濱海電廠溫排水對生態環境影響研究進展＊

何琴燕，任 敏，蔡燕紅，葉慧明，黃秀清

（國家海洋局寧波海洋環境監測中心站 寧波 315012）

濱海電廠溫排水對生態環境影響研究進展＊

何琴燕，任 敏，蔡燕紅，葉慧明，黃秀清

（國家海洋局寧波海洋環境監測中心站 寧波 315012）

文章綜述了濱海電廠溫排水溫升、余氯及卷載效應對附近海域生態系統中的浮游生物、底棲生物、魚類等生物因子影響的研究進展，并闡述了濱海溫排水對生態環境影響出現的新問題及今后研究趨勢。

溫排水；余氯；生態影響；疊加效應

近年來，隨著我國經濟的快速發展，火電和核電行業發展迅速。為了充分利用海水作為冷卻用水，建造了越來越多的濱海電廠。目前，我國的濱海電廠主要有火電廠和核電廠兩種。火電廠有黃島電廠、國華寧海電廠、烏沙山電廠等。核電廠有秦山核電站、大亞灣核電站等。

濱海電廠對鄰近海域生態環境影響的主要污染因子是溫排水，溫排水對生態環境的直接影響因素是溫升和余氯。根據有關文獻資料，一些發達國家在20世紀70年代以前就開始了電廠溫排水對水生生態環境影響的研究。從20世紀80年代初開始，國內相繼出現了相關研究成果介紹。電廠卷載效應也是影響鄰近海域生態環境的一個主要因素。電廠卷載效應對浮游生物損傷的研究，國外早在70年代就已達到盛期［1－2］，而國內的研究則剛剛起步。

1 國內外研究現狀

1.1 溫升對海洋生態環境影響的研究

1.1.1 溫升對浮游生物的影響

國內外對這方面的研究較多，普遍認為，溫排水使水域溫度升高，若環境水體升溫后超過水生生物生長的適宜溫度，尤其是炎熱的夏季，可能導致水生生物的生長受到抑制或死亡。但如周圍水體升溫后仍在水生生物適溫范圍內，環境水體溫度的升高則會促進水生生物的生長和繁殖。

金臘華等［3］的觀測結果表明，當水體適度增溫時（ΔT≤3℃），群落中的種類數增加，其中浮游植物的種類數平均增加50%，浮游動物的種類數平均增加76%。在春季，溫度場弱增溫區生物量最高，是自然水溫區生物量的1.3倍；而在冬季，溫度場弱增溫區的浮游動物生物量是自然水溫區生物量的2.4倍。但是在水體強增溫時（ΔT＞3℃），水生生物群落中種類出現減少。尤其是在夏季自然水溫較高時，在強增溫（ΔT＞4℃）區內，亦即水溫超過35℃時，浮游動物的種類和數量都會減少，降低了群落的物種多樣性，還會改變群落中的物種組成，有些種類的個體數量明顯減少，而個別耐熱種類數量開始增加，成為明顯的優劣種。

徐曉群等［4］的研究結果表明，濱海電廠溫排水對活動能力強的大型浮游動物的影響明顯，對橈足類等活動能力弱的小型浮游動物影響較小，或幾乎沒有影響。溫排水對大型浮游動物的影響主要集中在近排水口的區域，且影響區域面積大小與該地的水文動力作用聯系密切。

1.1.2 溫升對底棲生物的影響

調查研究表明：電廠附近海域底棲生態系統會受到明顯擾動；附近海域底棲生物的種類和數量均有明顯下降，優勢種亦發生了較大程度的變化；底棲生物的生物多樣性指數、均勻度和豐富度均較低，且呈明顯下降趨勢，群落結構各參數值極為不理想［5－7］。

但關于影響程度，國內外普遍認為：只要溫升不是過高，影響范圍不是過大，不會造成很大危害；在夏季的強增溫區內，底棲動物會減少，如果增溫區僅限于表層，則對底棲動物無影響；季節不同，水溫對底棲動物的影響有所差別；溫升對底棲動物的種類組成和生物量沒有明顯的規律性影響。一般認為，溫排水會造成底棲動物棲息場所的減少，其中夏末至中秋期間，影響最大。因為在夏末至中秋期間，自然水溫很高，若再提高水溫，動物的生長可能受到抑制或導致死亡。因此，在夏末至中秋季節，溫升對底棲動物造成不利影響最大，動物極度減少的區域會向中增溫區擴展。

胡德良等［8］有關湘潭熱電廠熱排放對湘江大型底棲無脊椎動物影響的研究表明，增溫4℃對底棲動物有利，并且在一定的水溫范圍內，自然水溫越低，增溫對底棲動物種類與數量的增加越有利。在春秋兩季，適度溫升對節肢動物種類與數量的增加有利。但在強增溫區，增溫6℃以上，大型底棲動物有機體代謝增大，需氧量相應增大，而水體受多種因素影響，隨溫度升高而溶解氧降低，這將不利于大型底棲動物的生存，使大型底棲動物在強增溫區消失，進而造成大型底棲動物棲息場所的減少，這與王傳崑［9］關于沿海火電廠工程建設對海洋環境影響的研究結果一致。

