濱海核電站取水口精細流場測量的設計與實例

史文奇,袁帥,劉永青,曹雪峰,邢傳璽

(國家海洋環境監測中心 大連 116023)

0 引言

濱海核電運行須抽取大量海水作為冷卻劑,其對冷源的依賴性強,且自身具有高危性,因此冷源取水安全受到高度重視[1]。然而日益增加的海洋垃圾、海洋生物、泥沙和海冰等都能被大量抽入濱海核電站取水口,從而堵塞取水構件,影響取水效率,嚴重威脅冷源取水的正常工作,對濱海核電運行造成巨大的安全隱患[2-6]。大部分堵塞物的自主運動能力差,基本隨流運動,易由海流攜帶至濱海核電站取水口附近,并在巨大的抽水水流作用下進入取水口。

為避免堵塞物的影響,多數濱海核電站采用攔網和打撈等方式防治堵塞物[7-8]。掌握濱海核電站取水口附近海域的水動力特征尤其是精細流場是科學布置攔網和高效打撈的重要前提,然而目前針對濱海核電站取水口精細流場的研究很少,且多為數模或物模結果[9-13],與實際流場有所偏差。因此,有必要對濱海核電站取水口小范圍的海流開展實際測量,以獲取真實的流場情況,并根據真實流場有的放矢地開展堵塞物防治工作。

目前我國尚無成熟測量濱海核電站取水口精細流場的案例報道。本研究從實際需求出發,提出適用于濱海核電站取水口精細流場測量的方案,并介紹該方案在某濱海核電站的應用情況和測量結果。

1 海流測量方案

1.1 測量方法

海流是具有時空變化特征的變量,因此濱海核電站取水口的攔網和打撈工作須同時關注海流的時空分布。采用定點測量方法可獲取海流的時間分布,而采用走航測量方法可獲取一段時間內海流的空間分布。因此,為滿足濱海核電站取水口的流場測量需求,宜采用定點和走航相結合的綜合測量方法。

目前定點測量方法已被廣泛應用且技術相對簡單,本研究重點分析走航測量技術及其數據處理方法。

1.2 設備選擇

走航測量設備通常包括測流設備和定位設備:測流設備用于獲取流速和流向信息,常采用走航ADCP;定位設備用于獲取位置信息,常采用GPS等定位系統。

走航ADCP 可直接測量海流相對于ADCP 的速度,將此速度扣除船速即海流相對于地球坐標系的絕對速度。船速主要采用底跟蹤或GPS跟蹤定位的方式獲取:如果測量海區的水深較淺且滿足底跟蹤的條件,首選采用底跟蹤的方式,否則須采用GPS跟蹤定位的方式;由于GPS的定位精度有限,須校正GPS誤差和系統誤差,過程較為繁瑣[14-15]。

目前ADCP技術已發展成熟,主要由RDI公司、Sontek公司和Nortek公司生產,這3家公司針對不同的應用場景研發多種高精度和高專業化的ADCP產品。以RDI生產的Workhorse Mariner ADCP 為例,頻率為150 k Hz、300 k Hz、600 k Hz和1 200 k Hz的ADCP 的最大測量底跟蹤深度分別為323 m、165 m、70 m 和24 m,其他品牌與其相差不大。

我國濱海核電站通常分布在水深較淺的近海,宜采用底跟蹤測量方式。高頻率ADCP 具有較小的采樣盲區和采樣層厚,可獲取更高垂向分辨率的海流數據,因此在滿足底跟蹤深度的情況下應盡可能選擇高頻率ADCP。

1.3 走航測量

開展走航測量前應參考設備說明書以及《聲學多普勒流量測驗規范》(SL 337-2006)等相關標準,以減少測量誤差。

由于ADCP內部的羅盤受環境磁場影響較大,測船宜使用木船等非磁性材質船;如果測船是鐵船,須外接電羅經、光纖羅經或GPS羅經,以取代受磁場影響的ADCP 羅盤。由于近海走航測量多使用臨時測船,須臨時安裝ADCP。ADCP 探頭宜安裝在船舷中部;換能器應盡可能垂直,縱搖和橫搖的偏角控制在2°以內;換能器的正向(通常為3號換能器的指向)為船首方向,并盡可能與測船中軸線平行;換能器的入水深度約為0.5 m,避免船體搖晃時探頭露出水面而發生空蝕現象[16]。

