濱海核電取水工程魚類回收遣返技術(shù)調(diào)研及分析

曹冉冉

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

為應(yīng)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(fā)電幾乎不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，具有清潔低碳優(yōu)勢。因此，核電將在實現(xiàn)碳中和過程中發(fā)揮重要作用。截至2022 年12 月，中國在運(yùn)核電機(jī)組數(shù)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(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行是其發(fā)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(fā)生，這可能會導(dǎo)致核電機(jī)組降功率乃至停堆，嚴(yán)重時甚至可能會對最終熱阱的可用性構(gòu)成威脅，因此核電取水堵塞事件引起了政府監(jiān)管部門、核電運(yùn)營方和相關(guān)從業(yè)人員的高度關(guān)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(tài)環(huán)境保護(hù)越來越重視，因此對核電取水的環(huán)境友好性提出了更高的要求。2019 年生態(tài)環(huán)境部頒布了《核動力廠取排水環(huán)境影響評價指南》（HJ 1037-2019），對核電取水的生態(tài)影響提出了明確的要求，在選址、建造、設(shè)計階段，取水設(shè)施應(yīng)考慮構(gòu)建魚類回流通道等；在運(yùn)行階段，需開展長期的取水卷塞和卷載影響調(diào)查，包括取水運(yùn)行后局部海域魚類死亡量等，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果提出相應(yīng)的補(bǔ)救方案或改進(jìn)措施。魚類是海洋生物中非常重要的存在，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中具有調(diào)控作用。魚類對核電取水的潛在負(fù)面影響以及核電取水對魚類的影響均不容忽視，急需有關(guān)工程技術(shù)提高核電取水的安全性和環(huán)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(shù)，研究圍繞國內(nèi)外火/核電廠魚類回收遣返技術(shù)研究現(xiàn)狀、工程應(yīng)用情況及可能存在問題等開展調(diào)研分析，并且還調(diào)研了其他水利水電工程中魚類收集和保護(hù)技術(shù)，如魚道工程、集誘魚技術(shù)等?；谝陨险{(diào)研結(jié)果，為我國核電取水系統(tǒng)魚類回收遣返技術(shù)的研發(fā)，且為進(jìn)一步響應(yīng)和落實核電取水最佳實踐技術(shù)提供支撐。

1 魚類回收遣返技術(shù)現(xiàn)狀

目前，在我國，濱海核電取水對魚類等水生生物及生態(tài)環(huán)境的影響正在逐步受到重視，但是在取水口的設(shè)計或海水過濾系統(tǒng)的設(shè)計中均缺乏對魚類資源保護(hù)的相關(guān)考慮或措施。在國外部分核電廠中，魚類回收遣返技術(shù)有一定的應(yīng)用，主要以被動型技術(shù)為主。在內(nèi)陸河流的水利工程中，主要應(yīng)用的是主動型技術(shù)。下文將“魚類回收遣返技術(shù)”分為“被動型魚類回收遣返技術(shù)”及“主動型魚類回收遣返技術(shù)”進(jìn)行其技術(shù)特點、技術(shù)構(gòu)成及其應(yīng)用情況的闡述。

1.1 被動型魚類回收遣返技術(shù)

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

1.1.1 魚類回流系統(tǒng)

目前較為主流的魚類回流系統(tǒng)是通過改造目前的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)等攔污設(shè)施實現(xiàn)，如改造后的濾網(wǎng)與傳統(tǒng)濾網(wǎng)相比，主要區(qū)別在于可對攔截的海生物和雜物進(jìn)行收集，主要是通過高低壓結(jié)合的清洗系統(tǒng)將取水系統(tǒng)中過濾網(wǎng)上攔截的魚類反沖洗回集魚槽等收集魚類的系統(tǒng)中，進(jìn)而將魚類等海生物運(yùn)送回原水體中。魚類回流系統(tǒng)低壓清洗將過濾網(wǎng)上卷載的魚類等水生生物送至由管道構(gòu)建的魚類回流系統(tǒng)，高壓清洗將黏附于過濾網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)原理一致，均采用反沖洗裝置將過濾網(wǎng)面上卷載的魚類等生物洗脫至魚類回流系統(tǒng)，通過管道、明渠、槽室結(jié)構(gòu)將魚類收集暫存或直接輸送返回至海域或指定區(qū)域。

