第36卷第2期2021年4月
Vol.36No.2
Apr.2021大连海洋大学学报
JOURNAL OF DALIAN OCEAN UNIVERSITY
DOI：10.16535/jki.dlhyxb.2020-087文章编号：2095-1388(2021)02-0325-09基于声学技术的红沿河核电站附近 付媛媛打汤勇1*，王珊1，孟威2，王帅1，刘笑麟2
(1.大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁大连116023； 2.苏州热工研究院有限公司，江苏苏州215004)
摘要：大量水母涌入核电站取水口会对核电冷源取水安全造成严重威胁，为把握夏季红沿河核电站附近海
域水母的密度和基本运动规律，分别于2017年7、8、9月在红沿河核电站附近海域使用同时搭载科学探鱼
仪(120、200kHz)和多普勒流速剖面仪(ADCP)的调查船，沿垂直等深线方向进行25h、10n mile长 垂直断面往复走航水母资源声学调查和潮流观测，并在次日昼间使用多锚张网进行水母样本采集；利用频 差处理技术分离海月水母Aurelia aurita沙蛰Nemopilema nomurai及浮游动物的叠加声学散射信号，使用回
波积分法推定沙蛰和海月水母密度，并结合潮流数据计算水母通过调查断面的通量。结果表明：2017年7、
8、9月份潮流流速最大值分别为0.80、0.70、0.65m/s，流速随涨潮和落潮周期逐渐增大和减小；海月水
母的平均密度高于沙蛰，二者7月分别为9.79、2.30ind./m2,8月分别为11.05、1.51ind./m2,9月分别
为0.82、0.32ind./m2；海月水母在7、8、9月份涨潮时平均通量分别为5.85、3.53、0.40ind./(s•m2),
落潮时平均通量分别为-2.84、-6.07、-0.36ind./(s-m2)，沙蜇在7、8、9月份涨潮时平均通量分别为
1.45、0.44、0.17ind./(s-m2)，落潮时平均通量分别为-0.86、-0.76、-0.13ind./(s-m2)o研究表
明：水母通量与涨落潮流速变化具有相关性，能够较好地反映水母的移动趋势，并可作为核电站冷源生物
监测预警的重要指标；水母在取水口外侧海域具有随机分布的特性，适合声学浮标监测。
关键词：水母；沙蛰；目标强度；频差处理；资源通量
中图分类号：S931.8文献标志码：A
水母在海洋浮游生物落中占有十分重要的地位，其具有数量大、种类多、分布范围广的特征，通常以大中型浮游动物，尤其是桡足类为食［l］o 水母在季节、年际和年代间波动较大，其资源丰度与海洋环境因素有关［2］O近年来，夏季水母在中国东海、黄海、渤海等多个海域暴发，对滨海核电站的冷源取水安全造成重大威胁［3］O红沿河核电站地处渤海湾中部的东侧沿岸，夏季核电站附近海域的海月水母和沙蛰暴发，严重威胁核电站取水口的安全，因此，水母资源量变动及其空间分布信息是核电站制定冷源生物防御方案的重要依据之一。
近年来，国内外学者在各类水母暴发成因、生活习性、分布规律及形态学［4-|2］等领域进行了较多研究。但在水母资源量调查和评估方面，受水母现地自然繁殖时期的变动性及随潮流漂浮流入流出等特征影响，传统的站位网具采样方法较难满足统计采样条件，且水母调查一般使用多锚张网，其自身具有选择性较强、网口形状随潮流变化等不足，较难保证水母资源量评估的准确度。提前放电避雷针
现代渔业资源声学评估技术快速发展，声学技术在国外已经被广泛用于水母资源量评估。该技术主要通过测量水母的声学散射特征，以确定水母的散射强度与资源密度的关系。在此基础上使用科学探鱼仪对调查海域进行声学垂直断面的走航调查，测量水母的体积散射强度，并结合水母目标强度(target strength,TS)评估水母资源密度。目前，国外已开展了针对水母目标强度及声学散射特征等声学研究，包括沙蜇Nemopilema nomuraVf海月水母Aurelia aurita［l5］、白霞水母Cyanea noza-kii［l3］、咖啡金黄水母Chrysaora melanaster^l6］等主要种类，2019年Yoon等［|7］利用频差(38、120kHz)方法对水母进行了分类、资源评估等。而
