基于聲學(xué)方法的核電廠取水口冷源生物量監(jiān)測(cè)

王梓 付媛媛

（大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116021）

核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)(ccw)，以及其他重要設(shè)備等冷卻供水均依賴核電廠取水口。取水口的運(yùn)行狀態(tài)直接影響電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)美國(guó)核電運(yùn)行研究所（INPO）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2004 年至2008 年間全球核電廠發(fā)生取水口堵塞事件達(dá)61 起。其中近80%的事件導(dǎo)致機(jī)組降功率或者停堆，超過(guò)20%的事件直接對(duì)核電廠安全相關(guān)系統(tǒng)造成影響，而外來(lái)冷源生物入侵是造成取水口堵塞的主要原因[1]。國(guó)內(nèi)的濱海核電廠的冷源至災(zāi)生物主要包括各類水母、毛蝦、大型海藻等，其中，水母爆發(fā)所帶來(lái)的影響尤為惡劣。紅沿河核電廠地處渤海灣東南側(cè)海濱，取水口海域的海流主要受南北往復(fù)潮流影響，夏季水母的爆發(fā)會(huì)對(duì)取水口產(chǎn)生較強(qiáng)沖擊?，F(xiàn)有的攔截網(wǎng)和漁船網(wǎng)具打撈方式雖有一定效果，但在惡劣海況條件下無(wú)法進(jìn)行人工打撈和清網(wǎng)作業(yè)時(shí)，缺乏可靠的監(jiān)測(cè)方法，無(wú)法選擇積極有效的應(yīng)對(duì)措施，威脅電廠的安全運(yùn)行。

在水母的監(jiān)測(cè)工作中，受限于觀測(cè)和采樣技術(shù)，傳統(tǒng)大型水母的監(jiān)測(cè)工作主要依靠網(wǎng)具監(jiān)測(cè)方法[2-5]和目視觀測(cè)方法[6-7]，通過(guò)網(wǎng)具捕撈或目視觀測(cè)的結(jié)果對(duì)水母分布及資源變動(dòng)進(jìn)行研究，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采樣方法統(tǒng)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(diǎn)是對(duì)水母在水下的游泳、集群、垂直移動(dòng)規(guī)律缺乏更加直觀的判斷和分析數(shù)據(jù)[8]。

近年來(lái)，隨著海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的多樣化發(fā)展，水下聲學(xué)、水下光學(xué)和航空攝影技術(shù)等也已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到水母的監(jiān)測(cè)調(diào)查中[9]。在水下光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，Davis 等研制的水下浮游生物視頻記錄系統(tǒng)（Video Plankton Recorder， VPR），利用前向散射光對(duì)浮游動(dòng)物成像，能夠監(jiān)測(cè)尺寸在0.2-20mm 之間的浮游動(dòng)物，如水螅蟲(chóng)、水母等[10-11]；Graham 等開(kāi)發(fā)了水母攝像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在水下對(duì)水母的原位光學(xué)監(jiān)測(cè)[12]；于連生等利用“全自動(dòng)數(shù)字顯微成像儀”實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)浮游動(dòng)物圖像的自動(dòng)拍攝[13]。但水下光學(xué)攝像技術(shù)存在視野有限的缺點(diǎn)，且對(duì)水體透明度要求較高。在航空攝影技術(shù)領(lǐng)域，Houghto 等用航空攝影技術(shù)監(jiān)測(cè)了南愛(ài)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(guò)肉眼直接辨認(rèn)[14]。與水下光學(xué)技術(shù)相比，航空影像技術(shù)的水平監(jiān)測(cè)范圍較大，但僅能監(jiān)測(cè)表層或近表層水體，適用于監(jiān)測(cè)大型水母的分布狀況及運(yùn)動(dòng)行為等。

而隨著水下聲學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，聲學(xué)監(jiān)測(cè)作為一種切實(shí)有效的探測(cè)方法，有著探測(cè)范圍廣、能夠在渾濁或昏暗水體中進(jìn)行探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。Kang 等使用科學(xué)魚(yú)探儀（38 kHz 和120 kHz）在網(wǎng)箱內(nèi)對(duì)韓國(guó)水域內(nèi)的沙蜇進(jìn)行了目標(biāo)強(qiáng)度的測(cè)定，建立了單體沙蜇傘徑與目標(biāo)強(qiáng)度之間的模型關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在兩種探測(cè)頻率下沙蜇的目標(biāo)強(qiáng)度隨著傘徑增加呈線性增長(zhǎng)，與沙蜇共生的水母蝦對(duì)沙蜇聲學(xué)目標(biāo)強(qiáng)度的影響較小可以忽略不計(jì)，并建議這些測(cè)定的結(jié)果可以應(yīng)用到大型水母聲學(xué)調(diào)查中來(lái)評(píng)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(duì)韓國(guó)水域的水母進(jìn)行了聲學(xué)識(shí)別分類和資源評(píng)估[16]。

