海洋论坛▏海底原位观测技术在核电厂取水口安全监测中的应用探讨 - adv声学多普勒流速仪

城市一隅 · 发表于海洋技术发展 2024-5-29 05:54:36

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据统计，近十年来全球核电运行安全遭受威胁事件超过100起，多数事件是因为核电厂取水口堵塞，导致冷源取水不畅，进而造成机组冷却系统停止工作。因此，冷源安全是关乎核电厂持续安全稳定运行的关键要素之一。

泥沙淤积是导致冷源堵塞引起安全事件的重要原因之一。国内已有多个核电厂因取水口泥沙淤积过多、过快导致安全事件的先例。相对于正常状态下的泥沙稳定沉降，极端天气事件（如风暴潮等）能在短时间内引起泥沙骤淤，对海洋工程安全（包括核电冷源运行）影响尤为严重。极端天气事件导致的骤淤所形成的海洋灾害在我国也不鲜见（见表1）。同样，极端天气事件导致的泥沙骤淤也将会严重威胁冷源安全。在全球气候变化的背景下，极端天气事件发生的频率和强度逐渐增大，再加上我国沿海核电厂的数量增多，因此我们需要重视核电厂取水口区域可能发生的骤淤问题。

表1 部分区域泥沙骤淤情况

目前我国核电厂前期论证中的涉海评价与监测对风暴潮的关注大都集中在风暴/地震海啸引发的近岸增水及其引起的海底冲淤演变上，主要是利用模型的手段计算可能出现的近岸增水量和海底冲淤幅度，该方法尚无法对泥沙的启动和输运过程进行准确的模拟和解释。而极端天气事件导致的短时间内大规模的沉积物输运过程对取水口安全更重要。常规调查手段一般很难实现极端天气事件发生时的泥沙输运现场观测。近年来，在海洋基础研究领域应用广泛的海底原位观测系统可实现稳定连续的多参数高精度现场连续观测。它的开放式结构设计可以搭载多种高精度观测仪器且对底部没有明显干扰，使被观测的目标处于开放环境中，可以实现多种海洋环境下的海底观测。因此这一手段在极端天气下的泥沙输运现场观测中具有很大的应用前景。本文以两个海底原位观测的应用实例来探讨该方法在核电厂取水口海域泥沙输运监测中的可行性与适用性，并据此提出相应的监测建议与方案。

一、海底原位观测系统简介

由于极端天气事件期间的观测对仪器的安全性与数据质量的要求较高，常规观测手段难以获得现场实时数据，导致很难全面解释极端天气事件下泥沙输运（包括骤淤）等过程与机制。近年来，随着高精度高分辨率海洋数据获取技术及相关仪器的开发与应用，多种高精度仪器组合而成的海底原位观测系统即座底观测设备可以获取极端天气情况下的实时近底层水体悬沙浓度、悬浮颗粒物沉降速率、侵蚀通量、海底沉积物冲淤变化、海流等数据，为研究极端天气下的核电厂取水口骤淤过程的动力机制提供了新的技术手段。

座底观测系统主要搭载的设备有声学多普勒海流计（ADV）、声学多普勒波浪剖面流速仪（AWAC）、声学多普勒剖面流速仪（ADCP）、光学背散射传感器（OBS）、温—盐—深仪（CTD）、浪潮仪等，可根据测量需求自由组合安装在三角架或四角架上（见图1），放置在海底进行长期或短期连续观测，从而获得持续稳定的多参数高精度数据。

图1 海底原位观测设备

二、观测案例分析

本节以两个海底原位观测的应用实例来探讨该方法在核电厂取水口泥沙运动监测的可行性与适用性。

⒈案例一

近底层冲淤演变过程监测为研究静态天气下某海域的淤泥质海床稳定性，工作人员利用海底四脚架观测系统来观测近底层冲淤演变微过程，观测时间为12天。每套四脚架观测系统中安装了1台ADV和1台电磁海流计，该电磁海流计集成了温度、盐度、压力及浊度探头（见图2），其中ADV探头朝下，工作人员利用起吊设备将座底观测设备沉入海底。利用ADV开展海底冲淤观测主要是根据ADV探头垂直向下发射的高频声学波束，该波束在碰到海底沉积物时被反射，并被探头接收，工作人员由此记录到探头距离海底高度的变化即海底冲淤厚度（毫米级）的变化。通常只要没有遭到物理碰撞导致损坏，设备都能持续稳定地运行。本次观测未受到影响，数据连续可靠。

