劉永葉 楊 陽(yáng) 喬亞華 張 琨

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082)

關(guān)于國(guó)內(nèi)溫排水生態(tài)影響研究的建議

劉永葉 楊 陽(yáng) 喬亞華 張 琨

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)外溫排水的生態(tài)影響研究現(xiàn)狀的深入調(diào)研，總結(jié)國(guó)際上的先進(jìn)研究經(jīng)驗(yàn)和寶貴的研究成果，并對(duì)照國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，提出國(guó)內(nèi)溫排水熱影響的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究框架。為國(guó)內(nèi)電廠冷卻系統(tǒng)的生態(tài)影響評(píng)價(jià)體系的建立、溫排水排放管理對(duì)策的制定等提供有益的參考。

溫排水；熱污染；受納水體；生態(tài)系統(tǒng)

1 引 言

溫排水的熱污染問(wèn)題是我國(guó)電力行業(yè)(火電、核電)發(fā)展過(guò)程中面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一。尤其是核電的熱利用效率偏低，僅為30%～35%，如果采用一次直流冷卻方式，大部分熱量被冷卻水(即溫排水)帶走，加之核電機(jī)組功率一般高于火電機(jī)組，棄熱量更多[1]。大量的冷卻水不加控制地直接排入受納水體，造成局部水域溫度升高，這不僅改變了受納水體的理化性質(zhì)，而且影響水生生物的繁殖、發(fā)育和存活生長(zhǎng)及其種群的繁衍和持續(xù)[2]。在溫排水蘊(yùn)含余熱量長(zhǎng)期遠(yuǎn)超過(guò)受納水體的熱環(huán)境容量的情況下，甚至?xí)?duì)其生態(tài)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能產(chǎn)生不可逆的消極影響。

而我國(guó)現(xiàn)有的熱污染控制標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，提出了“混合區(qū)”的概念，但沒(méi)有明確規(guī)定溫排水允許的混合區(qū)范圍及其它的關(guān)鍵控制參數(shù)，使得相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行性不強(qiáng)[3]。目前國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展的研究工作主要側(cè)重于具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值而備受社會(huì)關(guān)注的物種，而對(duì)溫排水對(duì)受納水體生態(tài)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的影響的研究較少。因此，亟需開(kāi)展國(guó)外溫排水的生態(tài)影響研究現(xiàn)狀的調(diào)研，明確總體研究思路，總結(jié)國(guó)際上的先進(jìn)研究經(jīng)驗(yàn)和寶貴的研究成果，為今后國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究指明方向。

2 國(guó)外溫排水的生態(tài)影響研究思路及經(jīng)驗(yàn)反饋

2.1 研究思路

上個(gè)世紀(jì)70年代起，世界各國(guó)開(kāi)展了大量的關(guān)于核電廠冷卻系統(tǒng)環(huán)境影響的相關(guān)研究。以美國(guó)為例，其出于各種管理因素考慮，需要建立溫度和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)“當(dāng)?shù)靥赜?土著生物”，并開(kāi)展針對(duì)具體廠址特征的相關(guān)研究，從而為相關(guān)準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供科學(xué)依據(jù)。美國(guó)各州發(fā)起了大量的相關(guān)研究項(xiàng)目，旨在評(píng)估冷卻系統(tǒng)帶來(lái)的生態(tài)壓力引起的生物和生態(tài)系統(tǒng)各組分的一般性應(yīng)激反應(yīng)[4-5]。

明確特定生物對(duì)冷卻系統(tǒng)相關(guān)的生態(tài)壓力(如排水溫升、冷凝器的影響和生物殺滅劑)的耐受性和應(yīng)激反應(yīng)，是制定保護(hù)“當(dāng)?shù)靥赜?土著物種”的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的邏輯基礎(chǔ)。由于同一物種在不同地理種群間的耐受性存在差異，需要獲取具體受納水域或生態(tài)系統(tǒng)的詳細(xì)信息。還有其他一些隨廠址地理特征變化的方面，因此需要針對(duì)特定廠址開(kāi)展研究，制定相應(yīng)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。然而，現(xiàn)在還沒(méi)有明確的導(dǎo)則用以識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)的敏感和重要的指示性物種。那些有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值而備受社會(huì)關(guān)注的物種可能并不是維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的最重要物種。此外，研究表明冷卻系統(tǒng)對(duì)某一種群有限數(shù)量的個(gè)體的急性效應(yīng)可能不是其最重要的影響，而種間關(guān)系的微小變化可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。因此，廠址特異性的急性效應(yīng)和生物的耐受性的概念似乎已為這項(xiàng)監(jiān)管要求提供了充分的理由，即每一個(gè)核電廠和大型化石燃料電廠都要開(kāi)展冷卻系統(tǒng)環(huán)境影響的管理工作。對(duì)未破壞當(dāng)?shù)匚锓N/土著物種的舉證責(zé)任主要由開(kāi)發(fā)利用者承擔(dān)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)僅提供少許相關(guān)導(dǎo)則或規(guī)范[5]。

