核电站取水口海生物驱赶消杀技术研究

张高明，於 凡，张启明，欧阳晖，杜红彪



核电站取水口海生物驱赶消杀技术研究

张高明1，於 凡2，张启明3，欧阳晖1，杜红彪1

（1. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064；2. 中广核工程设计有限公司，广东深圳 518116；3. 苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

近年来，国内多座滨海核电站海生物频繁入侵，可能引发冷源取水口堵塞、核电站跳堆事故，严重影响核电站的安全可靠运行。本文对国内外核电站冷源防护技术进行了广泛调研，介绍了多种海生物驱赶消杀技术，分析了各种技术的作用原理，论述了各种技术的优缺点，给出了工程指导建议。结合核电站取水口立体纵深防护原则，提出了一种海生物驱赶消杀综合系统模型，为核电站改造以及新建核电站规划设计提供了参考。

核电站 取水口 海生物 驱赶消杀

0 引言

核电站取水口是常规岛循环水、重要厂用水以及循环水处理等关键系统的重要水源。国家核安全局在2016年印发《关于近期海洋生物或异物影响核电厂取水安全事件的通报》，通报了涉及国内大亚湾、宁德、红沿河等核电站因海生物或异物堵塞影响取水安全的事件[1]。2004年至2008年发生的61起取水口堵塞事件，大部分由海生物堵塞造成，还有事件涉及碎冰、泥沙或淤泥、外来原油泄漏，以及突发性的如麦秸杆等外来垃圾杂物的侵袭。海生物或异物所造成的堵塞可能导致机组降功率运行乃至停堆，严重时会对最终热阱可用性构成威胁，如何针对海生物进行有效的驱赶消杀是冷源防护亟待解决的问题[2-8]。

针对此类问题，国内多座滨海核电站采取了一系列防护措施，比如在取水口前端加装全断面式拦截滤网，虽缓解了部分海生物入侵的问题，但面对多样的海洋环境和不同的海生物仍存在不足[9,10]。浮游生物和固着生物的驱赶消杀一般使用消杀剂，但消杀剂的应用会对海洋生物和生态环境造成较大影响。本文对海生物驱赶消杀技术进行深入研究，为核电站取水口海生物驱赶消杀工程提供参考。

1 驱赶消杀技术综述

目前，国内外核电站取水口周边的海生物，主要包括浮游动植物、游泳动物及底栖生物。潜在影响我国滨海核电站冷源系统的海生物概述如下：浮游动植物，包括水母类（海月水母、沙海蜇等）、被囊类（异体住囊虫、红住囊虫等）、海樽、糠虾、球形棕囊藻、浒苔、束毛藻、叶光藻等；游泳动物，包括虾类（中国毛虾、口虾蛄等）、中上层鱼类（金色小沙丁鱼、黄鲫等）、底层鱼类（大银鱼、龙头鱼等）等；底栖生物，包括多毛类、棘皮动物、螠虫、甲壳动物、星虫、软体动物、腔肠动物、脊索动物等。

据现场调研，国内外多座核电站在其上游进水结构前缘及下游出流结构尾水区，均大规模安装了物理拦截网，该方法原理简单、结构稳定，但对个体较小的海生物拦截效果较差，且存在海生物撞击损坏、堆积堵塞影响结构过水能力、维护修复不便等问题[11-12]。

本文研究了多种核电站取水口海生物拦截、驱赶和消杀技术，基于安全性、有效性、可安装性、可维护性、经济性等设计原则，结合美国EPRI（电力研究协会）、中科院海洋研究所等国内外权威机构已有研究成果，探索非物理防御手段的海生物驱赶消杀技术。其中，热拦截、化学驱赶、取水口改造技术存在如下问题：

