魏新渝, 張 琨, 王韶偉, 徐海峰, 方 圓, 楊端節(jié)

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美國濱海核電廠溫排水混合區(qū)的設(shè)置及啟示

魏新渝, 張 琨, 王韶偉, 徐海峰, 方 圓, 楊端節(jié)

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心, 北京 100082)

系統(tǒng)調(diào)研美國溫排水法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系、混合區(qū)政策以及濱海核電廠混合區(qū)的設(shè)置, 并與我國現(xiàn)狀進(jìn)行比較?？梢钥闯? 美國清潔水法和聯(lián)邦法規(guī)給出溫排水和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的一般要求, 各個州的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)給出水質(zhì)準(zhǔn)則、混合區(qū)政策以及對水生生物保護(hù)的要求。水質(zhì)準(zhǔn)則給出各種類型水體溫度限值(包括溫升限值和/或溫度上限值); 混合區(qū)政策給出混合區(qū)的位置、尺寸、形狀以及混合區(qū)內(nèi)水質(zhì)要求; 具體廠址應(yīng)基于“一事一議”的方式確定混合區(qū)范圍, 并滿足混合區(qū)最小化要求, 大部分美國濱海核電廠混合區(qū)范圍滿足州的混合區(qū)政策要求; 少數(shù)核電廠混合區(qū)范圍超過了州混合區(qū)政策要求, 這些電廠需進(jìn)行廠址特性熱影響研究, 以證明當(dāng)前的溫排水限值能夠確保受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群的生長和繁育。我國當(dāng)前沒有地區(qū)差異的水質(zhì)準(zhǔn)則, 無溫排水混合區(qū)政策、設(shè)置方法或?qū)t。美國溫排水混合區(qū)設(shè)置方法和實(shí)踐有助于我國濱海核電廠溫排水混合區(qū)的設(shè)置和優(yōu)化, 以減小對水生生物的影響。

核電廠; 溫排水; 混合區(qū); 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn); 水生生物

直流冷卻水系統(tǒng)核電廠從海洋、湖泊和河流中取用大量冷卻水(對于一臺1 000 MW核電機(jī)組, 冷卻水的取水量約為50 m3/s), 冷卻水經(jīng)冷凝器后溫度升高7~15℃, 而后大量溫排水回到受納水體中。我國當(dāng)前所有濱海核電廠均采用直流冷卻水系統(tǒng), 這些電廠規(guī)模大, 機(jī)組數(shù)量多, 溫排水量大, 可能的影響范圍較大[1-6]。

我國當(dāng)前核電廠溫排水混合區(qū)的設(shè)置一般基于數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的方式確定, 高溫升區(qū)域(一般≥4℃)常采用物理模型模擬, 而低溫升區(qū)域(一般大于等于1℃)使用數(shù)學(xué)模型[1-4]。我國大部分核電廠混合區(qū)均設(shè)置在《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097- 1997)中的三或四類水體中, 即人為造成的海水溫升不超過當(dāng)時當(dāng)?shù)厮疁?℃[5]。有些核電廠溫排水量大, 影響范圍大, 往往需要調(diào)整近岸海域環(huán)境功能區(qū)的要求, 而將水體功能降級[3-6]。我國當(dāng)前尚未有溫排水混合區(qū)設(shè)置導(dǎo)則或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[7-9]。本文系統(tǒng)調(diào)研美國溫排水法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系、混合區(qū)政策以及濱海核電廠混合區(qū)的設(shè)置, 并與我國現(xiàn)狀進(jìn)行比較, 為我國濱海核電廠混合區(qū)導(dǎo)則的制定奠定基礎(chǔ)。

1 美國溫排水法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系

美國清潔水法(Clean Water Act, CWA)316(a)條規(guī)定, 設(shè)施溫排水限值(溫度上限值max以及溫升上限值Dmax)應(yīng)確保受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群的生長和繁育[10]; 美國聯(lián)邦法規(guī)40CFR125條H部分給出了316(a)的具體實(shí)施方法和要求[11]; 溫排水限值是基于最佳適用技術(shù)、州水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或者廠址特定熱影響研究制定的。若能證明給出的溫排水限值能夠維持受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群的生長和繁育, 并且已考慮了溫排水與所有其他對物種重要影響(包括殺菌劑的影響、取水卷吸效應(yīng)的影響、過度捕撈、其他污染源的排放等)的累積影響, 則可認(rèn)為滿足316(a)的要求; 設(shè)立的溫排水限值可松于現(xiàn)有水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中溫度限值的要求。

