海陽濱海核電取水口卷塞生物量及其與相關因子關系研究

張 敏，高紫薇，尹曉斐，翟緒輝，劉長東

（1.海陽市海洋與漁業綜合服務中心，山東煙臺 265100；2.海陽市龍山海洋與漁業工作站，山東煙臺 265100；3.自然資源部第一海洋研究所，山東青島 266061；4.中國海洋大學水產學院，山東青島 266003）

“碳中和”背景下，核能作為一種高效安全的清潔能源，在節能減排、穩定電力供應方面有著舉足輕重的作用。2022年中國核電以占比2.22%的發電裝機容量貢獻了4.72%的發電量，核電發電相當于減少燃燒標準煤近1.2×108t，減少排放二氧化碳近3.1×108t［1］，促進了中國“碳中和”目標的實現。據國際原子能機構報告［2］顯示，2021年全球范圍內有超過36%的新增電力來自亞洲，并且仍在持續增長。截至2022年9月，中國運行核電機組共54臺，廣泛分布在中國沿海發達地區，滿足了社會發展的能源需求［3］。隨著核電產業的快速發展，冷卻水取水量不斷加大，因此，核電設施對生態環境造成的負面影響日益受到關注。

較大體積的固體碎片、水生生物（魚類、蝦類、蟹類、頭足類和水母等）在取水過程中被攔截網等過濾裝置攔截，受到物理損傷，同時游泳能力較弱的生物被困在攔截裝置中，造成生物損傷和死亡，被稱為卷塞（亦稱“撞擊”）［4－6］。同時，由于大量水生生物卷塞，可能導致取水口處濾網大規模的堵塞，威脅生產安全的現象，稱為取水堵塞。目前，生物卷塞現象已經成為濱海核電站取水過程中產生的主要生態問題之一［7］，而中國關于取水口生物卷塞現象研究較少，卷塞生物數據也十分匱乏［8］。

考慮到卷塞的生態危害與生物堵塞風險，分析卷塞現象成因和影響因素是降低卷塞生物損失的關鍵。卷塞生物具有區域性特點，不同地理位置、時間、水質、生物分布情況、海洋自然環境等因素造成卷塞生物種類及卷塞程度有著明顯差異。為識別影響因素中的顯著因素，KING等［9］收集了俄亥俄河15座發電廠的長期卷塞監測數據，分析了影響生物卷塞的因素，發現水溫是影響生物卷塞的顯著因素；SHEPHERD等［10］進一步探究了水質、時間和操作因素與生物卷塞的關系，以卷塞生物豐度為響應變量進行了多元回歸分析，發現水質和時間是影響卷塞生物豐度的重要因素；近年來，一些學者考慮了卷塞生物的生物特征、生態系統等多方面因素，其中BARATH等［11］研究了海洋生物在熱帶原子能發電廠冷卻水系統中的撞擊，分析了在不同月份、晝夜、高潮與低潮的卷塞差異。已有的研究結果表明：時間、水質和潮汐是影響卷塞生物量變化的主要因子。

本研究基于2021年3月—2022年2月海陽濱海核電站取水口生物卷塞調查數據，結合海陽核電取水情況、自然環境狀況，評估海陽濱海核電進水口卷塞現象造成的生物損失，并識別致災風險生物；構建廣義加性模型建立卷塞生物量與時間、水質和潮汐等因子關系，識別引起生物卷塞的顯著因子。研究結果對指導海陽濱海核電站進水口生物卷塞管理及促進核電安全生產和生態保護措施的有效實施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 海陽核電概況

海陽濱海核電站位于中國山東省海陽市的東南部，三面環海，處于岬角東端。該核電站地處溫帶地區，屬溫帶海洋性氣候，年平均氣溫12.3℃，降水充沛，氣候濕潤。海陽核電站計劃建設6臺百萬千瓦級核電機組，以滿足周邊地區工業生產和生活用電需求。目前海陽核電站已完成一期工程（1、2號機組）2臺Advanced Passive 1000（AP 1000）發電機組的建設，每臺AP 1000機組的額定裝機容量為1 253 MWe，2臺機組均已裝料運行，投入商業使用。卷塞位置為海陽濱海核電站1、2號機組進水口處，1、2號機組冷卻系統采用直流冷卻水系統（once-through cooling water system），使用6臺抽水流量為21.67～24.92 m3·s－1的循環水泵抽取海水來冷卻反應堆，每臺機組對應3臺循環水泵。目前已投入使用的1、2號機組冷卻系統取水量在12月至3月為102 m3·s－1，其他時間（4月至11月）取水量為132 m3·s－1。

