於 凡,張永興,楊 東

(1.中國原子能科學研究院,北京 102413;2.深圳中廣核工程設(shè)計院核島所,廣東深圳 518057)

中國核電發(fā)展的最新目標是:到2010年在運行核電裝機容量1200萬kW;2020年前要新建核電站31座,在運行核電裝機容量4000萬kW;在建核電裝機容量1800萬kW。這意味著,國家今后每年需要新開工建設(shè)2個百萬千瓦級核電機組[1-2]。核電站由于其自身的生產(chǎn)特點,會對其所在的環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生多方面的影響,其中,溫度上升了的循環(huán)冷卻水(即溫排水)直接排放到環(huán)境水圈中,對水域造成的環(huán)境影響日益突出。

1 溫排水混合區(qū)問題解析

1.1 冷卻水問題起源

核電站冷卻水一般有兩種處理方式:一是直接排放至自然水域,即直接將吸收發(fā)電乏氣余熱的冷卻水排至自然水域,通過與自然水體的摻混從而將大量余熱帶入水域,稱為“一次循環(huán)冷卻”;二是排至冷卻塔,采用冷卻塔來冷卻循環(huán)水,冷卻水攜帶的余熱經(jīng)冷卻塔釋放到環(huán)境中,稱為“二次循環(huán)冷卻”。

對于內(nèi)陸核電站,依據(jù)中華人民共和國水利部《入河排污口監(jiān)督管理辦法》以及《入河排污口設(shè)置論證基本要求(試行)》,前者指出“入河排污口設(shè)置可能使水域水質(zhì)達不到水功能區(qū)要求的,不予同意設(shè)置入河排污口”;后者規(guī)定“根據(jù)水域生態(tài)保護的要求,采用直流冷卻方式的火力發(fā)電廠,生產(chǎn)溫排水不得排入水庫等封閉水體”。因此,對于內(nèi)陸核電站,采用“二次循環(huán)冷卻”方式是必須的。

目前,我國在建或擬建核電站基本上都是濱海核電站,在役濱海核電站均采用一次循環(huán)冷卻直排方式,冷卻水排放量很大。核電站溫排水排出后,在排放口附近總會存在一個超標區(qū),為了保護水生生物免受溫排水的有害影響,許多國家都制定了相應(yīng)的水溫限值或混合區(qū)域的范圍,但目前我國仍缺乏相應(yīng)標準。我國溫排水環(huán)境影響管控措施中的一個關(guān)鍵問題,是規(guī)范溫排水的混合區(qū)設(shè)置,主要體現(xiàn)在規(guī)范排水口絕對溫度及溫升、混合區(qū)的的范圍和混合區(qū)邊緣最大溫升。

1.2 濱海核電站溫排水審管中存在的問題

《中華人民共和國海洋環(huán)境保護法》第36條規(guī)定,向海域排放含熱廢水,必須采取有效措施,保證鄰近漁業(yè)水域的水溫符合國家海洋環(huán)境質(zhì)量標準,避免熱污染對水產(chǎn)資源的危害。

國家環(huán)保總局《近岸海域環(huán)境功能區(qū)管理辦法》第九條規(guī)定:確定混合區(qū)的范圍,應(yīng)當根據(jù)該區(qū)域的水動力條件,近岸海域環(huán)境功能區(qū)的水質(zhì)要求,接納污染物的種類、數(shù)量等因素,進行科學論證?；旌蠀^(qū)不得影響鄰近近岸海域環(huán)境功能區(qū)的水質(zhì)和魚類洄游通道。

GB3097—1997《海水水質(zhì)標準》中關(guān)于混合區(qū)的規(guī)定:污水集中排放形成的混合區(qū),不得影響鄰近功能區(qū)的水質(zhì)和魚類洄游通道。

