考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法与流程

1.本发明涉及一种考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法，是一种水工工程运行安全性的评估方法，是一种电厂冷却取水工程运行安全风险的预测或反演的方法。


背景技术：

2.滨海核电厂通常以厂址附近海域的海水作为核反应堆及重要设备的冷却水源(冷源)，因此，核电厂的冷源承担着核反应堆及系统余热导出的重要功能，是核安全的关键关节。一旦取水系统被堵塞，将可能导致核电机组降功率运行或停堆停机，严重时甚至引发核安全事故，造成不可挽回的损失。
3.近年来，随着海洋环境变化以及近岸海域开发利用程度的加深，近岸海洋生物的迁徙、聚集对核电取水运行安全的负面影响不断增强。如yj核电厂，在2020年3月25日，因海洋生物毛虾(即致灾生物)在核电厂取水海域大规模暴发聚集，入侵取水明渠，堵塞旋转过滤网，导致6台机组无冷却水可用，被迫停堆，该冷源丧失事件被认定1级国际核与辐射事件，造成经济损失逾4亿元。为了应对上述问题，减少近岸生物灾害对核电取水安全的影响，需充分明晰和评估核电取水工程运行的安全性。然而，目前采用的评估方法主要基于专家经验法，提取核电取水系统中的关键指标，如拦污网设置、监测系统配备及所处海域致灾生物密度等进行评估，存在一定的局限性，没有充分考虑由于致灾生物运动特点、生物节律特征以及核电取水汇流引起的局部海域流场变化等综合造成的取水风险。例如，同处于一海湾中的两个毗邻电厂(电厂a、电厂b)取水，均采用明渠取水。由于两个电厂毗邻，因此，海水过滤系统设计及布置基本一致，海流、海洋水文气象条件一致。以传统的基于经验法的取水评估方法，两电厂面临致灾生物应当一致，其取水风险也应当一致。然而，历次该海湾中致灾生物毛虾暴发时，电厂b冷源安全问题频发，而电厂a受到影响较小，以此证明现有的评估方法存在很大问题。如何综合考虑多项因素，提高取水风险评估的准确性，是一种亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法。所述的方法综合考虑致灾生物随水流运动的特点及其在关键生活史阶段体现出的生物节律行为、取水流场分布规律等多重影响因素的核电厂取水风险，为避免海洋生态灾害所造成的核电取水冷源丧失事件提出了科学的依据。
5.本发明的目的是这样实现的：一种考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法，所述方法的步骤如下：
6.步骤1，构建包括电厂取水工程在内的取水海域流场模型：获取取水海域地形、潮流条件、岸线特征，以及电厂取水工程的设计尺寸、取水流速、取水水深等，建立取水海域流场数学模型，确定模拟范围，划分计算网格，确定流场模拟的边界条件、初始条件并选择合
适的计算参数，选择计算控制潮型，模拟包含核电取水工程，以及取水影响海域在内的海域流场模拟；流场模型以水深积分形式的浅水方程为基础，模型采用基于boussinesq和垂向静水压力假定并采用曲线坐标，垂向上使用σ垂向坐标系统：
[0007][0008]
其中：d为参考平面以下的水深值，h为全水深，z为物理空间垂向坐标，ζ为自由水面高程；
[0009]
模型控制方程包括连续方程、动量方程及密度状态方程，并通过湍流理论使方程闭合，具体控制方程如下：
[0010]
水深平均的连续方程：
[0011][0012]
其中，ζ为自由水面高程；t为时间；ξ和η为曲线坐标系下水平方向的坐标；g
ξξ
、g
ηη
为曲线坐标系转换为直角坐标系的转换系数；u、v分别为ξ和η方向的水深平均流速；q表示源汇项，如取排水等；
[0013]
模型在水平方向ξ和η的动量方程：
[0014][0015][0016]
