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(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和美麗環(huán)境需求的提高,能源供需的矛盾日益突出,社會(huì)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(huán)保與低耗高效的綠色能源,引起了世界各國的廣泛關(guān)注,在緩解氣候變化、保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型等方面發(fā)揮顯著作用,是目前唯一可大規(guī)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(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行顯得尤為重要。

目前我國在運(yùn)核電機(jī)組在沿海修建,采用海水作為冷卻介質(zhì),取水口的運(yùn)行狀態(tài)對核電機(jī)組運(yùn)行具有直接影響[5]。據(jù)美國核動(dòng)力運(yùn)行研究所(INPO)統(tǒng)計(jì),2000年以來全球范圍內(nèi)由于取水口堵塞引發(fā)的核電機(jī)組運(yùn)行事故多達(dá)200余起,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,是亟待解決的安全隱患[6]。

按照堵塞致災(zāi)物存在的空間狀態(tài),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(fā)育后終生或一段時(shí)間內(nèi)棲息于海洋基底表面或沉積物中的生物態(tài)群,包含海地瓜、沙蠶等底棲動(dòng)物和綠藻、紅藻等底棲植物,具有豐富復(fù)雜的物種多樣性。其中沙蠶因其生活習(xí)性、在潮間帶的物種優(yōu)勢及在沿海養(yǎng)殖量較大等特性,是值得被研究的潛在致災(zāi)物。

圖1 核電廠取水口常見致災(zāi)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(dòng)力作用下,明渠內(nèi)外的海底物被起動(dòng),并進(jìn)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(dòng)開展研究,探討波浪和潮流對底棲生物的起動(dòng)作用和下沉情況影響,為堵塞物清理、取水口攔污設(shè)計(jì)和取水口功能維護(hù)等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 雙齒圍沙蠶的物理特性

沙蠶(Nereis succinea)別名海蜈蚣,屬環(huán)節(jié)動(dòng)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(jié),節(jié)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(dòng),晝伏夜出,攝食及交配時(shí)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(zhì)、沙質(zhì)、泥沙質(zhì)中均可生存,是石塊石縫、珊瑚礁、海藻叢及軟底質(zhì)中的優(yōu)勢物種,且在我國浙江、福建、廣州等地均有養(yǎng)殖[8-15]。試驗(yàn)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(zhì)量和體積進(jìn)行測量。記錄各組次沙蠶質(zhì)量和體積,計(jì)算得本次試驗(yàn)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(dòng)范圍不大,較為穩(wěn)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(gè)體測量其體長和質(zhì)量,得到沙蠶個(gè)體質(zhì)量和長度關(guān)系(圖2)。由圖2可見,隨著沙蠶個(gè)體隨著質(zhì)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(zhǔn)確測量沙蠶體長客觀上造成了一定困難,因此后續(xù)沙蠶運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)主要將其運(yùn)動(dòng)過程與個(gè)體質(zhì)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

圖2 沙蠶個(gè)體質(zhì)量與體長的關(guān)系Fig.2 Relationship between individual mass and body length of nereis succinea

2 沙蠶沉速試驗(yàn)

沙蠶沉速試驗(yàn)在水槽中進(jìn)行,試驗(yàn)水槽長3.0 m、寬3.0 m、高1.8 m,水槽內(nèi)水深h為1.535 m。水槽的兩個(gè)相鄰壁面中心位置處設(shè)置有高1.5 m、寬0.4 m的可透視觀察窗,可架設(shè)相機(jī)專門用于記錄、觀測沙蠶沉落運(yùn)動(dòng)過程。試驗(yàn)前對每條沙蠶活體進(jìn)行稱重,記錄其質(zhì)量為m,沙蠶以靜止?fàn)顟B(tài)、單獨(dú)個(gè)體投放于水中,同時(shí)記錄下沙蠶下落的時(shí)間t,根據(jù)試驗(yàn)水深h為1.535 m,可以得到沙蠶個(gè)體沉速w=h/t。

