史文奇,袁帥,劉永青,曹雪峰,邢傳璽

(國家海洋環(huán)境監(jiān)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(gòu)件,影響取水效率,嚴(yán)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(shù)濱海核電站采用攔網(wǎng)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(xì)流場是科學(xué)布置攔網(wǎng)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(xì)流場的研究很少,且多為數(shù)?；蛭锬＝Y(jié)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(jù)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(xì)流場的案例報道。本研究從實際需求出發(fā),提出適用于濱海核電站取水口精細(xì)流場測量的方案,并介紹該方案在某濱海核電站的應(yīng)用情況和測量結(jié)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(wǎng)和打撈工作須同時關(guān)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(nèi)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(jié)合的綜合測量方法。

目前定點測量方法已被廣泛應(yīng)用且技術(shù)相對簡單,本研究重點分析走航測量技術(shù)及其數(shù)據(jù)處理方法。

1.2 設(shè)備選擇

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

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(biāo)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(qū)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(tǒng)誤差,過程較為繁瑣[14-15]。

目前ADCP技術(shù)已發(fā)展成熟,主要由RDI公司、Sontek公司和Nortek公司生產(chǎn),這3家公司針對不同的應(yīng)用場景研發(fā)多種高精度和高專業(yè)化的ADCP產(chǎn)品。以RDI生產(chǎn)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(qū)和采樣層厚,可獲取更高垂向分辨率的海流數(shù)據(jù),因此在滿足底跟蹤深度的情況下應(yīng)盡可能選擇高頻率ADCP。

1.3 走航測量

開展走航測量前應(yīng)參考設(shè)備說明書以及《聲學(xué)多普勒流量測驗規(guī)范》(SL 337-2006)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以減少測量誤差。

由于ADCP內(nèi)部的羅盤受環(huán)境磁場影響較大,測船宜使用木船等非磁性材質(zhì)船;如果測船是鐵船,須外接電羅經(jīng)、光纖羅經(jīng)或GPS羅經(jīng),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(yīng)盡可能垂直,縱搖和橫搖的偏角控制在2°以內(nèi);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(fā)生空蝕現(xiàn)象[16]。

應(yīng)選擇海況較好時進行走航測量。當(dāng)海況較差時,波浪破碎產(chǎn)生的氣泡在船體搖晃時易進入船底約1 m 厚的水層內(nèi),氣泡流經(jīng)過換能器時會對聲波產(chǎn)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(chǎn)生較大的瞬時線速度和角速度,從而出現(xiàn)多種測量誤差[18]。除海況外,測船的航行狀態(tài)對測量精度也存在影響。例如:船體在突然轉(zhuǎn)向、加速和減速時,羅經(jīng)會產(chǎn)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(yīng)盡可能保持勻速且避免急轉(zhuǎn)彎。

此外,測船在航行時會產(chǎn)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(chǎn)生流噪聲,船速越快則噪聲越大,而噪聲增大必然導(dǎo)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(nèi)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(dāng)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(shù)據(jù)質(zhì)量控制

在使用走航ADCP時難免產(chǎn)生各種誤差,因此在應(yīng)用測量資料前須進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,即系統(tǒng)誤差校正、GPS 船速誤差校正和常規(guī)檢驗。對于ADCP底跟蹤測量的海流數(shù)據(jù),由于船速誤差已在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)據(jù);剔除海流東分量和北分量中的無效數(shù)據(jù);剔除設(shè)備擺動角度過大的數(shù)據(jù);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(shù)據(jù);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(shù)據(jù)插值

走航海流數(shù)據(jù)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(guī)則,須采用數(shù)據(jù)同化方法得到規(guī)則流場[23-24],但該方法較為復(fù)雜,有時須引入專業(yè)數(shù)值模式,不利于在核電行業(yè)推廣。以潮流為主的海域漲急和落急時段的海流較為平穩(wěn),利用該時間窗口內(nèi)走航數(shù)據(jù)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(xì)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(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范 第2部分:海洋水文觀測》(GB/T 12763.2-2007),海流測量的準(zhǔn)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(jù)平衡潮理論,潮流變化是規(guī)則的正弦曲線,經(jīng)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(guī)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(jù)定點海流測量結(jié)果選取。由于時間窗口長度有限,在測量時應(yīng)綜合考慮空間分辨率和空間范圍,合理規(guī)劃船速和航線,以滿足工作需求?；跍y量海區(qū)的范圍,應(yīng)確保走航數(shù)據(jù)在漲急和落急的時間窗口內(nèi)覆蓋全部測量海區(qū),否則須考慮增加測船,以保證測量的準(zhǔn)同步性。

2 方案應(yīng)用實例

2.1 測量海區(qū)

