核電廠取水口海域底棲生物起動研究

張 真,袁春光,姜新舒,李 奇

(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456)

隨著經濟的快速發展和美麗環境需求的提高,能源供需的矛盾日益突出,社會對清潔能源的需求逐漸增多。在這種形勢下,核電作為一種兼具低碳環保與低耗高效的綠色能源,引起了世界各國的廣泛關注,在緩解氣候變化、保證經濟發展、推動能源轉型等方面發揮顯著作用,是目前唯一可大規模替代化石燃料的清潔能源[1-4]。在這種情況下,保證核電機組安全、穩定、經濟運行顯得尤為重要。

目前我國在運核電機組在沿海修建,采用海水作為冷卻介質,取水口的運行狀態對核電機組運行具有直接影響[5]。據美國核動力運行研究所(INPO)統計,2000年以來全球范圍內由于取水口堵塞引發的核電機組運行事故多達200余起,造成了巨大的經濟損失,是亟待解決的安全隱患[6]。

按照堵塞致災物存在的空間狀態,可大致將其分為漂浮物、游泳及浮游物、海底物3類,如圖1所示[7]。其中海底物又分為泥沙等海底非生物和底棲生物。底棲生物(此處特指海洋底棲生物)通常指完成發育后終生或一段時間內棲息于海洋基底表面或沉積物中的生物態群,包含海地瓜、沙蠶等底棲動物和綠藻、紅藻等底棲植物,具有豐富復雜的物種多樣性。其中沙蠶因其生活習性、在潮間帶的物種優勢及在沿海養殖量較大等特性,是值得被研究的潛在致災物。

圖1 核電廠取水口常見致災物分類Fig.1 Classification of common hazards in water intakes of nuclear power plants

核電廠的取水口通常位于近岸水域,在波、流動力作用下,明渠內外的海底物被起動,并進行向岸和沿岸方向的輸移。本文以沙蠶為代表,對核電廠取水口海域底棲生物起動開展研究,探討波浪和潮流對底棲生物的起動作用和下沉情況影響,為堵塞物清理、取水口攔污設計和取水口功能維護等工作提供基礎數據支持。

1 雙齒圍沙蠶的物理特性

沙蠶(Nereis succinea)別名海蜈蚣,屬環節動物門、多毛綱、須蟲目、沙蠶科、沙蠶屬。其體形呈條狀、稍扁,整體由頭部、軀干部和尾部三部分組成。軀干部生有許多剛節,節上生有剛毛,具有一定的游泳能力。沙蠶通常隨潮水漲落活動,晝伏夜出,攝食及交配時離開泥面。其生活范圍十分廣泛,在潮間帶乃至深海中都極為常見,在泥質、沙質、泥沙質中均可生存,是石塊石縫、珊瑚礁、海藻叢及軟底質中的優勢物種,且在我國浙江、福建、廣州等地均有養殖[8-15]。試驗選用底棲生物雙齒圍沙蠶為研究對象。

選取5組沙蠶活體,每組5～7條,通過量筒和電子秤分別對其質量和體積進行測量。記錄各組次沙蠶質量和體積,計算得本次試驗沙蠶的密度在1.011～1.057 g/cm3(見表1),平均值為1.035 g/cm3,可見其密度與海水比較接近,波動范圍不大,較為穩定。

表1 沙蠶密度匯總表Tab.1 Density summary of nereis succinea

分別選取25條沙蠶個體測量其體長和質量,得到沙蠶個體質量和長度關系(圖2)。由圖2可見,隨著沙蠶個體隨著質量的增加,其體長也有增長的趨勢?？紤]到沙蠶本身具有一定的伸縮性,這對準確測量沙蠶體長客觀上造成了一定困難,因此后續沙蠶運動特性試驗主要將其運動過程與個體質量進行關聯。

圖2 沙蠶個體質量與體長的關系Fig.2 Relationship between individual mass and body length of nereis succinea

2 沙蠶沉速試驗

沙蠶沉速試驗在水槽中進行,試驗水槽長3.0 m、寬3.0 m、高1.8 m,水槽內水深h為1.535 m。水槽的兩個相鄰壁面中心位置處設置有高1.5 m、寬0.4 m的可透視觀察窗,可架設相機專門用于記錄、觀測沙蠶沉落運動過程。試驗前對每條沙蠶活體進行稱重,記錄其質量為m,沙蠶以靜止狀態、單獨個體投放于水中,同時記錄下沙蠶下落的時間t,根據試驗水深h為1.535 m,可以得到沙蠶個體沉速w=h/t。