德國西門子公司研發(fā)了以雙進(jìn)單出帶形濾網(wǎng)為基礎(chǔ)的魚類回流系統(tǒng)，該濾網(wǎng)水流從兩側(cè)流入，經(jīng)過篩網(wǎng)后從下游濾網(wǎng)流出，移動條形帶將粘在篩網(wǎng)的雜物向上攜帶至上部，經(jīng)過反向沖洗，雜物和海生物被沖刷進(jìn)入中間的收集斗或者生物庇護(hù)區(qū)中，再將雜物和魚類通過升降機(jī)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(xù)提升將雜物用高壓反沖至斗內(nèi)。

英國部分地區(qū)要求電廠取水過程中對鰻魚進(jìn)行保護(hù)，因此大多數(shù)核電廠安裝了改進(jìn)的鼓型濾網(wǎng)或板框濾網(wǎng)，并且為了提升卷塞魚類的存活率，改進(jìn)鼓網(wǎng)的魚類收集裝置的材質(zhì)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(shè)施前端或某處設(shè)置一定寬度的通道，使得魚類在進(jìn)入陸域過濾系統(tǒng)前有一定逃逸途徑。如美國Diablo Canyon 核電廠在取水設(shè)施前端設(shè)置了2.7m 寬格柵灣提供取水卷塞魚類逃逸，該電廠取水運(yùn)行對魚類影響小；美國Pilgrim 核電廠在取水設(shè)施前端設(shè)置了撇渣墻用以去除漂浮物，撇渣墻處以及取水結(jié)構(gòu)每個端處均設(shè)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(tǒng)，管道中存在一定流速，約為0.046m/s，運(yùn)行觀測結(jié)果表明，該裝置是有效的。

1.1.3 改進(jìn)型雷氏濾網(wǎng)

美國部分核電廠推行使用改進(jìn)型雷氏濾網(wǎng)，其通常安裝在粗細(xì)細(xì)格柵之后。其包括一系列連續(xù)旋轉(zhuǎn)面板，當(dāng)每個面板旋轉(zhuǎn)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(shè)備背面的低壓噴頭將魚沖出進(jìn)入光滑網(wǎng)格，使魚進(jìn)入魚回流管道，而后使用設(shè)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(wǎng)。采用后取水監(jiān)測結(jié)果表明，Surry 核電廠取水運(yùn)行對環(huán)境影響??；在Salem核電廠，改進(jìn)型雷氏濾網(wǎng)的采用使得濾網(wǎng)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(shù)

主動型魚類回收遣返技術(shù)主要是目前河道中采用的過魚設(shè)施，過魚設(shè)施主要包括魚道、升魚機(jī)、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(shè)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(tài)保護(hù)工程，對保護(hù)魚類資源、恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義。

1.2.1 魚道的類型和特點

魚道按其結(jié)構(gòu)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(shè)施，主要通過緩坡設(shè)計，利用漂石與天然河床砂質(zhì)構(gòu)建，盡可能接近天然河道的水流流態(tài)[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(shè)有任何消能設(shè)施，此類型魚道長度大，坡度緩，運(yùn)用水位差較小，只能用于水頭小且目標(biāo)魚種游泳能力強(qiáng)的情況[5]。后期槽式魚道的發(fā)展主要為丹尼爾式魚道，在池室中設(shè)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(tài)較差、水流紊動嚴(yán)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(hù)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(dá)到改善流態(tài)、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(yīng)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(cè)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(dǎo)板的一般豎縫式和帶導(dǎo)板的豎縫式（導(dǎo)豎式）兩種。導(dǎo)豎式又可分為雙側(cè)和單側(cè)兩種。這種型式的魚道能適應(yīng)較大的水位變化，能適應(yīng)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(biāo)魚種也各不相同。在進(jìn)行魚道設(shè)計時，應(yīng)綜合所保護(hù)魚類的生活習(xí)性、攔河建筑物的種類和規(guī)模以及當(dāng)?shù)氐匦螚l件等實際因素選擇合適的魚道類型。

