本發(fā)明涉及一種考慮不同生物特點(diǎn)的電廠取水卷載生物量損失估算方法，是一種水工工程運(yùn)行造成生物傷害與生態(tài)減損的重要估算方法，是一種適用于電廠冷卻水取水工程運(yùn)行安全性和生態(tài)友好性的評估方法。

背景技術(shù)：

1、目前我國核電廠均布設(shè)在沿海地區(qū)，采用直流冷卻方式，以廠址附近的海水作為冷卻水源。核電廠運(yùn)行時，需要從周圍環(huán)境水體中抽取大量冷卻水進(jìn)入電廠，進(jìn)行核反應(yīng)堆及重要設(shè)備的冷卻。冷卻水裹挾大量生物進(jìn)入取水系統(tǒng)，其中體型較大的生物易堵塞取水過濾網(wǎng)，使得冷卻水無法正常流入冷卻系統(tǒng)內(nèi)，重要設(shè)備無法及時得到冷卻，進(jìn)而影響了機(jī)組安全運(yùn)行；體型較小的卷載生物易直接通過取水泵房進(jìn)入冷卻系統(tǒng)內(nèi)部，受機(jī)械卷載等影響，存活率較低，造成了生物死亡。因此，生物進(jìn)入核電取水系統(tǒng)中，不但威脅了核電安全運(yùn)行，也造成了對生物的直接損害。

2、取水卷載通常指隨同取水進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)的小型水生生物被動攜帶傳輸?shù)倪^程。卷載生物在高壓、高溫以及殺生劑的作用下導(dǎo)致傷害或死亡。電廠取水運(yùn)行對生物損失的監(jiān)控結(jié)果表明：卷載生物包括浮游動物、魚卵、仔魚、稚魚、仔蝦及幼魚等，通常體型較小，卷載生物總量遠(yuǎn)大于卷塞生物量，占取水造成生物損失量的主體。

3、目前估算方法不考慮生物自身特點(diǎn)(如生物所處生活史階段、形狀特點(diǎn)、生物體密度)、受到取水匯流作用影響進(jìn)入核電廠取水系統(tǒng)的隨流運(yùn)動特點(diǎn)、取水海域潮流特點(diǎn)、取水工程設(shè)計特點(diǎn)等，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足國家對核電安全、生態(tài)運(yùn)行的要求，亟需綜合考慮多項因素，提出精細(xì)、客觀的取水影響區(qū)域卷載生物量損失科學(xué)估算方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種考慮不同生物特點(diǎn)的電廠取水卷載生物量損失估算方法。所述的方法綜合考慮了卷載生物特點(diǎn)(所處生活史階段、形狀特點(diǎn)、生物體密度、運(yùn)動能力、隨流運(yùn)動特點(diǎn))、海域環(huán)境(地形、岸線、潮流場等)、電廠取水設(shè)計(取水量、取水工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等)等多項因素，為科學(xué)設(shè)計取水工程，降低冷源堵塞風(fēng)險和定量評估擬建電廠取水卷載生物量損失、已運(yùn)行電廠卷載生物量后評估，提高核電取水的安全性和生態(tài)友好性提供科學(xué)依據(jù)。

2、本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種考慮不同生物特點(diǎn)的電廠取水卷載生物量損失估算方法，所述方法的步驟如下：

3、步驟1，建立考慮海域環(huán)境及取水工程設(shè)計的大范圍二維取水水動力模型：獲取取水海域地形、漲落潮流條件、岸線特征，以及電廠取水工程的設(shè)計尺寸、取水流量、取水流速、取水水深等，建立取水水動力模型，劃分計算網(wǎng)格，確定流場模擬的邊界條件、初始條件并選擇合適的計算參數(shù)，模擬包含核電取水工程以及取水影響海域在內(nèi)的海域流場；水動力模型以水深積分形式的淺水方程為基礎(chǔ)，模型采用基于boussinesq和垂向靜水壓力假定并采用曲線坐標(biāo)，垂向上使用σ垂向坐標(biāo)系統(tǒng)：