1.2 采樣點設置及樣品采集

卷塞生物樣品采集根據《核動力廠取排水環境影響評價指南（試行）》（HJ 1037-2019）要求進行，卷塞采樣點位于取水泵房的取水鼓型濾網前，于鼓型濾網反沖洗泄水道末端的收集籃中收集樣品。從2021年3月至2022年2月，連續采樣12個月，每月選擇一天進行間隔4 h的6次采樣，記錄采樣開始、結束時間和持續時間，卷塞樣品全部采集。采樣一年獲得12月×6次（采樣時間段）共計72個卷塞生物樣本。卷塞樣品裝袋冷凍后，運至實驗室進行鑒定，每個物種的前30個個體測量體長（mm）和體質量（g），其余個體統計總數量和總濕質量。

式（3）中，Y為響應變量；g為連接函數；xi為第i個解釋變量，s為樣條函數，當樣條函數的自由度為1時，非線性關系變為線性關系；ε為殘差項，假定服從N（0，σ2）的正態分布。

1.3 卷塞種類優勢度計算

為確定卷塞過程中的物種相對重要性，計算每個物種在卷塞過程中的優勢度，采用Pinkas相對重要性指數IRI來衡量：

式（1）中，IRI代表某一種類的相對重要性指數；N代表某一種類尾數占總尾數的比重；W代表某一種類質量占總質量的比重，F代表某一種類在各樣本中出現的頻率；IRI值大于1 000的種類為優勢種，IRI值在10～1 000的種為重要種，IRI值小于10為稀有種。

1.4 年度生物損失評估

由于每月選擇一天進行全天6次采樣，故通過每天的總卷塞生物量和總取水量，可計算單位取水量的卷塞生物量，即卷塞率（Pi），本研究計算每抽取1×106m3海水的卷塞生物數量［尾·（1×106m3）－1］或生物量［g·（1×106m3）－1］。通過Pi和每月的總取水量可計算每月的卷塞生物損失量，12個月卷塞生物量求和后可計算年生物損失量，計算公式為：

式（2）中，Pi代表第i月的生物卷塞率；Qi代表卷塞死亡率，本調查發現卷塞生物主要為生物幼體，并全部死亡，故假定Qi為100%；Ti代表第i月的總取水量；W代表年度生物損失量。

1.5 卷塞生物量與相關因子關系

共線性分析結果顯示，解釋變量間的方差膨脹因子（VIF）均小于5（表3），故解釋變量間不存在共線性。

GAM模型的一般表達形式可表示為：

在監測期間，記錄了時間、水質和潮汐高度等影響因子指標數據。時間因素包括采樣開始和結束的時鐘時間及采樣月份。水質因子包括水溫（temperature，℃）、酸堿度（pH）和溶解氧（DO，mg·L－1），由核電廠取樣點處日常監測獲取的數據獲得。為檢驗卷塞晝夜差異，采樣時間處于8∶00～20∶00樣本為白天樣本；20∶00～次日8∶00為夜間樣本。潮汐高度信息來自國家海洋信息中心。

以每次取樣并經標準化處理的卷塞生物量［d，g·（1×106m3）－1］為GAM 模型的響應變量。由于響應變量含有0值，故對響應變量進行Ln（d＋1）轉換。解釋變量包括時間和水文因子，其中，時間因子包括采樣時間和月份；水質因子包括采樣時的水溫、pH值、溶解氧和潮差。模型構建過程中為避免過度擬合，使用R語言car包的vif函數計算方差膨脹因子（variance inflation factor，VIF），篩選解釋變量，剔除共線性變量。當2個變量VIF值大于5時，認為具有多重共線性，剔除其中一個變量。使用逐步回歸法篩選最優模型，即從加入全部影響因子的模型開始，逐步剔除不顯著因子，擬合優度根據赤池信息準則（Akaike information criterion，AIC）進行比較，AIC值最小的模型為最優模型。數據整理由Excel 2016完成，GAM模型構建、篩選、檢驗均由R語言中的mgcv包完成。