收稿日期：2020-04-15
基金项目：科技部重点研发项目(2017YFC1404406)
作者简介：付媛媛(1996—)，女，硕士研究生。E-mail：*****************通信作者：汤勇(1965—)，男，博士，教授。E-mail:tang@dlou.edu
326大连海洋大学学报第36卷
国内尚未开展针对水母资源的声学调查评估研究工作。
由于水母的运动特征是以漂浮为主，红沿河核电站附近海域的潮流又主要受南北方向往复运动潮汐的影响。因此，本研究中在红沿河核电站附近海域水母较为集中的区域选取断面进行调查，并通过涨落潮周期内水母通量的变化情况，分析水母运动特征与潮流的关系，以期为该海域水母资源量的声学调查及设置有效声学监测站位等提供科学依据。
1材料与方法
1.1调查船及调查区域
根据红沿河核电站周边海域的水母采样调查结果，选择水母较为集中的区域进行声学调查。2017年7月10日选择位于红沿河核电站(图1中星标)南部的长兴岛附近海域(图1中CD断面),2017年8月10日、9月12日选择核电站西侧附近海域(图1中AB断面)进行调查。调查航线为固定区域两点间连续25h垂直断面的往复走航观测。使用分裂波束科学探鱼仪(挪威，Simrad,EY60型, 120、200kHz)及ADCP(TRDI,WHS-300型)分别进行水母的声学资源调查和潮流观测。
图1红沿河核电站及声学调查航线
Fig.1Location of Hongyanhe Nuclear Power Plant and acoustic survey route
调查船为长25m、宽4.3m、功率178.9kW 的海蜇捕捞船，调查航速为4-5kn。科学探鱼仪的换能器垂直向下固定于船体中部左舷外侧水下0.8m处。设置脉冲宽度为0.256ms，收发周期为0.1ms。科学探鱼仪系统经过标准球校正后，换能器波束角在船的前后和左右方向分别为6.43°和6.38°，等效波束角为-20.6dBo
由于25h声学断面调查不能停船，于第2天日间在该航线使用当地海蜇捕捞用的多锚张网进行水母采样，网目为20cm。
1.2方法
1.2.1水母的频差处理科学探鱼仪的声学数据频差处理技术是针对混栖海洋生物声学回波信号处理的一种技术，其基本原理是混栖生物中不同种类散射物体具有不同的目标强度频率响应，而该频率响应与实际使用不同频率科学探鱼仪测量的反向体积散射强度(volume backscattering strength，简称SV)呈线性关系，具有相同的频率响应差值，即△M VBS=SV m200kHz-SV m⑶kHz=TS^。诳一
TS120kHz o(1)其中：MVBS为平均反向体积散射强度(mean volume backscattering strength),AMVBS为平均反向体积散射强度差；SV m i20k Hz和SV m”分别为⑵、200kHz频率下同一
散射体积内目标生物反向体积散射强度实际测量值的平均值；TS i2°kHz和TS200k Hz 分别为120、200kHz频率下散射生物目标强度的频率响应。鱼类一般可以使用不同频率下以体长(cm)平方为基准的TS作为频率响应值，水母一般使用以伞盖(cm)面积为基准的TS(RTS)作为频率响应值(D为伞径，面积为n(D/2))。在已知工作频率和采样生物规格(体长或伞径)范围的基础上，通过计算来设置不同生物的频差范围(4MVBS)，从而进行SV信号的差值处理，分离出不同种类海洋生物的SV回波。
