秋季紅沿河核電站海域水齡分布及其對水母豐度分布的影響

邱敏志，蘇薇，姚慶禎，王彥濤，張廣躍，許博超，張曉潔*

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3. 中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100；4. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；5. 天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072)

1 引言

自然界中存在4種天然鐳同位素，分別是223Ra、224Ra、226Ra和228Ra，其半衰期分別為 11.4 d、3.66 d、1 600 a和5.75 a。鐳同位素特殊的地球化學(xué)行為和同位素間各異的半衰期特性給研究不同時(shí)間尺度的海洋學(xué)過程提供了良好的示蹤工具[1]。223Ra和224Ra的半衰期較短，是量化幾天到幾周時(shí)間尺度上近海水體運(yùn)移過程的理想同位素，近些年來越來越多地受到濱岸海洋工作者的青睞[2-6]。222Rn（半衰期為3.83 d）是226Ra經(jīng)α衰變產(chǎn)生的放射性氣體，在水氣交換和地下水排放等示蹤研究中有著重要的作用[7-8]。

在全球氣候變化和人類活動的雙重影響下，海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能正發(fā)生著顯著的變化。近年來，海洋生態(tài)災(zāi)害發(fā)生的頻率與種類不斷增加，除赤潮、綠潮等生態(tài)災(zāi)害之外，水母暴發(fā)也已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的一種新型海洋生態(tài)災(zāi)害[9]。大型水母災(zāi)害性暴發(fā)導(dǎo)致了近海漁業(yè)資源減少，影響沿海工業(yè)（例如堵塞核電站循環(huán)水系統(tǒng)等）發(fā)展，危害濱海旅游業(yè)（例如蟄死、蟄傷游客）等。水母災(zāi)害的頻發(fā)已經(jīng)嚴(yán)重威脅了海洋生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，也為我國近海生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況敲響了警鐘[10-12]。

水母體本身游動能力較弱，大多隨海流的運(yùn)動方向遷移[13]，因此水體主體流向?qū)λ高w移路線的影響非常重要。截至目前，國內(nèi)外諸多科學(xué)家大多采用數(shù)值模擬的方法對水母漂移路徑進(jìn)行溯源追蹤，以分析影響水母漂移和聚集的因素。Yin等[14]利用數(shù)值模型研究發(fā)現(xiàn)海流運(yùn)動是控制水母運(yùn)移的主要因素。羅曉凡等[15]利用普林斯頓海洋模型（POM）指出潮汐是水母漂移路徑研究中不可忽略的因素，因此對考慮潮汐運(yùn)動過程的海洋模式進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)追蹤，進(jìn)而得出水母漂移路徑的結(jié)論將更為可靠。Johnson等[16-17]利用環(huán)流模型對墨西哥灣內(nèi)的五卷須金黃刺水母的路徑進(jìn)行追蹤，發(fā)現(xiàn)灣內(nèi)環(huán)流的季節(jié)變化對水母的豐度和分布產(chǎn)生了重要的影響。

紅沿河核電站位于遼寧瓦房店市紅沿河鎮(zhèn)，是國家“十一五”期間首個(gè)批準(zhǔn)建設(shè)的、具有4臺百萬千瓦級核電機(jī)組的核電項(xiàng)目[18]。2013年，紅沿河核電站鄰近海域發(fā)生水母暴發(fā)災(zāi)害現(xiàn)象，冷卻水取水口出現(xiàn)大量水母聚集，嚴(yán)重影響了核電站的正常運(yùn)營[9]。為理解該海域水母分布與水動力的關(guān)系，本文擬采用鐳同位素表觀年齡模型量化紅沿河核電站海域表層水體年齡，繼而分析研究區(qū)域內(nèi)水體的主體流向，進(jìn)一步結(jié)合水母豐度的分布結(jié)果，探索利用鐳同位素示蹤技術(shù)追溯水母漂移路徑的可行性，以期能為典型區(qū)域水母災(zāi)害發(fā)生發(fā)展機(jī)制研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 樣品采集及分析

2.1 樣品采集

2017年9月10日 至20日，搭載“遼盤漁”號于大連市瓦房店區(qū)紅沿河核電站附近海域開展調(diào)查取樣，共設(shè)24個(gè)采樣站位（圖1）。遼寧紅沿河核電廠位于遼東半島中南部西側(cè)海岸，地處抗沖蝕性的堅(jiān)硬基巖之上。核電站以北沿岸多為沖蝕陡坡，小部分為沙灘；核電站以南多為岸邊海蝕崖和海蝕柱[19]。

2.2 樣品測試

鐳同位素：用潛水泵采集表層海水80 L，以小于2 L/min的流速通過約20 g錳纖維以富集水體中的鐳同位素。回到實(shí)驗(yàn)室后，用無鐳水清洗錳纖維上附著的顆粒物及鹽分，并將水分與錳纖維干質(zhì)量比例調(diào)至1∶1（即樣品總質(zhì)量為40 g）。以鐳同步延時(shí)計(jì)數(shù)器（Radium Delayed Coincidence Counter，RaDeCC）測定224Ra和226Ra的活度，測定誤差小于±10%。具體測定方法及注意事項(xiàng)詳見文獻(xiàn)[1，20]。

