据也十分匮乏［8］。

考虑到卷塞的生态危害与生物堵塞风险，分析卷塞现象成因和影响因素是降低卷塞生物损失的关键。卷塞生物具有区域性特点，不同地理位置、时间、水质、生物分布情况、海洋自然环境等因素造成卷塞生物种类及卷塞程度有着明显差异。为识别影响因素中的显著因素，KING等［9］收集了俄亥俄河15座发电厂的长期卷塞监测数据，分析了影响生物卷塞的因素，发现水温是影响生物卷塞的显著因素；SHEPHERD等［10］进一步探究了水质、时间和操作因素与生物卷塞的关系，以卷塞生物丰度为响应变量进行了多元回归分析，发现水质和时间是影响卷塞生物丰度的重要因素；近年来，一些学者考虑了卷塞生物的生物特征、生态系统等多方面因素，其中BARATH等［11］研究了海洋生物在热带原子能发电厂冷却水系统中的撞击，分析了在不同月份、昼夜、高潮与低潮的卷塞差异。已有的研究结果表明：时间、水质和潮汐是影响卷塞生物量变化的主要因子。

本研究基于2021年3月—2022年2月海阳滨海核电站取水口生物卷塞调查数据，结合海阳核电取水情况、自然环境状况，评估海阳滨海核电进水口卷塞现象造成的生物损失，并识别致灾风险生物；构建广义加性模型建立卷塞生物量与时间、水质和潮汐等因子关系，识别引起生物卷塞的显著因子。研究结果对指导海阳滨海核电站进水口生物卷塞管理及促进核电安全生产和生态保护措施的有效实施具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 海阳核电概况

海阳滨海核电站位于中国山东省海阳市的东南部，三面环海，处于岬角东端。该核电站地处温带地区，属温带海洋性气候，年平均气温12.3℃，降水充沛，气候湿润。海阳核电站计划建设6台百万千瓦级核电机组，以满足周边地区工业生产和生活用电需求。目前海阳核电站已完成一期工程（1、2号机组）2台Advanced Passive 1000（AP 1000）发电机组的建设，每台AP 1000机组的额定装机容量为1 253 MWe，2台机组均已装料运行，投入商业使用。卷塞位置为海阳滨海核电站1、2号机组进水口处，1、2号机组冷却系统采用直流冷却水系统（once-through cooling water system），使用6台抽水流量为21.67～24.92 m3·s－1的循环水泵抽取海水来冷却反应堆，每台机组对应3台循环水泵。目前已投入使用的1、2号机组冷却系统取水量在12月至3月为102 m3·s－1，其他时间（4月至11月）取水量为132 m3·s－1。

1.2 采样点设置及样品采集

卷塞生物样品采集根据《核动力厂取排水环境影响评价指南（试行）》（HJ 1037-2019）要求进行，卷塞采样点位于取水泵房的取水鼓型滤网前，于鼓型滤网反冲洗泄水道末端的收集篮中收集样品。从2021年3月至2022年2月，连续采样12个月，每月选择一天进行间隔4 h的6次采样，记录采样开始、结束时间和持续时间，卷塞样品全部采集。采样一年获得12月×6次（采样时间段）共计72个卷塞生物样本。卷塞样品装袋冷冻后，运至实验室进行鉴定，每个物种的前30个个体测量体长（mm）和体质量（g），其余个体统计总数量和总湿质量。

式（3）中，Y为响应变量；g为连接函数；xi为第i个解释变量，s为样条函数，当样条函数的自由度为1时，非线性关系变为线性关系；ε为残差项，假定服从N（0，σ2）的正态分布。

1.3 卷塞种类优势度计算

为确定卷塞过程中的物种相对重要性，计算每个物种在卷塞过程中的优势度，采用Pinkas相对重要性指数IRI来衡量：

式（1）中，IRI代表某一种类的相对重要性指数；N代表某一种类尾数占总尾数的比重；W代表某一种类质量占总质量的比重，F代表某一种类在各样本中出现的频率；IRI值大于1 000的种类为优势种，IRI值在10～1 000的种为重要种，IRI值小于10为稀有种。

1.4 年度生物损失评估

由于每月选择一天进行全天6次采样，故通过每天的总卷塞生物量和总取水量，可计算单位取水量的卷塞生物量，即卷塞率（Pi），本研究计算每抽取1×106m3海水的卷塞生物数量［尾·（1×106m3）－1］或生物量［g·（1×106m3）－1］。通过Pi和每月的总取水量可计算每月的卷塞生物损失量，12个月卷塞生物量求和后可计算年生物损失量，计算公式为：