4、

5、其中：σ為曲線坐標(biāo)系中垂向坐標(biāo)；d為參考平面以下的水深值；h為全水深；z為物理空間垂向坐標(biāo)；ζ為自由水面高程；

6、模型控制方程包括連續(xù)方程、動量方程及密度狀態(tài)方程，并通過湍流理論使方程閉合，具體控制方程如下：

7、水深平均的連續(xù)方程：

8、

9、其中：t為時間；ξ和η為曲線坐標(biāo)系下水平方向的坐標(biāo)；gξξ、gηη為曲線坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)；u、v分別為ξ和η方向的水深平均流速；q表示源匯項；

10、模型在水平方向ξ和η的動量方程：

11、

12、

13、其中：f為coriolis參數(shù)，f＝2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度；fξ和fη分別為ξ和η方向的紊動動量通量，反應(yīng)雷諾應(yīng)力；pξ和pη為ξ和η方向的水壓力梯度；mξ和mη為ξ和η方向上動量的源匯項；ρ0為水體密度；

14、由于基于淺水方程，模型基于靜水壓力，二維模型不考慮水體密度ρ0變化；

15、

16、床底阻力采用二次型形式：

17、

18、其中：謝才系數(shù)c2d根據(jù)謝才公式計算，n為糙率系數(shù)；p為水壓力梯度；g為重力加速度；

19、步驟2，水動力模型結(jié)果驗證及流場分析：采用實測數(shù)據(jù)或擬評估電廠對應(yīng)的物理模型實驗數(shù)據(jù)對水動力模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，以確保水動力模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果一致，即水動力模型計算結(jié)果能夠反映取水海域?qū)嶋H流場情況；

20、步驟3，建立考慮生物特征及運(yùn)動能力的卷載生物動態(tài)模型：卷載生物包括無運(yùn)動能力的浮游生物、魚卵、仔魚、稚魚、仔蝦及有運(yùn)動能力的幼魚，根據(jù)卷載生物的生物體密度、形狀特點(diǎn)及其有無主動運(yùn)動能力分類建立卷載生物動態(tài)模型：

21、(1)無運(yùn)動能力的卷載生物動態(tài)模型：

22、1)該類卷載生物沒有運(yùn)動能力，運(yùn)動速度與水流流速一致，且生物體密度與水體近似，形狀規(guī)則，水動力模型中將生物規(guī)則的形狀概化為球形，其運(yùn)動控制方程為：

23、

24、up＝uwater

25、式中：s為生物運(yùn)動位移；up為生物運(yùn)動速度；uwater為水流流速；

26、2)該類卷載生物沒有運(yùn)動能力，運(yùn)動速度與水流流速一致，生物體密度大于或小于水體密度，由于密度差導(dǎo)致生物體在水體中受力的變化，使得其對水流的跟隨體現(xiàn)出一定的遲滯，生物體形狀相對規(guī)則，近似為球形，按照球形考慮，其運(yùn)動控制方程為：

27、

28、式中：ρp為生物體密度；

29、3)該類卷載生物沒有運(yùn)動能力，運(yùn)動速度與水流流速一致，生物體密度與水體密度近似，生物體形狀不規(guī)則，運(yùn)動控制方程為：

30、

31、式中：fd為生物體阻力系數(shù)；γ為生物體形狀系數(shù)，vp為生物體體積；sp為生物體表面積；

32、4)該類卷載生物沒有運(yùn)動能力，運(yùn)動速度與水流一致，生物體密度與水體存在差異，生物體形狀不規(guī)則，運(yùn)動控制方程為：

33、

34、(2)有一定運(yùn)動能力的卷載生物動態(tài)模型：

35、將具有運(yùn)動能力的卷載生物概化為小型魚類，模型中將小型魚類的運(yùn)動概化為三個模式：

36、模式一：若小型魚類所在位置的水流流速小于小型魚類的感應(yīng)流速，即水流流速<小型魚類的感應(yīng)流速，小型魚類表現(xiàn)為隨機(jī)運(yùn)動；