氡同位素：用吸水泵吸取水面以下0.5 m處水體，用RAD7-AQUA技術(shù)測定水體中氡同位素[21]。通過對水體溫度和鹽度的校正，將儀器測定的氣體中的氡同位素活度轉(zhuǎn)化為水體中氡的活度[22]。測定不確定度由儀器統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的偏差（±1σ）確定。

水母豐度：利用水母網(wǎng)錨流網(wǎng)法采集水母，現(xiàn)場記錄各個(gè)站位水母種類、個(gè)數(shù)等數(shù)據(jù)。

其他：采用多參數(shù)水質(zhì)儀（RBR，XR-620）現(xiàn)場測定水體的溫度和鹽度。

2.3 鐳同位素表觀年齡模型

本研究采用鐳同位素表觀年齡模型來計(jì)算水體年齡。表觀年齡指的是鐳同位素離開鐳源進(jìn)入水體后，在隨水體運(yùn)移過程中所經(jīng)歷的時(shí)間[23]，計(jì)算公式如下：

圖1 2017年9月紅沿河核電站附近海域采樣站位分布Fig. 1 The station map of the sea area near the Hongyanhe Nuclear Power Plant in September 2017

式中，t為水體表觀年齡，單位為 d。（Rashort/Ralong）obs代表觀測點(diǎn)處水體中短半衰期鐳同位素濃度與長半衰期鐳同位素濃度的比值。（Rashort/Ralong）i代表鐳源處短半衰期鐳同位素濃度與長半衰期鐳同位素濃度的比值。λlong和λshort分別表示長、短半衰期鐳同位素的衰變常數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 海域水體基本特征

2017年9月，紅沿河核電站海域水體溫度變化范圍為23.4～25.1℃，其中A1站位溫度最高，為25.1℃。鹽度波動范圍為31.5～31.9，變化幅度并不明顯，其中B3站位鹽度最高，為31.9。除個(gè)別站位以外，研究海域總體呈現(xiàn)出近岸水體溫度、鹽度較高，遠(yuǎn)岸水體溫度、鹽度較低的分布趨勢（圖2）。溫鹽的高值區(qū)域位于紅沿河核電站附近，推測這可能與核電站冷卻水的排放有關(guān)。

3.2 鐳、氡同位素的活度水平及分布

2017年9月，紅沿河核電站海域內(nèi)224Ra的活度范圍為 2.9～62.4 dpm/（100 L），平均值為（39.6±18.0）dpm/（100 L）（n=15），其中 E5 站位224Ra活度最高，為 62.4 dpm/（100 L）（圖 3a）。226Ra的活度范圍為 11.9～57.4 dpm/（100 L），平均值為（40.5±13.0） dpm/（100 L）（n=15），其中 A4 站位226Ra活度最高，為 57.4 dpm/（100 L）（圖3b）。由圖3a和圖3b可見，以E斷面為界，E斷面以北海域兩種鐳同位素活度較高，以南海域兩種鐳同位素活度較低。鐳同位素的母體為沉積物中的釷同位素，當(dāng)遇咸水環(huán)境時(shí)，鐳同位素會從沉積物中解吸進(jìn)入海水。E斷面以北海域水深較淺，沉積物對水體影響程度較為明顯，因此北部海區(qū)的鐳同位素活度較高。而E斷面以南海域水深較深，底部沉積物母體釋放的鐳同位素對水體擾動影響程度減小，且外海水稀釋作用相對增強(qiáng)，故呈現(xiàn)出該海域鐳同位素活度較低的分布情況。

圖2 2017年9月紅沿河核電站海域溫鹽分布Fig. 2 Temperature and salinity distribution in the sea area near the Hongyanhe Nuclear Power Plant in September 2017

圖3 2017年9月紅沿河核電站海域鐳和氡同位素活度分布Fig. 3 The distributions of Ra and Rn isotopes in the sea area near the Hongyanhe Nuclear Power Plant in September 2017

如圖3c所示，222Rn的活度變化范圍為0.1～1.3 dpm/L，平均值為（0.9±0.4）dpm/L，其中222Rn 活度高值點(diǎn)在D1站位附近，活度最低值在距離核電站最近的D4站位附近。以D斷面為界，南部海域表層水體溫度平均值為（24.1±0.3）℃（n=7），相應(yīng)區(qū)域222Rn 的活度平均值為（1.1±0.2）dpm/L（n=7）；北部海域表層水體溫度平均值為（24.5±0.3）℃（n=11），相應(yīng)區(qū)域222Rn 的活度平均值為（0.8±0.2）dpm/L（n=11）。北部海域水體溫度低于南部海域，而溶解222Rn活度高于南部海域，推測原因是由于222Rn為一種放射性氣體，溫度是影響水體中氣體溶解度的一項(xiàng)重要因素，溫度的升高會導(dǎo)致222Rn溶解度的降低，同時(shí)還會加快222Rn的逸散損失，故北部海域溶解222Rn活度高于南部海域。