其中：u、v为曲线正交坐标系下ξ和η方向的流速分量，f为coriolis参数，f＝2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为纬度；f
ξ
和f
η
分别为ξ和η方向的紊动动量通量，反应雷诺应力；p
ξ
和p
η
为ξ和η方向的水压力梯度；m
ξ
和m
η
为ξ和η方向上动量的源汇项；
[0017]
由于基于浅水方程，模型基于静水压力：二维模型不考虑水体密度ρ0变化；
[0018][0019][0020][0021]
床底阻力采用二次型形式：
[0022][0023]
其中：谢才系数c
2d
根据谢才公式计算，n为糙率系数，可依据实测资料
率定，或根据经验取值，范围可在0.01～0.03之间；
[0024]
步骤2，流场模型结果验证及流场分析：采用实测数据对流场模拟结果进行潮位及流场的验证，以确保计算的潮位过程与实测过程基本一致或整体上计算潮位与实测值符合；
[0025]
步骤3，构建典型取水致灾生物迁移模型：根据致灾生物的运动方向、运动速度，随昼夜时间在水体中的位置变化，及其运动特征和节律行为提出致灾生物迁移模型；
[0026]
模拟方程如下：
[0027]
(1)致灾生物运动方程：
[0028]
或
[0029]
δs＝(u
live
+u
flow
)
×
δt，
[0030]
其中：δs为致灾生物运动位移；δt为致灾生物运动时间步长；u
live
为致灾生物游动速度矢量；u
flow
为该时间步长下致灾生物所在位置水流速度矢量；
[0031]
(2)致灾生物节律行为运动方程：
[0032]
height＝f(time)
[0033]
其中：height为致灾生物所在位置水深，f(time)为致灾生物在水体中所处的垂向位置随时刻变化的相关关系，该函数关系通过对致灾生物昼夜垂直分布的相关研究或实验获得；
[0034]
步骤4，典型取水致灾生物迁移模型与取水海域流场模型耦合：取水海域流场模型的输出结果将作为致灾生物迁移模型的输入条件，驱动致灾生物在流场变化下进行迁移运动，水力信息单向传递给致灾生物迁移模型，根据生物的迁移运动规律获取生物运动状态、生物所处位置随时间的变化，进而获得致灾生物在取水环境流场作用下的迁移过程；
[0035]
步骤5，取水风险评估：以一个完整的典型潮作为计算时间总长度，以进入取水明渠的致灾生物占初始投放数量的百分比作为评价取水风险的指标，基于取水海域流场变化规律、致灾生物迁移模型计算结果，分析得到对应环境水流和取水工程结构下，取水运行时受到取水汇流作用影响进入明渠的致灾生物占初始投放致灾生物数量的百分比评价取水风险，100％为取水风险评估最大值，即初始投放致灾生物全部进入取水明渠，0％为取水风险评估最小值，即初始投放致灾生物均没有进入取水明渠。
[0036]
本发明的优点和有益效果是：本发明针对目前核电取水风险评估方法无法反应各电厂取水设计、取水海域特点及各致灾生物差异性的局限性，提出了一种利用流场模型和生物迁移模型耦合的方式，充分考虑致灾生物运动特征、节律行为及取水工程设计特点、取水流场变化特征的取水风险评估方法，使得取水风险评估的结果能够更客观、准确的反应实际的各电厂取水风险差异性情况，为核电厂取水风险提供科学有效的评估结果，为保障核电安全提供技术支持。
附图说明
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0038]
图1是本发明实施例所述方法的流程图；
[0039]
图2是本发明实施例所述σ垂向坐标示意图。
具体实施方式
[0040]
实施例：
[0041]
本实施例是一种考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法。所述的方法充分考虑各电厂海域水文、地形、潮流条件的不同，致灾生物运动特征、节律行为的特点及取水工程设计的特征，将这些重要的因素均纳入取水风险评估中，体现各电厂面临取水环境、致灾生物及自身设计特点的差异性所导致的取水风险不同，为电厂取水风险防控，取水安全运行提供依据。为便于说明，本实施例以上述两个毗邻的核电厂(电厂a、电厂b)取水为应用实例，对取水风险评估的过程进行具体描述。