因此，本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)冷源生物（水母）聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)入攔截網(wǎng)海域的水母等冷源生物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量冷源密度并計(jì)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(jiān)測(cè)位置及聲吶

如圖1 所示，紅沿河核電廠取水口共設(shè)置5 道攔截網(wǎng)，最外側(cè)的攔截網(wǎng)使用浮筒和錨塊固定無(wú)法滿足設(shè)置聲吶的條件。因此本研究聲吶監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇取外側(cè)第2 道攔截網(wǎng)前的南側(cè)第1 個(gè)沉箱（4 號(hào)沉箱），采用岸基監(jiān)測(cè)方法，將分裂波束科學(xué)探魚(yú)儀（EK60 型，70kHz，Simrad，挪威）的換能器進(jìn)行固定和安裝，安裝位置及波束的方向如圖1 所示?？茖W(xué)探魚(yú)與的收發(fā)機(jī)（GPT）被安裝在沉箱平臺(tái)上的設(shè)置的配電柜內(nèi)，信號(hào)通過(guò)光纜傳回岸端的控制室，對(duì)科學(xué)探魚(yú)儀進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。設(shè)置的主要參數(shù)為：發(fā)射功率700W、收發(fā)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(jiān)測(cè)位置

1.2 聲吶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

聲吶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為兩部分，包括前端設(shè)備單元、岸基控制處理單元。其中前端設(shè)備單元位于沉箱上，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，包括科學(xué)探魚(yú)儀系統(tǒng)、水上攝像機(jī)和多功能氣象儀等；岸基控制處理單元，主要包括工控機(jī)和服務(wù)器，在工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和保存，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器保存和處理。

1.3 聲吶換能器設(shè)置

科學(xué)探魚(yú)儀的換能器安裝在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的專用支架上，固定在4 號(hào)沉箱外側(cè)，并連接在設(shè)置于沉箱上的配電箱內(nèi)，與收發(fā)機(jī)（GPT）連接?；诂F(xiàn)場(chǎng)情況專門設(shè)計(jì)聲吶換能器支架，該支架可手動(dòng)調(diào)整換能器的水平方位角和垂直傾角，換能器的面對(duì)方向（即波束方向）設(shè)置成與取水口斷面方向垂直，設(shè)置深度為最大低潮位以下的0.5m 深。聲吶的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)槿∷谇?00m 左右的波束（波束角7°）覆蓋范圍（受潮位差限制）。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)聲吶的回波映像圖進(jìn)行換能器方位和傾角的調(diào)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(jīng)回波映像圖確認(rèn)，監(jiān)測(cè)有效距離為60m。

圖2 聲吶定點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的回波映像圖

1.4 水上攝像機(jī)及氣象監(jiān)測(cè)

由于攔網(wǎng)區(qū)域在聲吶波束前端有清網(wǎng)船只經(jīng)過(guò)，清網(wǎng)船只的尾流氣泡會(huì)形成較強(qiáng)的干擾回波。因此設(shè)置一個(gè)水上攝像機(jī)，對(duì)清網(wǎng)船只的經(jīng)過(guò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以實(shí)施監(jiān)測(cè)海況情況，為回波識(shí)別提供信息。在沉箱上設(shè)置多功能氣象監(jiān)測(cè)站，實(shí)施提供風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等氣象信息。

1.5 岸基控制

設(shè)在岸基監(jiān)控室的工控機(jī)通過(guò)光電復(fù)合纜連接，可以實(shí)時(shí)控制和顯示聲吶及攝像機(jī)的工作情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中聲學(xué)監(jiān)測(cè)使用ER60 軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，水上攝像機(jī)使用配套軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)外網(wǎng)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與計(jì)算。

1.6 聲吶監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理

2019 年5 月25 日安裝完成開(kāi)始監(jiān)測(cè)。對(duì)流入取水口的水母等冷源生物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。聲學(xué)數(shù)據(jù)使用專用軟件Echoview4，剔除高海況的氣泡回波、過(guò)往船只尾流氣泡回波后，進(jìn)行體積散射強(qiáng)度（Volume backscattering strength，簡(jiǎn)稱SV）的積分處理，和單體目標(biāo)檢測(cè)。單體目標(biāo)檢測(cè)范圍在有效聲學(xué)探測(cè)距離內(nèi)進(jìn)行（1m-60m），檢測(cè)最小閾值-80dB，對(duì)單體目標(biāo)的TS 進(jìn)行日加權(quán)平均處理。在此基礎(chǔ)上獲得SV 和TS 的日平均值，計(jì)算通過(guò)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(shù)（單位m2/m3），與SV（單位dB）的關(guān)系為：