37、模式二：若小型魚類所在位置的水流流速在小型魚類感應(yīng)流速與極限流速之間，即小型魚類的感應(yīng)流速≤水流流速<小型魚類的極限流速，小型魚類表現(xiàn)出趨流性，即逆流運(yùn)動，并且傾向于向喜好流速區(qū)間內(nèi)運(yùn)動；小型魚類的逆流運(yùn)動表現(xiàn)為：向環(huán)境水流流向反方向運(yùn)動，其逆流運(yùn)動區(qū)間為一定角度扇形范圍，扇形半徑為小型魚類感應(yīng)能力范圍，在此區(qū)間內(nèi)，若存在小型魚類喜好流速區(qū)域，則小型魚類運(yùn)動方向指向最近的喜好流速區(qū)；

38、模式三：若小型魚類所在位置的水流流速大于小型魚類的極限流速，即小型魚類極限流速≤水流流速，小型魚類被水流沖走，表現(xiàn)為隨流運(yùn)動，其相對水流的運(yùn)動速度為0，即絕對運(yùn)動速度為水流速度；

39、有一定運(yùn)動能力的卷載生物動態(tài)模型，卷載生物運(yùn)動控制方程為：

40、

41、式中：vf為卷載生物運(yùn)動速度，模式三中，vf＝uwater；

42、步驟4，耦合取水水動力模型與卷載生物動態(tài)模型的取水卷載生物投放模型：

43、取水水動力模型與卷載生物動態(tài)模型的耦合：取水水動力模型的計算結(jié)果作為卷載生物動態(tài)模型的輸入條件，卷載生物在取水海域所處位置通過水動力模型計算獲得，卷載生物動態(tài)模型再依據(jù)生物體密度、形狀特點(diǎn)及其有無主動運(yùn)動能力選擇相對應(yīng)的模型進(jìn)行計算，得出生物所處位置隨時間的變化；

44、生物投放模型的構(gòu)建：在取水構(gòu)筑物上游設(shè)置卷載生物投放斷面，投放大量的卷載生物，根據(jù)耦合模型計算結(jié)果，獲取不同取水海域環(huán)境流條件下，生物在取水水流影響下的位置變化及最終進(jìn)入取水泵房的生物數(shù)量；

45、進(jìn)入取水泵房的情況采用生物卷載率表征，生物的卷載率指受取水匯流影響進(jìn)入取水泵房的生物個體數(shù)量占投放生物總量的百分比，其計算公式如下：

46、

47、式中：ji為第i類生物卷載率；nini為第i類生物進(jìn)入取水泵房的生物量；為取水上游斷面投放的第i類卷載生物量。

48、步驟5，取水卷載生物量損失估算：卷載生物損失量計算公式如下：

49、

50、式中：w為卷載生物損失量；wi為第i類卷載生物資源損失量；si為第i類生物進(jìn)入取水系統(tǒng)后的死亡率。

51、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：本發(fā)明針對目前核電取水卷載生物量損失估算無法反應(yīng)各電廠水動力環(huán)境、取水工程設(shè)計、不同卷載生物特性(形狀、生物體密度)、運(yùn)動特點(diǎn)及進(jìn)入取水系統(tǒng)后死亡率不同等局限性，提出了考慮不同生物特性及隨流運(yùn)動特點(diǎn)的電廠取水卷載生物量損失估算方法，綜合考慮了卷載生物特點(diǎn)(所處生活史階段、形狀特點(diǎn)、生物體密度、運(yùn)動能力、隨流運(yùn)動特點(diǎn))、海域環(huán)境(地形、岸線、潮流場等)、電廠取水設(shè)計(取水量、取水工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等)等多項因素，使得取水卷載生物量損失的估算結(jié)果更客觀，為科學(xué)設(shè)計取水工程，降低冷源堵塞風(fēng)險和定量評估擬建電廠取水卷載生物量損失、已運(yùn)行電廠卷載生物量后評估，提高核電取水的安全性和生態(tài)友好性提供科學(xué)依據(jù)。