[0042]
电厂a和电厂b位于中国广东省大亚湾西部、大鹏澳的北岸。两电厂冷却水均采用直流冷却系统，以海水作为循环冷却水源，温排水排入厂址附近海域。
[0043]
大亚湾是南海北部的一个内海湾，海湾的东、北、西三面为低山丘陵环抱，南濒南海。湾内南北长约35km，东西向最宽处约25km，最窄处约14km。湾口西边有三门岛、东边有大星山岛，中间有小星山岛；中央有一列南北向的岛屿(中央列岛，大、小辣甲列岛)把海湾分成东、西部分，东侧海面宽约9.6km，水深约18～20m，西侧卡口宽约5.5km，水深约19m，潮流从东、西侧进退。湾内海区等深线分布大致与岸线平行，湾口处的海床最深，海湾面积约600km2。
[0044]
大鹏澳位于大亚湾西部靠湾口附近，其北、西、南向为陆域封闭，澳口朝东，由一列南北向的岛屿(即大、小辣甲、中央列岛)组成。从列岛至西边界海岸长约14km，澳口处北从崖斗咀南至鹿咀岗宽约11km。澳口的东北部从崖斗咀至小辣甲间为一缺口，与大亚湾相通(大、小辣甲之间也有一小缺口通大亚湾)；而东南部从鹿咀岗至大辣甲之间的缺口宽约5.5km，水深约16m。该缺口是大亚湾湾口的一部分，不单是大鹏澳的潮汐通道，而且外海波浪也多从此通道涌入。
[0045]
两电厂附近潮汐观测站的统计结果表明，大亚湾的潮汐性质属于不正规半日混合潮。大亚湾海域的涨落潮流以南北向往复流为主，涨潮流流向以北向为主，落潮流以南向为主。根据实测资料显示，夏季最大涨潮流速为105cm/s，流向为322
°
；最大落潮流速为66cm/s，流向为178
°
。冬季最大涨潮流速为57cm/s，流向为334
°
；最大落潮流速为56cm/s，流向为142
°
。
[0046]
威胁大亚湾内电厂取水冷源安全的主要生物为毛虾(中国毛虾，acetes chinesis，隶属节肢动物门、甲壳纲、十足目、樱虾科、毛虾属)。如2015年1月10日，电厂b因毛虾涌入取水口导致反应堆降功率运行，期间打捞毛虾总量超20吨；同年11月-12月，电厂b又遭遇毛虾数次入侵，取水系统反冲洗排水渠收集毛虾量超1.2吨/小时；2016年1月8日-9日，电厂b再次因毛虾入侵导致机组停堆。电厂b冷源安全问题频发，但距其取水位置仅800米的电厂a未受到显著威胁。本实施例所述考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法的步骤如下，流程如图1所示：
[0047]
步骤1，构建包括电厂取水工程在内的取水海域流场模型：获取取水海域地形、潮流条件、岸线特征，以及电厂取水工程的设计尺寸、取水流速、取水水深等，建立取水海域流场数学模型，确定模拟范围，划分计算网格，确定流场模拟的边界条件、初始条件并选择合适的计算参数，如海床糙率系数、涡黏系数等，选择计算控制潮型，模拟包含核电取水工程，以及取水可能影响海域在内的海域流场模拟。流场模型以水深积分形式的浅水方程为基
础，模型采用基于boussinesq和垂向静水压力假定并采用曲线坐标，垂向上可以使用σ垂向坐标系统(见图2)，即将物理空间垂向坐标z转换为σ，采用σ垂向坐标，可将自由水面和不规则地形海床变成坐标系中的σ＝0和σ＝-1的坐标平面，使得计算水域垂向上具有相同的网格数，提高了浅水部分垂向分辨率，地形贴合性较好：
[0048][0049]
其中：d为参考平面以下的水深值，h是全水深，z为物理空间垂向坐标，ζ为自由水面高程(参考平面z＝0以上的数值)。在海床床底σ＝-1，自由水面σ＝0。
[0050]
图2中网格中垂向分层线的水深是不同的，但是距离自由水面(倒三角表示的是自由水面)的相对水深是一致的，阴影部分表达的海底。
[0051]
模型控制方程包括连续方程、动量方程及密度状态方程，并通过湍流理论使方程闭合，具体控制方程如下：
[0052]
水深平均的连续方程：