1）热拦截技术耗能巨大，热效应可能影响取水口冷却效果；

2）化学驱赶技术中的有效成分易稀释，还会对核电站生态环境造成不利影响；

3）取水口改造难度较大，对土建施工要求较高。综合上述，后文主要针对声、光、电、气 泡幕、改性粘土等驱赶消杀技术进行深入研究。

1.1 声波驱赶技术

据研究，部分海生物对声波敏感，可利用水下声波进行驱赶，其关键技术难点在于两个方面：如何在水下产生有效声波，如何选择声波参数（声压级、频率等）[13]。

1）声波有效性

近年来，研究人员对声波驱赶做了大量研究，通过播放海生物畏惧声音来实现驱赶，当声波的声压大于某一数值时，声波会对部分海生物起到威吓作用，达到驱赶目的。日本学者曾用声波驱赶海豚以保护渔场，美国学者Dernalker利用声波引导鳝鱼到安全水域[14]。此外，根据部分海生物的负趋音性，可用捕食者特点的声波实现目标海生物的驱赶[15]。

2）声波参数

游泳动物中鱼类的感声系统包含内耳、侧线、鳔和气囊等器官，这些器官能够综合感知声波和水体振动。美国学者Taft等人对游泳生物的声波反应做了大量实验，结果表明，针对部分游泳动物，声波频率在150~200 Hz范围内驱赶效果明显[16]。声波达到一定声压级后海生物会产生恐慌，一般鱼类对140~160 dB的声压有受惊吓的反应[17]。

图1 西欧斯海尔德河声波驱赶系统示意图

在采用声波驱赶技术时，要针对特定海生物对象，确定声波信号频率、声压级、波形，还需考虑海洋环境噪声、船只声呐等干扰。声波驱赶技术还需在海生物声波频率特性、声波趋避行为等方向深入研究。

1.2 光学驱赶技术

光学驱赶技术国内外研究较多，针对光敏感的海生物，可以实现水下驱赶，其关键技术在于光照强度、光照颜色、闪光对海生物行为的影响[18]。

1）光照强度

中国水产科学研究院李大鹏发现史氏鲟稚鱼 在光照强度100~1100 lx的趋光率为49.55%，无显著趋光性；当光照强度超过13000 lx时，其100% 避光[19]。太平洋鲟整个生活史中既没有明显的趋光行为，也不避光[20]；福州大学罗清平研究发现，随着光源照度的增加，孔雀鱼幼苗的趋光率有明显上升趋势，当照度到达2000 lx后，趋光率开始减小[21]。因此，不同海生物对光照强度的趋光性存在差异。

2）光照颜色

不同海生物对光照颜色的表现行为有所差异，浙江海洋学院王萍，发现在光照强度一定、颜色不同的条件下，眼斑拟石首鱼对蓝、绿光表现负趋光性，在远离光源处游动[22]。孔雀鱼幼苗在红、黄光中显得惊慌不安，也表现出负趋光性[21]。

3）闪光

闪光是由短时间的间歇性高强光形成，美国学者Sager等人研究指出，鱼类对持续性的光源可能产生正趋光性或负趋光性，但对闪光一般表现为回避行为[23]。加拿大学者Patrick等人研究表明，闪光灯对灰西鲱、黄鱼和香鱼等有明显的驱赶效果，在水电站的入水口应用闪光灯，可以很好地控制鱼类的行为[24]。

图2 美国伊利诺伊河光学驱赶系统

光学手段对游泳生物和负趋光性底栖生物具有一定驱赶作用，但由于游泳生物对光刺适应性较强，导致驱赶效率下降，建议将光学与其它驱赶手段结合使用。

1.3 电脉冲拦截技术

电脉冲拦截技术在国内外水利水电设施中应用较为成熟，该技术通过金属电极在水体中建立电场区域，实现水生物有效拦截，其关键技术在

于电极阵的排布形式、脉冲激励源参数设置、电极材料等。

1）电极阵的排布形式

电极排布方式有单排柱状电极、双排柱状电 极等。电极间电场方向平行于拦截面，在拦截时海生物若垂直于电场方向进入，导致拦截可靠性大大降低；双排柱状电极方案拦截更为可靠，可减小单台设备的功率，但系统成本和复杂度更高。