美國國家環(huán)境保護(hù)署(EPA)和各個州環(huán)境保護(hù)部門的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)包括水質(zhì)準(zhǔn)則、混合區(qū)政策以及對水生生物保護(hù)的要求。水質(zhì)準(zhǔn)則給出不同區(qū)域水體的溫升限值和/或溫度上限值; 混合區(qū)政策給出混合區(qū)的位置、尺寸、形狀以及混合區(qū)內(nèi)水質(zhì)要求; 對水生生物保護(hù)的要求即316(a)的要求: 若具體廠址的溫度限值不滿足水質(zhì)準(zhǔn)則和混合區(qū)政策要求, 通過廠址特性熱影響研究, 仍能確保受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群的生長和繁育, 則滿足316(a)的要求。國家污染物排放削減系統(tǒng)(National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES)許可證書寫手冊[12]給出了基于水質(zhì)準(zhǔn)則確定溫排水溫度限值的方法。NPDES許可證給出具體的溫排水排放限值及監(jiān)測要求, 可能的影響范圍, 該許可證每五年需更新一次[13]。EPA給出了水質(zhì)基準(zhǔn)和混合區(qū)政策的一般要求, 各個州則根據(jù)一般要求設(shè)置具體的水質(zhì)準(zhǔn)則和混合區(qū)政策。以下分別介紹EPA的水質(zhì)基準(zhǔn)和混合區(qū)政策以及擁有直流冷卻水系統(tǒng)核電廠的濱海各州水質(zhì)準(zhǔn)則及混合區(qū)政策。第2節(jié)討論美國濱海直流冷卻水系統(tǒng)核電廠如何執(zhí)行溫排水法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.1 海水水質(zhì)的溫度要求

基于CWA304(a)(1)要求即EPA階段性出版并更新環(huán)境水質(zhì)基準(zhǔn), 當(dāng)前有效版本為1986年版的水質(zhì)基準(zhǔn)[14]。該基準(zhǔn)反映了水生生物和人類健康的最新科學(xué)知識, 該基準(zhǔn)不是規(guī)章, 無法律效力。各州環(huán)保部門基于該基準(zhǔn)確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中水質(zhì)準(zhǔn)則。1986年版的水質(zhì)基準(zhǔn)規(guī)定: 對于海洋生物, 當(dāng)夏季溫度不超過最大溫度限值時, 全年由人工熱源導(dǎo)致的最大的可接受周平均溫升為1℃。并且不應(yīng)在任何幅度或頻率改變每日水體溫度循環(huán)特點(diǎn)。夏天最大溫度限值是指排放區(qū)域生物群落的耐受的最高溫度, 是基于廠址特點(diǎn)建立的。現(xiàn)有研究給出如下區(qū)域溫度基準(zhǔn):

亞熱帶區(qū)域(Florida州Cape Canaveral和Tampa 灣的南部以及Hawaii): 短期水溫最大值為32.2℃, 真實(shí)每日平均水溫最大值為29.4℃。

North Carolina州的Cape Hatteras 至Florida州的Cape Canaveral: 短期水溫最大值為32.2℃, 真實(shí)每日平均水溫最大值為29.4℃。

NewYork州的Long Island(南部海岸)至Cape Hatteras: 短期水溫最大值為30.6℃, 真實(shí)每日平均水溫最大值為27.8℃。

上述真實(shí)每日平均水溫是指24 h水溫的平均值。

在1986年的水質(zhì)基準(zhǔn)基礎(chǔ)上, 濱海各州根據(jù)海域水生生物特點(diǎn)給出了具體的溫度準(zhǔn)則, 海水水質(zhì)根據(jù)其認(rèn)定的功能進(jìn)行分類, 以Massathusetts州為例, 分成SA、SB和SC三類。SA類海域被認(rèn)定為水生生物很好的棲息地, 包括具有生物繁殖、遷移、生長和其他重要功能, 并可作為一級和二級接觸娛樂用水, 水域無需凈化就適合貝類養(yǎng)殖, 有很好的美學(xué)價值; SB類海域被認(rèn)定為是水生生物的棲息地, 并為一級和二級接觸娛樂用水, 水域凈化后適合貝類養(yǎng)殖, 有良好的美學(xué)價值; SC類被認(rèn)定為水生生物的棲息地, 并為二級接觸娛樂用水, 適合工業(yè)冷卻用水和過程用水, 有好的美學(xué)價值[15]。美國濱海核電廠混合區(qū)一般設(shè)置在SB和SC類中, 各州對應(yīng)區(qū)域的溫度要求見表1?？梢钥闯? 大部分州規(guī)定, 夏季(6~8月)水溫溫升不應(yīng)超過0.8℃(但Florida州Dmax=1.1℃), 并給出了溫度上限值; 非夏季受納水體溫升不應(yīng)超過2.2℃, 且不得改變水溫日循環(huán)特點(diǎn)。