對(duì)電廠影響進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管的需求，與之前針對(duì)電站廠址特征的具體研究之間需找到一個(gè)結(jié)合點(diǎn)?！耙皇乱蛔h”指導(dǎo)思想下的研究導(dǎo)致出現(xiàn)了各種不同的研究方法，各系統(tǒng)間的共同點(diǎn)較少。因此，要選定一個(gè)通用的模式作為判斷影響程度的依據(jù)，如對(duì)各采樣站點(diǎn)的平均參數(shù)值及其隨時(shí)間的變化進(jìn)行比較分析和統(tǒng)計(jì)[5]。

2.2 經(jīng)驗(yàn)反饋

西北太平洋實(shí)驗(yàn)室、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室評(píng)估了美國(guó)不同廠址具代表性的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。通過(guò)這些項(xiàng)目得到的一般性結(jié)論如下[4-5]：

(1)針對(duì)運(yùn)營(yíng)前(未擾動(dòng)條件下)生態(tài)系統(tǒng)的研究工作不夠充分，不足以體現(xiàn)所關(guān)注參數(shù)的正常時(shí)空變化情況；

(2)運(yùn)營(yíng)后的生態(tài)影響研究工作通常在對(duì)每個(gè)參數(shù)的變化水平進(jìn)行定義前就已啟動(dòng)，這里的參數(shù)指的是生物學(xué)上的重要參數(shù)或統(tǒng)計(jì)學(xué)可探測(cè)到變化的那些參數(shù)。顯著的生物、物理或化學(xué)變化的概念經(jīng)常被混淆為是否存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的變化；

(3)生態(tài)系統(tǒng)屬性的高度時(shí)空變化特性需要非常大的樣本量，以探測(cè)到各參數(shù)平均值的細(xì)微變化或差異。這種情況下一般將可探測(cè)的差異限制到大于平均控制值的水平；

(4)在不清楚生態(tài)影響的特定假設(shè)條件和統(tǒng)計(jì)模型的情況下，若課題經(jīng)費(fèi)允許，測(cè)量盡可能多的參數(shù)數(shù)據(jù)。方案設(shè)計(jì)時(shí)，將大部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分配到眾多的監(jiān)測(cè)類(lèi)別中，導(dǎo)致每個(gè)類(lèi)別實(shí)際分配到的樣本數(shù)太少，從而使統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比分析時(shí)的靈敏度不夠。

針對(duì)典型監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的上述經(jīng)驗(yàn)反饋對(duì)今后的研究工作有重要的參考價(jià)值，特別是在多站點(diǎn)對(duì)比分析法適用的場(chǎng)景下需考慮上述觀點(diǎn)。

選取適當(dāng)?shù)霓k法來(lái)確定冷卻系統(tǒng)的環(huán)境效應(yīng)(直接、急性或亞致死效應(yīng))，或其對(duì)種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)特性的影響，并不是一個(gè)很容易解決的問(wèn)題。如果無(wú)法獲取對(duì)目標(biāo)研究區(qū)域直接影響的相關(guān)信息，建議開(kāi)展廠址特征的個(gè)案研究時(shí)考慮整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)或區(qū)域的總體特征，關(guān)注其對(duì)重要生態(tài)資源的預(yù)期可能的顯著影響。此時(shí)，可運(yùn)用現(xiàn)有的一些廠址特異化方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

如果前期的廠址特異性研究已經(jīng)給出了直接影響的程度，并且也適當(dāng)關(guān)注了對(duì)受納水體現(xiàn)在或?qū)?lái)的環(huán)境影響，那么評(píng)價(jià)的重點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)移到共生生態(tài)系統(tǒng)，以評(píng)估受納水體生態(tài)系統(tǒng)對(duì)冷卻系統(tǒng)影響的承載能力。這種方法的最終目標(biāo)是為了充分了解生態(tài)壓力下的自然變異和應(yīng)激反應(yīng)，以便建立可靠的預(yù)警方法以及可評(píng)估的顯著影響的閾值。

