兩種評價大型底棲動物堵塞濱海核電站冷源系統(tǒng)的風險指數(shù)

蔡立哲,饒義勇,趙小雨,,楊德援,林靖翔,傅素晶,4,周細平

(1.廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院，福建 廈門 361102;2.中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所，廣東 廣州 510000；3.廈門大學嘉庚學院環(huán)境科學與工程學院，福建 漳州 363105；4.自然資源部第三海洋研究所海洋生物多樣性研究室,福建 廈門 361005)

濱海核電站一般在近海處修建取水口，抽取海水進入核電站內(nèi)作為最終冷卻水吸收熱量。近年來核電廠冷源系統(tǒng)頻繁堵塞，主要原因為大量海洋生物在一定季節(jié)聚集暴發(fā)，使取水濾網(wǎng)堵塞，降低冷卻水流量，進而使得機組故障[1-2]。造成核電站取水系統(tǒng)堵塞的物質(zhì)有生物和非生物兩類，生物類主要有浮游藻類、海草、水葫蘆、水母、海地瓜(Acaudinamolpadioidea)、海瓜子、石莼(Ulvalactuca)、沙蟄、蝦、魚等，其中以水母導致的堵塞事件居多；非生物類有冰、垃圾、泥沙、麥秸桿等[3-4]。

在福清核電站循環(huán)水過濾系統(tǒng)附著的大型底棲生物有牡蠣、翡翠貽貝(Pernaviridis)和藤壺等[5]。在寧德核電站附近海域，對核電取水安全存在潛在風險的大型底棲生物除了海地瓜外，還有棘刺錨參(Protankyrabidentata)、棒錐螺(Turritellabacillum)、爪哇擬塔螺(Turriculajavana)和小莢蟶(Siliquaminima)[6]。2015年8月8日海地瓜堵塞寧德核電冷源取水，致使核電反應堆停止工作[7]。

目前，缺乏評價潮下帶和潮間帶大型底棲動物堵塞核電冷源系統(tǒng)風險的標準。對定量采集(采泥器法)獲得的海洋大型底棲動物優(yōu)勢種的篩選方法是采用相對重要性指數(shù)(IRI)或優(yōu)勢度指數(shù)(Y)。但是，IRI只涉及潮下帶和潮間帶大型底棲生物棲息密度、生物量和出現(xiàn)頻率3個參數(shù)[8-9]，Y值僅涉及大型底棲生物棲息密度和出現(xiàn)頻率2個參數(shù)[10-11]，大型底棲生物的生物學特征以及距離核電站取水口的距離等參數(shù)均未涉及，難于較精準地評價潮下帶和潮間帶某種大型底棲生物堵塞核電冷源系統(tǒng)的風險。對半定性采集(底拖網(wǎng))獲得的海洋大型底棲生物優(yōu)勢種的篩選方法也是采用IRI或Y[12]。本研究根據(jù)2017—2018年在大亞灣潮下帶采泥器采集的大型底棲動物數(shù)據(jù)，建立了評價堵塞核電站冷源系統(tǒng)大型底棲動物的風險指數(shù)，簡稱采泥器法風險指數(shù)(grappler method risk index,GMRI)；以及根據(jù)2021年3月底拖網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立了底拖網(wǎng)法風險指數(shù)(bottom trawl risk index,BTRI)。

1 材料與方法

1.1 大亞灣及其核電基地

大亞灣位于廣東省東部紅海灣與大鵬灣之間，總面積650 km2。海灣周圍的山地丘陵由古生代和中生代的各種變質(zhì)巖、紫色砂巖、凝灰?guī)r或花崗巖構成。海岸輪廓曲折多變，形成近岸水域“大灣套小灣”的隱蔽形勢。主要港灣有煙囪灣、巽寮港、范和港、澳頭港、小桂灣、大鵬澳[13]。位于廣東省深圳市大鵬新區(qū)的大亞灣核電基地，擁有大亞灣、嶺澳兩座核電站(圖1)共6臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，年發(fā)電能力約4.5×1010kW·h[14]。