在夏季自然水溫最大值期間, 海洋生態(tài)系統(tǒng)承受較大的熱壓力, 有些物種能夠繼續(xù)生活, 而熱敏感物種則消失, 這在熱帶和溫帶區(qū)域尤其常見。溫度上限值可作為在最大自然溫度期間添加人工熱源是否有害的判據(jù)。在非夏季(晚秋、冬天和春天), 海域自然水溫一般是遠(yuǎn)低于大部分生物的臨界溫度值上限。在這些季節(jié), 人工熱量對水生生物群體有較多微妙的影響。一些海洋物種包括冬季比目魚和鱈魚要求周期性冷水溫度以維持生理活動, 包括生長、繁殖以及魚卵和仔魚的成活和生長。推薦的海水溫升限值為2.2℃, 該值約是混合良好的河口水體晝夜溫差變化值的50%。允許的溫升值應(yīng)滿足冷水型物種的環(huán)境要求, 該值恰好落在大部分遷移性海洋生物通過熱不連續(xù)區(qū)域的耐受范圍內(nèi), 并且在受到潮汐循環(huán)導(dǎo)致的熱沖擊時保護(hù)底棲或潮間帶物種[16]。

河口和海岸的水生生物群體一般經(jīng)歷晝夜和潮汐的水體溫度變化。當(dāng)動物在晝夜水溫度變化區(qū)域而不是在一個穩(wěn)定的溫度時, 其熱耐受性較強(qiáng); 同時, 溫度的晝夜循環(huán)變化有助于減小單次暴露在超過最佳溫度的持續(xù)時間。該現(xiàn)象在潮間帶的貽貝中發(fā)現(xiàn)。若貽貝間歇被較冷潮水淹沒, 夏季低潮其短暫的可耐受暴露溫度為29~30℃。在實(shí)驗室穩(wěn)定暴露到在30℃水溫中導(dǎo)致貽貝在9~12 h內(nèi)死亡, 而每日6 h從30~25℃之間循環(huán)暴露, 貽貝可存活40 d[16]。

可見, 美國各個州水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中溫度準(zhǔn)則是基于水體自然每年及每日溫度循環(huán)得到的, 若溫排水滿足州水質(zhì)準(zhǔn)則的要求, 則滿足對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群生長和繁育的保護(hù), 即滿足316(a)的要求[16-17]。當(dāng)具體廠址所在海域環(huán)境熱容量可能被超越時, 應(yīng)基于區(qū)域水質(zhì)準(zhǔn)則, 通過環(huán)境容量分析確定流出物溫度限值, 并進(jìn)行實(shí)地研究和水質(zhì)模型以確定溫排水混合區(qū)的范圍和尺度, 還要與1.2節(jié)的混合區(qū)政策要求進(jìn)行比較, 若滿足要求, 則滿足316(a)的要求, 如表2中的Pilgrim和Millstone核電廠。

可見, 美國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)有大區(qū)域的要求, 各個州則根據(jù)州內(nèi)水體保護(hù)目標(biāo)有具體要求。我國僅在《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)中規(guī)定“第一類和第二類水體, 夏季人為溫升不得超過1℃, 其他季節(jié)不得超過2℃; 符合第三類和第四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水體, 人為溫升不得超過4℃”。我國當(dāng)前水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中溫度要求沒有區(qū)域差異, 沒有地方標(biāo)準(zhǔn), 也沒有溫度上限值要求。然而, 我國海域橫跨暖溫帶、亞熱帶和熱帶, 統(tǒng)一的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)無法確保不同受納水體中生物種群的生長和繁育。為了有效控制溫排水的影響, 我國當(dāng)前應(yīng)借鑒美國的經(jīng)驗, 結(jié)合代表性生物的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)參數(shù)研究不同區(qū)域各類別水體的溫度接受準(zhǔn)則。