式（2）中，Pi代表第i月的生物卷塞率；Qi代表卷塞死亡率，本调查发现卷塞生物主要为生物幼体，并全部死亡，故假定Qi为100%；Ti代表第i月的总取水量；W代表年度生物损失量。

1.5 卷塞生物量与相关因子关系

共线性分析结果显示，解释变量间的方差膨胀因子（VIF）均小于5（表3），故解释变量间不存在共线性。

GAM模型的一般表达形式可表示为：

在监测期间，记录了时间、水质和潮汐高度等影响因子指标数据。时间因素包括采样开始和结束的时钟时间及采样月份。水质因子包括水温（temperature，℃）、酸碱度（pH）和溶解氧（DO，mg·L－1），由核电厂取样点处日常监测获取的数据获得。为检验卷塞昼夜差异，采样时间处于8∶00～20∶00样本为白天样本；20∶00～次日8∶00为夜间样本。潮汐高度信息来自国家海洋信息中心。

以每次取样并经标准化处理的卷塞生物量［d，g·（1×106m3）－1］为GAM 模型的响应变量。由于响应变量含有0值，故对响应变量进行Ln（d＋1）转换。解释变量包括时间和水文因子，其中，时间因子包括采样时间和月份；水质因子包括采样时的水温、pH值、溶解氧和潮差。模型构建过程中为避免过度拟合，使用R语言car包的vif函数计算方差膨胀因子（variance inflation factor，VIF），筛选解释变量，剔除共线性变量。当2个变量VIF值大于5时，认为具有多重共线性，剔除其中一个变量。使用逐步回归法筛选最优模型，即从加入全部影响因子的模型开始，逐步剔除不显著因子，拟合优度根据赤池信息准则（Akaike information criterion，AIC）进行比较，AIC值最小的模型为最优模型。数据整理由Excel 2016完成，GAM模型构建、筛选、检验均由R语言中的mgcv包完成。

2 结果

2.1 卷塞生物种类及损失量

为了进一步巩固当前耕地总量保持相对平衡，对土地用地结构进行合理规划，牢牢把控城镇建设用地外扩十分必要，否则难以达到对土地的科学管理目的。对于当地政府不能简单的采用开发管理耕地的方式来弥补城镇化建设对于土地的占用，同时也需要运用多种手段保证耕地面积。一方面需要保护当前耕地，另一方面则面临不断加快的城镇化建设需要，对土地进行整理规划可以在不增加土地面积的前提下满足对土地的利用需求，可以有效实现建设用地的控制，因此一定程度上符合用地需求，积极推行建设用地整理是目前较为成熟的方式之一。

表1 不同月份卷塞优势种组成Tab.1 Dom inant species com position by month

⑧齐耀珊重修、吴庆坻重纂:《民国杭州府志(一)》，《中国地方志集成·浙江府县志辑》第1册，江苏古籍出版社、上海书店、巴蜀书社1993年版(以下版本同)，第149页。

本研究共鉴定了89种卷塞生物，包括鱼类52种（58%）、甲壳类30种（34%）、头足类4种（5%）和多毛类3种（3%）。卷塞生物在不同月份优势种类不同（表1）。按照季节区分，春季主要优势种为中国毛虾（Acetes chinensis）和玉筋鱼（Ammodytes personatus）；夏季主要优势种为江口小公鱼（Stolephorus commersonii）、斑鰶（Konosirus punctatus）和中国毛虾；秋季主要优势种为斑鰶、日本蟳（Charybdis japonica）、中国毛虾和日本枪乌贼（Loligo japonica）；冬季主要优势种为鮻（Planiliza haematocheilus）、中国毛虾、日本鼓虾（Alpheus japonicus）和日本枪乌贼。中国毛虾除9月份外，均为优势种。

表2 卷塞生物损失计算结果Tab.2 Calculated results of biological loss caused by im pingement

2.2 相关因子共线性检验

广义加性模型（generalized additive model，GAM）是一种非参数化的回归模型［12］，属于广义线性模型的扩展形式，可拟合具有多个解释变量的非线性关系［13］。该模型可由线性函数部分和一组非线性函数组成，模型中的不同因子项可以采用样条函数进行拟合［14］。

②在芯片材料选择上主要考虑透光性、生物兼容性、加工工艺等因素,综合各种因素,最后选择了采用PDMS制作芯片。在电极材料选择上主要考虑导电性能、抗腐蚀性能、加工工艺等因素,最终选择物理和化学性能都很稳定的铂金(Pt)。