本研究中根据以往水母RTS频率响应的研究结果［13-16］，分别确定沙蜇和海月水母的频率差(AMVBS)，其中沙蛰使用Kang等［14］的公式计算：RTS(D air/入)=-6.1lg(D air/Q-36.2
(r=0.51)o(2)结合采样沙蛰规格，确定沙蛰RTS为-3-1dBo 海月水母依据Derobertis等［16］总结的不同种类水母RTS的研究结果，将相同伞径海月水母在120、200kHz两种频率对应的RTS做差，从而确定频差范围为0-3dBo
一般小型桡足类浮游动物的4MVBS根据以往散射模型研究结果［18］，设置为3-20dBo相同规格有鳏鱼类在120、200kHz间的频率差为-1-0dB左右，在沙蛰的检测范围内。但考虑到鱼类采样样品极少，因此，本研究中不进行有鳏鱼类回波信号的频差筛选。
科学探鱼仪在120、200kHz工作频率下，3次调查航行测量的噪声级平均在-126--124dB，在进行频差处理前先进行最低阈值的噪声处理
。
第2期付媛媛，等：基于声学技术的红沿河核电站附近海域夏季水母通量测量327
由于不同频率换能器的物理排列导致采样空间在近距离具有一定差异，因此，在实际处理时需要对SV信号进行一定范围的平均处理，以保证不同频率的声波具有相同的声学采样对象。MVBS数据的重新采样间隔范围根据网具采样结果设定。较大沙蛰的伞径超过60cm，间隔范围设置为8Ping (2m)X1m。
1.2.2声学数据后处理使用Echoview&0声学数据处理软件对调查的120、200kHz声学数据进行处理，主要包括有效声学测量区域的数据预处理(噪声、无回波和海面气泡回波的消除、海底线重新绘制等)、水母单体目标检测、SV数据的频差处理和不同类型水母的回波积分。根据单体目标检测结果来确定目标强度的频数分布并获得水母的平均TS值，在此基础上参考Mutlu等［15］、Hirose等［13］及Kang等［14］的TS与伞径关系式，分别计算推定海月水母和沙蛰的平均伞径。
对经过频差处理的海月水母和沙蛰的SV数据进行回波积分处理。在进行AB断面远近岸水母资源量分布的分析时，积分单元设置为调查航线长度的一半，约5n mile；在测量调查断面的密度和通量时，选用整条航线长度作为积分单元，约10n mile。在获得各个积分单元的声学积分值(nautical area scattering coefficient,NASC，单位m2/n mile2)和面积散射强度(area backscattering strength，SA，单位m2/m2)的基础上，结合平均目标强度分别计算单位海面下海月水母和沙蛰的平均密度(p”,，ind./m2)，其计算公式为
Pm=SA m/S”m。(3)其中：m为平均值；5”为反向散射截面(m2)，与TS的关系为TS=10lgs”。
1.2.3水母的通量计算由于声学调查的断面基本垂直于潮流的运动方向，水母通过调查断面通量(F m,ind./(s•m2))的计算公式为
F m=v I sin^。(4)其中：m为平均值；p v为单位水体密度(ind./m3); v为流经调查断面潮流流速的水平分量(m/s);0为潮流水平流向与断面的夹角(°)，以航线近岸端方向，即图1由B至A方向为0°基准。
2结果与分析
2.1水母的网具采样
2017年7、8、9月份水母的网具采样数量及平均伞径如表1所示。其中，7月份采集的海月水母均有破损，伞径为估测值。
表12017年7、8、9月水母的网具采样数量及平均伞径Tab.1Sampling numbers collected by nets and average test of jellyfish in July,August,September2017
采样日期
sampling
date
海月水母Aurelia aurita沙蜇NemopHema nomurai
数量/ind.
number
平均伞径/cm
average test
数量/ind.