[0053][0054]
其中，d为参考平面以下的水深值，ζ为自由水面高程(参考平面z＝0以上的数值)；t为时间；ξ和η为曲线坐标系下水平方向的坐标；g
ξξ
、g
ηη
为曲线坐标系转换为直角坐标系的转换系数；u、v分别为ξ和η方向的水深平均流速；q表示源汇项，如取排水、降雨和蒸发等。
[0055]
模型在水平方向ξ和η的动量方程：
[0056][0057][0058]
其中：u、v为曲线正交坐标系下ξ和η方向的流速分量，f为coriolis参数，f＝2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为纬度；f
ξ
和f
η
分别为ξ和η方向的紊动动量通量，反应雷诺应力；p
ξ
和p
η
为ξ和η方向的水压力梯度；m
ξ
和m
η
为ξ和η方向上动量的源汇项。
[0059]
由于基于浅水方程，模型基于静水压力：二维模型不考虑水体密度ρ0变化。
[0060][0061][0062][0063]
床底阻力采用二次型形式：
[0064][0065]
其中：谢才系数c
2d
可根据谢才公式计算，n为糙率系数，可依据实测资料率定，或根据经验取值，范围可在0.01～0.03之间。
[0066]
应用实例中电厂a(大亚湾电厂)和电厂b(岭澳电厂)毗邻，距离很近(两个电厂的取水明渠直线距离不超过约800m)，考虑到大亚湾潮流涨落潮特征、取水可能影响的海域范围以及致灾生物来源情况，取水海域流场模型构建范围以a电厂和b电厂为重点关注区域，包括整个大亚湾，南至三门岛外围部分区域，大约1000km2的海域。重点模拟区域为核电取水所在的大鹏澳海域。模型采用非结构化网格，网格数量为57851，节点数量为30046个，对靠近核电厂取水重点关注区域的网格进行局部加密，网格尺寸约30-80m，其余模拟区域网格尺寸约为80-1000m。
[0067]
初始条件：采用静流条件起算，即从流速为零的静止流场开始计算。
[0068]
边界条件：岸边界为固定壁面，以不透水设计，即水体与岸边无水流交换；开边界采用潮位边界，潮位由tpxo全球海潮模型给定。
[0069]
取排水条件设计：电厂a和电厂b取水流量分别为：90m3/s、225m3/s。
[0070]
海床糙率系数确定：依据实测资料率定，选取糙率系数n取值0.018-0.025之间。
[0071]
涡黏系数确定：天然海域的水流均为湍流。数学模型需要特定的湍流模型闭合数值方程。湍流求解中一般通过引入广义涡黏系数ν求解湍流，单位m2/s。水平黏性系数取值多数跟一般跟局部流速、水深有关，且应与网格尺度的大小相协调。二维模拟中广义水平黏度νh包含二部分：第一部分为分子黏度νm，在海域模拟中相对而言为极小的值；第二部分为水平湍动黏度，可称其为数值黏度；本实例中水平湍动黏度采用smagorinsky公式(包含局部水深、流速和网格尺度信息)计算，并增加率定的背景值根据多次全潮水文测验结果率定后，水平湍动系数背景值取为1.0m2/s。
[0072]
计算控制潮型确定：根据电厂a、电厂b的海洋生物进入明渠的观测结果，夏季小潮时核电厂明渠内生物量较高，即表明此潮型下取水对海洋生物的影响相对较强，故此，本应用实例中选取夏季小潮为计算控制潮型。
[0073]
步骤2，流场模型结果验证及流场分析：采用实测数据对流场模拟结果进行潮位及流场的验证，以确保计算的潮位过程与实测过程基本一致或整体上计算潮位与实测值符合。
[0074]
流场模型计算的整体流场特性与观测结果应尽量吻合，需进行定点潮位、流速与流向过程验证。通过调整模型糙率、开边界水力参数等方式，达到模拟准确度的要求，以保证流场的相似性。具体包括：潮位，高低潮时间的相位允许偏差为
±
0.5h，最高最低潮位值允许偏差为
±
0.1m；流速，憩流时间和最大流速出现的时间允许偏差为
±
0.5h，流速过程线的形态基本一致，涨、落潮段平均流速允许偏差为
±
10％；流向，往复流时测点主流流向允许偏差为
±