2 結果

2.1 卷塞生物種類及損失量

為了進一步鞏固當前耕地總量保持相對平衡，對土地用地結構進行合理規劃，牢牢把控城鎮建設用地外擴十分必要，否則難以達到對土地的科學管理目的。對于當地政府不能簡單的采用開發管理耕地的方式來彌補城鎮化建設對于土地的占用，同時也需要運用多種手段保證耕地面積。一方面需要保護當前耕地，另一方面則面臨不斷加快的城鎮化建設需要，對土地進行整理規劃可以在不增加土地面積的前提下滿足對土地的利用需求，可以有效實現建設用地的控制，因此一定程度上符合用地需求，積極推行建設用地整理是目前較為成熟的方式之一。

表1 不同月份卷塞優勢種組成Tab.1 Dom inant species com position by month

⑧齊耀珊重修、吳慶坻重纂:《民國杭州府志(一)》，《中國地方志集成·浙江府縣志輯》第1冊，江蘇古籍出版社、上海書店、巴蜀書社1993年版(以下版本同)，第149頁。

本研究共鑒定了89種卷塞生物，包括魚類52種（58%）、甲殼類30種（34%）、頭足類4種（5%）和多毛類3種（3%）。卷塞生物在不同月份優勢種類不同（表1）。按照季節區分，春季主要優勢種為中國毛蝦（Acetes chinensis）和玉筋魚（Ammodytes personatus）；夏季主要優勢種為江口小公魚（Stolephorus commersonii）、斑鰶（Konosirus punctatus）和中國毛蝦；秋季主要優勢種為斑鰶、日本蟳（Charybdis japonica）、中國毛蝦和日本槍烏賊（Loligo japonica）；冬季主要優勢種為鮻（Planiliza haematocheilus）、中國毛蝦、日本鼓蝦（Alpheus japonicus）和日本槍烏賊。中國毛蝦除9月份外，均為優勢種。

表2 卷塞生物損失計算結果Tab.2 Calculated results of biological loss caused by im pingement

2.2 相關因子共線性檢驗

廣義加性模型（generalized additive model，GAM）是一種非參數化的回歸模型［12］，屬于廣義線性模型的擴展形式，可擬合具有多個解釋變量的非線性關系［13］。該模型可由線性函數部分和一組非線性函數組成，模型中的不同因子項可以采用樣條函數進行擬合［14］。

②在芯片材料選擇上主要考慮透光性、生物兼容性、加工工藝等因素,綜合各種因素,最后選擇了采用PDMS制作芯片。在電極材料選擇上主要考慮導電性能、抗腐蝕性能、加工工藝等因素,最終選擇物理和化學性能都很穩定的鉑金(Pt)。

洋桔梗的最佳定植時機是幼苗具有4片真葉，第5片真葉未完全長出前[3]。洋桔梗不同品種對高溫的反應差異很大，即使同一品種的不同個體對高溫的反應也不同。日本瀧井公司根據洋桔梗不同品種自然花期的早晚將洋桔梗分為早生、中生、中晚生、晚生4個類型。根據閩西北氣溫、光照等氣候特征，建議早生品種選擇在10—11月栽培；中生品種選在9—4月栽植；晚生品種選擇在較熱的季節栽培；中晚生品種適應性較強。由于各地小氣候和設施情況不同，在盡可能保證設施內夜間溫度能控制在5 ℃左右的前提下，結合經濟價值選擇適栽時間，洋桔梗最佳栽培時間見表1。