2）脉冲激励源参数设置

脉冲激励源参数有脉冲波形、脉冲频率和脉冲占空比的选取等。脉冲激励源一般采用方波脉冲波形，其在水中产生的电场极性不变，可形成有效的拦截，并且不易受外界影响。最佳脉冲频率的选取和海生物的种类有关，具体根据实际优化选择。脉冲占空比的设置，取决于如何平衡拦截效率和功率大小。

3）电极材料

电极作为电流的传导载体，电流从电极传入到海水中时，将在阳极表面发生电化学反应，因此建议阳极电极材料选用金属材料。此外，电极材料在海水中的自腐蚀要低，腐蚀以均匀腐蚀为佳。

图3 国内某水库电脉冲拦截系统

基于上述分析，电脉冲拦截技术尚需进一步突破，如海水电导率引起的系统功耗；适用于多种海生物趋避行为的脉冲激励源；弱电场下最优电极排布方案等。

1.4 气泡幕拦截技术

据国内外研究，气泡幕拦截技术能从海生物的视觉、听觉和触觉影响它们的行为，实现有效拦截，其关键技术包括：曝气管的孔径和孔距参数、气泡幕光效应等。

1）曝气管的孔径和孔距参数

研究人员试验发现，孔径1.0 mm、孔距2.5 cm、压缩空气压力为27.46 kPa时，气泡幕对红鳍东方鲀的拦截率为71%；青岛海洋大学赵锡光等人，研究不同孔距固定气泡幕对黑鲷的阻拦作用中发现，当孔距为5.0 cm、孔径0.5 mm时，产生的气泡体积适中且均匀，拦截率为70%~80%[25]；仍有国外学者认为，适宜的孔距为4.0 cm效果最好[26]。因此得到不同适宜孔距和孔径，与气泡幕对不同的海生物产生的视觉效果有关。

2）气泡幕光效应分析

气泡幕对海生物的阻拦效果还与光线的强弱和海生物感光敏感程度有关。加拿大学者Brett等人发现，气泡幕在白天对幼鲑的拦截效果很好，但在黑暗中拦截效果大幅下降[27]。针对此类问题，已有相关研究证明，结合声、光、气泡幕拦截技术对银鲤等海生物拦截率达到97%以上。

图4 国内某水电站气泡幕拦截系统

气泡幕拦截技术对海生物和生态环境影响较小，操作实施安全，可操作性强。游泳生物对气泡幕适应性较高，并且气泡幕墙容易受环境如海流、潮汐和风等影响，因此建议将气泡幕与声、光、电等技术组合使用。

1.5 改性粘土消杀技术

纵观国内外赤潮防治的研究历史，常见的治理方法通常分为物理法、化学法和生物法三大类。物理法局限于小范围内使用，化学法对自然生态环境有一定的毒负作用，生物法可能引进新的物种而改变原有的生态系统。

改性粘土方法是一种安全、高效、低成本、便于现场操作、可规模化应用的有害赤潮应急处置方法，不仅可应用于海洋环境的一般性赤潮治理，还可应用于球形棕囊藻等赤潮生物暴发海区的核电站冷源安全保障，在国内滨海核电站冷源保障方面具有广阔的应用前景。根据海生物拦截、驱赶、消杀技术特点，将各技术性能和效果分别对比如表1、表2所示。

表1 技术性能对比表

表2 技术效果对比表

注释：★的数量与实施的效果程度相关，—表示不适用。

1.6 复合式驱赶消杀技术

通过分析国内外海生物驱赶消杀技术，并未发现任何单一技术手段，能实现对所有种类海生物的驱赶消杀。海生物行为是对环境中不同信号的复杂响应，因此结合不同刺激信号产生协同反应，使系统能综合应对海生物，并减小环境扰动带来的影响。

通过复合不同驱赶消杀技术，更有效实现对水电站、核电站、水库等领域的针对性防护。

1）声、气泡幕复合式技术

美国学者研究的BAFF系统，是由声波拦截驱赶技术与气泡幕拦截技术相结合组成，将声音集成于气泡幕中产生“声音墙”，达到拦截与引导海生物的效果。现场实验显示，对某些游泳生物拦截率达到95%。