10
°
，平均流向允许偏差为
±
10
°
；旋转流时测点流向允许偏差为
±
15
°
；流场中各固定点模拟计算的潮位、流速、流向与实测过程中固定点的实测潮位、流速、流向应基本
吻合，即构建的取水海域流场模型计算的流场能够反映取水海域本身海流变化的基本特征以及取水工程运行下取水汇流流场分布变化特征，可以此为基础，开展致灾生物对取水安全风险影响的评估。
[0075]
接上述a、b电厂应用实例：
[0076]
应用实例中采用实测资料对模型流场结果进行了验证，潮位验证结果表明，计算的潮位过程与同一时间实测得到的潮位过程进行对比，个别高低潮时刻潮位略有偏差，偏差小于0.1m，总体吻合较好，潮位偏差符合相关规程和规范的要求。夏季小潮定点测量的流速、流向计算值与同一时间实测得到的流速、流向值进行对比，总体基本吻合。验证总体结果表明：夏季小潮期间，模型计算整体流场分布特性与实测结果符合良好，各固定点模拟计算的流速、流向与实测过程也基本吻合，即本应用实例的研究模型计算流场能够反映工程海区海流的基本特征，可据此开展致灾生物对取水安全风险影响的评估。
[0077]
步骤3，构建典型取水致灾生物迁移模型：根据致灾生物的运动方向、运动速度，随昼夜时间在水体中的位置变化，及其运动特征和节律行为提出水致灾生物迁移模型。
[0078]
取水海域中的生物和杂物容易受到取水汇流作用的影响进入取水明渠，进而影响取水安全，从已经出现的取水冷源丧失事件中可以观察到，中国沿海影响取水的主要威胁生物多为毛虾、水母、藻类，以及没有主动游动能力或具有较弱游动能力的生物等。典型取水致灾生物迁移模型的构建，充分考虑致灾生物的运动特征及其在运动迁移过程中体现出的节律行为特征等，包括：致灾生物的运动方向、运动速度，随昼夜时间在水体中的位置变化节律等，根据其运动特征及节律行为提出致灾生物迁移模型，模拟方程如下：
[0079]
(1)致灾生物运动方程：
[0080]
或
[0081]
δs＝(u
live
+u
flow
)
×
δt，
[0082]
其中：δs为致灾生物运动位移；δt为致灾生物运动时间步长；u
live
为致灾生物运动速度矢量，与水流流向相同，通过对致灾生物运动的相关研究或实验可以获得；u
flow
为该时间步长下致灾生物所在位置水流速度矢量；
[0083]
(2)致灾生物节律行为运动方程：
[0084]
生物在水体中的运动，除了表现出随流运动的趋向性特征外，还随着昼夜时间的变化在水深方向上呈现出一定的垂向迁移规律，即生物昼夜节律行为，即致灾生物在水体中的垂向位置是与时间相关的函数，控制方程如下：
[0085]
height＝f(time)
[0086]
其中：height为致灾生物所在位置水深，f(time)为致灾生物在水体中所处的垂向位置随时刻变化的相关关系，该函数关系通过对致灾生物昼夜垂直分布的相关研究或实验获得。
[0087]
应用实例中电厂a和电厂b的取水主要致灾生物为毛虾，根据相关研究及实验结果显示，毛虾体型小，体长约为1～2cm，因游动能力较弱不作长距离洄游，呈现明显的季节性定向的浅、深水之间的移动，随潮流推移游动于近岸区域，游动方向与水流方向一致。大亚湾海域毛虾随昼夜时间在水体中的位置变化表现为白天主要栖息于中下层或近底层，夜晚向底层迁移。毛虾迁移过程由水流流速、毛虾自身游动速度及其随昼夜在水体中垂向迁移
能够到达的位置决定，其中水流流速和流向通过大范围取水流场数学模型获得，毛虾游动速度和垂向迁移可以通过实验或国内外相关研究获得。
[0088]
虾类的游动速度可通过实验测定，相关研究表明，虾的游动速度与其体长密切相关。实验和观测结果表明：虾类游动速度约为其体长的2-3倍，即毛虾相对体长游动速度为2.5
±
0.5bl/s，其中bl(body length)即为虾体长。因此，在案例中，毛虾的游动能力参考游动速度，即u
live