number
平均伞径/cm
远红外纺织品检测average test 2017-07-10202015357.9±3.4 2017-08-1013018.1±1.5875.5±3.3 2017-09-12320668.3±3.8 2.2潮流
2017年7、8、9月潮流的测量结果均为标准半日潮，潮流为东北-西南向的沿岸流。其中7、8、9月份潮流流速最大值分别为0.80、0.70、0.65m/so以正北方向为0°基准，涨潮时潮流方向约为60°(东北方向)，落潮时潮流方向约为240°(西南方向)，潮流正压性较强，表底变化一致。2.3目标强度频数分布
从图2可见，7月份水母TS频数分布呈现双峰特性，平均值分别为-64.6、-56.8dB，对应伞径为4.80cm的海月水母和31.26cm的沙蜇；8月份水母TS频数分布呈现双峰特性，较小峰的TS平均值为-65.6dB，是伞径为4.11cm的海月水母，较大峰的TS值为-45dB，根据数量及强度值推定为体长10cm左右的小型有鳔鱼类；9月份水母TS 频数分布呈现双峰特性，平均值分别为-61、-56.9dB，对应伞径为&43cm的海月水母和30.90cm的沙蜇。
2.4回波信号的频差处理
使用Echoview软件进行数据频差处理后结果如图3所示。其中，图3(a)、(b)分别为2017年9月在AB断面中部20：30时120、200kHz的SV回波映像图，显示出大量较弱的水母单体目标回波，部分单体目标的回波强度在120kHz频率下的响应明显高于200kHz；经过200、120kHz的MVBS差分处理后，分离出的海月水母和沙蛰MVBS回波映像图分别见图3(c)、(d)，海月水母的MVBS较沙蛰较低；图3(e)为分离出的一般浮游动物等的MVBS回波映像图。
2.5水母平均密度
图4为2017年7月在CD调查断面与8、9月在AB 调查断面测量的海月水母和沙蛰每小时的平
328大连海洋大学学报第36卷
图22017年7、8、9月调查水母现场目标强度的频数分布
Fig・2Frequency distribution of target strength(in situ)of jellyfish in July,August,and September2017
均密度，以及潮流流速随25h调查时间的同步变
化规律，坐标右轴的流速正负代表潮流的方向，其
中，正值为涨潮的东北向流，负值为落潮的西南向
流。7月份海月水母和沙蛰的平均密度分别为
9.79、2.30ind./m2,8月份海月水母和沙蛰的平
均密度分别为11.05、1.51ind./m2,9月份海月水
母和沙蛰的平均密度分别为0.82、0.32ind./m2。
除了7月份21:00〜5:00间海月水母的密度与沙
蛰基本相等以外，其他时间海月水母的密度均高于
沙蛰的密度，7月份高出4〜10倍，8月份高出7〜
10倍，9月份高出2〜3倍。根据时间同步的潮流
数据可知，伴随着涨落潮周期潮流流速的逐渐增大
和减小，海月水母和沙蜇的平均密度与流速均呈现
出一定的相关性。将7、8、9月看作一个整体，海
月水母和沙蜇的平均密度与潮流流速大小的相关系
数分别为0.1724、0.2925，其中，海月水母的平
均密度与流速大小在9月份相关性最强(R=
0.5081)，沙蜇的平均密度与流速大小在7月份相
关性最强(R=0.4666)o表2列出了7、8、9月
份海月水母和沙蜇在日间及夜间的平均密度，通过
对比两者在日间及夜间的平均密度，可以看出，海
月水母和沙蜇在夜间的平均密度明显高于日间。
表22017年7、8、9月海月水母和沙蜇在日间及夜间的
平均密度
Tab.2Average density of jellyfish Aurelia aurita and
Nemopilema nomurai during day time and night
time in July,August,and September2017
ind./m2
月份month
海月水母Aurelia aurita沙蜇Nemopilema nomurai
日间day time夜间night time日间day time夜间night time
77.71±5.6511.82±7.060.92±0.35 3.98±1.66
8 5.52±6.4617.74±7.550.86±0.88 2.30±0.63
90.65±0.44 1.06±0.490.28±0.220.37±0.14 2.6水母平均通量