美國濱海各州海水水質(zhì)準(zhǔn)則中的溫度要求與我國海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的第一類和第二類水體的要求基本相當(dāng)。我國當(dāng)前核電廠溫排水混合區(qū)范圍常被定義為4℃溫升包絡(luò)范圍[5], 對1℃溫升影響范圍常進(jìn)行近岸環(huán)境功能區(qū)劃的調(diào)整, 而使其滿足三類環(huán)境功能區(qū)的要求[6]。由美國水質(zhì)準(zhǔn)則要求可知, 在滿足混合區(qū)最小化的前提下, 在不降低該水域整體功能的情況下, 混合區(qū)范圍可以設(shè)置在符合二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的水體而無需調(diào)整近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃。

1.2 混合區(qū)政策

混合區(qū)是指在水體中設(shè)定有限的區(qū)域, 在該區(qū)域?qū)ε湃氲奈鬯M(jìn)行初始稀釋, 其水質(zhì)允許超過水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的水質(zhì)準(zhǔn)則。在美國, 混合區(qū)應(yīng)滿足美國CWA303頒布的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以及CWA316(a)條款的要求[10]。

1.2.1 混合區(qū)的一般要求

為了指導(dǎo)州或部落制定混合區(qū)政策, EPA提供了混合區(qū)政策的一般要求, 包括: (1)混合區(qū)不破壞整個水體認(rèn)定的功能; (2)混合區(qū)內(nèi)溫升不會導(dǎo)致通過混合區(qū)生物的死亡; (3)考慮到可能的暴露方式, 在混合區(qū)中溫升不會導(dǎo)致嚴(yán)重的人類健康風(fēng)險; (4)混合區(qū)不得使重要區(qū)域例如生物索餌場、產(chǎn)卵場、瀕危物種的棲息地、含敏感生物區(qū)域、貝類棲息地、漁業(yè)水域、飲用水水源、濱海娛樂區(qū)域受到威脅。在不破壞整個水體認(rèn)定的功能方面, 應(yīng)確保不同類型混合區(qū)不重疊(防止不同類型污染物的協(xié)同效應(yīng)), 并且避免抱岸熱羽。近岸水域一般是水體中生物生產(chǎn)力最高和最敏感的區(qū)域, 并且這些區(qū)域常常被用作娛樂用途。抱岸熱羽一般不與受納水體混合, 而維持近岸底棲區(qū)域或濱海娛樂區(qū)域較高的水溫, 從而對水體認(rèn)定的用途產(chǎn)生負(fù)面影響[18]。

溫排水在水體中實(shí)際物理混合過程可分為2個截然不同的區(qū), 即近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)。近區(qū)是指溫排水初始噴射動量、浮力和排水口的特點(diǎn)起主導(dǎo)作用的混合區(qū)域, 該區(qū)域常被認(rèn)為是初始稀釋區(qū)域。擴(kuò)散器和排放口的設(shè)計者通常努力使近區(qū)的初始混合和稀釋最大。當(dāng)排出流遇到諸如表面、底部或內(nèi)部環(huán)境密度分層的邊界條件后, 近區(qū)中止并過渡到遠(yuǎn)區(qū)。遠(yuǎn)區(qū)是指周圍環(huán)境主導(dǎo)混合過程的區(qū)域。在遠(yuǎn)區(qū)中排出流的初始動量和浮力均為零, 混合主要是周圍環(huán)境條件的作用。總之, 近區(qū)是初始排出流特征和浮力控制的典型區(qū)域, 而遠(yuǎn)區(qū)是由周圍環(huán)境條件控制的區(qū)域[7]。

對于水生生物準(zhǔn)則的制定, 近區(qū)對應(yīng)于急性效應(yīng), 遠(yuǎn)區(qū)對應(yīng)于慢性效應(yīng), 如圖1所示。在近區(qū), 急性和慢性準(zhǔn)則可能都會被超越, 但在該區(qū)域邊界滿足急性準(zhǔn)則。劃定急性混合區(qū)以防止通過的生物死亡。下一個混合區(qū)常被稱為慢性混合區(qū), 慢性準(zhǔn)則可能被超越, 但滿足急性準(zhǔn)則, 在慢性混合區(qū)邊界處滿足慢性準(zhǔn)則。劃定慢性混合區(qū)以保護(hù)整個水體的認(rèn)定的用途[18]。

