濱海核電站冷源取水口致災(zāi)海洋生物聲學(xué)監(jiān)測研究進展
?濱海核電站冷源取水口海洋生物聚集，容易導(dǎo)致濱海核電站緊急停堆事件發(fā)生。近年來，我國多個濱海核電站已發(fā)生海洋生物聚集事件，亟需海洋生物資源監(jiān)測評估能力，及時預(yù)警核電冷源風(fēng)險，保障濱海核電站安全運營。聲學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海洋生物監(jiān)測，是濱海核電站冷源取水口致災(zāi)海洋生物監(jiān)測預(yù)警的有效手段。
?針對濱海核電站冷源取水口海洋生物監(jiān)測預(yù)警需求，在監(jiān)測設(shè)備方面，研究人員在前期寬帶海洋生物監(jiān)測聲吶基礎(chǔ)上，研制了多款分裂波束海洋生物監(jiān)測聲吶。在理論方法方面，結(jié)合水聲傳播理論，建立了多種海洋生物聲學(xué)目標(biāo)強度模型，獲取海洋生物自身聲學(xué)特性、數(shù)量、分布以及聲學(xué)信號形式對目標(biāo)回波影響；開展了海洋生物分類識別及資源量評估算法研究，實現(xiàn)對特定海域內(nèi)常見海洋生物的分類資源量統(tǒng)計。
寬帶海洋生物監(jiān)測聲吶，七個中心工作頻率，覆蓋30kHz-1MHz，可自由頻率搭配工作，最大發(fā)射聲源級≥215dB，有定點和走航多種型號。在多頻寬帶海洋生物監(jiān)測聲吶基礎(chǔ)上，為了滿足多種場景海洋生物聲學(xué)監(jiān)測評估需求，研制了分裂波束海洋生物監(jiān)測聲吶。分裂波束海洋生物監(jiān)測聲吶可獲取更多目標(biāo)的聲散射回波信息。分裂波束海洋生物監(jiān)測聲吶利用四象限換能器連續(xù)不斷的發(fā)射和接收聲信號，調(diào)查人員通過分裂波束技術(shù)測得目標(biāo)位置，運用目標(biāo)跟蹤技術(shù)對目標(biāo)運動軌跡、游動速度及方向等參數(shù)進行測算，分析回聲信號強度和結(jié)構(gòu)估算出目標(biāo)強度、目標(biāo)數(shù)量及分布狀況。分裂波束海洋生物監(jiān)測聲吶有120kHz、200kHz、450kHz等多種中心工作頻率。
????通過將海洋生物體簡化為沿中心軸線的多個連續(xù)圓柱體微元，建立了毛蝦類、水母類、小型魚類等單體生物聲學(xué)目標(biāo)強度模型，獲取入射頻率、入射角、體長、體形、物種屬性等對海洋生物聲學(xué)目標(biāo)強度的影響；基于海洋生物群落分布特點，建立了海洋生物群落聲學(xué)散射回波模型；獲取了海洋生物自身聲學(xué)特性、數(shù)量、不同分布及聲學(xué)信號對海洋生物聲學(xué)目標(biāo)回波影響。理論建模分析如圖2、圖3、圖4所示。
針對典型致災(zāi)海洋生物特點，綜合運用回波積分法和回波統(tǒng)計法，改進了核電冷源致災(zāi)海洋生物資源量聲學(xué)評估方法?；夭ńy(tǒng)計法利用回波信號的一階矩和二階矩統(tǒng)計特性估計海洋生物密度，它主要優(yōu)點是只需利用回波信號的相對聲學(xué)量，并且無需海洋生物的目標(biāo)強度作為先驗信息，適用于定點監(jiān)測?；夭ǚe分法利用海洋生物回波信號的絕對聲學(xué)量和單體的目標(biāo)強度；通過海洋生物后向散射能量與海洋生物數(shù)量之間的線性關(guān)系實現(xiàn)海洋生物密度估計，適用于走航監(jiān)測。研究人員基于海洋生物聲學(xué)信號處理算法，研發(fā)了濱海核電冷源致災(zāi)生物監(jiān)測與活動規(guī)律分析軟件，軟件具有原始數(shù)據(jù)目標(biāo)強度校準(zhǔn)、自動識別并降低背景及間歇性噪聲、目標(biāo)特征提取識別分類及跟蹤、量化分析海洋生物資源時空變化等功能。評估算法及軟件如圖5、圖6所示。
濱海核電站冷源取水口海洋生物聲學(xué)定點監(jiān)測方案中，海洋生物監(jiān)測聲吶安裝在浮標(biāo)底部，共3個通道，1個450kHz換能器垂直向下探測，1個200kHz換能器和1個450kHz換能器水平探測，每個通道都會輸出海洋生物資源量結(jié)果。一個核電站取水口通常布放多套設(shè)備。聲學(xué)定點監(jiān)測結(jié)果主要輸出：時空資源密度分布、海洋生物分類、回波信息、聲圖等。海洋生物監(jiān)測聲吶目前已在多個核電站24小時連續(xù)運行，最長時間已達2年以上。設(shè)備布放如圖7、圖8所示；監(jiān)測圖像如圖9、圖10所示。1天24小時資源量變化如圖11所示，2:00-4:00通過的生物群平均通過時間最長，為94.72秒。8:00-10:00通過的生物群數(shù)最多，為105個。說明凌晨通過換能器的生物群較集中，上午通過換能器的生物群個數(shù)較多，但每個群包含目標(biāo)數(shù)量較少。
為了準(zhǔn)確獲取毛蝦、水母、小型魚類聲學(xué)特征，研究人員開展了海洋生物現(xiàn)場樣本采集，并利用采集樣本開展了水槽實驗及現(xiàn)場實驗。現(xiàn)場采集海洋生物樣本如圖12，水槽實驗及現(xiàn)場實驗如圖13所示。在測試前，用直徑22mm的鎢鋼球?qū)Ｑ笊锉O(jiān)測聲吶進行了現(xiàn)場校正。??????
????為了準(zhǔn)確掌握核電站取水口附近海域致災(zāi)海洋生物分布，研究人員以漁船和無人船為調(diào)查平臺，采用雙頻海洋生物監(jiān)測聲吶開展了多次走航調(diào)查。調(diào)查設(shè)備和無人船如圖14所示。走航過程中聲吶探測到了大量目標(biāo)，波形、聲圖變化明顯。調(diào)查結(jié)果顯示，調(diào)查海域夜間資源量大于日間資源量，生物類型主要為體型較小、回波較弱的生物，調(diào)查結(jié)果與拖網(wǎng)數(shù)據(jù)吻合。部分數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖15、圖16所示。
????在十余年漁業(yè)資源聲學(xué)監(jiān)測評估研究基礎(chǔ)上，通過對毛蝦等致災(zāi)海洋生物的聲學(xué)特性研究，實現(xiàn)了核電冷源致災(zāi)海洋生物的定點、走航監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)浮游生物的爆發(fā)、遷移和入侵。研究人員建立的濱海核電站冷源取水口致災(zāi)海洋生物聲學(xué)評估方法，提升了濱海核電站冷源致災(zāi)生物監(jiān)測預(yù)警水平，為相關(guān)部門和企業(yè)提供了實時監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。
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