應選擇海況較好時進行走航測量。當海況較差時,波浪破碎產生的氣泡在船體搖晃時易進入船底約1 m 厚的水層內,氣泡流經過換能器時會對聲波產生反射,從而降低測量精度[17]。此外,惡劣海況會使船體搖晃過于劇烈,并會在ADCP表面產生較大的瞬時線速度和角速度,從而出現多種測量誤差[18]。除海況外,測船的航行狀態對測量精度也存在影響。例如:船體在突然轉向、加速和減速時,羅經會產生沖擊誤差,造成流速誤差過大,且該誤差無法校正[19],因此在走航測量的過程中測船應盡可能保持勻速且避免急轉彎。

此外,測船在航行時會產生機械噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲等噪聲,ADCP換能器表面也會產生流噪聲,船速越快則噪聲越大,而噪聲增大必然導致ADCP 回波信號的信噪比降低。海流測量精度通常為船速的±0.2%或±5 cm/s,船速太快會降低測量精度,而船速太慢會降低測量效率即不能在短時間內測量更大范圍[20-21]。濱海核電站取水口的海流測量范圍通常較小,適合使用小型測船,且船速保持在約5 kn為宜;如果測量范圍較大且海況較好,可適當提高船速,但不宜超過12 kn;如果測量范圍過大,可考慮增加測船即多船同步測量。

1.4 數據質量控制

在使用走航ADCP時難免產生各種誤差,因此在應用測量資料前須進行數據質量控制,即系統誤差校正、GPS 船速誤差校正和常規檢驗。對于ADCP底跟蹤測量的海流數據,由于船速誤差已在數據處理過程中被消除,海流流速誤差接近于0,僅剩余非常小的方向誤差[15]。

一般而言,走航ADCP的數據質量控制主要包括:檢驗4波束的完好率,并剔除完好率低于90%的數據;剔除海流東分量和北分量中的無效數據;剔除設備擺動角度過大的數據;剔除流速較大的異常值;剔除GPS信號中斷、正常航行時底跟蹤船速為0以及換能器測量水深差異明顯的數據;對比測船GPS航跡與底跟蹤航跡,校正船首方向與3號換能器方向的偏差,并校正流速方向[18,22]。

1.5 數據插值

走航海流數據是包含時間和水平空間變化的三維變量,且通常在空間上分布不規則,須采用數據同化方法得到規則流場[23-24],但該方法較為復雜,有時須引入專業數值模式,不利于在核電行業推廣。以潮流為主的海域漲急和落急時段的海流較為平穩,利用該時間窗口內走航數據的簡單插值,可得到濱海核電站取水口附近海域漲急和落急時段的精細流場,可基本滿足堵塞物防治工作對流場空間分布特征的需求。

根據《海洋調查規范 第2部分:海洋水文觀測》(GB/T 12763.2-2007),海流測量的準確度為5%或5 cm/s,因此可選取流速變化小于5%或5 cm/s的時段作為漲急和落急的時間窗口。根據平衡潮理論,潮流變化是規則的正弦曲線,經簡單計算,在潮流最大時流速變化為5%的時間窗口長度為潮周期的10%,即對于半日潮和全日潮分別約為1.2 h和2.5 h。然而受地形等因素的影響,實際的近海存在潮波變形和多種潮波疊加的情況,潮流變化并不是規則的正弦曲線,因此實際的時間窗口長度會有所差異,可根據定點海流測量結果選取。由于時間窗口長度有限,在測量時應綜合考慮空間分辨率和空間范圍,合理規劃船速和航線,以滿足工作需求。基于測量海區的范圍,應確保走航數據在漲急和落急的時間窗口內覆蓋全部測量海區,否則須考慮增加測船,以保證測量的準同步性。

2 方案應用實例

2.1 測量海區

受取水的影響,某濱海核電站曾發生大量海洋生物涌入取水口并導致取水通道堵塞的事件。為更好地開展堵塞物防治工作,須掌握取水口的精細流場。基于此,應用上述方案于2016年春季在該濱海核電站開展精細流場測量。

該濱海核電站有4組取水口,口門朝向為NW向;取水口的NE向有導流堤,圍成的取水灣呈半開口狀,開口朝向為W 向;取水灣內地形平坦,水深約為10 m;每組取水口的設計取水量約為50 m3/s;在正常取水的情況下,取水口的抽水流速約為0.6 m/s。

