韓 瑞，段亞飛，趙懿珺，紀 平，康占山，王韶偉

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，中國水利水電科學研究院，北京 100038；

2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電取水是核電廠安全的重要環(huán)節(jié)。核電廠通常分布在濱海、濱河地區(qū)，以廠址附近水域作為核反應堆堆芯余熱導出及重要設(shè)備正常冷卻的水源。一旦核電廠取水系統(tǒng)堵塞，可能導致機組被迫降功率或停堆停機，嚴重時甚至會引發(fā)核電安全事故，造成無法挽回的損失［1］。

近年來，隨著海洋環(huán)境的變化，局部海域生態(tài)異常［2］，海洋生物大規(guī)模聚集堵塞濱海核電廠取水系統(tǒng)的事件頻發(fā)。2000 年至今，全球核電廠因海洋生物引發(fā)取水安全的事件多達百余起［3-5］。2014年以來，我國濱海核電廠在調(diào)試、運行期間均發(fā)生了不同程度的海洋生物堵塞取水系統(tǒng)事件［6-8］，取水安全形勢已十分嚴峻。

按照對取水安全威脅性海洋生物的處理方式，核電廠取水安全防控技術(shù)可分為行為驅(qū)導技術(shù)、阻攔清除技術(shù)、回收遣返技術(shù)等［9］。氣泡幕（Air Bubble Curtain，以下簡稱ABC）屬行為驅(qū)導技術(shù)，主要通過在水體中連續(xù)噴射氣泡形成氣泡幕墻阻擋海洋生物進入關(guān)鍵水域，減少海洋生物對取水的影響。氣泡幕的理論與試驗研究始于20世紀30年代［10］，其應用常見于海洋溢油圍控［11］、水處理工程［12］、疏浚工程［12］等，在核電取水防控領(lǐng)域的應用尚處起步階段。本文介紹了氣泡幕的工作原理，列舉了氣泡幕海域試驗研究情況，并對其在核電廠取水防控領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀及前景進行了闡述和分析，為氣泡幕的進一步應用提供參考，也為核電取水防控技術(shù)的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 氣泡幕工作原理概述

氣泡幕運行時連續(xù)將氣體釋放進液體中，氣體受自身壓力與周圍環(huán)境壓力的不平衡及氣液交界面張力等作用，破裂成氣泡，帶動周圍液體一起上升，形成上升的氣泡羽流［13］。

根據(jù)工作環(huán)境水體流動狀態(tài)的不同，氣泡幕的工作原理可分為靜止水體和流動水體兩類。

1.1 靜止水體中的氣泡幕工作原理

靜止水體中氣泡幕的工作原理最初由Taylor提出，研究認為：氣泡上升引起的水體流動和浮射流的流動相似，當連續(xù)氣泡在水體中上升時，引起的垂向流動類似于從某一源頭噴出的浮射流的湍流擴散［14］。圖1 為靜止水體中噴頭注氣形成的氣泡羽流的示意圖［15］。由氣泡羽流的垂向速度分布可知：當氣泡上升至水面后會凸出水面一定高度，隨后向四周水平擴散。該工作原理適用于水體靜止或流動較緩的水庫、湖泊等。

圖1 靜止水體中氣泡羽流示意圖Fig.1 The schematic diagram of bubble plume in still water

1.2 流動水體中的氣泡幕工作原理

海灣、河流等流動水體中，氣泡幕在上升過程中受水體流動的影響，體現(xiàn)出不同的運動特征，目前研究以考慮水平橫流為主［16］。橫流中氣泡羽流在垂向具有分離行為（見圖2），環(huán)境流速越大，可能導致氣泡群及其羽流分離越早，氣泡群繼續(xù)向水體表面運動，羽流在重力的作用下向水體底部下沉，水體的垂直輸運減弱［17］。

圖2 水平橫向流中氣泡羽流分離現(xiàn)象示意圖Fig.2 The schematic diagram of bubble plume separation phenomenon in crossflow