回顧起來(lái)，世界上各個(gè)國(guó)家顯然已經(jīng)付出相當(dāng)大的努力來(lái)量化冷卻系統(tǒng)對(duì)生物個(gè)體的具體熱影響、取水卷吸挾帶和撞擊作用以及抗微生物劑(余氯)的影響[4-9]，但對(duì)冷卻系統(tǒng)對(duì)種間關(guān)系的影響，或者說(shuō)其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響等間接效應(yīng)的研究卻是少之又少。目前已發(fā)現(xiàn)許多與溫度相關(guān)的影響，但除了局部的熱羽流，大型水生生態(tài)系統(tǒng)正常的溫度循環(huán)基本不受影響，還未觀察到其對(duì)大型水生生態(tài)系統(tǒng)造成的災(zāi)難性影響。冷卻系統(tǒng)的取水影響還未造成魚(yú)類(lèi)種群可測(cè)量的變化，但是，在某些情況下，利用仿真模擬模型已經(jīng)可以預(yù)測(cè)到其對(duì)種群產(chǎn)生的影響。顯然，不同物種種群對(duì)持續(xù)增加的死亡率和不同個(gè)體對(duì)亞致死壓力的承受能力的限值/閾值不同。提高對(duì)這些動(dòng)態(tài)閾值的評(píng)估水平，是將來(lái)大范圍地利用大型水體用作冷凝器冷卻水源，同時(shí)保證不危害其中重要水生生物資源的關(guān)鍵。

過(guò)去通常將冷卻系統(tǒng)的余熱視為潛在的環(huán)境問(wèn)題，而不是將其轉(zhuǎn)換為潛在的能源，即溫排水的余熱利用。通過(guò)精心設(shè)計(jì)，水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)可以對(duì)余熱加以利用，以提高水產(chǎn)品的生長(zhǎng)速率，這種余熱利用方法對(duì)那些居民飲食需要補(bǔ)充蛋白質(zhì)的國(guó)家特別有吸引力。取水口網(wǎng)前撞擊致死的魚(yú)類(lèi)通常被丟棄，但加工成魚(yú)粉后可用作飼料。從理論上講，電站取水口和排水口可設(shè)計(jì)成有效的魚(yú)類(lèi)捕集器，尤其是在養(yǎng)殖管理性的大型冷卻水池/池塘。但這種設(shè)計(jì)與減少冷卻系統(tǒng)和生物間的相互作用的目標(biāo)是相反的，具體取決于獲取的物種、種群和群落的基本信息[5]。

3 國(guó)內(nèi)溫排水生態(tài)影響研究的建議

目前國(guó)際上在如何選擇敏感性目標(biāo)物種、利用何種生物指標(biāo)如何來(lái)表征生物對(duì)溫升的生理反應(yīng)，以及如何以此評(píng)價(jià)溫排水對(duì)水生生物的熱影響等問(wèn)題的方法論研究不多，尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，尤其是對(duì)溫排水對(duì)受納水體生態(tài)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的影響的研究少之又少。因此，需要進(jìn)一步開(kāi)展溫排水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響研究，以預(yù)測(cè)一個(gè)電廠投運(yùn)后對(duì)受納水體的長(zhǎng)期影響。但，首先要通過(guò)研究確定電廠的最佳廠址?；谌轿坏纳飳W(xué)和生態(tài)研究，可以確定溫排水受納水體最高絕對(duì)溫度和允許的溫度變化幅度。

理想條件下，全方位的生物學(xué)和生態(tài)研究項(xiàng)目包括物理、化學(xué)和生物的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室研究。由于電廠廠址地理位置的差異，電廠的環(huán)境條件各不相同，因此沒(méi)有絕對(duì)的研究標(biāo)準(zhǔn)。通常，在熱帶地區(qū)，需要關(guān)注致死溫度，而在寒帶和溫帶地區(qū)，溫排水余熱對(duì)生物種群和行為的影響更需關(guān)注。同時(shí)，要考慮不同污染源的疊加影響。目前，人們對(duì)多種環(huán)境壓力對(duì)生物的協(xié)同作用至今還了解甚少，因此，需要對(duì)這種協(xié)同作用多加關(guān)注。

關(guān)于溫排水的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)的熱影響研究方法是國(guó)際通用的。然而，一些新的研究方法還在發(fā)展過(guò)程中，特別是針對(duì)如何確定長(zhǎng)期的間接致死影響、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的整體影響和區(qū)域影響的研究。為了獲得高質(zhì)量的溫排水對(duì)生物體的熱影響數(shù)據(jù)，每個(gè)地點(diǎn)需要至少兩年的研究。如果要作可靠的預(yù)測(cè)，則還需更長(zhǎng)期的研究。在生態(tài)學(xué)研究中，物理和化學(xué)知識(shí)是生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)和其它經(jīng)濟(jì)類(lèi)和觀賞類(lèi)生物體都是當(dāng)?shù)厣飬^(qū)系/生物相不可或缺的一部分，對(duì)這些生物資源的研究通常都很有必要。

綜上所述，建議國(guó)內(nèi)溫排水熱影響的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究框架如下：