在開展走航測量前,在取水灣口門外300 m、取水灣口門兩側以及取水灣內依次投放4臺電磁海流計,采用浮球錨錠的方式進行定點測量,這些設備待走航測量結束后依次回收。

取水口和定點測量的位置如圖1所示。

圖1 取水口和定點測量的位置

2.2 測量設備

該濱海核電站所在海域以半日潮為主,因此時間窗口長度約為1.2 h,以5 kn的船速在時間窗口內可行駛約10 km。由于走航測量范圍較小(500 m×500 m),采用單個走航設備即可充分覆蓋測量范圍。采用美國RDI公司生產的WHS 600 k ADCP,流速精度為水流速度的±0.25% 或±2.5 mm/s,流向精度為±2°;采用美國Trimble公司生產的DSM 232型差分GPS(DGPS),水平定位精度優于1 m。定點測量采用日本亞力克AEMUSB電磁式流速流向儀,測量精度為流速±1%或±1 cm/s,流向精度為±2°。

2.3 測量實施

在2016年4月的大潮期開展海流測量,測量前了解測量海區的周邊環境,同時確認現場海況和氣象等是否符合海上測量作業條件。取水灣口門的寬度約為200 m,水深約為10 m,故采用小型木質漁船進行測量作業。利用不銹鋼支架將ADCP固定于船側,換能器入水深度不小于0.5 m,探頭向下發射,沿測量斷面來回連續走航測量整個水層剖面的海流狀況。測船回旋掉頭的半徑控制在5～10 m,以減少沖擊誤差。在連續走航測量期間,測船按既定航線盡可能保持勻速直線航行,航速控制在6 kn以內。

定點海流數據的采樣間隔為10 min,對原始數據進行1 h的滑動平均處理,以去除海流計自身運動引起的高頻噪聲部分。走航ADCP 的盲區為0.5 m,探頭的入水深度約為1 m,因此最靠近表層的測流層為水面下約1.5 m,本研究選取該層進行分析。定點海流計的投放深度為水面下2 m,與走航ADCP最上層測流層的深度基本一致。

定點測量時間為4月20日13:40至4月22日18:10,共52.5 h;走航測量覆蓋取水灣及其外側半徑500 m 范圍的海域,包含濱海核電站取水可能影響的范圍,測量時間為4月22日9:06-18:31,期間共測量4次,實際測量時長共7.0 h。

走航ADCP 測量的頻次為10 s/次,定位GPS測量的頻次為1 s/次,通過時間匹配的方式得到ADCP測量時的位置并繪制走航軌跡圖(圖2);航跡上的點為走航ADCP的測量數據點,數據點的間距為20～30 m。

圖2 走航軌跡

2.4 時間變化特征

本次測量得到豐富的實測數據。4個定點海流計分別獲取超過52 h的連續高頻海流數據,可用于分析各站海流的時間變化特征。根據各站海流流速和流向的變化曲線(圖3),取水口的流場受取水的影響而呈現不同的時間變化特征。

圖3 定點測量的流速和流向變化曲線(數據間隔為0.5 h)

(1)取水灣口門外的1號站受取水影響較小,主要受潮流系統的控制,呈規則潮流特征。在1個周期(日)內,流速有4個波峰和波谷,流向轉向4次,呈半日潮變化特征。潮流的流速較大,落潮流最大約為100 cm/s,漲潮流最大約為60 cm/s,且落潮流明顯大于漲潮流。潮流的流向呈顯著的往復流動特征,漲潮流方向為NE 向,落潮流方向主要為SW向。由于測量數據的長度大于2個周期(日),可采用不引入差比關系的調和分析得出主要分潮參數。

(2)取水灣口門兩側的2號站和3號站呈非規則潮流特征,其流向有周期性變化,而流速并非潮流波動特征。潮流的流向仍呈往復流動特征,其中2號站的主流向為NE-SW 向,與1 號站基本一致,而3號站的主流向為NE-S向;漲潮的流向與1號站一致,而落潮的流向與1號站略有不同,這可能是取水和局地岸線形狀所致。漲潮時的流速有較明顯的潮流變化特征,即漲急時的流速較大;落潮時的流速變化非余弦曲線,而呈類似“駝峰”狀的分布,即存在2 個極大流速值,且落急時的流速較小。