903 深度學習圖像分割算法在胃癌病理切片中的可行性分析 梁橋康，南 洋，項 韶，梅 麗，孫 煒，于觀貞

表3 解釋變量共線性VIF檢驗Tab.3 VIF test of collinearity between exp lanatory variables

2.3 GAM模型擬合

通過逐步回歸法，分別建立了卷塞生物總生物量、魚類、蝦類和蟹類生物量與影響因子關系的最優GAM模型（表4），其他種類（如頭足類、多毛類）生物量少，故未進行模型擬合。結果顯示，月份和采樣時間是影響卷塞生物總體生物量的顯著因子；潮差、水溫和pH是影響卷塞魚類生物量的顯著因子；月份、采樣時間和pH是影響卷塞蝦類生物量的顯著因子；水溫、潮差和pH是影響卷塞蟹類生物量的顯著因子。

突突突，突突突……底柱身后三挺馬克沁突然怒吼起來，不到最后時刻，底柱是不動用高處這座碉堡內機槍的，這是五連的底牌，輕易不肯暴露目標。

海陽核電站每年運行365 d，其中240 d的冷卻水需求量為132 m3·s－1，125 d的冷卻水需求量為102 m3·s－1，故年取水量達3.89×109m3。年估計魚類數量和質量卷塞率分別為1 061尾·（1×106m3）－1和698 g·（1×106m3）－1；蝦類數量和質量卷塞率分別為4 254尾·（1×106m3）－1和641 g·（1×106m3）－1；蟹類數量和質量卷塞率分別為79尾1·（1×106m3）－1和84 g·（1×106m3）－1；其他（頭足類、多毛類）數量和質量卷塞率分別為3尾·（1×106m3）－1和15 g·（1×106m3）－1。根據年損失量計算公式，海陽核電站每年因卷塞造成的海洋生物死亡數量為2.10×107尾，質量約為5.60 t（表2）。

表4 不同卷塞生物種類最優GAM 模型擬合參數Tab.4 GAM model fitting param eters for different categories of im pinged organism s

2.4 卷塞生物生物量與相關因子關系

卷塞總體生物量隨月份先上升后下降，在春夏2季4月和8月出現峰值，而在10—12月卷塞生物量較低，呈現出一定的季節性變化趨勢；在每天不同時段的變化上，15∶00時卷塞生物量最小，而夜晚時間段22∶00～24∶00時卷塞生物量較高（圖1），具有明顯的晝夜變化趨勢。

圖1 卷塞總體生物量與環境因子關系的GAM 分析圖Fig.1 Relationships between impinged biomass and environmental factors based on generalized additivemodel

卷塞魚類生物量在落潮時出現卷塞波峰；而水溫與卷塞魚類生物量總體上呈正相關關系；pH值約為8.0時，卷塞魚類生物量較高（圖2）。

圖2 卷塞魚類生物量與環境因子關系的GAM 分析圖Fig.2 Relationships between impinged fish biomass and environmental factors based on generalized additivem odel

卷塞蝦類生物量在12∶00～15∶00時較小，夜晚時間段（20∶00～6∶00時）出現波峰，卷塞蝦類生物量較大；卷塞蝦類生物量在3—4月較高，然后隨月份增加而下降，并在11月降為最低值；pH整體與卷塞蝦類生物量正相關（圖3）。

圖3 卷塞蝦類生物量與環境因子關系的GAM 分析圖Fig.3 Relationships between im pinged shrim p biomass and environmental factors based on generalized additivemodel

卷塞蟹類生物量與水溫整體呈顯著正相關，與潮差、pH整體上呈顯著線性負相關關系（圖4）。

圖4 卷塞蟹類生物量與環境因子關系的GAM 分析圖Fig.4 Relationships between impinged crab biomass and environmental factors based on generalized additivemodel

3 討論

分析2021年3月—2022年2月各月卷塞生物優勢種和卷塞生物損失發現，魚類和蝦類幼體更容易在取水口處發生卷塞，造成取水口堵塞，這是由于幼體游泳能力較弱，取水口處較快的海流攜帶生物幼體撞擊到攔截網發生生物卷塞，而生物成體因擁有較強的游泳能力，從而降低了卷塞概率［15］。卷塞生物季節性分析表明：夏季的卷塞最為嚴重，而冬季最低，這與當地的海洋生物組成、生活習性有關。中國毛蝦和江口小公魚是產生生物卷塞的主要優勢種，中國毛蝦占海陽濱海核電站進水口卷塞生物總豐度的77.91%，該物種在3—4月遷移到近岸水域，于6—8月產卵［16］，表明在近岸洄游和產卵期間中國毛蝦豐度較高，存在取水口堵塞風險。江口小公魚屬群游性魚類，宜在19.8～31.3℃的水溫范圍內產卵［17］，游泳能力弱，集中于中上層、聚集于淺水和沿岸，因此，夏季是其卷塞高峰期，容易出現大規模聚集現象，威脅取水口安全。