，设定范围为：0-6cm/s。在迁移模拟过程中，每一个时间步长开始时，毛虾个体都将从速度范围中随机获得一个游动速度，进行该时间步长内的迁移运动。毛虾自身游动体现为顺流的行为习性，其迁移方向始终跟随水流方向的变化而改变。
[0089]
毛虾顺水流方向运动，运动位移δs为：
[0090]
δs＝(u
live
+u
flow
)
×
δt，
[0091]
其中：δs为顺流方向上毛虾的位移；u
live
为毛虾游动速度矢量，与水流流向相同；u
flow
为该时间步长下毛虾所在位置水流速度矢量；δt为时间步长。
[0092]
毛虾垂向迁移主要由其自身的昼夜迁移节律决定，根据大亚湾海域毛虾调查研究结果，毛虾大部分时间主要分布在5.2～7.2m的水深位置，夜间(22：50-00：10)出现明显的垂向迁移，主要分布在7.2～8.2m的水深位置。因此，在本应用实例中，毛虾的垂向所处位置时随时间变化的分段阈值，即在迁移模拟过程中，每一个时间步长开始时，判断时间若处于00：10-22：50之间，则毛虾个体从水深5.2～7.2m范围中随机获得一个水深，进行后续的迁移运动；判断时间若处于22：50-00：10之间，则毛虾个体从水深7.2～8.2m范围中随机获得一个水深，进行该时间步长内的迁移运动。
[0093]
毛虾迁移体现在其自身游动和受昼夜节律影响的垂向迁移，其中：
[0094]
受昼夜节律影响的垂向迁移可以表达为：
[0095][0096]
其中：height为毛虾所处水深，time为模拟对应的时刻，f(time)为致灾生物在水体中所处的垂向位置随时刻变化的相关关系。
[0097]
步骤4，典型取水致灾生物迁移模型与取水海域流场模型耦合：取水海域流场模型的输出结果将作为致灾生物迁移模型的输入条件，驱动致灾生物在流场变化下进行迁移运动，水力信息(各点流速、流向、水深)单向传递给致灾生物迁移模型，根据生物的迁移运动规律获取生物运动状态、生物所位置随时间的变化，进而获得致灾生物在取水环境流场作用下的迁移过程。
[0098]
本应用实例中，以毛虾群体中的单个个体为例，说明毛虾个体运动迁移模型与流场模拟结果耦合过程如下，毛虾群体的运动即是单个个体运动的总和：
[0099]
1)本时刻t0，根据毛虾个体所处位置(x0，y0，z0)和取水海域流场模型获得初始时刻毛虾所在位置水流的流速u
flow
＝(u
x
，uy，uz)，其中z0为根据t0时刻在h＝f(t0)的取值，获得毛虾在垂向所处水深z0，此时刻，毛虾个体的游动速度为u
live
为0-6cm/s速度范围中随机产生的一个游动速度，速度的方向与u
flow
方向相同。
[0100]
2)计算时间步长为δt，毛虾顺水流方向运动，每个时间步长下，毛虾的位移变动δs为：
[0101]
将毛虾游动运动的速度矢量分解为沿x轴的速度分量u
live-x
，沿y轴的速度分量ulive-y
，沿z轴的速度分量u
live-z
，同样的，水流速度矢量分解为沿x轴的速度分量u
flow-x
，沿y轴的速度分量u
flow-y
，沿z轴的速度分量u
flow-z
，并以水流速度矢量与y轴正方向的夹角α，与x轴正方向的夹角β，与z轴正方向的夹角γ为该时间步长下毛虾游动运动方向的标记。则δt时间步长内，根据δs＝(u
live
+u
flow
)
×
δt，毛虾个体位置(x0，y0，z0)更新为(x
t
，y
t
，z
t
)，其中：
[0102]
x
t
＝x0+δs
x
＝x0+(u
live-x
+u
flow-x
)
×
δt＝x0+(u
live
+u
flow
)
×
sinα
×
δt+(u
live
+u
flow
)
×
cosβ
×
δt
[0103]yt
＝y0+δsy＝y0+(u
live-y
+u
flow-y
)
×
δt＝y0+(u
live
+u
flow
)
×
cosα
×
δt+(u
live
+u
flow
)
×
sinγ
×
δt
[0104]zt
＝z0+δsz＝z0+(u
live-z
+u
flow-z
)
×
δt＝z0+(u
live
+u