1.2 大亞灣潮下帶大型底棲動物數(shù)據(jù)來源

在2017年11月(秋季)、2018年1月(冬季)、4月(春季)和7月(夏季)對大亞灣52個取樣站(D01～D42，D46～D55)進行了4個季度的大型底棲動物定量調(diào)查(圖1)。每個取樣站采用開口面積為0.05 m2的抓斗式采泥器成功取樣4次，合計取樣面積為0.2 m2。每斗采泥器的沉積物在甲板上放進塑料桶進行簡易淘洗，泥水用0.5 mm孔徑的網(wǎng)篩進行過濾，截留在網(wǎng)篩上的生物和殘渣裝進塑料瓶，用5%的中性甲醛溶液固定并貼上標簽。固定后的生物殘渣帶回實驗室作進一步分選，將大型底棲動物從殘渣挑出后，在體視顯微鏡(Motic K-700L)下進行分類和計數(shù)，用吸水紙吸去動物體表的水分后在電子天平(0.1 mg，F(xiàn)A1204)上稱量濕重。其余的操作方法按照《海洋調(diào)查規(guī)范》[15]和《海洋監(jiān)測規(guī)范》[16]要求進行。

2021年3月，在大亞灣4個站位進行底拖網(wǎng)(圖1)，記錄了獲得的海地瓜個數(shù)，并逐個稱重。

圖1 大亞灣潮下帶大型底棲生物調(diào)查站位示意圖Fig.1 Distribution of benthic macrofauna survey stations on the subtidal zone in Daya Bay圖中圈起來的站位有底拖網(wǎng)。

1.3 大型底棲生物堵塞核電站冷源系統(tǒng)風險指數(shù)及其評價原理

海洋大型底棲動物優(yōu)勢種的一種篩選方法是采用相對重要性指數(shù)(IRI)[17]，另一種篩選辦法是采用優(yōu)勢度(Y)[18]。對核電循環(huán)冷卻水系統(tǒng)取水存在潛在風險的海洋生物須滿足4個特征：①數(shù)量多或密度高；②個體重量大，直徑或體長大于3 mm；③運動能力弱，易隨海水流動而移動[19]；④易聚集或暴發(fā)性增殖[20]。

本研究建立了2種基于評價大型底棲生物堵塞核電站冷源系統(tǒng)的風險指數(shù)：(1)采泥器法風險指數(shù)(GMRI)；(2)底拖網(wǎng)法風險指數(shù)(BTRI)。

1.3.1 采泥器法風險指數(shù)(GMRI) 采泥器法風險指數(shù)公式如下：

GMRI=(A+B+S+F+C)×20%

(1)

式(1)中:A為豐度占比(percentage of abundance)，某物種的平均棲息密度占大型底棲動物平均棲息密度的百分比；B為生物量百分比(percentage of biomass)，某物種的平均生物量占大型底棲動物平均生物量的百分比；S為站位數(shù)百分比(percentage of sampling stations)，為某物種被采集到的站位數(shù)與總采集站位數(shù)的百分比；F為漂浮風險(floating risk)，若某物種無游泳器官、無爬行器官、體無分節(jié)、無硬重外殼、體壁薄和體腔可脹縮，則漂浮能力為100%。上述形態(tài)特征每減少1個，漂浮能力遞減20%，即5、4、3、2、1和0個形態(tài)特征的物種的漂浮能力分別為100%、80%、60%、40%、20%和0%。C為水流帶動風險(water flow-driven risk)，根據(jù)生物的生態(tài)習性劃分水流帶動能力，無運動器官和碳酸鈣外殼潛居(100%)、爬行但無碳酸鈣外殼(90%)、匍匐但無碳酸鈣外殼(80%)、攀附(70%)、吸附(60%)、泥管管棲(50%)、皮管管棲(40%)、有運動器官和碳酸鈣外殼潛居或爬行(30%)、附著(20%)、固著(10%)。

GMRI值≥90%，為極高風險；70%～<90%，為高風險；50%～<70%，為中風險；在30%～<50%，為低風險；<30%，為極低風險。

1.3.2 底拖網(wǎng)法風險指數(shù)(BTRI) 底拖網(wǎng)法風險指數(shù)公式如下：

BTRI=N×30%+M×30%+

H×10%+F×20%+D×10%

(2)

式(2)中：N為每個站位底拖網(wǎng)獲得的某物種個體數(shù)(個/網(wǎng))，M為每個站位底拖網(wǎng)獲得的某物種生物量(g/網(wǎng))，H為水深(m)，F(xiàn)為漂浮風險，其風險百分比與采泥器法的F相同。D為底拖網(wǎng)站位與取水口的距離(km)，N、M、H、D與風險百分比的關系見表1。