3.3 水體年齡及運(yùn)移速率

為量化紅沿河核電站海域水體運(yùn)移過程，本文通過224Ra/226Ra比值對鐳同位素“表觀年齡模型”進(jìn)行計(jì)算，以224Ra/226Ra比值最大的E5站位作為參考鐳源，以研究區(qū)域中226Ra活度最低值作為外海水中226Ra的本底濃度。由此計(jì)算得出紅沿河核電站海域表層水體年齡變化范圍為 0～16 d，平均年齡（10.9±3.6） d（n=14）。表層水齡的分布特征如圖4所示。由圖可見，2017年秋季核電站海域水體經(jīng)過約一周時(shí)間即可到達(dá)北部的A斷面海域，但是到達(dá)距離相對更近的南部的F斷面海域卻需要12天左右的時(shí)間。由此可見，秋季紅沿河核電站海域的水體主體流向?yàn)楸逼珫|方向。前人利用模型模擬研究發(fā)現(xiàn)，渤海遼東灣海域常年存在一個(gè)逆時(shí)針的大環(huán)流，該結(jié)論與本文研究結(jié)果較為一致[24-25]。

圖4 2017年9月紅沿河核電站海域水體年齡分布Fig. 4 The water age distribution of the sea area near the Hongyanhe Nuclear Power Plant in September 2017

根據(jù)紅沿河核電站海域水體的主體流向，A2站位的水齡最大（t=10.5 d），其與年齡參考點(diǎn)E5站位之間的直線距離約為65 km，由此計(jì)算得出主體流向上的水體流速約為7.2 cm/s，該方法給出的流速為綜合了潮汐、流場等各種水動力影響后的表觀水體運(yùn)移速率。畢聰聰[25]利用數(shù)值模型模擬的渤海灣東北部沿岸水體運(yùn)移速率基本在5 cm/s以上，與本研究的量化結(jié)果較為吻合。

3.4 海水流向與水母豐度的關(guān)系

秋季紅沿河核電站海域水體中水母的優(yōu)勢種為水母。如圖5所示，不同站位之間的水母豐度變化比較大，其中最大豐度值出現(xiàn)在A2站位。結(jié)合前文對該海域水體主體運(yùn)移動力的結(jié)果可以看出，水母豐度峰值區(qū)域即為海域水體主體流向上水齡最大的區(qū)域（A2站位）。由于水母本身的自主游動能力較弱，大多隨水體的運(yùn)動方向遷移，另外9月份為水母的消亡期，部分水母已經(jīng)死亡、肢體裂解，因此處于該時(shí)期的水母體自助運(yùn)動更加微弱，故推測由于該海域主體水運(yùn)移為北偏東方向，水母即隨著水體流向逐漸被匯集到A2站位。

水流的方向很大程度上影響了水母的分布和聚集，在日漸頻發(fā)的水母災(zāi)害現(xiàn)狀下，如何掌握水母漂移的軌跡和方向，將是未來解決生態(tài)問題的重點(diǎn)[9]。鐳同位素示蹤水體運(yùn)移為研究水母漂移和聚集提供了新的思路，為在部分敏感、重點(diǎn)海域有針對性地建立相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制及設(shè)施提供了科學(xué)參考。

圖5 2017年9月紅沿河核電站海域水母豐度分布Fig. 5 The Nemopilema nomurai distribution of the sea area near the Hongyanhe Nuclear Power Plant in September 2017

4 結(jié)論

本研究聚焦于紅沿河核電站海域水體中鐳、氡同位素活度分布特征，繼而探討了鐳同位素示蹤的水運(yùn)移對水母豐度分布的影響。發(fā)現(xiàn)紅沿河核電站海域表層水體中224Ra、226Ra及222Rn的活度均值分別為（39.6±18.0）dpm/（100 L）（n=15）、（40.5±13.0）dpm/（100 L）（n=15）及（0.9±0.4）dpm/L（n=24）。鐳同位素呈現(xiàn)近岸高遠(yuǎn)岸低、北部高南部低的分布趨勢，氡同位素的分布則更大程度上受到水溫的影響。通過鐳同位素表觀年齡模型計(jì)算得出紅沿河海域表層水體年齡為0～16 d，水體主體流向偏東北方向，流速為7.2 cm/s。結(jié)合水母豐度分布與水體主體流向結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在水體的主體流向上，水體年齡最大站位的水母豐度最高，表明水動力對海域水母的遷移具有重要影響。

致謝：感謝中國科學(xué)院海洋研究所李超倫研究員課題組提供研究海域沙海蜇豐度數(shù)據(jù)，謹(jǐn)致謝忱。