2017年7、8、9月份调查断面海月水母和沙蛰的平均通量如图5所示，通量的正负代表潮流的方向，正、负值分别表示涨潮周期的东北方向和落潮周期的西南方向。海月水母的平均通量高于沙蜇，由于该海域潮流的流速、流向具有典型半日潮的周期变化特征，平均通量也体现出相同的周期性变化特征。
7月份涨潮周期海月水母通量的最大值出现在22：00、10：00和第2天的21：00，分别为7.75、11.03、17.62ind./(s・m2)，落潮周期海月水母通量的最大值出现在4：00〜5：00、17：00，分别为-4.055、-6.81ind./(s-m2)；涨潮周期沙蛰通量的最大值出现在23：00、10：00和第二天的21：00，分别为4.48、0.50、1.34ind./(s-m2)，落潮周期沙蛰通量的最大值出现在4：00和16:00，分别为一2.25、一0.77ind./(s•m2)。
8月份涨潮周期海月水母通量的最大值出现在14：00和第2天的3：00~4：00，分别为3.26、13.03ind./(s・m2)，落潮周期海月水母通量的最大值出现在22：00和第2天的9：00，分别为-16.33、-12.24ind./(s・m2)；涨潮周期沙蛰通量的最大值出现在14：00和第二天的3：00—4：00，分别为0.64、1.43ind./(s-m2)，落潮周期沙蛰通量的最大值出现在20：00和第2天的9：00，分别为—1.76、—1.70ind./(s・m2)。
9月份涨潮周期海月水母通量的最大值出现在17：00和第2天的5：00，分别为0.94、1.04ind./(s・m2)，落潮周期海月水母通量的最大值出现在11：00、22：00—23:00，分别为-0.64、-0.85ind./(s•m2)；涨潮周期沙蛰通量的最大值出现在17：00和第二天的4：00，分别为0.35、0.32ind./(s-m2)，落潮周期沙蛰通量的最大值出现在1：00和22：00〜23：00，分别为-0.39、-0.26ind./(s•m2)。
表3列出了7、8、9月份25h2次涨落潮周期内海月水母和沙蛰的平均通量，gprs水表
以及涨落潮周期内
第2期付媛媛，等：基于声学技术的红沿河核电站附近海域夏季水母通量测量
329
楼宇对讲门禁系统
通量绝对值的比。结果显示：7月份调查的CD 断 面涨潮周期的通量高于落潮周期的通量，说明水母
具有由南至北的流动特征，且海月水母相对沙蛰随
涨潮周期的流动性更强；8月份调查的AB 断面涨 潮周期的通量低于落潮周期的通量， 这说明水母具
有由北至南的流动特征；9月份调查的AB 断面涨
dB
200 kHz
51.31
,0.0m
dB
(b ) 200 kHz 频率下 SV 回波映像图 SV echogram at 200 kHz
200 kfiz
dB
10.0
J.Om
[51,2nmi]—
10.0
20.0
江2rmi]
10.0
循环流化床锅炉脱硫20.0
(e )浮游动物等的MVBS 回波映像图MVBS echogram of zooplankton
:
49- I
高钛渣
646770-
52555861646770-
34374043464952555861646770-
:49」
I
6467-70
」
(d )沙蛰的 MVBS 回波映像图 MVBS echogram of jeWyfish Nemopilema nomurai
200 kHz ___________________ _______________________________________________
(c )海月水母的 MVBS 回波映像图 MVBS echogram of jellyfish 如厂aurita
200 kHz ___________________ _______________________________________________
a ) 120 kHz 频率下 SV 回波映像图 SV echogram at 120 kHz
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-34-
-37-■-40--43-F -46-■-49」■-52-■-55-■-58-■-61-f
-64--67-■-70-
■
□ fl X
dB
-34--37-■-40--43--46-■-49-■
图3频差处理后的MVBS 回波映像图
Fig ・ 3 MVBS echogram of frequency difference processing
豫公网安备41160202000603
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