洋桔梗的最佳定植时机是幼苗具有4片真叶，第5片真叶未完全长出前[3]。洋桔梗不同品种对高温的反应差异很大，即使同一品种的不同个体对高温的反应也不同。日本泷井公司根据洋桔梗不同品种自然花期的早晚将洋桔梗分为早生、中生、中晚生、晚生4个类型。根据闽西北气温、光照等气候特征，建议早生品种选择在10—11月栽培；中生品种选在9—4月栽植；晚生品种选择在较热的季节栽培；中晚生品种适应性较强。由于各地小气候和设施情况不同，在尽可能保证设施内夜间温度能控制在5 ℃左右的前提下，结合经济价值选择适栽时间，洋桔梗最佳栽培时间见表1。

903 深度学习图像分割算法在胃癌病理切片中的可行性分析 梁桥康，南 洋，项 韶，梅 丽，孙 炜，于观贞

表3 解释变量共线性VIF检验Tab.3 VIF test of collinearity between exp lanatory variables

2.3 GAM模型拟合

通过逐步回归法，分别建立了卷塞生物总生物量、鱼类、虾类和蟹类生物量与影响因子关系的最优GAM模型（表4），其他种类（如头足类、多毛类）生物量少，故未进行模型拟合。结果显示，月份和采样时间是影响卷塞生物总体生物量的显著因子；潮差、水温和pH是影响卷塞鱼类生物量的显著因子；月份、采样时间和pH是影响卷塞虾类生物量的显著因子；水温、潮差和pH是影响卷塞蟹类生物量的显著因子。

突突突，突突突……底柱身后三挺马克沁突然怒吼起来，不到最后时刻，底柱是不动用高处这座碉堡内机枪的，这是五连的底牌，轻易不肯暴露目标。

海阳核电站每年运行365 d，其中240 d的冷却水需求量为132 m3·s－1，125 d的冷却水需求量为102 m3·s－1，故年取水量达3.89×109m3。年估计鱼类数量和质量卷塞率分别为1 061尾·（1×106m3）－1和698 g·（1×106m3）－1；虾类数量和质量卷塞率分别为4 254尾·（1×106m3）－1和641 g·（1×106m3）－1；蟹类数量和质量卷塞率分别为79尾1·（1×106m3）－1和84 g·（1×106m3）－1；其他（头足类、多毛类）数量和质量卷塞率分别为3尾·（1×106m3）－1和15 g·（1×106m3）－1。根据年损失量计算公式，海阳核电站每年因卷塞造成的海洋生物死亡数量为2.10×107尾，质量约为5.60 t（表2）。

表4 不同卷塞生物种类最优GAM 模型拟合参数Tab.4 GAM model fitting param eters for different categories of im pinged organism s

2.4 卷塞生物生物量与相关因子关系

卷塞总体生物量随月份先上升后下降，在春夏2季4月和8月出现峰值，而在10—12月卷塞生物量较低，呈现出一定的季节性变化趋势；在每天不同时段的变化上，15∶00时卷塞生物量最小，而夜晚时间段22∶00～24∶00时卷塞生物量较高（图1），具有明显的昼夜变化趋势。

图1 卷塞总体生物量与环境因子关系的GAM 分析图Fig.1 Relationships between impinged biomass and environmental factors based on generalized additivemodel

卷塞鱼类生物量在落潮时出现卷塞波峰；而水温与卷塞鱼类生物量总体上呈正相关关系；pH值约为8.0时，卷塞鱼类生物量较高（图2）。

图2 卷塞鱼类生物量与环境因子关系的GAM 分析图Fig.2 Relationships between impinged fish biomass and environmental factors based on generalized additivem odel

卷塞虾类生物量在12∶00～15∶00时较小，夜晚时间段（20∶00～6∶00时）出现波峰，卷塞虾类生物量较大；卷塞虾类生物量在3—4月较高，然后随月份增加而下降，并在11月降为最低值；pH整体与卷塞虾类生物量正相关（图3）。

图3 卷塞虾类生物量与环境因子关系的GAM 分析图Fig.3 Relationships between im pinged shrim p biomass and environmental factors based on generalized additivemodel

卷塞蟹类生物量与水温整体呈显著正相关，与潮差、pH整体上呈显著线性负相关关系（图4）。

图4 卷塞蟹类生物量与环境因子关系的GAM 分析图Fig.4 Relationships between impinged crab biomass and environmental factors based on generalized additivemodel