2）声、光、气泡幕复合式技术

该系统已试验于美国伊利诺伊河，是在BAFF系统基础上复合光学驱赶技术，结合光学驱赶优势，可在水下有效拦截更多类型的海生物。初步试验已显示，对部分海生物有效拦截率达100%。

3）声、光、电脉冲、气泡幕复合式技术

系统结合了声波、光学、电脉冲和气泡幕拦截驱赶技术。由于拦截驱赶手段的多样性，有效减少了海生物对电脉冲拦截的挑战，同时也明显降低海生物对刺激信号适应甚至免疫的风险。

复合式系统表现的优势在于安全、高效和可靠，虽然系统成本和施工难度会相应增加，但完全符合当前核电站取水口对威胁冷源安全的海生物驱赶消杀的设计需求。

2 海生物驱赶消杀综合系统

面对核电站取水口大规模的海生物入侵，仅靠单一的技术手段无法有效实现驱赶消杀，鉴于各驱赶消杀技术的优劣，融合核电站立体纵深防护的体系设计，总结声波、气泡幕、光、电脉冲等四种目前较优的非物理防御手段和改性粘土消杀技术，提出一种海生物驱赶消杀综合系统模型。

该系统通过综合控制平台接入海生物预警信息和海生物数据库，从而生成相应的驱离参数组合，通过声波发生器、光源、电拦网、气泡幕、物理拦网、改性粘土等工具，产生海生物趋避或阻挡的物理效应，进而实现海生物的驱离，另外采用改性粘土消杀技术应对赤潮等浮游生物暴发。

图5 海生物驱赶消杀综合系统模型

图6 系统工作流程图

海生物由于多道屏障的作用，其运动轨迹是“遇阻回避”、“水流夹带”、“再次遇阻”，大部分海生物被驱赶或拦截汇集于集中区，剩余部分海生物仍有可能突破屏障，到达物理拦网。

实际工程应用中，海生物驱赶消杀综合系统要根据拟驱赶目标海生物的生活习性，及所需防护的核电站取水口的结构进行合理有效的设计。

3 结论

在核电站取水口冷源系统受到海生物入侵严重影响的背景下，如何有效实现对海生物的驱赶消杀，并坚固防护系统最后一道防线是众多核电站工作者、研究学者和政府人员共同关注的问题。针对国内外不同驱赶消杀技术展开研究，主要分析了其中声、光、电、气泡幕驱赶技术以及改性粘土消杀技术，结合复合式系统，初步提出 了一种海生物驱赶消杀综合系统模型。

综合上述研究现状和主要挑战，对核电站取水口海生物驱赶消杀技术研究的建议如下：

1）需要搭建综合实验平台，为生产实践提供基础数据和理论经验；

2）对比分析不同驱赶消杀技术，根据实际效果进行分级分区和立体防护；

3）建立核电站取水口海生物驱赶消杀设施规范，为未来新建核电站和电站改造工作提供参考。

[1] 李建文, 刘笑麟, 张锦飞等. 提升核电厂冷源安全性的海生物探测技术研究[J]. 电力安全技术, 2017, 19(10): 32-37.

[2] 钟云泰. 海水循环冷却系统海生物污染的控制[J]. 华东电力, 2004, (08): 30-33.

[3] 阮国萍. 核电厂取水口堵塞原因分析与应对策略[J]. 核动力工程, 2015, S1: 151-154.

[4] 朱成军, 王海超.核电厂取水明渠增设拦污网的必要性分析[J]. 机电信息, 2016, (03): 93-95+97.

[5] 颜国呈, 吕文婷. 基于电厂取水外来物堵塞的预防管理[J]. 科技创新与应用, 2016, (14): 119.

[6] 张爱玲, 陈晓秋, 刘森林, 贾祥. 我国内陆核电的用水安全[J]. 水文, 2015, (03): 69-73+25.

[7] 王军伟, 李世涛. 沿海电厂海生物危害及对策[J]. 广东电力, 2015, (09): 33-36+84.