BTRI值≥80，為極高風險；60～<80，為高風險；40～<60，為中風險；20～<40，為低風險；<20，為極低風險。

表1 底拖網(wǎng)大型底棲動物各參數(shù)與風險百分比的關系Tab.1 Relationship between benthic macrofauna parameters and percentage of risk in BTRI

2 結果與討論

2.1 大亞灣潮下帶7種大型底棲動物采泥器法風險指數(shù)(GMRI)

根據(jù)2017年和2018年在大亞灣潮下帶采泥器定量采集獲得的短吻鏟莢螠(Listriolobusbrevirostris)、毛頭梨體星蟲(Apionsomatrichocephala)、冠奇異稚齒蟲(Paraprionospiocristata)、雙鰓內(nèi)卷齒蠶(Aglaophamusdibranchis)、波紋巴非蛤(Paratapesundulatus)和海地瓜相關數(shù)據(jù)，計算不同季節(jié)它們的潛在堵塞核電站冷源系統(tǒng)的GMRI。

2017年秋季、2018年冬季、春季和夏季大亞灣潮下帶52個站位大型底棲動物平均棲息密度分別為256、267、377、261個/m2。2017年秋季、2018年冬季、春季和夏季大亞灣潮下帶52個站位大型底棲動物平均生物量分別為18.80、12.59、17.93、24.66 g/m2。4個季度7種大型底棲動物平均棲息密度和生物量占大亞灣大型底棲動物總平均棲息密度和生物量的百分比見表2。

表2 大亞灣潮下帶7種大型底棲動物4季的采泥器法風險指數(shù)(GMRI)Tab.2 Seasonal GMRIs of 7 macrobenthos from the subtidal zone in Daya Bay

短吻鏟莢螠、毛頭梨體星蟲和海地瓜均無游泳器官、無爬行器官、體腔大、體壁薄、體無分節(jié)、無外殼，漂浮風險為100%；棘刺錨參除了體壁略比海地瓜厚，其余5種形態(tài)特征與海地瓜相同，漂浮風險也是100%；冠奇異稚齒蟲和雙鰓內(nèi)卷齒蠶均有疣足(運動器官)和有分節(jié)，漂浮風險為2/5(即40%)；波紋巴非蛤有斧足(爬行器官)和具外殼，漂浮風險也是40%(表2)。

根據(jù)7種大型底棲動物的生物特征，短吻鏟莢螠、毛頭梨體星蟲、冠奇異稚齒蟲、雙鰓內(nèi)卷齒蠶、波紋巴非蛤、棘刺錨參和海地瓜的水流帶動風險分別為100%、100%、90%、90%、30%、100%和100%(表2)。

綜合大亞灣潮下帶4季的GMRI可以看出，7種大型底棲動物堵塞核電冷源系統(tǒng)的風險絕大多數(shù)處于低風險和無風險級別。冬季和春季雙鰓內(nèi)卷齒蠶的風險指數(shù)均是7種大型底棲動物中最高的，處于中風險；夏季則是短吻鏟莢螠，也處于中風險。波紋巴非蛤4個季節(jié)的GMRI均是7種大型底棲動物中最低的，這是因為波紋巴非蛤個體較大，有著厚重的貝殼，不易漂浮且水流帶動風險低。2017年秋季、2018年冬季和春季采泥器法均未采集到海地瓜，但因為海地瓜漂浮和水流帶動風險高，GMRI為40，處于低風險；2018年夏季55個取樣站中僅在D38站獲得1個海地瓜，豐度占比、生物量占比和站位數(shù)占比分別為0.03%、0.65%、1.82%(表2)，均非常低，因此GMRI也僅比沒有采集到海地瓜的其他季節(jié)多0.5。

2.2 大亞灣潮下帶大型底棲動物底拖網(wǎng)法風險指數(shù)(BTRI)

根據(jù)2021年3月在大亞灣潮下帶4個站位底拖網(wǎng)采集獲得的大型底棲動物(僅統(tǒng)計海地瓜)個體數(shù)N、生物量M、水深H、漂浮風險F、與核電站取水口距離D等5個參數(shù)評價海地瓜堵塞核電站冷源系統(tǒng)的風險。

在D11站位拖網(wǎng)獲得海地瓜5個/網(wǎng)，10%風險；獲得海地瓜生物量2.84 g/網(wǎng)，10%風險；海地瓜漂浮風險100%；水深7 m，70%風險；與核電站取水口距離D>18 km，10%風險。