表1中各個州水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的溫度要求即慢性溫度準(zhǔn)則。有些州規(guī)定了急性混合區(qū)的范圍和要求, 例如Oregon州溫排水混合區(qū)要求是魚暴露到32℃或更高溫度的時間應(yīng)低于2 s, 以防止魚的急性損傷或瞬時致死[19]; Florida州規(guī)定, 當(dāng)排放口(POD)處D≥9.4℃溫排水通過明渠或封閉管道排入開放水體時, 受納水體表層溫升不應(yīng)超過36℃[20]。我國研究者結(jié)合廠址代表性物種的溫度耐受性能研究給出了特定廠址的急性混合區(qū)邊界的溫度限值要求, 即典型北方和南方濱海核電廠溫排水混合區(qū)邊緣溫升限值的推薦值分別為3.6和3.06℃[21-22]。急性混合區(qū)范圍和邊界處溫度限值可由區(qū)域水生生物特點(diǎn)(游泳能力、溫度耐受能力)以及水文條件(流速)確定。

圖1 急性和慢性水生生物準(zhǔn)則對應(yīng)的混合區(qū)[18]

1.2.2 州溫排水混合區(qū)政策

表1總結(jié)了美國擁有直流冷卻水系統(tǒng)核電廠的濱海各州, 包括Massachusetts[15, 23]、Connecticut[24]、New York[25]、New Jersey[26]、Virginia[27]、North Carolina[28]、Florida[20]和California[29]的混合區(qū)政策?？梢钥闯? 對于河口和海灣, 溫排水混合區(qū)有相對尺度要求, 對于開放海域, 大部分州無混合區(qū)大小的限制。

對于河口和海灣, 任何時間溫排水混合區(qū)不超過斷面和/或水體體積的1/4至1/2; 或者任何時間不超過岸與岸之間表面1/2至2/3。Virginia州則規(guī)定: 溫排水混合區(qū)任何方向不超過從排放點(diǎn)至對岸之間1/3處的平均深度的5倍。建議采用淹沒式擴(kuò)散器, 使得初始稀釋區(qū)域外滿足水質(zhì)準(zhǔn)則[27]。

對于開放海域, 大部分州沒有規(guī)定溫排水混合區(qū)范圍要求。New Jersey州規(guī)定: 溫排水混合區(qū)禁止在距海岸線457.2 m范圍內(nèi)[26]; California州規(guī)定: 離岸排放, 并且最大排放溫升Dmax=11℃; 不得導(dǎo)致海岸線附近、任何海洋底質(zhì)表面自然水體溫升超過2.2℃,或者表層2.2℃等溫升線超過自排放系統(tǒng)往外304.8 m范圍。表層溫度限制應(yīng)確保在任何一個完整潮汐周期至少50%的時間滿足要求[29]。

由上述可知, 美國有較完善的溫排水混合區(qū)管理要求; 而我國當(dāng)前尚無混合區(qū)政策、管理規(guī)定或設(shè)置導(dǎo)則, 為了有效控制溫排水影響, 應(yīng)借鑒美國經(jīng)驗并結(jié)合我國特點(diǎn)盡快制定混合區(qū)管理規(guī)定或設(shè)置導(dǎo)則, 以約束混合區(qū)的位置、尺寸、形狀以及混合區(qū)內(nèi)水質(zhì)要求, 使混合區(qū)對水生生物的影響最小化。

1.2.3 具體廠址溫排水混合區(qū)的確定

具體廠址溫排水混合區(qū)范圍應(yīng)基于“一事一議”方式確定。首先基于現(xiàn)有可行的控制溫排水排放的技術(shù)給出排放口溫排水溫度限值, 通過水質(zhì)模型和實(shí)地測量研究分析熱羽影響范圍及混合區(qū)范圍; 若廠址溫排水可能超過區(qū)域環(huán)境容量, 則應(yīng)基于水質(zhì)準(zhǔn)則通過環(huán)境容量分析反推廠址的溫排水限值, 進(jìn)而通過水質(zhì)模型和實(shí)地測量研究分析熱羽影響范圍及混合區(qū)范圍[12]。上述方法確定的混合區(qū)范圍若滿足混合區(qū)政策的要求, 則滿足CWA316(a)的要求; 若不滿足則應(yīng)通過廠址特性熱影響研究, 證明確定的溫排水混合區(qū)仍能確保受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群的生長和繁育, 則也滿足CWA316(a)的要求[17]。

在確定具體廠址溫排水混合區(qū)的實(shí)際范圍時, 混合區(qū)尺寸應(yīng)遵循最小化原則, 即, 應(yīng)用可獲得的技術(shù)優(yōu)化排放口的位置、設(shè)計和運(yùn)行, 將混合區(qū)限制在一個盡可能小的區(qū)域, 以使其不干擾認(rèn)定用途, 或不干擾認(rèn)定用途的水體段內(nèi)的水生生物群落。溫排水混合區(qū)最小化原則根據(jù)其邊界落在實(shí)際混合近區(qū)還是遠(yuǎn)區(qū), 分為近區(qū)準(zhǔn)則和和遠(yuǎn)區(qū)準(zhǔn)則, 具體要求如下[23]。