图2 观测期间海底冲淤实时监测图（a）（b），距底深度频率分布图（c）

根据现场观测结果（见图2），在仪器投放后1天多的时间内，仪器探测到的距底高度逐渐减小，该变化是由于座底观测系统的缓慢沉降所致，在投放初期沉降速度快，随着时间的推移，沉降逐渐变缓并逐渐达到平衡，从图2中可以看出，大约在12月24日达到平衡，仪器不再发生沉降。由图2（b）可以看出，观测期间该站位海底总体上表现为淤积趋势，由小潮初期至大潮结束期间的累积淤积厚度约为23.2mm，且淤积主要发生在中潮和大潮期间，其中在中潮向大潮过渡阶段淤积速率最大。从距底深度频率分布图来看，小潮期间以基准线为对称轴分布，总体保持稳定，深度变化范围为10mm左右；中潮期间频率最高的深度是322mm（淤积2mm），但是分布范围较大，达到23mm；大潮期间频率最高的深度是306mm（淤积18mm），分布范围为13mm左右，如图2（c）所示。

在观测期间，海底并不一直是表现为淤积，在潮周期内也表现出冲淤动态变化特征。在典型大潮期间（见图3），涨潮初期，随着近底层流速的增大，水体浊度没有明显的变化，如图3（c）所示，但ADV探测得到的探头距离海底的高度出现了同步增大，表明该时刻海底发生了侵蚀，但随即又出现了较大幅度的淤积；此后，随着流速的增大，距底高度略有增加，这表明在流速增大的时刻海底发生侵蚀，但侵蚀厚度很小，一般在2mm-4mm；而在流速减小的时候，距底高度略有减小，这表明在流速减小的时刻海底发生淤积，淤积厚度也相对较小如图3（d）所示，整个潮周期内（25h）海底冲淤表现为净淤积，净淤积厚度为2.1mm。

图3 典型大潮期间海底冲淤变化

典型小潮期间变化与大潮类似，且变化幅度更小（见图4），整个小潮周期内（25h）海底冲淤表现为净淤积，净淤积厚度为0.4mm。因此，在观测站附近海域，观测期间海底高程处于不断变化中，但冲淤变化幅度相对较小，观测周期内表现为净淤积趋势，在小潮和大潮的潮周期内冲淤变化幅度相对较小。

图4 典型小潮期间海底冲淤变化

综上所述，这一案例所用设备可以很好地观测到近底层泥沙冲淤的细微动态变化过程，可应用于核电厂取水口海域的海底冲淤过程以及近底层泥沙监测。

⒉案例二

极端天气事件下的水体监测的设备观测仪器为AWAC，即声学多普勒波浪剖面流速仪等。该设备是从底部向上发射声波，从而实现观测站从海底到海表水体的监测。观测期间成功捕捉到了五次台风的影响过程（见图5），分别为台风丹娜丝（T1）、台风利奇马（T2）、台风玲玲（T3）、台风塔巴（T4）、台风米娜（T5）。座底设备的横向摆动幅度与纵向摆动幅度均小于10°，说明观测期间仪器基本稳定，观测数据较为可靠。

图5 台风路径

为了进一步分析海流变化，工作人员将观测站的坐标轴沿顺时针方向旋转22.5°，并利用旋转后的数据将实测海流分解为平行岸线（u）方向和垂直岸线（v）方向两个分量。正值为东北向与离岸方向，负值为西南向与向岸方向。台风影响期间，实测海流流速明显增大，沿岸方向的变化幅度远大于跨岸方向且流向在台风影响期间发生转向，在利奇马台风和米娜台风期间的转换过程中尤为明显，如图6（a）、图6（b）所示。