由此可見,我國現(xiàn)有的水資源保護法律法規(guī)僅提出了混合區(qū)的概念而沒有明確規(guī)定允許混合區(qū)的范圍,規(guī)定的混合區(qū)標準缺乏可操作性,使得上述法規(guī)標準的執(zhí)行處于尷尬境地,因此,對目前濱海核電站址的溫排水工程的環(huán)境影響評價,均采取“一事一議”的辦法確定其可接受性。允許有溫度混合區(qū)可能形成的一個誤區(qū)是,片面強調(diào)混合區(qū),而忽視必須采取有效措施,保證鄰近漁業(yè)水域的水溫符合國家海洋環(huán)境質(zhì)量標準,避免熱污染對水產(chǎn)資源的危害。在審管過程當中,由于標準的缺失,由上述誤區(qū)而引發(fā)的爭議經(jīng)常出現(xiàn)。

2 溫排水混合區(qū)設(shè)置

混合區(qū)范圍的確定,是我國核電溫排水問題審管中的一個關(guān)鍵問題,涉及取排水地點的選擇、循環(huán)冷卻的方式、取排水方式等,與核電站溫排水工程特點及水力學特性有密切關(guān)系,需要全面分析。

2.1 混合區(qū)含義

混合區(qū)含義可以從兩個角度來理解:①從水力學角度,是指液體污染物在水體中的初始摻混區(qū);②從監(jiān)督管理角度,指水體中被允許超標的污染區(qū)。

從水力學角度考慮溫排水混合區(qū),當流出物數(shù)量少而接受水體相當大時,工程上會通過適當?shù)呐欧叛b置,利用迅速的初始混合來降低水溫,這是一種有效的方法。初始的(或稱為近場的)混合過程由排放物的動量(射流作用)和排放物的浮力(羽狀柱作用)產(chǎn)生的強湍流形成,其混合區(qū)域及區(qū)域溫升影響因素主要有流出物的動量和浮力、排放口的結(jié)構(gòu)和位置以及排放口附近接受水體的特性(深度和水流等)。溫排水的物理混合過程可以概化為2個截然不同的區(qū),即近區(qū)和遠區(qū)[3]。近區(qū)是由初始排出流特征和浮力控制的典型區(qū)域,而遠區(qū)是由周圍環(huán)境條件控制的區(qū)域。

從監(jiān)督管理角度考慮溫排水混合區(qū),混合區(qū)指排出流經(jīng)過初始稀釋和混合,暫緩執(zhí)行水質(zhì)標準,但水體的完整性和可利用性仍得到保護[4]。在該區(qū)域環(huán)境濃度可以超過短期或長期的水質(zhì)標準,但要預(yù)防急性中毒情況的發(fā)生[5-6]。

2.2 美國各州關(guān)于溫排水混合區(qū)的定義

通過對有關(guān)資料調(diào)研,列出美國部分州關(guān)于溫排水混合區(qū)的含義。

俄亥俄州:處理或未處理廢水排放到鄰近水體中的一個區(qū)域。排放的廢水在輸送過程中從原濃度到接受系統(tǒng)濃度是逐漸稀釋的。

喬治亞州:排放到河流或水池中的物質(zhì)需在一定范圍內(nèi)在排放點通過適當?shù)姆椒ㄅc干流或水體完全、均一地擴散和混合;允許合理使用有限的混合區(qū)。

南卡羅來納州:指排放的廢水經(jīng)初始稀釋后釋放于環(huán)境水體中二次混合的區(qū)域。在避免急性中毒,導(dǎo)致公眾健康和社會安全受到威脅的前提下,該區(qū)域水質(zhì)可超標。

阿肯色州:在混合區(qū)內(nèi)允許有有毒排放物初始稀釋區(qū),在該區(qū)域內(nèi),水質(zhì)可能超標,但不足以發(fā)生中毒事件。

美國各州溫排水混合區(qū)設(shè)置均是以生態(tài)環(huán)境為核心,其混合區(qū)定義基本是從監(jiān)督管理的角度出發(fā)的,以混合區(qū)的設(shè)置不削弱水體功能的完整性、不危及重要的生態(tài)敏感區(qū)、不降低臨近功能區(qū)的水質(zhì)、對公眾健康不產(chǎn)生重大威脅為準則。