flow
)
×
sinβ
×
δt+(u
live
+u
flow
)
×
cosγ
×
δt
[0105]
并根据t+δt所对应的时刻time，带入height＝f(time)公式，判断z
t
是否满足毛虾昼夜行为节律，即z
t
是否height＝f(time)的合理取值范围，若满足重复过程1)获得该位置处水流的流速u
flow
，进行下一个时间步长该毛虾个体的迁移运动；
[0106]
3)若不满足，则毛虾个体从游动速度范围0-6cm/s中再次随机获得一个游动速度，重复过程2)进行迁移运动；
[0107]
4)若重复过程2)n次，仍无法满足毛虾垂向位置在合理范围内，u
live
＝0，进入下一时间步长。
[0108]
5)重复过程1)～4)，进行下一个毛虾个体的运动迁移，直至毛虾群体迁移结束。
[0109]
毛虾迁移模型与流场模拟结果耦合遵循毛虾在迁移过程中，其在水深方向的分布始终满足生物的昼夜行为节律，并始终顺水流方向迁移。
[0110]
步骤5，取水风险评估：以一个完整的典型潮(即计算控制潮型)作为计算时间总长度，以进入取水明渠口门的致灾生物占初始投放数量的百分比作为评价取水风险的指标，基于取水海域流场变化规律、致灾生物迁移数学模型计算结果，分析得到对应环境水流和取水工程结构下，电厂取水运行时受到取水汇流作用影响进入取水系统的致灾生物占初始投放致灾生物数量的百分比作为评价取水风险，100％为取水风险评估最大值，即初始投放致灾生物全部进入取水明渠，0％为取水风险评估最小值，即初始投放致灾生物均没有进入取水明渠。
[0111]
应用实例中，评估计算结果显示：
[0112]
(1)致灾生物随潮运移，其中大部分致灾生物表现为随潮向外部海域运移，少部分致灾生物随潮进入取排水口前缘水域以及大鹏澳海域。
[0113]
(2)受核电取水口前缘海域流场影响，来自外海的致灾生物呈现自外向内逐渐堆积的分布特征，具体表现为：第1个潮周结束时，致灾生物在电厂b排水明渠南侧附近；第2潮周结束时，致灾生物刚刚开始进入电厂b取水明渠；第4个潮周结束时，致灾生物少量分别进入电厂a和和电厂b取水明渠；第6个潮周结束时，致灾生物大量进入电厂a和电厂b取水明渠。
[0114]
以进入取水明渠口门的致灾生物占初始投放数量的百分比(即取水卷吸百分数)作为评价取水风险的指标，基于取水海域流场变化规律、致灾生物迁移数学模型计算结果表明：各取水口取水卷吸百分数：第4个潮周结束时刻，电厂a取水卷吸百分数特征值为
0.4％，电厂b取水卷吸百分数特征值为2.0％；第6个潮周结束时刻，电厂a取水卷吸百分数特征值为1.9％，电厂b取水卷吸百分数特征值为6.9％；第10个潮周结束时刻，电厂a取水卷吸百分数特征值为4.7％，电厂b取水卷吸百分数特征值为14.0％；第15个潮周结束时刻，即计算控制潮型，夏季典型小潮的最后一个潮周计算结束，电厂a取水卷吸百分数特征值为6.5％，电厂b取水卷吸百分数特征值为19.5％。
[0115]
即电厂a取水风险评估值为6.5，电厂b取水风险评估值为19.5，两个核电厂取水风险差异显著，电厂a取水风险约为电厂b取水风险的3倍，这一结果与目前掌握的a、b电厂的实际取水风险数据基本吻合。
[0116]
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如电厂周边地形环境、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：步骤1，构建包括电厂取水工程在内的取水海域流场模型：获取取水海域地形、潮流条件、岸线特征，以及电厂取水工程的设计尺寸、取水流速、取水水深，建立取水海域流场数学模型，确定模拟范围，划分计算网格，确定流场模拟的边界条件、初始条件并选择合适的计算参数，如海床糙率系数、涡黏系数，选择计算控制潮型，模拟包含核电取水工程，以及取水可能影响海域在内的海域流场模拟，流场模型以水深积分形式的浅水方程为基础，模型采用基于boussinesq和垂向静水压力假定并采用曲线坐标，垂向上使用σ垂向坐标系统：其中：d为参考平面以下的水深值，h为全水深，z为物理空间垂向坐标，ζ为自由水面高程，在海床底部σ＝-1，在自由水面σ＝0；模型控制方程包括连续方程、动量方程及密度状态方程，并通过湍流理论使方程闭合，具体控制方程如下：水深平均的连续方程：其中，ζ为自由水面高程；t为时间；ξ和η为曲线坐标系下水平方向的坐标；g