图6 实测海流与回波强度

为了更直观地呈现海流在不同台风影响期间的变化过程，我们使用经典调和分析模型去除海流数据中的潮信号如图6（c）、图6（d）。

计算公式如下：

式中，Z（t）是t时刻观测到的水位（单位m），σj、Hj以及gj分别是第j个分潮对应的角速度（单位rad/s）、振幅（单位m）和迟角（单位°）。j是指分潮的个数，S0是平均海平面。其中，Hj＝（aj2+bj2）-1，gi＝arctan（bj/aj），利用上述公式计算出回报水位，通过与实测水位对比得到余水位。

结果显示，顺岸方向的海流流速远大于跨岸方向，登陆型台风利奇马和米娜在顺岸方向上出现西南流和东北流向的反转，且利奇马台风期间的流速大于米娜台风；而其他三个未登陆型台风主要以西南流为主，并未出现流向反转现象，流速也远小于登陆型台风。

靠近大陆的浅水海域，富含大量的陆源沉积物，而沉积物输运与水体输运密切相关。当发生台风天气时，台风搅动海水，打破了原有的海流结构，沉积物输运格局也随之改变。沿岸流在台风期间反转使海水在短时间内发生南北向水体交换，水体交换过程对区域泥沙输运必将产生显著的影响。回波强度是表征水体颗粒物含量及浑浊度的指标之一见图6（e）。回波强度越大表示颗粒物含量越多，水体越浑浊；回波强度越小则表示颗粒物含量越少，水体越清澈，因此可以间接反映水体来源。台风期间由于流向的转变，反映了不同来源的海水引起水体浊度的变化，以T2为例。超强台风利奇马期间，强劲的东北风引起沿岸西南流，使大量径流河水向外海扩展，将悬浮泥沙带到观测站海域。当风向转变为西南风时，海流转为沿岸北上，此时水体回波强度比静态天气时还要小，可能是外海水输入观测站区域。之前由西南向输运而来的悬浮泥沙并未随东北向流输运，可能是在外海水的侵入下进入观测站下层，因而未检测到。

综上所述，案例二所用设备能实现对极端天气下的水体输运监测，可应用于核电取水口极端天气下泥沙输运监测。

⒊总结

案例一所用的ADV可以实现近底50cm以内的近底层泥沙启动与沉降过程的监测，而案例二所用设备则可以实现底层50cm以上的水体输运监测，我们将上述两个案例所用的设备设置在同一个观测系统上，就能实现极端天气下核电厂取水口海域泥沙从启动到输运再到沉降的全过程，从而为核电厂的建设和运维提供技术支撑。

三、讨论与建议

⒈讨论

极端天气事件（风暴潮）伴随着高出正常海况下数倍的水体动能，增大了有效波高和水体流速，使得波—流联合底床切应力增大且显著大于海底临界侵蚀切应力。因此，强烈的波—流作用扰动海底，使原本沉积在海底的沉积物随着海流运动，最终沉积在动能相对较弱的区域。砂质海岸以推移和跃移输运为主，移动距离相对较小，一般很少发生骤淤事件。而粉砂、淤泥质海岸的泥沙输运则是以悬浮输运为主要形式，移动距离较远，骤淤事件频发。当底部切应力大于底部沉积物的启动临界应力时，打破了平静时期的冲淤平衡，导致大量沉积物在短时间内再悬浮，水体挟沙能力明显增强，泥沙在海流的作用下被输运到其他区域，可能在动力减弱的区域（即底部切应力小于沉降应力时）产生异地强烈淤积。整个过程中，泥沙在水体的裹挟下发生了大规模的空间交换。综上所述，极端天气引起的短时间内的泥沙空间交换很可能引起泥沙的异地强烈淤积，特别是在泥沙含量充足的粉砂、淤泥质海岸地区。因此，如果核电厂地处极端事件发生频次多、强度大的地区且底质沉积物类型以粉砂和淤泥为主，就具有相对较高的骤淤事件发生的潜在风险，需引起重视。