采用氣泡幕實現(xiàn)生物的行為驅(qū)導，主要利用水體中有機體與氣泡幕中氣泡的碰撞、黏附作用，實現(xiàn)有機體與水流的分離。如生物體隨流運動至氣泡幕附近時，受上升氣泡流的影響，生物體表面極易附著氣泡，氣泡表面的張力影響了生物體在水體中的受力平衡，附著氣泡增加了生物體的浮力，生物體被動參與水體的垂向?qū)α?，被夾帶至水體上層，一旦生物體隨氣泡流運動至水體表面，上升氣泡流造成的水體表層流便可將生物體從氣泡流中分離［18］出去。

2 氣泡幕海域試驗研究

國內(nèi)外學者圍繞影響氣泡幕運行效果的關(guān)鍵參數(shù)開展了大量的室內(nèi)試驗研究［19,20］。而在海域中開展氣泡幕試驗，對將其應用于濱海核電工程海域更具指導和參考意義。因此，本文重點對氣泡幕在海域環(huán)境中的試驗研究進行調(diào)研。

2.1 英國波弗特海氣泡幕海域試驗研究

Topham 等［21］于1975 年在英國波弗特海開展了氣泡幕試驗，屬于較早開展氣泡幕海域試驗的研究。試驗分別在水下60 m和23 m注入不同空氣量（水下60 m 時注入的空氣量分別為11 m3·min-1、22 m3·min-1、26.6 m3·min-1；水下23 m 時注入的空氣量分別為3.6 m3·min-1、29.3 m3·min-1、40 m3·min-1），噴氣管直徑分別為0.46 cm、2.2 cm、7.6 cm、14.7 cm，觀察了不同水深和空氣量條件下，海域中氣泡幕的形成過程，并測量了氣泡羽流流速。試驗提出了淺層和深層氣泡幕的形成區(qū)別及氣泡羽流中心線流速分布特征，為氣泡幕理論研究的進一步深入提供了試驗依據(jù)。

2.2 挪威氣泡幕海域試驗研究

McClimans 等［22］于2009 年在挪威Arnafjord峽灣開展了氣泡幕海域試驗，試驗裝置采用3根100 m的注氣穿孔鋼管，平行懸掛在40 m深的海水中，每根鋼管的表面設(shè)有300 個直徑2.5 mm的出氣孔，利用空氣壓縮機壓縮空氣注入水下40 m。試驗結(jié)果表明，氣泡幕帶動的上升流流量能夠達到注入氣體流量的88 倍。同時，試驗中測量了氣泡幕分布范圍內(nèi)不同監(jiān)測點的水溫、鹽度、營養(yǎng)鹽及浮游植物生物量的變化，測定結(jié)果表明，該種氣泡幕的布置形式改善了峽灣內(nèi)10 m 深度以內(nèi)的水生態(tài)環(huán)境，通過試驗初步論證了氣泡幕技術(shù)的優(yōu)點。

2.3 臺灣大學氣泡幕海域試驗研究

Liang 等［23］在1999 年提出氣舉式氣泡幕上升流技術(shù)的機理，并通過2005 年的海域試驗驗證了該技術(shù)的可行性。試驗原理：將空氣注入涌升管的噴頭，管內(nèi)噴頭以上部分的海水在氣泡浮升的帶動下向上涌升，噴頭以下部分的海水則會向上流動進行補充。試驗結(jié)果表明：采用涌升管形成氣泡幕所造成的上升流流量相對較大，是采用水泵抽吸等方法的幾十倍，本研究為研發(fā)氣舉式氣泡幕技術(shù)提供了試驗依據(jù)。

2.4 浙江大學氣泡幕海域試驗研究

浙江大學研究團隊在Liang 等研究的基礎(chǔ)上，于2010 年提出了淺層注氣式氣泡幕技術(shù)，并在山東青島鰲山灣海域開展了試驗［16］。試驗范圍約70 m×120 m，試驗裝置由海上太陽能光伏供電系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成，其中注氣水深約10 m，注氣噴頭孔徑約1 mm，孔間隔10 cm，最大日注氣量約400 m3。

試驗期間觀察到海面試驗區(qū)持續(xù)出現(xiàn)明顯氣泡群，水體擾動明顯。試驗結(jié)果表明：氣泡幕注氣系統(tǒng)以單路氣管式效果較好，氣泡幕布設(shè)時需充分考慮應用海域的水文、底質(zhì)情況，并需根據(jù)應用海區(qū)的潮流特征制定高效的氣泡幕運行策略。該試驗過程及研究結(jié)論對氣泡幕技術(shù)的工程應用具有指導意義。