SV=10lgSv

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

在此基礎(chǔ)上，推算通過(guò)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(wǎng)量

水母的清網(wǎng)量數(shù)據(jù)由核電廠取水口清網(wǎng)日?qǐng)?bào)中獲得，為每天攔污清理工作人員在不同攔截網(wǎng)清理水母及其他雜物等重量。由于取水口攔截網(wǎng)的清理工作受海況與人工因素影響，故以周為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 聲吶監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.2 取水口流速

取水口流速數(shù)據(jù)根據(jù)紅沿河核電廠以往的實(shí)測(cè)值，大潮時(shí)流速均值為0.5m/s；中潮時(shí)流速均值為0.26m/s；小潮時(shí)流速均值為0.01m/s。

2.3 平均SV 與平均TS

2019 年6 月-7 月監(jiān)測(cè)期間的每日平均SV 和TS 統(tǒng)計(jì)結(jié)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(biāo)強(qiáng)度的最大值在6 月6 日，為-37.2±19.1 dB，單體目標(biāo)檢測(cè)并可跟蹤個(gè)數(shù)為3562 個(gè)；最小值為6 月22 日，為-81.1±3.1 dB，單體目標(biāo)檢測(cè)并可以跟蹤個(gè)數(shù)為44 個(gè)。

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(qiáng)度和目標(biāo)強(qiáng)度

2.4 水母的通量

根據(jù)公式（4）計(jì)算了6 月至7 月的每日平均通量，結(jié)果如圖4 所示。在6 月20 日、22 日和7 月5 日出現(xiàn)較大峰值，分別達(dá)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)?？梢园l(fā)現(xiàn)取水口海域水母生物量從六月初開(kāi)始持續(xù)增加，在七月相對(duì)趨于穩(wěn)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(duì)濱海核電廠冷源生物爆發(fā)，開(kāi)發(fā)基于分裂波束科學(xué)探魚(yú)儀（EY60 型）的聲吶岸基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)在紅沿河核電廠取水口的2 個(gè)月實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)具有較好的監(jiān)測(cè)功能和實(shí)際應(yīng)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(xué)探魚(yú)儀是一款具有漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查評(píng)估的專業(yè)儀器設(shè)備，具有較窄的7°半功率波束角，且一般是波束垂直向下進(jìn)行魚(yú)類等的探測(cè)使用。由于濱海核電廠的取水口水設(shè)計(jì)水深一般較淺（10m 左右），為提高冷源生物的聲學(xué)采樣體積，本研采用水平方向波束的探測(cè)模式，有效探測(cè)范圍超過(guò)60m。但是由于波束的水平使用會(huì)產(chǎn)生冷源生物目標(biāo)強(qiáng)度的水平方向性差異問(wèn)題，姿態(tài)平均目標(biāo)強(qiáng)度的空間統(tǒng)計(jì)需要在3 維坐標(biāo)系考慮，該方面的研究需要結(jié)合冷源生物的類型和取水口流場(chǎng)變動(dòng)等因素今后開(kāi)展更為細(xì)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(shù)來(lái)進(jìn)行冷源生物量變化趨勢(shì)的分析，因此取水口的流速參量也是監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)之一。由于紅沿河核電廠取水口流速主要受潮汐和風(fēng)速風(fēng)向影響，取水口的動(dòng)態(tài)流速信息也需要把握。本研究中使用的流速參量是根據(jù)往年的實(shí)測(cè)值推定的大、中、小潮平均流速值，與每日的實(shí)際情況仍存在一些偏差，需要在以后的監(jiān)測(cè)工作中進(jìn)一步完善。

3.3 聲吶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本研究中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的聲學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，雖然基本滿足了紅沿河核電廠的冷源生物監(jiān)測(cè)要求，但也存在若干需要改進(jìn)的問(wèn)題，主要包括：

3.3.1 聲吶換能器姿態(tài)的遠(yuǎn)程控制問(wèn)題

由于取水口的海況、風(fēng)雨、過(guò)往船只等產(chǎn)生的表層氣泡會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生較大影響，在未來(lái)的研究中，可在換能器支架上增加步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)換能器姿態(tài)角的遠(yuǎn)程遙控。

3.3.2 換能器維護(hù)

在夏季長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，污損生物會(huì)附著于換能器上，影響聲學(xué)探測(cè)準(zhǔn)確度，需要潛水員進(jìn)行定期清理維護(hù)。