ξξ
、g
ηη
为曲线坐标系转换为直角坐标系的转换系数；u、v分别为ξ和η方向的水深平均流速；q表示源汇项；模型在水平方向ξ和η的动量方程：模型在水平方向ξ和η的动量方程：其中：u、v为曲线正交坐标系下ξ和η方向的流速分量，f为coriolis参数，f＝2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为纬度；f
ξ
和f
η
分别为ξ和η方向的紊动动量通量，反应雷诺应力；p
ξ
和p
η
为ξ和η方向的水压力梯度；m
ξ
和m
η
为ξ和η方向上动量的源汇项；由于基于浅水方程，模型基于静水压力：二维模型不考虑水体密度ρ0变化；变化；变化；床底阻力采用二次型形式：
其中谢才系数c
2d
，可根据谢才公式计算，n为糙率系数；步骤2，流场模型结果验证及流场分析：采用实测数据对流场模拟结果进行潮位及流场的验证，以确保计算的潮位过程与实测过程基本一致或整体上计算潮位与实测值符合；步骤3，构建典型取水致灾生物迁移模型：根据致灾生物的运动方向、运动速度，随昼夜时间在水体中的位置变化，及其运动特征和节律行为提出致灾生物迁移模型；模拟方程如下：(1)致灾生物运动方程：或δs＝(u
live
+u
flow
)
×
δt，其中：δs为致灾生物运动位移；δt为致灾生物运动时间步长；u
live
为致灾生物游动速度矢量；u
flow
为该时间步长下致灾生物所在位置水流速度矢量；(2)致灾生物节律行为运动方程：height＝f(time)其中：height为致灾生物所在位置水深，f(time)为致灾生物在水体中所处的垂向位置随时刻变化的相关关系，该函数关系通过对致灾生物昼夜垂直分布的相关研究或实验获得；步骤4，典型取水致灾生物迁移模型与取水海域流场模型耦合：取水海域流场模型的输出结果将作为致灾生物迁移模型的输入条件，驱动致灾生物在流场变化下进行迁移运动，水力信息单向传递给致灾生物迁移模型，根据生物的迁移运动规律获取生物运动状态、生物所处位置随时间的变化，进而获得致灾生物在取水环境流场作用下的迁移过程；步骤5，取水风险评估：以一个完整的典型潮作为计算时间总长度，以进入取水明渠口门的致灾生物占初始投放数量的百分比作为评价取水风险的指标，基于取水海域流场变化规律、致灾生物迁移模型计算结果，分析得到对应环境水流和取水工程结构下，取水运行时受到取水汇流作用影响进入取水系统的致灾生物占初始投放致灾生物数量的百分比作为评价取水风险，100％为取水风险评估最大值，0％为取水风险评估最小值。

技术总结
本发明涉及一种考虑致灾生物运动特征及节律行为的取水风险评估方法，包括：构建包括电厂取水工程在内的取水海域流场模型；流场模型结果验证及流场分析；构建典型取水致灾生物迁移模型；典型取水致灾生物迁移模型与取水海域流场模型耦合；取水风险评估。本发明针对核电取水风险评估方法无法反应各电厂取水设计、海域特点以及各致灾生物差异性的局限性，提出一种利用流场模型和生物迁移模型耦合的方式，充分考虑致灾生物运动特征、节律行为、取水工程设计特征及取水流场变化的取水风险评估方法，使得取水风险评估的结果能够更客观、准确的反应实际的各电厂取水差异性情况，为核电厂取水风险提供科学有效的评估结果，为保障核电安全提供技术支持。安全提供技术支持。安全提供技术支持。


技术研发人员：韩瑞 赵懿珺 梁洪华 段亚飞 纪平 曾利
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25