2.5 美國南加州近海氣泡幕海域試驗研究

研究人員在美國南加州近海開展了海域原位氣泡幕圍控油污試驗，現(xiàn)場情況如圖3所示［11］。試驗中將氣泡幕（多孔橡膠浸漬軟管2 根，長30 m，距離海面約0.3 m，距離圍油柵約0.3 m）與圍油柵（長60 m，兩端固定于兩條拖曳船尾部，如圖3（b）所示）組合使用，研究氣泡流的分布及其對海面油污的圍控效果。試驗結(jié)果表明：氣泡幕對海面油污的整體圍控效果較好，但在海面漩渦區(qū)（圖3（b）白箭頭處）出現(xiàn)了油污圍控失效的現(xiàn)象；試驗發(fā)現(xiàn)海流、波浪及固定圍油柵船只的拖曳速度對氣泡幕圍控油污的效果均有一定影響，當船只拖曳速度接近氣泡流在水體表面形成的水平臨界流速時，該技術(shù)對油污的圍控效果較好。

相關(guān)理論研究認為，氣泡幕技術(shù)只適合在靜止水體中使用，但本試驗的成功證實了氣泡幕技術(shù)在非靜止水體中應用的可行性，并識別了影響氣泡幕運行效果的關(guān)鍵因素。

圖3 美國南加州氣泡幕海域試驗現(xiàn)場情況Fig.3 The experiment conditions of ABC in seas of southern California,USA

3 氣泡幕技術(shù)在核電廠取水防控中的應用

3.1 我國某核電廠氣泡幕應用

我國某核電廠于2018 年開展氣泡幕研究，這是我國首個采用氣泡幕降低水母對取水影響的核電廠。該核電廠氣泡幕的制作方法已獲國家專利［24］。氣泡幕裝置包括空壓機、噴氣管（兩道噴氣管，設(shè)若干噴氣孔）及供氣聯(lián)箱等（見圖4），其中，兩道噴氣管上的噴氣孔孔徑為0.5～3 mm，間隔為200～300 mm。

應用效果表明：氣泡幕運行后，布設(shè)區(qū)域海面持續(xù)出現(xiàn)明顯波動，水母受氣泡影響，氣泡囊被充氣后呈球狀，無法閉合，上浮至水面時已基本喪失生命體征，打撈人員可快速完成清理，從而減少水母對取水的影響；同時，氣泡幕運行對魚、蝦也有一定的驅(qū)離作用。

圖4 我國某核電廠氣泡幕布設(shè)方案Fig.4 The design scheme of ABC device of a nuclear power plant in China

3.2 美國Diablo Canyon核電廠氣泡幕應用

美國Diablo Canyon 核電廠（見圖5）為防止海洋生物進入取水系統(tǒng)，在風暴季節(jié)通常將兩臺機組降低80%負荷運行。2008 年10 月，2 號機組因水母入侵導致停運2 d。核電廠為阻止水母等海洋生物對取水的影響，在取水明渠西防波堤至礁石區(qū)附近（圖5中4號點）的海底安裝了氣泡幕，該裝置為兩排共4條平行管線，管道長約167.64 m，各排管道上分布著3種不同孔徑（5.7 cm、3.8 cm、1.9 cm）的噴氣孔。氣泡幕每次運行約30 d，之后核電廠會將氣泡幕裝置從海底取出，清理附著的藻類等［18］。

圖5 美國Diablo Canyon核電廠取水布置圖Fig.5 The water intake layout of Diablo Canyon Nuclear Power Plant in USA

Diablo Canyon 核電廠在2012 年樽海鞘暴發(fā)時首次采用了氣泡幕，運行中觀察到小氣泡易附著于樽海鞘桶狀體底部，大氣泡形成上升氣泡流，促使生物體上升至水體表面，并將其從主流中分離，隨表層環(huán)流運移離開取水關(guān)鍵區(qū)域，氣泡幕的整體運行效果較好［18］。