從水力學出發(fā)的溫排水混合區(qū)概念,要求初始摻混區(qū)范圍越大,混合越徹底,水溫降低越快;但從監(jiān)督管理角度上講,則要求混合區(qū)范圍盡可能地小。關(guān)于混合區(qū)域的界定,就是從水力學角度所要求的混合區(qū)范圍與從監(jiān)督管理角度所要求的水生態(tài)環(huán)境出發(fā),對二者進行取舍的過程。我國應(yīng)借鑒國外環(huán)保先進國家普遍采用的從水生生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境影響角度界定溫排水混合區(qū)范圍的方式,對我國核電站址海域水生態(tài)環(huán)境特點進行分析研究,確定核電站溫排水混合區(qū)范圍界定的原則。

3 溫排水對水生態(tài)系統(tǒng)的影響

3.1 對環(huán)境本體的影響

a.對水體理化性質(zhì)的影響。水溫升高會引起水的多種理化性質(zhì)發(fā)生變化,其中溶解氧將會受到很大影響。此外,溫排水還可能使水色變濁,透明度降低,氨氮濃度增高,礦化度、總磷、總氮濃度偏高,這些都會加速受納水體的富營養(yǎng)化進程[7]。

b.對濱灘濕地的影響。溫排水將改變原有江河湖庫濱、灘地的理化性狀周期性變化的特點,使原有生物周期性規(guī)律消失,改變濕地生物種類,生物多樣性指數(shù)下降、生物凈化功能受阻,生態(tài)系統(tǒng)變得脆弱[8]。

3.2 對水生生物的影響

a.對底棲生物的影響。底棲生物長期棲息在水底底質(zhì)表面或底質(zhì)的淺層中,它們相對固定,不太活動,遷移能力弱,在受到熱排放沖擊的情況下很難回避,易受到不利影響,主要體現(xiàn)在底棲動物在強增溫區(qū)的消失[9]。

b.對浮游生物的影響。浮游生物是水體的主要生產(chǎn)者,也是水體中其他動物的食物來源。溫升每升高2℃就會造成受納水體范圍內(nèi)的藻類生物資源種群和數(shù)量變動。高溫將引起藍、綠藻數(shù)量增多和硅藻明顯減少,會抑制其他餌料生物生長,延長藻類生長期并使菌類活動增強,底泥中營養(yǎng)物分解加速,加重水體富營養(yǎng)化[7]。

c.對魚類的影響。溫度急變對某些魚類的繁殖、胚胎發(fā)育、魚苗的成活等均有不同程度的影響。熱排放進入受納水體后,會改變魚類等水生生物在水體中的正常分布,引起群落結(jié)構(gòu)的變化,甚至會引起魚類異常發(fā)育,對某些有洄游習慣的魚類造成嚴重影響[9]。

3.3 研究必要性分析

目前,國內(nèi)外關(guān)于溫排水對水生生態(tài)系統(tǒng)的研究可歸納為3種:①根據(jù)電廠溫排水的實際情況,采用數(shù)值模擬計算溫排水引起的溫升范圍[10];②根據(jù)實際調(diào)查資料,分析電廠溫排水引起的周圍海域水產(chǎn)資源數(shù)量的減少程度[11-12];③根據(jù)電廠溫排水引起的溫升范圍定性地分析溫排水對水生生態(tài)的影響[13]。目前,核電站溫排水對水生生態(tài)環(huán)境影響的研究還沒有達到定量的程度,該問題應(yīng)引起有關(guān)學者、科研院所的重視,并開展工作。

綜上所述,混合區(qū)設(shè)置應(yīng)以溫排水對水生生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境影響為出發(fā)點和著眼點。當溫排水排放系統(tǒng)末端的水溫超過水質(zhì)標準要求的水溫時,如果沒有顯著改變水體的理化性質(zhì),保證不降低當?shù)厣锏亩鄻有?、不影響和破壞水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整和功能,則可以考慮設(shè)置混合區(qū)。