(3)取水灣內的4號站已沒有潮流特征而呈準定常流特征。海流主要受取水口取水的影響,流向基本穩定并指向取水灣口門;流速波動較小,平均流速約為20 cm/s。

2.5 空間變化特征

通過潮流特征明顯的1號站可確定漲急和落急時段。根據1號站的海流變化曲線,同時利用潮流周期變化特征外推,4月22日白天的漲急時段應為11:30-13:20,落急時段應為18:00-20:00。然而由于測量方案的設計受潮流預測偏差以及多種不可抗力因素的影響,走航測量數據無法完全覆蓋上述時段。因此,漲急時的流場采用12:33-13:21的走航數據和4個定點測得的最大漲急海流數據插值得到,落急時的流場采用17:45-18:31的走航數據和4個定點測得的最大落急海流數據插值得到(圖4)。

圖4 漲急和落急的時間窗口(4月22日)

雖然選取的走航數據時間窗口無法完全涵蓋漲急和落急時段,然而在選取的時間窗口內潮流的流向穩定且流速變化較小,且用于插值的走航數據量較充足,可充分覆蓋測量海區。

采用內插方法將提取的走航海流數據和定點海流數據線性插值到規則網格中,得到取水口附近海域漲急和落急時段的流場(圖5)。

圖5 取水口附近海域漲急和落急時段的流速矢量

由圖5可以看出:①取水灣口門外的流場較為均一。漲急時的流向基本為NE 向,部分海域的流速較小,整體流場的空間差異較小;落急時的流向基本為SW 向,流場的空間差異較小,且在取水灣口門處存在明顯的渦旋。②取水灣內的流場較為復雜。漲急時的流向由NE 向轉為取水口方向,且流速變化不大,整體流場的空間差異較小;落急時的流向由SW 向轉為E 向,因此形成1 個逆時針的渦旋。

2.6 結果和討論

從攔網設置和打撈實施的角度來看,漲潮和落潮時取水灣口門南側的流向均指向取水灣內,因此海洋生物從該處進入取水口的概率較大,須重點防范。漲潮時取水灣內的流向與取水口的抽水方向一致,因此流速較大,更易導致海洋生物大量涌入。取水灣口門外海域主要受潮流系統控制,主流向基本與海岸線平行,不會引起海洋生物向取水口聚集的情況;然而當盛行向岸風時,潮流疊加向岸的風生海流,就會引起海洋生物大量涌入。

通過在漲急和落急時段海流平穩的時間窗口內對走航數據的簡單插值,可得到取水口附近海域漲急和落急時段的精細流場。但該插值方法無法考慮走航數據的時間變化,且在走航數據不能充分覆蓋的海域難免出現流速失真的情況。因此,走航數據越豐富且數據分布越均勻,插值所得流場的準確度越高。

目前充分的走航測量存在2個困難。①近海走航測量通常使用小型測船,其續航能力較差,獲取的走航數據數量有限;針對此問題,可通過對漲急和落急時段的準確預測,盡可能增加時間窗口內的數據量。②受海岸線形狀和水深等因素的影響,測船無法在淺灘和岸邊航行,必然存在測量數據無法覆蓋的海域;針對此問題,可使用更小型的搭載平臺,盡可能擴大淺灘和岸邊的走航覆蓋范圍。然而走航測量必然存在測量“死角”,尤其是在流速切變較大的邊界海域;此外,受多種因素的影響,測量時間無法與時間窗口完全吻合。因此,更加科學的方法是采用數據同化的方式,更好地融合走航數據和定點數據,對缺測海域進行合理織補,從而得到更符合實際情況的流場。

3 結語

海流是具有時空變化特征的變量,濱海核電站取水口采取攔網和打撈等措施時須同時關注海流的時空差異。目前我國濱海核電站以人工定點海流測量為主,其空間分辨率、時間頻次和精度都不能完整刻畫取水口的精細流場,無法滿足取水口堵塞物防治的工程需求。通過定點測量與走航測量相結合的方式,可較好地獲取取水口流場的時空變化特征。值得一提的是,走航ADCP在使用中會因安裝或操作不規范而產生較大誤差,在實際測量作業時須多加關注。

根據實測數據,受取水和局地海岸線的影響,濱海核電站取水口的流場復雜,部分海域可形成渦旋。海流呈準定常流、非規則潮流和規則潮流3種特征:準定常流的流向基本不變,而流速小幅波動;非規則潮流的流向周期性大幅波動,而流速非潮流波動特點。距離取水口越近的海域受取水的影響越明顯。

本研究提出適用于濱海核電站取水口精細流場測量的方案,并從實用角度提出走航數據的簡單處理方法。根據應用實例,該方案實施簡便且測量效果較好,可在相關工程領域推廣應用。對于將不規則走航數據進行更科學的插值或同化為規則流場數據的課題,仍須專門的研究和論述。