近區(qū)準(zhǔn)則: 對于淹沒式排放, 即溫排水從接近海底的排放口排放, 在近區(qū)邊界處溫排水滿足水質(zhì)準(zhǔn)則, 并且沒有違反混合區(qū)的其他限制, 則可認(rèn)為混合區(qū)是最小化的。

遠(yuǎn)區(qū)準(zhǔn)則——反降級準(zhǔn)則: 使用溫排水遠(yuǎn)區(qū)作為混合區(qū), 需核實(shí)以滿足如下反降級要求: (a)是否有更小環(huán)境影響的合理可用或可行的替代廠址、冷卻方式或排放方式; (b)在設(shè)計和運(yùn)行上是否已最大程度降低混合區(qū)的影響范圍; (c)混合區(qū)是否會破壞水體整體性功能(包括現(xiàn)有和認(rèn)定的功能)。

當(dāng)具體廠址的混合區(qū)范圍不滿足1.2.2節(jié)的要求, 則申請者可提交申請混合區(qū)的專題論證報告, 建立替代混合區(qū), 替代混合區(qū)應(yīng)確保受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物生長和繁育[17]。

可見, 在美國的溫排水法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系中, 州規(guī)定的混合區(qū)政策是可以被超越的, 但溫排水必須滿足對水生生物保護(hù)的要求, 即確保受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定土著的貝類、魚類和其他野生生物生長和繁育, 例如Oyster Creek核電廠溫排水混合區(qū)不滿足州混合區(qū)政策要求, 但滿足對水生生物保護(hù)的要求, 詳見第2節(jié)。

2 美國濱海核電廠溫排水混合區(qū)的設(shè)置

表2給出了濱海核電廠Pilgrim[30]、Millstone[31]、Indian Point[32]、Oyster Creek[33]、Salem[34]、Carvert Cliff[35]、Surry[36]、Brunswick[37]、St. Luice[38]、Crystal River[39]和San Onofre[40]核電廠的流量、排放方式、排放口溫升和溫度的最大值(即Dmax和max)、熱羽范圍的預(yù)測和實(shí)測方法以及混合區(qū)范圍。

由表2可知, 美國核電廠廠址機(jī)組數(shù)量較小, 溫排水流量較小, 一般低于150 m3/s; 東北部瀕臨大西洋的核電廠的排放口Dmax和max最大值較高, 分別在18℃和40℃左右, 例如Pilgrim、Millstone、Indian Point和Oyster Creek核電廠。這主要是由于這些區(qū)域水生生物豐富, 是很多重要經(jīng)濟(jì)魚類(如冬季比目魚、鮭魚)的產(chǎn)卵場和索餌場, 這些地區(qū)水生生物的受到取水的卷載影響比溫排水更為顯著[30-33], 故核電廠采取降低取水量, 提高排水溫度, 以對水生生物的整體影響最小化。運(yùn)行期間, 核電廠需監(jiān)測排放口處的Dmax和max的日均值、瞬時值或滾動平均值; Brunswick核電廠每半年監(jiān)測一次混合區(qū)邊界溫度[37]。

核電廠一般使用水質(zhì)模型和實(shí)地測量研究分析熱羽的影響范圍。使用近區(qū)(COMIX模型)和遠(yuǎn)區(qū)模型(MIT、RMA-10)相結(jié)合的方式模擬漲潮和落潮(落急、低平潮、漲急、高平潮)熱羽影響范圍。根據(jù)水質(zhì)準(zhǔn)則或水生生物耐溫特點(diǎn), 混合區(qū)的范圍取模擬結(jié)果的小時均值、日均值或月均值。實(shí)地測量研究方法包括貼在浮標(biāo)上固定點(diǎn)表層溫度記錄器、拖曳式熱敏電阻(船測)、紅外熱攝像飛行等。