3.3 英國Heysham核電廠氣泡幕應用

英國Heysham核電廠位于英格蘭西北部蘭開夏郡莫克姆Heysham 港附近，該核電廠包括Heysham 1 廠和Heysham 2 廠。20 世紀90 年代，Heysham 1 廠和Heysham 2 廠均安裝了氣泡幕裝置并延用至2014 年（2014 年Heysham 1 廠關(guān)閉）。氣泡幕設(shè)置初始目的是為降低核電取水卷吸造成的生物量損失。氣泡幕運行后的監(jiān)測結(jié)果表明：魚類生物的卷吸損失量比原來減少了1∕3，無脊椎海洋生物（如水母、蝦等）的卷吸量減少了約2∕3，氣泡幕對降低無脊椎海洋生物卷吸量的效果更顯著［25］。

3.4 日本核電廠氣泡幕應用

日本柏崎刈羽核電廠（以下簡稱“柏崎核電廠”）位于新瀉縣柏崎市刈羽村，共有7臺機組，是世界上發(fā)電能力最大的核電廠（因福島事件，已關(guān)閉）。1999年以來，柏崎核電廠連續(xù)發(fā)生多起水母堵塞取水口的事件。該核電廠采用氣泡幕和自動濾網(wǎng)相結(jié)合的技術(shù)應對水母入侵，裝置示意如圖6所示［26］。

圖6 日本柏崎核電廠氣泡幕裝置示意圖Fig.6 The schematic diagram of ABC of Kashiwazaki Nuclear Power Plant in Japan

3.5 韓國核電廠氣泡幕應用

韓國Uljin、Ulchin 核電廠受海洋生物（主要為水母、磷蝦、樽海鞘等）入侵影響，取水安全受到威脅。圖7為核電廠將氣泡幕與高速旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)配合使用的示意圖。其工作原理為：利用氣泡幕產(chǎn)生的上升氣泡羽流，將水母等海洋生物頂托至水體中上層，通過高速旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)帶動水母隨流運動，最終將水母導流并收集至特定貯存槽內(nèi)，水母經(jīng)過數(shù)天自然分解后基本可完全消失［27］。

圖7 韓國某核電廠氣泡幕示意圖Fig.7 The schematic diagram of ABC in a Korean nuclear power plant

4 討論與建議

氣泡幕對海洋生物具有一定的行為驅(qū)導效應，其對不同生物的作用原理有一定差異：對水母等浮游生物，主要利用氣泡幕中氣泡與生物體間的碰撞和黏附作用使生物體所受浮力發(fā)生變化，從而促使生物體被動上升，并在上浮過程中受氣泡羽流影響而逐漸與主流分離；對魚類等游泳生物，主要利用氣泡幕運行時產(chǎn)生的連續(xù)氣泡帷幕及氣泡上升過程中產(chǎn)生的低頻振動等對生物的視覺、聽覺、觸覺及其他感受器官進行刺激，使生物游動受到限制，運動狀態(tài)發(fā)生改變，從而主動離開氣泡幕影響區(qū)域［10］。但長期使用氣泡幕，魚類會對其產(chǎn)生一定的適應性［28］，從而降低氣泡幕的攔截率，因此，現(xiàn)階段主要將氣泡幕技術(shù)與聲、光、電等技術(shù)組合使用［29］，如將聲、光和氣泡幕組合使用對銀鯉的攔截率可達97%；對于浮游藻類（赤潮）、油污或其他漂浮物（秸稈、生活垃圾等），主要利用氣泡幕上升到水體表面形成的表面流控制其擴散，形成可對抗一定海流的氣動屏障，實現(xiàn)對海洋生物或漂浮物運移的圍控［12］。

氣泡幕在設(shè)計、運行和維護方面具有其特殊性。設(shè)計中應根據(jù)擬解決問題的不同進行氣泡幕裝置布設(shè)的選址，如美國Diablo Canyon 核電廠為減少水母堵塞取水，將氣泡幕設(shè)置在受外海波浪影響較小的取水港池內(nèi)部；英國Heysham核電廠為驅(qū)趕魚群，將氣泡幕設(shè)置在取水口門外緣。根據(jù)氣泡幕應對問題的不同，其相應的選址不同，輔助設(shè)施的配置要求也不同，如將氣泡幕設(shè)置在外海時，需考慮裝置供電系統(tǒng)、抗風浪能力等；將氣泡幕設(shè)置在取水前池時，需考慮裝置適應水位變化的能力及效果等。因此，氣泡幕的設(shè)計是涵蓋注氣管及噴頭設(shè)定（管材、形式、孔距、孔徑及分布密度等）、注氣系統(tǒng)布設(shè)（單位長度通氣管上的孔數(shù)、孔距、氣孔的孔徑及壓縮空氣壓力等，氣泵選型、配置、散熱及其他輔助管路設(shè)計等）、供能系統(tǒng)及清理打撈等收集裝置的復雜系統(tǒng)。需綜合考慮應用目的、取水海域環(huán)境、海洋生物特點及運行效果等。