(1)與生物相關(guān)的水體物理化學(xué)影響的研究：①向受納水體的排熱總量及其在水體中的分布；②溫排放前的水體現(xiàn)狀及其預(yù)期的變化趨勢(shì)；③ 水體(熱量和化學(xué)性質(zhì))分層及其預(yù)期的變化趨勢(shì)；④ 受納水體的含氧量及溫排放所致的預(yù)期變化；⑤ 水體中及底層的營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)(尤其是氮和磷)；⑥水體化學(xué)性質(zhì)的一致性的大尺度描述。

(2)一般性的生態(tài)學(xué)研究：①植物和動(dòng)物物種的現(xiàn)存量及其分布和生物量，或其他相關(guān)的總體參數(shù)；②熱負(fù)荷對(duì)微生物、浮游生物、底棲生物和植物種群的影響；③ 溫度變化對(duì)重要生物個(gè)體和種群的影響；④熱負(fù)荷和其他生態(tài)壓力因子(如重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽)同時(shí)作用于咸水或淡水中生 物個(gè)體和種群時(shí)的協(xié)同效應(yīng)；⑤不同生命周期溫度效應(yīng)導(dǎo)致的繁殖和死亡率的變化；⑥溫度效應(yīng)導(dǎo)致的不同物種之間的關(guān)系變化(如捕食-被捕食和寄生蟲(chóng)-宿主關(guān)系)；⑦溫度對(duì)重要物種的遷徙和其他行為現(xiàn)象的影響；⑧重要物種生命周期中的低溫條件；⑨重要物種對(duì)不同溫度條件的適應(yīng)能力。

(3)對(duì)魚(yú)類(lèi)及其他具商業(yè)和娛樂(lè)價(jià)值的資源的影響研究：①最重要的可食魚(yú)類(lèi)的確定；②現(xiàn)存量和年產(chǎn)量；③溫排放對(duì)魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響；④生長(zhǎng)和繁殖階段可適應(yīng)的最高溫度或最佳溫度的確定；⑤生長(zhǎng)和繁殖階段可適應(yīng)的最大變溫幅度和變溫速率的確定；⑥繁殖階段所需的溫度下限值的確定；⑦水體受熱環(huán)境下發(fā)生疾病的可能性；⑧魚(yú)類(lèi)適應(yīng)(食物網(wǎng)已發(fā)生改變的)受熱水體環(huán)境中餌料物種變化的能力；⑨不同溫度條件下物種遷徙行為的預(yù)測(cè)。

以上主要是考慮溫排水的溫升作用對(duì)受納水體生態(tài)系統(tǒng)影響研究的框架，對(duì)溫排水余氯的生態(tài)系統(tǒng)影響也不能忽視[10]。近年來(lái)我國(guó)在海濱(河口或港灣)建設(shè)了許多大型火電廠和核電廠，海水溫排水余氯對(duì)海域生態(tài)和養(yǎng)殖環(huán)境的負(fù)面影響日益顯現(xiàn)。為了保護(hù)海域生態(tài)環(huán)境，必須制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制濱海工業(yè)冷卻水余氯的排放濃度，而制定該標(biāo)準(zhǔn)則要求以受納海域主要生物的安全耐受濃度值為依據(jù)，并考慮保持受納海域生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的完整性。因此，開(kāi)展氯對(duì)生物群落的組成、結(jié)構(gòu)和生態(tài)演替影響的研究，積累余氯對(duì)不同浮游生物影響的基礎(chǔ)資料，具有重大生態(tài)學(xué)意義。此外，還應(yīng)開(kāi)展溫升與余氯聯(lián)合作用的影響研究，以及冷卻系統(tǒng)取水的卷吸挾帶和撞擊作用對(duì)魚(yú)類(lèi)等水生生物或海洋生物的機(jī)械損傷研究。

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Suggestions on the Research of Ecological Impact of Thermal Discharge in China

LIU Yongye YANG Yang QIAO Yahua ZHANG Kun

(Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100082，China)

This paper summarized the international advanced research experience and valuable research results through the in-depth investigation on the current situation of the ecological impact of thermal discharge from nuclear power plants，and put forward the research framework of biology and ecology effects of thermal discharge based on the domestic research status，so as to provide beneficial reference for the establishment of the ecological impact assessment system and the formulation of the drainage management countermeasures of thermal discharge in domestic.

thermal discharge；thermal pollution；receiving water；ecosystem

劉永葉，高級(jí)工程師，輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)專(zhuān)業(yè)，主要從事核設(shè)施的環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究

喬亞華，高級(jí)工程師，主要從事核與輻射安全研究

X21

A

1673-288X(2017)03-0047-03

項(xiàng)目資助：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“CAP1400安全審評(píng)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013ZX06002001)

引用文獻(xiàn)格式：劉永葉 等.關(guān)于國(guó)內(nèi)溫排水生態(tài)影響研究的建議[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(3)：47-49.