受取水的影響,某濱海核電站曾發(fā)生大量海洋生物涌入取水口并導(dǎo)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(xì)流場?；诖?應(yīng)用上述方案于2016年春季在該濱海核電站開展精細(xì)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(dǎo)流堤,圍成的取水灣呈半開口狀,開口朝向為W 向;取水灣內(nèi)地形平坦,水深約為10 m;每組取水口的設(shè)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(cè)以及取水灣內(nèi)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(shè)備待走航測量結(jié)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(shè)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(nèi)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(shè)備即可充分覆蓋測量范圍。采用美國RDI公司生產(chǎn)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(chǎn)的DSM 232型差分GPS(DGPS),水平定位精度優(yōu)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(qū)的周邊環(huán)境,同時確認(rèn)現(xiàn)場海況和氣象等是否符合海上測量作業(yè)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(zhì)漁船進行測量作業(yè)。利用不銹鋼支架將ADCP固定于船側(cè),換能器入水深度不小于0.5 m,探頭向下發(fā)射,沿測量斷面來回連續(xù)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(xù)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(nèi)。

定點海流數(shù)據(jù)的采樣間隔為10 min,對原始數(shù)據(jù)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(qū)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(cè)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(shù)據(jù)點,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。4個定點海流計分別獲取超過52 h的連續(xù)高頻海流數(shù)據(jù),可用于分析各站海流的時間變化特征。根據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)的控制,呈規(guī)則潮流特征。在1個周期(日)內(nèi),流速有4個波峰和波谷,流向轉(zhuǎn)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(fù)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(shù)據(jù)的長度大于2個周期(日),可采用不引入差比關(guān)系的調(diào)和分析得出主要分潮參數(shù)。

(2)取水灣口門兩側(cè)的2號站和3號站呈非規(guī)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(fù)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(nèi)的4號站已沒有潮流特征而呈準(zhǔn)定常流特征。海流主要受取水口取水的影響,流向基本穩(wěn)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(jù)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(yīng)為11:30-13:20,落急時段應(yīng)為18:00-20:00。然而由于測量方案的設(shè)計受潮流預(yù)測偏差以及多種不可抗力因素的影響,走航測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和4個定點測得的最大漲急海流數(shù)據(jù)插值得到,落急時的流場采用17:45-18:31的走航數(shù)據(jù)和4個定點測得的最大落急海流數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)潮流的流向穩(wěn)定且流速變化較小,且用于插值的走航數(shù)據(jù)量較充足,可充分覆蓋測量海區(qū)。

采用內(nèi)插方法將提取的走航海流數(shù)據(jù)和定點海流數(shù)據(jù)線性插值到規(guī)則網(wǎng)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(nèi)的流場較為復(fù)雜。漲急時的流向由NE 向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為E 向,因此形成1 個逆時針的渦旋。

2.6 結(jié)果和討論

從攔網(wǎng)設(shè)置和打撈實施的角度來看,漲潮和落潮時取水灣口門南側(cè)的流向均指向取水灣內(nèi),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(nèi)的流向與取水口的抽水方向一致,因此流速較大,更易導(dǎo)致海洋生物大量涌入。取水灣口門外海域主要受潮流系統(tǒng)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(dāng)盛行向岸風(fēng)時,潮流疊加向岸的風(fēng)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(wěn)的時間窗口內(nèi)對走航數(shù)據(jù)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(xì)流場。但該插值方法無法考慮走航數(shù)據(jù)的時間變化,且在走航數(shù)據(jù)不能充分覆蓋的海域難免出現(xiàn)流速失真的情況。因此,走航數(shù)據(jù)越豐富且數(shù)據(jù)分布越均勻,插值所得流場的準(zhǔn)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(xù)航能力較差,獲取的走航數(shù)據(jù)數(shù)量有限;針對此問題,可通過對漲急和落急時段的準(zhǔn)確預(yù)測,盡可能增加時間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xué)的方法是采用數(shù)據(jù)同化的方式,更好地融合走航數(shù)據(jù)和定點數(shù)據(jù),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(jié)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(wǎng)和打撈等措施時須同時關(guān)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(xì)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(jié)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(guī)范而產(chǎn)生較大誤差,在實際測量作業(yè)時須多加關(guān)注。

根據(jù)實測數(shù)據(jù),受取水和局地海岸線的影響,濱海核電站取水口的流場復(fù)雜,部分海域可形成渦旋。海流呈準(zhǔn)定常流、非規(guī)則潮流和規(guī)則潮流3種特征:準(zhǔn)定常流的流向基本不變,而流速小幅波動;非規(guī)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(xì)流場測量的方案,并從實用角度提出走航數(shù)據(jù)的簡單處理方法。根據(jù)應(yīng)用實例,該方案實施簡便且測量效果較好,可在相關(guān)工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。對于將不規(guī)則走航數(shù)據(jù)進行更科學(xué)的插值或同化為規(guī)則流場數(shù)據(jù)的課題,仍須專門的研究和論述。