不同種類的生物卷塞發生概率與生物本身的生活習性有關，導致了不同時間、水溫、潮差等情況下卷塞量的變化。中國毛蝦在夜間發生卷塞的頻率顯著大于白天，這是由于中國毛蝦白天蟄伏于庇護所休眠，夜間上浮攝取食物［18］，造成夜間卷塞率的增加。潮汐影響著魚類的行為，也顯著影響魚類群落的豐度和生物量。PATTRICK和STRYDOM［19］研究發現幼魚在退潮時會逆流運動以保持在水中的相對位置，由于取水口的水流裹挾幼魚，導致退潮時出現卷塞魚類生物量增加。水溫是影響魚類卷塞的重要因素，低溫情況下，魚類通常會降低活動能力，更容易受到取水口處水流的裹挾［14］。同時水溫驅動著魚類的洄游和產卵，通常集中于溫度較高的春夏兩季產卵，而蟹類也有類似的特點，因此春夏季生物卷塞量較大。

觀其一生，艾迪無時無刻不在與死亡和孤獨斗爭。童年的艾迪常聽父親講，“活在世上的理由就是為長久地安眠做準備”，而這在福克納專家埃德蒙德．L．弗爾普(Edmond L．Volpe)眼中正是“她存在的試金石”。［4］在拜其父所賜的死亡與虛無中，艾迪嘗試打破孤獨，大膽追尋生命的意義，正如克里昂斯·布魯克斯(Cleanth Brooks)寫道，“艾迪認為人只有通過某些獨特姿態堅持自我才能證明自己活著。”［5］艾迪反復鞭打學生，希望以這種方式建立起她與學生的聯系，迫使學生認可她作為一個獨立個體的存在。

生物卷塞的緩解需要結合多方面因素進行考慮。影響生物卷塞的因素復雜多變，卷塞生物種類、數量、分布，取水環境、時間及取水裝置設計、操作等因素均可能對生物卷塞造成不同程度影響［20－21］。例如，在取水量一定的條件下，生物卷塞率與取水流速呈正相關，研究發現魚類靠近攔截網時，隨著流速的增加，魚類的死亡率逐漸增加［22－23］。改善取水裝置是緩解生物卷塞的重要技術手段，美國環保局（Environmental Protection Agency，EPA）提出最佳適用技術（best technique available，BTA）用于緩解生物卷塞，這一技術要求在取水設施的位置、設計、建造等現有技術條件下，滿足對環境影響的最小化。BTA技術也被中國《核動力廠取排水環境影響評價指南（試行）》使用，用于指導緩解取水的影響。魚類收集和洄游系統、增設攔截網、行為驅趕（聲音、光照）、采用閉環式循環冷卻水系統和降低冷卻水流量等均可以不同程度減緩生物卷塞［23］。目前，BTA技術受到了中國相關學者的關注，但部分措施實施難度較大，如增設魚類洄游系統對海陽核電現有設施的改造難度十分大［7］。目前海陽核電選擇在取水明渠增加生物攔截網，在取水口處建設弧形防波堤等形式以緩解生物卷塞，這可能會在一定程度上降低大個體生物的卷塞。本研究發現卷塞生物量在不同月份和時間段出現峰值，如中國毛蝦在2—5月夜間的大量卷塞可能造成取水堵塞，故要重點關注這些重要時間節點，并采取相應措施來降低生物卷塞；其次水文因子對卷塞生物有顯著影響，故要對取水口的水文狀況進行持續監測，優化水文因子與卷塞生物量關系模型，以制定安全可靠的措施降低生物卷塞，保障核電運行的取水安全。