由表2可知美國濱海核電廠溫排水混合區(qū)有如下特點(diǎn): (1)在河口區(qū)域溫排水導(dǎo)致的表面溫升和橫截面溫升影響范圍滿足相應(yīng)的混合區(qū)政策要求, 超出混合區(qū)政策要求, 則需證明滿足對水生生物保護(hù)的要求, 如Indian Point、Oyster Creek核電廠; (2)對于溫排水可能影響重要底棲生物的區(qū)域, 需預(yù)測底部溫升影響范圍; (3)由于有夏季和非夏季水質(zhì)準(zhǔn)則要求, 因此有些核電廠給出不同季節(jié)的(夏季和非夏季)的混合區(qū)范圍; (4)混合區(qū)沒有固定的形狀, 有些以排放口為圓心的圓形, 有些則為矩形或不規(guī)則圖形; (5)對于離岸深排的核電廠如St. Luice和San Onofre核電廠, 表層水溫能滿足水質(zhì)準(zhǔn)則要求, 混合區(qū)范圍滿足最小化的要求(即近區(qū)準(zhǔn)則); (6)對于近岸排放的核電廠, 混合區(qū)外滿足水質(zhì)準(zhǔn)則, 混合區(qū)的設(shè)置沒有導(dǎo)致水體功能降級, 對水生生物的影響小, 滿足混合區(qū)最小化的要求(即遠(yuǎn)區(qū)準(zhǔn)則), 例如Millstone核電廠2號和3號機(jī)組(電功率共為2116 MW)混合區(qū)范圍(溫升0.8℃熱羽范圍)是排放口外半徑為2 438 m區(qū)域, 混合區(qū)的設(shè)置沒有降低水體功能并且對水生生物的影響小[31]。

我國當(dāng)前具體核電廠混合區(qū)的設(shè)置是基于“一事一議”的原則[1-3, 5], 我們的前期工作[41]已經(jīng)對當(dāng)前運(yùn)行和在建的核電廠混合區(qū)的設(shè)置情況進(jìn)行了統(tǒng)計, 我國核電廠兩臺機(jī)組運(yùn)行時溫排水4℃溫升影響范圍為1.76×10–4~2.72×10–3km2/MW之間[41]。美國Millstone核電廠4℃溫升影響范圍為排放口外半徑約為609.6 m區(qū)域, 面積約為0.57 km2, 即2.7×10–4km2/MW[32],該值在我國兩臺機(jī)組溫升影響范圍內(nèi), 可見, 雖然我國核電廠使用的預(yù)測模型和方法(物理模型和數(shù)學(xué)模型耦合的方法)與美國(使用數(shù)學(xué)模型和實(shí)地測量研究相結(jié)合的方法)不同, 但結(jié)果較為接近。然而, 我國在混合區(qū)位置的最優(yōu)化、尺寸的最小化等方面仍然有很大的優(yōu)化空間, 急需參考美國的混合區(qū)政策并結(jié)合我國國情制定出混合區(qū)政策或管理辦法, 以優(yōu)化混合區(qū)的設(shè)置, 使對水生生物的影響最小化。

3 結(jié)語

美國清潔水法以及聯(lián)邦法規(guī)給出溫排水和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的一般要求, 各個州的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)給出水質(zhì)準(zhǔn)則、混合區(qū)政策以及對水生生物保護(hù)的要求。水質(zhì)準(zhǔn)則給出各種類型水體溫度限值(包括溫升限值和/或溫度上限值)要求; 混合區(qū)政策給出混合區(qū)的位置、尺寸、形狀以及混合區(qū)內(nèi)水質(zhì)要求; 具體廠址應(yīng)基于“一事一議”的方式確定混合區(qū)范圍, 并滿足混合區(qū)最小化的準(zhǔn)則要求, 大部分美國濱海核電廠混合區(qū)范圍滿足州的混合區(qū)政策要求; 少數(shù)核電廠混合區(qū)范圍超過了州混合區(qū)政策要求, 這些電廠需進(jìn)行廠址特性熱影響研究, 若能證明當(dāng)前的溫排水限值仍能確保受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群的生長和繁育, 則也滿足清潔水法的要求。

美國核電廠溫排水可滿足水質(zhì)準(zhǔn)則、混合區(qū)政策和水生生物保護(hù)三個層次或任一層次的要求, 不同層次有具體的實(shí)施方法和導(dǎo)則, 以確保對水生生物的保護(hù), 又不影響核電事業(yè)的發(fā)展。

我國當(dāng)前水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中溫度要求沒有地方標(biāo)準(zhǔn), 也沒有區(qū)域差異的具體要求。為了有效控制溫排水的影響, 我國當(dāng)前應(yīng)借鑒美國的經(jīng)驗, 結(jié)合代表性生物的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)參數(shù)研究不同區(qū)域各類別水體的溫度接受準(zhǔn)則。