我们在核电厂建设的前期论证以及在核电厂的运维过程中对极端天气的考虑大都是利用经验公式和数值模型方法。尽管当前的计算精度越来越高，但由于现场观测数据十分缺乏，因此我们尚难以准确模拟极端天气事件现场的真实情况。所以，极端天气下的实测数据就显得尤为重要，可以为新厂址的选择与现有核电厂的日常安全维护提供重要技术资料。现有工作缺乏极端天气事件泥沙输运过程的监测，不利于核电厂的持续稳定运行。在极端天气事件逐步增强的气候背景下，只有明确极端天气事件下核电厂取水口海域泥沙输运机制才能有效预防与及时应对海域骤淤事件的发生。因此我们应该有针对性地对具有潜在风险的核电厂取水口海域开展泥沙输运过程现场实时监测。

⒉建议

上述两个案例的成功观测说明座底观测方法观测数据可靠，具有很好的工程应用前景。因此，为了探明核电厂取水口海域的骤淤过程与机制，我们可针对骤淤发生潜在可能性较大的区域（极端事件频发且沉积物以粉砂和黏土为主的区域）进行海底原位观测研究。我们将传统调查手段与座底观测方法相结合，对核电厂取水口及其周边海域开展沉积物取样与中短期海底冲淤、水文等连续观测。主要包括：

⑴对目标核电厂取水口海域进行前期背景调查。包括开展岸滩现场地质地貌调查与研究，分析工程区所在海域的潜在泥沙来源，收集水文气象资料（包括极端事件发生频次与强度）等；调研核电厂取水口布局和泥沙淤泥情况。

⑵在工程区及其附近海域取床底表层沉积物（极端天气事件发生前后各取一次），开展测试分析，研究工程区海底沉积物特征、分布规律和沉积环境。结合⑴的背景调查确定观测站位置以及数量。

⑶为了观测海域泥沙从启动到输运再到沉降的全过程，座底观测系统需同时配备声学多普勒海流计、声学多普勒波浪剖面流速仪、光学后向散射计、电子海流计、浪潮仪等。我们在重点海域的观测站位附近可同步放置沉积物捕获器，将ADV等观测设备安装在沉积物捕获器上。测量参数包括流速、流向、波浪场、温度、盐度、悬沙浓度、距底高度等。我们在选定位置开展多站位同步观测，根据研究区背景调查选择极端事件发生频次高的季节进行三个月的连续观测。同时可在四个季节的常态天气下开展十五天左右的短期座底观测，分析不同天气背景下（正常天气与极端天气）及不同季节背景下的海底泥沙输运特征及其控制机制。若座底观测支架在观测期间的横纵摆动幅度小于10°且高精度探头未遭受物理破坏导致观测中断，则可视为观测数据稳定可靠。

⑷利用座底观测设备在极端天气事件下的实测数据辅助模型的构建，提高模型的准确性。观测数据可以为风暴潮事件水动力和泥沙输运模拟提供事件发生时的背景资料和率定数据。

四、结论

⑴利用海底原位观测方法可以监测极端天气事件发生时的泥沙输运过程。结合近底冲淤观测和水文观测设备可实现泥沙从启动到输运再到沉降的全过程监测。

⑵为了探明核电厂取水口海域的骤淤机制，我们应在具有骤淤发生潜在可能性的核电厂周边海域开展相关观测。

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END

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【作者简介】文/朱雪强邹晓春郑斌鑫李云海，分别来自上海核工程研究设计院有限公司、自然资源部第三海洋研究所、福建省海洋物理与地质过程重点实验室。第一作者朱雪强，1983年出生，男，高级工程师，现主要从事核电前期水文气象工作。本文为基金项目，国家自然科学面上基金项目（41976050）。文章来自《核安全》（2023年第3期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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