在D13站位拖網(wǎng)獲得海地瓜50個/網(wǎng)，50%風險；獲得海地瓜生物量147.02 g/網(wǎng)，90%風險；海地瓜漂浮風險100%；水深9 m，60%風險；與核電站取水口距離D>18 km，10%風險。

在D21站位拖網(wǎng)獲得海地瓜1個/網(wǎng)，10%風險；獲得海地瓜生物量2.94 g/網(wǎng)，10%風險；海地瓜漂浮風險100%；水深22 m，10%風險；與核電站取水口距離D>18 km，10%風險。

在D31站位拖網(wǎng)獲得海地瓜16個/網(wǎng)，20%風險；獲得海地瓜生物量10.67 g/網(wǎng)，20%風險；海地瓜漂浮風險100%；水深14 m，50%風險；與核電站取水口距離D>18 km，10%風險。

綜合大亞灣潮下帶4個站位2021年3月的海地瓜數(shù)據(jù)，可以看出，D13站位的BTRI屬于高風險等級，D11和D31站位屬于低風險等級，D21站位屬于極低風險等級(表3)。

表3 大亞灣潮下帶海地瓜底拖網(wǎng)法風險指數(shù)(BTRI)Tab.3 BTRIs of Acaudina molpadioidea on the subtidal zone stations in Daya Bay

2.3 大亞灣潮下帶2021年3月海地瓜種群生物量動態(tài)

對2021年3月在大亞灣潮下帶4個站位底拖網(wǎng)獲得的每個海地瓜進行稱重，可以發(fā)現(xiàn)濕重介于2～<3 g的海地瓜最多，0～<1 g和1～<2 g的個數(shù)也不少，分別為15個和16個，6～<7 g和7～<8 g均只有1個，沒有大于8 g的海地瓜(圖2)。

圖2 大亞灣潮下帶2021年3月海地瓜種群生物量分布Fig.2 Biomass distribution of Acaudina molpadioidea population on the subtidal zone in Daya Bay in March 2021

2.4 討論

2.4.1 采泥器法風險指數(shù)(GMRI)的應用前景GMRI根據(jù)采泥器獲得的大型底棲動物棲息密度、生物量、出現(xiàn)頻率、漂浮風險、水流帶動風險等5個參數(shù)評價大型底棲動物堵塞核電站冷源系統(tǒng)的風險。其中棲息密度、生物量、出現(xiàn)頻率3個參數(shù)在潮下帶大型底棲動物定量(采泥器)采集均比較容易獲得，漂浮風險是根據(jù)大型底棲動物5種形態(tài)特征設置的，水流帶動風險是根據(jù)動物10種生態(tài)和形態(tài)特征設置，均比較容易認定。

綜合大亞灣潮下帶2017年和2018年4個季節(jié)的GMRI可以看出，除了冬季和春季的雙鰓內(nèi)卷齒蠶，以及夏季的短吻鏟莢螠的風險指數(shù)處于中風險，其他季節(jié)其他大型底棲動物堵塞核電冷源系統(tǒng)的風險均處于低風險和極低風險級別，這與大亞灣尚未出現(xiàn)過大型底棲動物堵塞核電站冷源系統(tǒng)的狀況是符合的。

2014年8月在福建寧德海域6個站位獲得大型底棲動物平均棲息密度和生物量分別為9個/m2和19.88 g/m2[7]，海地瓜平均棲息密度和平均生物量分別為160個/m2和58 g/m2[6]，海地瓜平均棲息密度和生物量占大型底棲動物平均密度和生物量分別為5.73%和34.28%，出現(xiàn)頻率為100%，距離取水口的最短直線距離小于1 km，風險100%，因此，寧德海域海地瓜的GMRI達68.00%，屬于中風險級別，但接近高風險級別。相對于大亞灣潮下帶，寧德海域海地瓜堵塞核電冷源系統(tǒng)風險更高。

2.4.2GMRI和BTRI的優(yōu)點及不足 采泥器法獲取潮下帶大型底棲動物的優(yōu)點:①可以獲得各類群的大型底棲動物(包括海地瓜)，特別是個體較小的大型底棲動物也可定量獲??；②可以定量獲得大型底棲動物棲息密度和生物量；③可以根據(jù)站位的數(shù)量以及某種大型底棲動物在各個站位的數(shù)量計算出現(xiàn)頻率[19]。除了本研究2017—2018年大亞灣潮下帶4個季節(jié)的所有大型底棲動物均可計算IRI外，在寧德海域[6]和山東南部沿海[17]也獲得多種大型底棲動物的相對重要性指數(shù)，當然，也有一些文獻只計算優(yōu)勢度[9,20]。