我國當(dāng)前尚無溫排水混合區(qū)政策及其實(shí)施方法和導(dǎo)則, 應(yīng)參考美國濱海核電廠混合區(qū)設(shè)置的實(shí)踐經(jīng)驗并結(jié)合我國廠址的特點(diǎn), 給出濱海核電廠溫排水混合區(qū)的設(shè)置導(dǎo)則, 約束混合區(qū)位置、尺寸、形狀以及混合區(qū)內(nèi)的水質(zhì), 滿足混合區(qū)最小化的要求, 防止水體功能降級, 維持受納水體中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的土著貝類、魚類和其他野生生物種群的生長和繁育。

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[33] U.S. NRC. Generic Environmental Impact Statement for License Renewal of Nuclear Plants Supplement 28 Regarding Oyster Creek Nuclear Generating Station Final Report - Main Report [R/OL]. 2007, https: //www. nrc.gov/docs/ML0701/ML070100234.pdf.

[34] U.S. NRC. Generic Environmental Impact Statement for License Renewal of Nuclear Plants Supplement 45 Regarding Hope Creek Generating Station and Salem Nuclear Generating Station, Units 1 and 2, Final Report [R/OL]. 2011, https://www.nrc.gov/docs/ML1108/ML 11089A021.pdf.

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[38] U.S. NRC. Generic Environmental Impact Statement for License Renewal of Nuclear Plants Supplement 11 Regarding St. Lucie Units I and 2, Final Report [R/OL]. 2003, https: //www.nrc.gov/docs/ML0313/ML031360705.pdf.

[39] U.S. NRC. Generic Environmental Impact Statement for License Renewal of Nuclear Plants Supplement 44 Regarding Crystal River Unit 3 Nuclear Generating Plant, Draft Report for Comment [R/OL]. 2011, https: //www.nrc.gov/docs/ML1113/ML11139A153.pdf.

[40] U.S. NRC. GEIS Appendix F: Methodology for Assessing Impacts to Aquatic Ecology and Water Resources [R/OL]. https: //www.nrc.gov/reading-rm/doc- collections/nuregs/staff/sr1437/v2/.

[41] 魏新渝, 商照榮, 楊端節(jié), 等. 核電廠直流冷卻和閉式循環(huán)冷卻方案比選調(diào)研報告[R]. 2015, NNSA-189. Wei Xin-yu, Shang Zhao-rong, Yang Duan-jie, et al. Investigation report on nuclear power plants with once-through cooling system compared with closed-circuitcooling system[R]. 2015, NNSA-189.

(本文編輯: 康亦兼)

Insights on the development of thermal discharge mixing zones from U.S. nuclear power plants in coastal regions

WEI Xin-yu, ZHANG Kun, WANG Shao-wei, XU Hai-feng, FANG Yuan, YANG Duan-jie

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

In this study, we investigated U.S. acts, regulations, standards, and policies with respect to thermal discharge and mixing zones and their applications to U.S. nuclear power plants in coastal regions, which we then compared with current Chinese situations. We found that general requirements regarding thermal discharge are provided by the U.S. Clean Water Act and the Code ofaquatic biota.include temperature limits (temperature increases and/or maximum temperatures) for various types of water. U.S. state mixing zone policies describe mixing zones in terms of location, maximum size, shape, and in-zone water quality. Individual mixing zones for specific discharges are defined on a case-by-case basis using the state mixing zone policies, and must ensure that the mixing zone size is minimized. Most thermal discharge mixing zones from U.S. nuclear power plants in coastal regions meet their respective mixing zone policies. For those unable to meet the mixing zone standards, site specific studies are conducted to determine the impacts of the thermal discharges to ensure the projection and propagation of balanced, indigenous populations of shellfish, fish, and wildlife in and on the body of water into which the discharge occurs. In China, there are no regional differences in water quality criteria and there are no policies, implementation methods, or guidelines for mixing zones. Therefore, the U.S. development of methods and practical experiences for thermal discharge mixing zones can help in the development and optimization of strategies for the thermal discharge mixing zones of Chinese nuclear power plants, thereby reducing the impacts on aquatic biota.

Nuclear power plant; Thermal discharge; Mixing zone; Water quality standard; Aquatic biota

Feb. 22, 2017

X22

A

1000-3096(2017)08-0053-11

10.11759/hykx20170222001

2017-02-22;

207-07-23

魏新渝(1982-), 女, 福建古田人, 高級工程師, 博士, 主要從事電廠取排水環(huán)境影響研究, 電話: 010-82205711, E-mail: weixinyu2004@163.com; 方圓, 通信作者, 工程師, 研究方向為核電廠環(huán)境影響, E-mail: fangyuan1014@126.com