另外，法國的一項研究結果也表明，只有靠近排水口3 km2海域內的底棲生物才受到顯著影響［10］。

1.1.3 溫升對魚類的影響

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，引起群落結構的變化［11－13］。國內對升溫水體中魚類生態學的研究做了一些工作。一般認為，不同增溫區對魚類的影響也不同，通常增溫幅度大于3℃對某些魚類的危害比較明顯；增溫幅度小于3℃對魚類則表現出有利的影響，一定范圍內種群數量隨水溫升高而提高，并且魚類的遷入增多、遷出減少，其個體數量也增加。

研究表明［14－15］，熱排放對鄰近水域魚類的產卵活動影響較為明顯，魚類一般避開溫升1.0℃以上水域而趨于在熱排放的邊緣區域（溫升1.0℃產卵。盛連喜等報道了升溫水體中的魚類種群動態，結果表明，溫排水對魚類的影響十分復雜，評價這種影響需要考慮到整個生態系統，包括魚類的營養學特征和空間生態位。現有的研究成果還不能從整體上評價溫排水給魚類帶來的生態影響。

中國水產科學研究院通過對我國幾大水系魚類及水產動物共65種的抽樣調查、急性熱沖擊試驗、熱回避試驗、最大起始致死溫度和持續熱影響試驗，探討了我國漁業水域的廢熱排水對魚類影響的溫度標準［17］。認為我國夏季廢熱排水最高溫度珠江水系和湛江沿岸水域不得超過36℃；長江和錢塘江水系、黃河水系不得超過35℃；黑龍江和松花江水系不得超過26℃；大連灣近岸水域不得超過24℃；西北地區冷水性魚類水域不超過21℃，且各水系最大水溫變化范圍不能超過±3℃。

1.2 余氯對海洋生態環境的影響

濱海電廠工業中需要采用海水對發電機組進行冷卻，但海水含有的污損生物幼體容易黏附在冷卻系統的內壁，造成內壁表面形成絕熱層，甚至阻塞管道，從而影響冷卻效果，損壞冷卻系統，以至于危及電廠的安全運行。用氯處理冷卻的目的就是為了防止污損生物的黏附，而冷卻水流經整個冷卻系統后仍含有部分氯，構成余氯的來源。但是氯處理后的海水會隨溫排水注入鄰近水域，對水生生物產生毒害作用，影響水生生態環境。

1.2.1 海水中的氯化學

Cl2（ap）與H2O反應生成HOCl。

Cl2（ap）＋H2O→HOCl＋HCl；Kb＝4×10－4。

HOCl是一種弱酸。

HOCl→H＋＋OCl－；PKa＝7.5

顯然，HOCl與OCl－的相對量是p H的函數。當p H小于7.5時，HOCl的相對含量大；p H大于7.5時，OCl－的相對含量大。Cl2（ap），HOCl和OCl－稱為游離有效氯。

氯可與水中一些還原性無機物或某些有機物反應。如氯與水中的氨反應產生一系列氯化銨化合物，稱為氯胺，亦稱為化合有效氯。

HOCl＋NH3（aq）→NH2Cl＋H2O

或HOCl＋NH3→NH2Cl＋H2O

HOCl＋NH2Cl→NHCl2＋H2O

HOCl＋NHCl2→NCl3＋H2O

3種形態化合物余氯中NH2Cl穩定性最好；其次為NHCl2；NCl3最差。當p H不小于7時，主要產物是NH2Cl。

游離余氯性質不穩定，易被光解，且高溫、攪動都可加速其光解過程。Goldman等［18］發現，向海水中加入9～130 mg/L的有效氯，12 h后測定余氯濃度，發現海水中的余氯濃度衰減了80%。余氯在水體中的動態變化比較復雜，通常氯處理后的電廠冷卻水流經整個冷卻系統大約要15～25 min。剛排出的冷卻水中，游離余氯占主要部分，化合余氯所占比例不大，但隨冷卻水排入鄰近水體，游離余氯不斷被稀釋、光分解、揮發、與海水中還原物質和有機物質發生發應而濃度逐漸降低，性質比較穩定的NH2Cl是水體中余氯的主要存在形態。

1.2.2 對初級生產力

國外研究表明，電廠溫排水對鄰近水域初級生產力的重要抑制因素是余氯，而不是溫排水的熱沖擊［19－20］。Hamilton等［21］對美國馬里蘭州Patuxent河畔Chalk Point電廠氯處理對初級生產力的影響進行了研究，通過對比電廠冷卻系統有無進行氯處理，對電廠進、排水口的葉綠素a濃度進行了分析比測，并認為電廠溫排水中的余氯將是損害初級生產力的主要因素。Brook等［22］對電廠溫排水中的浮游植物進行研究，發現當電廠進行氯處理時，浮游植物的光合作用、呼吸作用受到了抑制，而停止氯處理后，則無影響。