氣泡幕的運行效果易受環(huán)境影響，如海流較急、潮汐和風影響顯著時，氣泡上升過程中在水流作用下易沿海流方向飄散，流速越大飄散程度越大，潮汐及風浪都會影響氣泡幕在水體表層形成的水平流動的效果。由于氣泡幕的應用環(huán)境及其對不同海洋生物的效應不同，因此，運行策略的制訂尤為重要［16］。氣泡幕運行需結(jié)合海域環(huán)境特征及關(guān)鍵海洋生物行為、暴發(fā)特點等制定注氣量、運行時間節(jié)點及持續(xù)時長等合理高效的運行策略。

氣泡幕的維護成本相對較高，由于氣泡幕注氣系統(tǒng)通常布設(shè)于海底，噴氣孔易落淤，為防止氣管、噴氣孔堵塞影響正常運行，需進行清理維護。核電廠通常將氣泡幕系統(tǒng)整體移出水面進行附著海洋生物及注氣管道內(nèi)堵塞物的清理，并更換、加固注氣系統(tǒng)或錨固裝置等。

5 結(jié)論

近年來，國內(nèi)外學者在氣泡幕的理論、試驗及應用研究方面均取得了一定的成果。調(diào)研結(jié)果表明：氣泡幕以氣泡羽流動力學和生物行為學為理論基礎(chǔ)，在濱海核電廠取水防控中已有一定的應用。該技術(shù)在降低水母、藻類等浮游生物及魚類等游泳生物對電廠取水影響方面具有積極作用，對保障核電廠取水安全、降低海洋生物資源損耗等具有重要作用，但與日常的攔污工程（如攔污網(wǎng)等）相比，氣泡幕技術(shù)的運行與維護成本相對較高，且氣泡幕對海洋生物的防控效果會受海域水文、氣象等多因素影響，利用海域環(huán)境特點制訂合理的氣泡幕運行策略是該技術(shù)應用的難點和關(guān)鍵點。目前，各國核電廠的氣泡幕裝置具有“一廠一策”的特點，在空氣壓力、噴氣孔孔徑、孔距及孔數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定及運行策略等方面各不相同，對海洋生物的阻攔、驅(qū)離效果也不同。因此，氣泡幕的設(shè)計、運行及其對海洋生物的行為驅(qū)導效果等還需進一步的研究。

核電廠發(fā)生的取水堵塞事件已嚴重影響了電廠的安全運行［1］，且取水造成的生物卷吸也已成為核電生態(tài)友好運行的重點問題。為貫徹我國生態(tài)文明建設(shè)要求，我國生態(tài)環(huán)境部于2019年8月發(fā)布了《核動力廠取排水環(huán)境影響評價指南》（HJ 2037—2019），對控制核電廠取水環(huán)境影響及保護海洋生物資源等提出了更嚴格的要求。氣泡幕與化學驅(qū)趕和消殺技術(shù)相比，具有對水體水質(zhì)、海洋生物及生態(tài)環(huán)境的總體負面影響較?。?2］的優(yōu)點，且其在加速核電廠溫排水熱摻混、海域除冰、除油污［11］、減少泥沙淤積［12］等方面都有相關(guān)的應用。根據(jù)氣泡幕技術(shù)的特點，將氣泡幕與其他技術(shù)（如聲波驅(qū)動、光照驅(qū)離、電流驅(qū)離、生物驅(qū)離涂料及攔污工程等）相結(jié)合，構(gòu)建高效的生態(tài)友好型取水綜合防控技術(shù)體系，可以更有效地保障濱海核電廠的取水安全，降低取水的生態(tài)影響。因此，研究氣泡幕技術(shù)在核電廠取水防控中的應用符合我國核電廠安全生態(tài)運行的要求，具有重要的實踐意義和應用前景。