3 讨论

分析2021年3月—2022年2月各月卷塞生物优势种和卷塞生物损失发现，鱼类和虾类幼体更容易在取水口处发生卷塞，造成取水口堵塞，这是由于幼体游泳能力较弱，取水口处较快的海流携带生物幼体撞击到拦截网发生生物卷塞，而生物成体因拥有较强的游泳能力，从而降低了卷塞概率［15］。卷塞生物季节性分析表明：夏季的卷塞最为严重，而冬季最低，这与当地的海洋生物组成、生活习性有关。中国毛虾和江口小公鱼是产生生物卷塞的主要优势种，中国毛虾占海阳滨海核电站进水口卷塞生物总丰度的77.91%，该物种在3—4月迁移到近岸水域，于6—8月产卵［16］，表明在近岸洄游和产卵期间中国毛虾丰度较高，存在取水口堵塞风险。江口小公鱼属群游性鱼类，宜在19.8～31.3℃的水温范围内产卵［17］，游泳能力弱，集中于中上层、聚集于浅水和沿岸，因此，夏季是其卷塞高峰期，容易出现大规模聚集现象，威胁取水口安全。

不同种类的生物卷塞发生概率与生物本身的生活习性有关，导致了不同时间、水温、潮差等情况下卷塞量的变化。中国毛虾在夜间发生卷塞的频率显著大于白天，这是由于中国毛虾白天蛰伏于庇护所休眠，夜间上浮摄取食物［18］，造成夜间卷塞率的增加。潮汐影响着鱼类的行为，也显著影响鱼类群落的丰度和生物量。PATTRICK和STRYDOM［19］研究发现幼鱼在退潮时会逆流运动以保持在水中的相对位置，由于取水口的水流裹挟幼鱼，导致退潮时出现卷塞鱼类生物量增加。水温是影响鱼类卷塞的重要因素，低温情况下，鱼类通常会降低活动能力，更容易受到取水口处水流的裹挟［14］。同时水温驱动着鱼类的洄游和产卵，通常集中于温度较高的春夏两季产卵，而蟹类也有类似的特点，因此春夏季生物卷塞量较大。

观其一生，艾迪无时无刻不在与死亡和孤独斗争。童年的艾迪常听父亲讲，“活在世上的理由就是为长久地安眠做准备”，而这在福克纳专家埃德蒙德．L．弗尔普(Edmond L．Volpe)眼中正是“她存在的试金石”。［4］在拜其父所赐的死亡与虚无中，艾迪尝试打破孤独，大胆追寻生命的意义，正如克里昂斯·布鲁克斯(Cleanth Brooks)写道，“艾迪认为人只有通过某些独特姿态坚持自我才能证明自己活着。”［5］艾迪反复鞭打学生，希望以这种方式建立起她与学生的联系，迫使学生认可她作为一个独立个体的存在。

生物卷塞的缓解需要结合多方面因素进行考虑。影响生物卷塞的因素复杂多变，卷塞生物种类、数量、分布，取水环境、时间及取水装置设计、操作等因素均可能对生物卷塞造成不同程度影响［20－21］。例如，在取水量一定的条件下，生物卷塞率与取水流速呈正相关，研究发现鱼类靠近拦截网时，随着流速的增加，鱼类的死亡率逐渐增加［22－23］。改善取水装置是缓解生物卷塞的重要技术手段，美国环保局（Environmental Protection Agency，EPA）提出最佳适用技术（best technique available，BTA）用于缓解生物卷塞，这一技术要求在取水设施的位置、设计、建造等现有技术条件下，满足对环境影响的最小化。BTA技术也被中国《核动力厂取排水环境影响评价指南（试行）》使用，用于指导缓解取水的影响。鱼类收集和洄游系统、增设拦截网、行为驱赶（声音、光照）、采用闭环式循环冷却水系统和降低冷却水流量等均可以不同程度减缓生物卷塞［23］。目前，BTA技术受到了中国相关学者的关注，但部分措施实施难度较大，如增设鱼类洄游系统对海阳核电现有设施的改造难度十分大［7］。目前海阳核电选择在取水明渠增加生物拦截网，在取水口处建设弧形防波堤等形式以缓解生物卷塞，这可能会在一定程度上降低大个体生物的卷塞。本研究发现卷塞生物量在不同月份和时间段出现峰值，如中国毛虾在2—5月夜间的大量卷塞可能造成取水堵塞，故要重点关注这些重要时间节点，并采取相应措施来降低生物卷塞；其次水文因子对卷塞生物有显著影响，故要对取水口的水文状况进行持续监测，优化水文因子与卷塞生物量关系模型，以制定安全可靠的措施降低生物卷塞，保障核电运行的取水安全。