電廠溫排水中的余氯對鄰近水域中的游浮植物的影響可達數千米范圍，Eppley等［23］曾估算San Qnofre電廠溫排水對鄰近水域初級生產力的影響發現損失的有機碳競達到了15～30 kg/d。由此可見，余氯對鄰近水域初級生產力的影響是不容忽視的。

1.2.3 對水生生物的毒性作用

余氯對水生生物的影響已經在試驗室的生物測試和實驗結果中顯示出來［24］。余氯對水生生物的破壞作用主要取決于余氯的濃度和作用時間［25－27］。余氯濃度低且作用時間長可能與濃度高而作用時間短的毒性效應一樣。不同形態的余氯對水生生物的毒害作用也有不同。對于浮游植物和浮游動物，化合余氯的毒性要比游離余氯的強。關于余氯對魚類的毒害作用存在較大爭議，大多數研究表明，在余氯濃度較高時，游離余氯的毒害作用強于化合余氯。

1.3 卷載效應對海洋生態環境的影響

取水口附近匯流明顯，卷載效應不容忽視。卷載效應是水環境溫度、溫升幅度、物理壓力、生物群落結構季節變化以及電廠水工設計特征等系列因素相互作用的綜合［28］。根據國外的研究結果，電廠卷載影響對浮游生物數量損傷率在10%～30%左右［2］。根據我國科研工作者的研究［1－2］，電廠溫排水系統對海水浮游藻類數量的損傷率在11.98%～27.08%左右，均值為19.82%，卷載效應對浮游動物的損傷率較浮游藻類高；根據青島電廠的監測結果［1］，橈足類損傷率為29%～34%，受損的種類多是偶見種，尤其是個體較大的種類，如中華哲水蚤、太平洋哲水蚤。

2 溫排水對生態環境影響出現的新問題

近年來，隨著國家經濟建設的飛速發展，在同一大水域上共建數座大型電廠的現象已不鮮見。數千米范圍內可能出現兩個以上電廠，如象山港的國華寧海電廠和浙江大唐烏沙山電廠。濱海電廠朝著更加密集化、大型化的方向發展，對應的研究也呈現出類似的特點。

電廠群溫排水與以往的單個電廠循環冷卻水具有以下不同之處：①電廠群溫排水含有大量余熱，比單個電廠要大很多。因此迫切需要考慮鄰近水域的熱容量。②考慮到溫升的疊加效應，電廠群溫排水對附近水域的熱影響比單個電廠的熱影響更為復雜。

這些不同之處，使得當前的溫排水研究在解決這個特定的工程問題上仍然存在著以下不足：①傳統數值預報模型難以精確地考慮電廠群中各電廠溫排放之間的熱量疊加效應及加和作用，對大水體熱量的累積效應缺乏預測能力，因而對電廠群所在大水域熱容量的評估乏力，亟須開發新的預報模型［29－31］；②對于已建的大型電廠群，缺乏環境熱容量方面的研究；③以往溫排水的觀測多為利用溫度計觀測進行定點同步觀測［31］。由于定點觀測的站位有限而且比較分散，在后期溫升范圍圖的繪制中需要通過定點站位的溫度值，通過數據插值來獲得需要的不同程度溫升范圍。該方法可以較近似表示溫升范圍，但也存在較多的問題。

3 溫排水的研究趨勢

對于以上提出的問題，從濱海電廠疊加效應的角度出發，今后的研究面臨如下問題需要解決。

（1）在現有數值模型的基礎上，根據電廠群的自身物理特性，在湍流的參數化方法、海氣熱通量和邊界條件方面做一些嘗試和改進，從而開發出新的適合電廠溫排水預測的模型。并結合溫排水對海域生態系統的影響研究成果，開展電廠群附近生態系統動力學研究。

（2）利用數值模擬的方法，從整個大水域來考慮電廠建設的總體規劃布局，研究和建立多電廠排、取水布置的最優導向，強化電廠間以及電廠與其他開發項目間的協同作用和加和作用。

（3）對于已建的電廠群，開展大水域環境熱容量評估，并著眼于污染源減排和提升水域熱排放管理水平。

（4）監測技術的改進。在電廠前沿采用CTD走航測溫的方法，來代替傳統的定點準同步的觀測方法。CTD走航測溫的方法在各測溫斷面可以得到連續的溫度值，這樣在溫升范圍的確定過程中，能更真實、準確地反映電廠前沿的溫升情況。另外，利用遙感技術監測電廠附近海域的溫升情況也是今后的研究趨勢。

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象山港電廠群疊加影響與污染損害評估（200905010－7）.