4 關(guān)于溫排水混合區(qū)設(shè)置的思考

4.1 國外溫排水混合區(qū)的監(jiān)管

關(guān)于混合區(qū)確定的具體范圍,世界各國、地區(qū)、組織要求不一致。但總體上,都要求混合區(qū)不妨礙現(xiàn)有的受納水體或下游水體的使用功能,不妨礙水生物種的遷移通道、自然洄游、繁殖、生長等[8]。國外關(guān)于溫排水和混合區(qū)的研究已經(jīng)趨于成熟,世界各國、地區(qū)或組織關(guān)于混合區(qū)溫度的規(guī)定見表1。

表1 部分國家、地區(qū)或組織關(guān)于混合區(qū)溫度的規(guī)定

此外,加拿大安大略省規(guī)定混合區(qū)邊緣溫升不應(yīng)超過周圍天然水溫10℃;法國對溫排水只作原則上的規(guī)定:經(jīng)充分混合后,排放口下游河段的水溫低于28℃,且排放口上下游河段水的溫差必須小于3℃。

綜上所述,溫排水的溫度限值主要有3種,即排放口的絕對溫度、允許溫升以及混合區(qū)邊緣的允許最大溫升。

4.2 我國溫排水混合區(qū)設(shè)置的思考

國外的溫排水混合區(qū)(當受納水體為沿海水體時)監(jiān)管指標包括:混合區(qū)范圍與3種溫度限值。目前,我國需要開展的工作是以某一擬建或在建核電站為例,由點及面,研究適合我國的混合區(qū)監(jiān)管指標。

a.針對某一核電站,確定排放口的絕對溫度?？赏ㄟ^以下3種方法來實現(xiàn):①調(diào)研和類比世界上部分國家、地區(qū)和組織的有關(guān)水質(zhì)標準中關(guān)于極端高溫的規(guī)定,尤其關(guān)注與臺山核電站有類似緯度值的國家。②通過數(shù)理預(yù)測方法,如大氣環(huán)流模型(GCM)和耿貝爾統(tǒng)計分析方法(Gumbel),來模擬、預(yù)測核電站全壽期極端高溫值的變化情況,進而確定排放口的極端高溫控制值[14]。③調(diào)查核電站所在海域水生物物種的溫度依賴性情況,確定生物致死的溫度閾值,從而確定排放口極端高溫值[15]。

b.確定混合區(qū)邊緣的溫升限值。首先調(diào)研該核電站所在海域范圍內(nèi)的主要水生物種受溫排水影響可接受的溫升范圍,同時采用統(tǒng)計分析方法分析該核電站所在海域表層海溫的自然溫升,繼而推斷混合區(qū)邊緣的溫升限值。

c.確定混合區(qū)范圍。首先,采用Margalef豐富度指數(shù)(D)、shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)和Pielou均勻度指數(shù)(J′)等方法進行多樣性分析[16],建立溫排水對水生生態(tài)系統(tǒng)多樣性影響的評價指標體系。然后,通過對混合區(qū)邊緣溫升的生態(tài)影響評估,進一步確定該核電站合理的溫排水混合區(qū)范圍。

5 結(jié) 語

通過以上對核電站溫排水混合區(qū)設(shè)置的調(diào)研與分析,可以得到以下幾點主要結(jié)論:

a.從2個角度定義溫排水混合區(qū),即水力學角度和監(jiān)督管理角度,且應(yīng)該以滿足監(jiān)督管理目的為主,以滿足水力學要求為輔。溫排水混合區(qū)設(shè)置的核心應(yīng)該從生態(tài)環(huán)境的角度加以考慮。

b.國外溫排水混合區(qū)的監(jiān)管指標包括混合區(qū)范圍與3種溫度,即排放口的絕對溫度、排放口溫升以及混合區(qū)邊緣的允許最大溫升。

c.建議以某一擬建或在建核電站為例,由點及面開展溫排水混合區(qū)設(shè)置問題的研究,制定出適合我國核電站溫排水混合區(qū)的監(jiān)管指標。

從溫排水的生態(tài)影響角度入手,提出適合我國國情的具有可操作性的溫排水混合區(qū)設(shè)置導(dǎo)則,將有利于促進我國核電事業(yè)與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。

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