采泥器法獲取潮下帶大型底棲動物的不足在于：①一些大個體、比較容易漂浮(如海地瓜)，或爬行較快的蝦、蟹、魚類較不容易定量獲取，2017—2018年大亞灣潮下帶4個季節(jié)的大型底棲動物中很少獲得海地瓜、對蝦和魚類；②多毛類分類較難、比較容易碎片化，因而在計數(shù)上容易偏差，即一個易斷的個體因碎片化而被鑒定為多個個體，而有些又被當作殘段，多個個體計數(shù)為1個個體，這些均影響相對GMRI指數(shù)值。

底拖網(wǎng)法獲取潮下帶大型底棲動物的優(yōu)點：①相對于采泥器法，底拖網(wǎng)采樣面積更大，除可采到一些生活在海底表層的大個體生物，也可獲得一些具有一定游泳能力、經(jīng)?；蚺R時生活在海底的魚類、蝦類和蟹類；②半定量獲得大型底棲動物豐度和生物量[21-22]。

底拖網(wǎng)法獲取潮下帶大型底棲動物的不足在于：①小個體大型底棲動物難于獲取，因為底拖網(wǎng)網(wǎng)衣最小孔徑一般是2 cm，一些小個體大型底棲動物或大個體大型底棲動物的幼體容易被漏過，如海地瓜的幼體，伸縮性較大，一般難以拖網(wǎng)獲?。挥秩缍嗝惖脑S多個體均較小，底拖網(wǎng)難以獲取。長江口底拖網(wǎng)獲得的優(yōu)勢度(Y)大于0.02的大型底棲動物不含有多毛類[18]，大亞灣2004—2013年底拖網(wǎng)的優(yōu)勢種也不含有多毛類[23]；②底拖網(wǎng)雖然采集面積比采泥器的大得多，但有些海區(qū)不適宜底拖網(wǎng)，特別是養(yǎng)殖區(qū)或水很淺的海區(qū)。

GMRI和BTRI均可作為核電站附近海區(qū)大型底棲動物堵塞核電冷源系統(tǒng)風險的評價指標，若要進一步完善GMRI或BTRI，則需要更多數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。

3 結論

本研究根據(jù)2017年10月至2018年7月在大亞灣潮下帶52個站位用采泥器獲得的4個季節(jié)大型底棲動物數(shù)據(jù)，以及2021年3月在大亞灣潮下帶4個站位底拖網(wǎng)獲得的海地瓜數(shù)據(jù)，建立了兩種基于評價大型底棲動物堵塞取水口站冷源系統(tǒng)的風險指數(shù)，即采泥器法風險指數(shù)(GMRI)和底拖網(wǎng)法風險指數(shù)(BTRI)。GMRI和BTRI各分別選擇了5種群落和生態(tài)參數(shù)，并賦予它們不同的權重進行計算。GMRI和BTRI均分為5種風險等級，分別是極高風險、高風險、中風險、低風險和極低風險。2017年和2018年，大亞灣潮下帶7種大型底棲動物堵塞核電冷源系統(tǒng)的風險絕大多數(shù)處于低風險和無風險級別，與大亞灣尚未出現(xiàn)大型底棲動物堵塞核電站冷源系統(tǒng)的狀況是符合的。2021年3月大亞灣潮下帶D13站位海地瓜堵塞核電站冷源系統(tǒng)處于高風險等級(65%)。通過驗證表明，這兩種風險指數(shù)可綜合運用于大型底棲動物堵塞濱海核電站冷源系統(tǒng)的風險評估。

致謝：感謝廈門大學海洋與地球?qū)W院劉敏教授及其團隊協(xié)助進行2021年3月在大亞灣的底拖網(wǎng)采樣。感謝陳昕韡、譚文娟、陳丙溫、彭文晴、劉彩蓮、張炳煌、魏培、曾張健、劉靜林、蔣一葦?shù)韧瑢W幫助在大亞灣潮下帶的野外采樣和室內(nèi)大型底棲動物的分選。