沙蠶沉速試驗(yàn)共計(jì)開展110組,沙蠶個(gè)體質(zhì)量和沉速之間的關(guān)系如圖3所示。沙蠶進(jìn)入水體后整體表現(xiàn)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(gè)體所受到的重力和其周圍的擾流阻力相互抵消時(shí)沉速不再繼續(xù)增加,達(dá)到穩(wěn)定勻速下落。這里討論的沉速即為勻速下落時(shí)沙蠶的穩(wěn)定沉速。由圖3可見,隨著沙蠶個(gè)體質(zhì)量的增加,沙蠶的沉速整體呈增長趨勢,相同質(zhì)量的沙蠶個(gè)體的沉降速度在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)具有一定的波動(dòng)性,這是由于沙蠶個(gè)體游動(dòng)能力不同導(dǎo)致的。

圖3 沙蠶個(gè)體質(zhì)量與沉速之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between individual mass and sedimentation velocity of nereis succinea

對沉速數(shù)據(jù)和個(gè)體質(zhì)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)擬合,得到的沙蠶沉速計(jì)算式如下

w=2.71×m

(1)

式中：w為沉速,cm/s;m為沙蠶個(gè)體質(zhì)量,g。

3 沙蠶起動(dòng)試驗(yàn)

沙蠶起動(dòng)試驗(yàn)在波流水槽中進(jìn)行。水槽長50 m、寬0.7 m,試驗(yàn)段為位于水槽中部,底床泥沙鋪設(shè)深度15 cm,泥沙中值粒徑d50為0.18 mm,試驗(yàn)水深0.3 m,試驗(yàn)選用沙蠶個(gè)體質(zhì)量在0.4～3.2 g的成年活體,試驗(yàn)水溫保持在24～26℃。由試驗(yàn)可知,沙蠶在沙質(zhì)底床條件下具有鉆洞的習(xí)性。當(dāng)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(dòng),此時(shí)沙坑附近的流場因底床嚴(yán)重沖刷而重新分布,變得難以控制。因此在試驗(yàn)時(shí)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(dòng)試驗(yàn),同時(shí)觀測沙蠶的運(yùn)動(dòng)特征,如圖4所示。

3.1 恒定流沙蠶起動(dòng)試驗(yàn)

在恒定流條件下,分別對質(zhì)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(gè)體開展起動(dòng)流速試驗(yàn),試驗(yàn)以沙蠶發(fā)生超過自身爬動(dòng)速度整體平移或整體翻滾作為沙蠶起動(dòng)的判別依據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,不同質(zhì)量沙蠶個(gè)體的起動(dòng)流速主要在Vc=6.76 cm/s上下波動(dòng),波動(dòng)范圍為3.36～8.64 cm/s。根據(jù)CHRISTOFFERSEN和JONSSON[16]的研究,作用于沙蠶的水流流速Vsc可通過下式計(jì)算,平均臨界起動(dòng)水流流速Vsc為0.034 m/s。

圖5 恒定流條件沙蠶個(gè)體起動(dòng)流速(試驗(yàn)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(dòng)底床摩阻流速;z為沙蠶個(gè)體的特征高度,mm,取z=2;υ為動(dòng)力粘性系數(shù);Ks=2.5d50,其中d50為底床泥沙中值粒徑。

影響沙蠶個(gè)體起動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),沙蠶的運(yùn)動(dòng)具有“走走停?！钡奶卣?當(dāng)沙蠶處于“停止”狀態(tài)時(shí),主要通過觸足與底床接觸,表現(xiàn)出一定的抓握能力,呈爬行狀態(tài),抓握能力越強(qiáng),沙蠶的起動(dòng)流速越大。同時(shí),沙蠶還具有卷曲的習(xí)慣,當(dāng)沙蠶卷曲身體時(shí),部分身體抬高離開床面進(jìn)入上層高流速區(qū),在高速水流的推動(dòng)下發(fā)生身體翻滾。沙蠶個(gè)體自身行為習(xí)慣對于其起動(dòng)過程具有顯著的影響。同時(shí)將試驗(yàn)水流進(jìn)一步提高至10倍臨界起動(dòng)流速時(shí)可以發(fā)現(xiàn),沙蠶個(gè)體的運(yùn)動(dòng)方式仍然為滾動(dòng)和平移,未發(fā)現(xiàn)沙蠶起懸上浮進(jìn)入水體的情況。

3.2 波浪單獨(dú)作用沙蠶起動(dòng)試驗(yàn)