沙蠶沉速試驗共計開展110組,沙蠶個體質量和沉速之間的關系如圖3所示。沙蠶進入水體后整體表現為下沉的趨勢,沙蠶在下落過程中周圍水體將形成擾流,擾流阻力與下沉速度的平方成正比,即F阻～w2。沙蠶個體所受到的重力和其周圍的擾流阻力相互抵消時沉速不再繼續增加,達到穩定勻速下落。這里討論的沉速即為勻速下落時沙蠶的穩定沉速。由圖3可見,隨著沙蠶個體質量的增加,沙蠶的沉速整體呈增長趨勢,相同質量的沙蠶個體的沉降速度在一個區間范圍內具有一定的波動性,這是由于沙蠶個體游動能力不同導致的。

圖3 沙蠶個體質量與沉速之間的關系Fig.3 Relationship between individual mass and sedimentation velocity of nereis succinea

對沉速數據和個體質量進行關聯擬合,得到的沙蠶沉速計算式如下

w=2.71×m

(1)

式中：w為沉速,cm/s;m為沙蠶個體質量,g。

3 沙蠶起動試驗

沙蠶起動試驗在波流水槽中進行。水槽長50 m、寬0.7 m,試驗段為位于水槽中部,底床泥沙鋪設深度15 cm,泥沙中值粒徑d50為0.18 mm,試驗水深0.3 m,試驗選用沙蠶個體質量在0.4～3.2 g的成年活體,試驗水溫保持在24～26℃。由試驗可知,沙蠶在沙質底床條件下具有鉆洞的習性。當沙蠶鉆入泥沙后,需要將表層泥沙全部沖刷令沙蠶再次裸露后才能起動,此時沙坑附近的流場因底床嚴重沖刷而重新分布,變得難以控制。因此在試驗時將沙蠶布置于床沙表面,在沙蠶鉆入泥沙之前開展恒定流、波浪條件下的起動試驗,同時觀測沙蠶的運動特征,如圖4所示。

3.1 恒定流沙蠶起動試驗

在恒定流條件下,分別對質量為0.8 g、0.9 g、1 g、1.1 g、1.3 g、1.5 g、1.6 g、1.7 g和2.1 g的沙蠶個體開展起動流速試驗,試驗以沙蠶發生超過自身爬動速度整體平移或整體翻滾作為沙蠶起動的判別依據。

試驗結果如圖5所示,不同質量沙蠶個體的起動流速主要在Vc=6.76 cm/s上下波動,波動范圍為3.36～8.64 cm/s。根據CHRISTOFFERSEN和JONSSON[16]的研究,作用于沙蠶的水流流速Vsc可通過下式計算,平均臨界起動水流流速Vsc為0.034 m/s。

圖5 恒定流條件沙蠶個體起動流速(試驗水深0.3 m)Fig.5 Start-up flow rate of Nereis succinea under constant flow conditions (test depth：0.3 m)

(2)

(3)

式中：К=0.4;u*c為沙蠶臨界起動底床摩阻流速;z為沙蠶個體的特征高度,mm,取z=2;υ為動力粘性系數;Ks=2.5d50,其中d50為底床泥沙中值粒徑。

影響沙蠶個體起動的主要因素包括：沙蠶自身對于底床的抓握能力和沙蠶身體的卷曲過程。在起動試驗中發現,沙蠶的運動具有“走走停?！钡奶卣?當沙蠶處于“停止”狀態時,主要通過觸足與底床接觸,表現出一定的抓握能力,呈爬行狀態,抓握能力越強,沙蠶的起動流速越大。同時,沙蠶還具有卷曲的習慣,當沙蠶卷曲身體時,部分身體抬高離開床面進入上層高流速區,在高速水流的推動下發生身體翻滾。沙蠶個體自身行為習慣對于其起動過程具有顯著的影響。同時將試驗水流進一步提高至10倍臨界起動流速時可以發現,沙蠶個體的運動方式仍然為滾動和平移,未發現沙蠶起懸上浮進入水體的情況。

3.2 波浪單獨作用沙蠶起動試驗

在單純波浪作用下,分別對質量為0.6 g、1.1 g、1.6 g、2.1 g和2.4 g的沙蠶個體開展起動試驗。試驗造波為規則波,波周期分別為1.2 s、1.6 s、2 s和2.4 s。在試驗中以沙蠶發生超過自身爬動速度整體平移或整體翻滾作為沙蠶起動的判別依據。不同沙蠶個體質量對應周期的起動波高如圖6所示?？紤]到波浪作用下底床所受的切應力是隨時間變化的,因此將沙蠶起動與波浪水質點引起的底床最大無量綱希爾茲參數θw相關聯,如圖7所示,可以得到波浪作用下沙蠶的起動波高計算式如下

圖6 波浪單獨作用下沙蠶起動波高(試驗水深0.3 m)Fig.6 The starting wave height of nereis succinea under the action of wave alone (test depth：0.3 m)

圖7 臨界起動θw與沙蠶個體質量之間的關系Fig.7 The relationship between critical starting θw and individual mass of nereis succinea

θwc=0.22×m0.15

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ρs為沙蠶密度,此處取1.035×103kg/m3;ρ為海水密度,kg/m3;Δ為特征高度,此處取0.003 m。L為波長,m;uw為波浪近底層水質點最大速度,m/s;d為水深,m;fw按照Swart方法計算;m為沙蠶個體質量,kg。

3.3 波流共同作用下沙蠶輸移特征

為了研究波流共同作用下沙蠶的運動狀態,選取0.5～3.3 g的沙蠶個體,在垂線平均流速為13.2～37.2 cm/s、波高為2.9～7.7 cm、周期為1.2 s和2 s的波流組合條件下開展輸移速度試驗。試驗流速覆蓋1.5Vc～3.5Vc,試驗波高包括1.5Hc～3.5Hc,試驗水深為0.3 m。試驗結果如圖8所示,波流作用下沙蠶的移動速度計算式如下

圖8 沙蠶相對運動速度與Shields參數關系Fig.8 The relationship between the relative motion speed of nereis succinea and the Shields parameter

(10)

(11)

τcw=τc+τw

(12)

(13)

(14)

qs=Vs×n×m0

(15)

式中：u*為水流單獨作用下引起的摩阻流速,m/s;d為水深,m;τc為水流單獨作用下對底床的切應力,N/m2;τw為波浪單獨作用下對底床的切應力,N/m2;VS為沙蠶個體在波流作用下的移動速度,m/s;w為沙蠶個體沉速,m/s ;qs為波流作用下單位寬度沙蠶輸移率,kg/(m·s);n為單位面積內沙蠶個體數量,ind/m2,可以通過現場生物取樣確定;m0為現場沙蠶個體平均質量,kg。

3.4 沙蠶的止動流速和下沉波高

當水流達到沙蠶的起動流速時,沙蠶在水流的作用下開始運動,如果此時水流流速降低,由運動轉變為靜止狀態時的流速即為止動流速。參照止動流速的定義,將沙蠶由震蕩運動轉變為靜止時的波高定義為下沉波高。根據水槽試驗的結果(圖9～圖10),得到沙蠶的止動流速V止動=0.87Vc,下沉波高H下沉=0.78Hc。

圖9 沙蠶止動流速V止動與起動流速Vc的比值Fig.9 The ratio of stop flow rate to start flow rate of nereis succinea

圖10 沙蠶下沉波高H下沉與起動波高Hc的比值Fig.10 The ratio of the sinking wave height to the starting wave height of nereis succinea

4 結論

近年來核電廠取水口冷源堵塞事故頻發,海洋致災生物在波流作用下涌入核電廠冷源取水口導致取水困難,準確評估核電廠冷源取水口致災生物堵塞風險成為關注焦點。要準確模擬海洋環境中致災生物的運動輸移過程需要把握致災生物的運動特性。通過波浪水槽試驗對波流作用下沙蠶的運動特性進行研究,提出沙蠶的沉速、起動流速、起動波高、輸移率、止動流速和下沉波高的計算方法。試驗結果為沙蠶輸移數學模型和整體物理模型試驗提供數據支撐。