1.2.2 集誘魚技術(shù)

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

1.水流誘魚技術(shù)。在工程實踐中，最常見的集魚技術(shù)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(tǒng)進(jìn)口處設(shè)置了噴射水流[7]，以此增加進(jìn)口的吸引力，達(dá)到誘魚目的。目前，雖然已經(jīng)意識到魚道進(jìn)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(jīng)驗性結(jié)論為主，理論成果很少。此外，聲、光等魚類誘捕技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)表現(xiàn)出良好的效果，將這些誘魚技術(shù)移植到魚道進(jìn)口，也能提高魚道過魚效率。

2.聲誘魚技術(shù)。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(dǎo)作用。從魚類對聲響的行為反應(yīng)來看，主要分為以下三類[8]：正反應(yīng)，即游向聲源；負(fù)反應(yīng)，即游向背離聲源的方向；無動于衷或起初有所反應(yīng)但很快適應(yīng)后無反應(yīng)。根據(jù)魚類對聲響的反應(yīng)，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(shù)。據(jù)報道，不同種類、不同階段的魚對于光照會呈現(xiàn)不同的行為反應(yīng)，大致可分成三種類型：趨光行為、避光行為、無反應(yīng)。由于部分魚類具有較強(qiáng)的趨光反應(yīng)，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(qiáng)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(fā)育階段所喜好的光色和光強(qiáng)。此外，聲光相結(jié)合的魚類誘捕方法也正逐步得到應(yīng)用。

2 結(jié)論與展望

通過調(diào)研了核電廠的魚類回收遣返技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，以及水利工程過魚設(shè)施和集誘魚設(shè)施的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，主要結(jié)論如下：

1.現(xiàn)階段，我國在運(yùn)核電廠取水設(shè)施尚未設(shè)置魚類回收遣返設(shè)施，相關(guān)技術(shù)的研究也處于起步階段。

2.國外核電廠研究和應(yīng)用較多的主要為“被動型魚類回收遣返技術(shù)”，包括：魚類回流系統(tǒng)、魚類逃逸通道、改進(jìn)型雷氏濾網(wǎng)等。魚類回流系統(tǒng)通常在濾網(wǎng)基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)，增加魚類收集功能。電廠長期運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果表明，魚類回收遣返技術(shù)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(shè)施主要為“主動型魚類回收遣返技術(shù)”，其設(shè)計和研究充分考慮了魚類的習(xí)性及其游泳能力，關(guān)鍵水力參數(shù)包括：魚道進(jìn)口設(shè)計流速、池室內(nèi)主流分布形態(tài)等。此外，魚道的選型、進(jìn)口、槽室及出口的設(shè)置均與過魚目標(biāo)的洄游習(xí)性、棲息水層、適宜水深等密切相關(guān)。

4.集誘魚技術(shù)可作為核電魚類回流系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)儲備，其對魚類的引導(dǎo)主要是基于魚類對相應(yīng)刺激的生理行為應(yīng)激反應(yīng)。

5.未來，建議我國核電廠借鑒水利工程中過魚、集誘魚設(shè)施技術(shù)，針對核電取水明渠型式，深入開展明渠內(nèi)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(shù)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(tǒng)，以降低取水堵塞風(fēng)險、提高取水的環(huán)境友好性。

核電取水設(shè)施的環(huán)境友好性是國家生態(tài)文明建設(shè)的一部分，降低核電取水卷載和卷塞效應(yīng)更是需要取水設(shè)施的持續(xù)優(yōu)化。從核電安全生態(tài)運(yùn)行的層面出發(fā)，明晰核電運(yùn)行的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，保護(hù)魚類資源任重而道遠(yuǎn)。