[8] 张声强, 缪飞, 黄奇然. 循环冷却水系统海生物污损化学控制[J]. 广东化工, 2013, (22): 101-102+96.

[9] 孟亚辉, 刘磊, 郭显久等. 核电厂冷源海生物探测预警及决策支撑系统研究[J]. 大连海洋大学学报, 2018, 33(01): 108-112.

[10] Matthew R. Noatch and Cory D. Suski, Non-physical barriers to deter fish movements[J]. Environmental Reviews, 2012, 20(1): 71-82.

[11] 张立仁, 乔娟, 任海洋等. 复合式驱鱼系统在水电工程中的应用研究[J]. 人民长江, 2014 (14): 72-25.

[12] 安德鲁·特恩彭尼. 环境保护：拦鱼栅网选择指南[J]. 国际水力发电, 1998 (12): 40-44.

[13] Klinet D. A., Loeffelman P. H., Van Hassel J. H.,A new signal development process and sound system for diverting fish from water intakes[M]. 1982

[14] 朱存良. 鱼类行为生态学研究进展[J]. 北京水产, 2008（1）: 20-24.

[15] Taft E P, Winchell F C, Amaral S V,eta1. Recent advances in sonic fish deterrence：Proceedings of the 1995 International Conference on Hydropower, July 25, July 28, 1995[C]. Holden: Alden Research Lab: 1724-1733.

[16] 殷勇勤, 吕友林, 赵传达等. 声学驱鱼技术研究[J]. 船舶与海洋工程, 2017, 33(4): 26-31.

[17] 白艳勤, 陈求稳, 许勇等. 光驱诱技术在鱼类保护中的应用[J]. 水生态学杂志, 2013, 34(4): 85-88.

[18] 李大鹏, 庄平, 王明学等. 史氏鲟稚鱼的趋光性及不同光照周期对其生长的影响[J]. 华中农业大学学报, 2001(6): 564-567.

[19] 危起伟, 杨德国, 柯福恩. 长江中华鲟超声波遥测技术[J]. 水产学报, 1998(3): 20-26.

[20] 罗清平, 袁重桂, 阮成旭等. 孔雀鱼幼苗在光场中的行为反应分析[J]. 福州大学学报（自然科学版）, 2007(4): 631-634.

[21] 王萍, 桂福坤, 昊常文. 光照对眼斑拟石首鱼行为和摄食的影响[J]. 南方水产, 2009, 5(5): 57-62.

[22] Sager D R, Hocutt C H, Stsuffer J R. 1987. Estuarine fish responses to strobe light, bubble curtains and strobe Light/bubble-curtain combinations as influenced by water flow rate and flash frequencies[J]. Fisheries research, 5: 383-399.

[23] Patrick P H. Responeses of alewife to fashing light. Report to Ontario Hydro Research Division [C]. Toronto, 1982.

[24] 赵锡光, 何大仁. 黑鲷和青石斑鱼对气泡幕反应的比较[J]. 青岛海洋大学学报（自然科学学版）, 1997, 27(1): 33-40.

[25] 乔云贵, 黄洪亮, 陈帅等. 气泡幕在鱼类行为研究中的应用[J]. 现代渔业信息, 2001, 26 (12): 29-32

[26] Breet J R, Alderdice, D F.Research on guiding young salm on at two Brinsh Columbia field ststions[J]. Bull Fish Res BdCan, 1958(117): l-75.

Research on Marine Organism Expulsion and Elimination Nearby Water Intakes of Nuclear Power Plants

Zhang Gaoming1, Yu Fan2, Zhang Qiming3, Ouyang hui1, Du Hongbiao1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. China Nuclear Power Design Co,Ltd, Shenzhen 518116, Guangdong, China; 3. Suzhou Nuclear Power Research institute, Suzhou 215004, Jiangsu, China)

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A

1003-4862（2019）01-0022-04

2018-08-02

张高明(1994-)，男，工程师。研究方向：电气工程及海生物驱赶消杀技术。E-mail: 8575831@qq.com