在單純波浪作用下,分別對質(zhì)量為0.6 g、1.1 g、1.6 g、2.1 g和2.4 g的沙蠶個(gè)體開展起動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)造波為規(guī)則波,波周期分別為1.2 s、1.6 s、2 s和2.4 s。在試驗(yàn)中以沙蠶發(fā)生超過自身爬動(dòng)速度整體平移或整體翻滾作為沙蠶起動(dòng)的判別依據(jù)。不同沙蠶個(gè)體質(zhì)量對應(yīng)周期的起動(dòng)波高如圖6所示?？紤]到波浪作用下底床所受的切應(yīng)力是隨時(shí)間變化的,因此將沙蠶起動(dòng)與波浪水質(zhì)點(diǎn)引起的底床最大無量綱希爾茲參數(shù)θw相關(guān)聯(lián),如圖7所示,可以得到波浪作用下沙蠶的起動(dòng)波高計(jì)算式如下

圖6 波浪單獨(dú)作用下沙蠶起動(dòng)波高(試驗(yàn)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(dòng)θw與沙蠶個(gè)體質(zhì)量之間的關(guān)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(zhì)點(diǎn)最大速度,m/s;d為水深,m;fw按照Swart方法計(jì)算;m為沙蠶個(gè)體質(zhì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài),選取0.5～3.3 g的沙蠶個(gè)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(yàn)。試驗(yàn)流速覆蓋1.5Vc～3.5Vc,試驗(yàn)波高包括1.5Hc～3.5Hc,試驗(yàn)水深為0.3 m。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,波流作用下沙蠶的移動(dòng)速度計(jì)算式如下

圖8 沙蠶相對運(yùn)動(dòng)速度與Shields參數(shù)關(guān)系Fig.8 The relationship between the relative motion speed of nereis succinea and the Shields parameter

(10)

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τcw=τc+τw

(12)

(13)

(14)

qs=Vs×n×m0

(15)

式中：u*為水流單獨(dú)作用下引起的摩阻流速,m/s;d為水深,m;τc為水流單獨(dú)作用下對底床的切應(yīng)力,N/m2;τw為波浪單獨(dú)作用下對底床的切應(yīng)力,N/m2;VS為沙蠶個(gè)體在波流作用下的移動(dòng)速度,m/s;w為沙蠶個(gè)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(nèi)沙蠶個(gè)體數(shù)量,ind/m2,可以通過現(xiàn)場生物取樣確定;m0為現(xiàn)場沙蠶個(gè)體平均質(zhì)量,kg。

3.4 沙蠶的止動(dòng)流速和下沉波高

當(dāng)水流達(dá)到沙蠶的起動(dòng)流速時(shí),沙蠶在水流的作用下開始運(yùn)動(dòng),如果此時(shí)水流流速降低,由運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)時(shí)的流速即為止動(dòng)流速。參照止動(dòng)流速的定義,將沙蠶由震蕩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止時(shí)的波高定義為下沉波高。根據(jù)水槽試驗(yàn)的結(jié)果(圖9～圖10),得到沙蠶的止動(dòng)流速V止動(dòng)=0.87Vc,下沉波高H下沉=0.78Hc。

圖9 沙蠶止動(dòng)流速V止動(dòng)與起動(dòng)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(dòng)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(jié)論

近年來核電廠取水口冷源堵塞事故頻發(fā),海洋致災(zāi)生物在波流作用下涌入核電廠冷源取水口導(dǎo)致取水困難,準(zhǔn)確評估核電廠冷源取水口致災(zāi)生物堵塞風(fēng)險(xiǎn)成為關(guān)注焦點(diǎn)。要準(zhǔn)確模擬海洋環(huán)境中致災(zāi)生物的運(yùn)動(dòng)輸移過程需要把握致災(zāi)生物的運(yùn)動(dòng)特性。通過波浪水槽試驗(yàn)對波流作用下沙蠶的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究,提出沙蠶的沉速、起動(dòng)流速、起動(dòng)波高、輸移率、止動(dòng)流速和下沉波高的計(jì)算方法。試驗(yàn)結(jié)果為沙蠶輸移數(shù)學(xué)模型和整體物理模型試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐。