關于國內溫排水生態影響研究的建議

劉永葉 楊 陽 喬亞華 張 琨

(環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

關于國內溫排水生態影響研究的建議

劉永葉 楊 陽 喬亞華 張 琨

(環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

本文通過對國外溫排水的生態影響研究現狀的深入調研，總結國際上的先進研究經驗和寶貴的研究成果，并對照國內研究現狀，提出國內溫排水熱影響的生物學和生態學研究框架。為國內電廠冷卻系統的生態影響評價體系的建立、溫排水排放管理對策的制定等提供有益的參考。

溫排水；熱污染；受納水體；生態系統

1 引 言

溫排水的熱污染問題是我國電力行業(火電、核電)發展過程中面臨的主要環境問題之一。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，加之核電機組功率一般高于火電機組，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，而且影響水生生物的繁殖、發育和存活生長及其種群的繁衍和持續[2]。在溫排水蘊含余熱量長期遠超過受納水體的熱環境容量的情況下，甚至會對其生態系統整體結構和生態功能產生不可逆的消極影響。

而我國現有的熱污染控制標準不夠完善，提出了“混合區”的概念，但沒有明確規定溫排水允許的混合區范圍及其它的關鍵控制參數，使得相關水質標準的可執行性不強[3]。目前國內在相關領域開展的研究工作主要側重于具有重要經濟價值而備受社會關注的物種，而對溫排水對受納水體生態系統整體結構和生態功能的影響的研究較少。因此，亟需開展國外溫排水的生態影響研究現狀的調研，明確總體研究思路，總結國際上的先進研究經驗和寶貴的研究成果，為今后國內相關領域的研究指明方向。

2 國外溫排水的生態影響研究思路及經驗反饋

2.1 研究思路

上個世紀70年代起，世界各國開展了大量的關于核電廠冷卻系統環境影響的相關研究。以美國為例，其出于各種管理因素考慮，需要建立溫度和水質標準，以保護“當地特有/土著生物”，并開展針對具體廠址特征的相關研究，從而為相關準則和標準的制定提供科學依據。美國各州發起了大量的相關研究項目，旨在評估冷卻系統帶來的生態壓力引起的生物和生態系統各組分的一般性應激反應[4-5]。

明確特定生物對冷卻系統相關的生態壓力(如排水溫升、冷凝器的影響和生物殺滅劑)的耐受性和應激反應，是制定保護“當地特有/土著物種”的水質標準的邏輯基礎。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系統的詳細信息。還有其他一些隨廠址地理特征變化的方面，因此需要針對特定廠址開展研究，制定相應的保護標準。然而，現在還沒有明確的導則用以識別生態系統的敏感和重要的指示性物種。那些有重要經濟價值而備受社會關注的物種可能并不是維持生態系統結構與功能的最重要物種。此外，研究表明冷卻系統對某一種群有限數量的個體的急性效應可能不是其最重要的影響，而種間關系的微小變化可能導致更嚴重的后果。因此，廠址特異性的急性效應和生物的耐受性的概念似乎已為這項監管要求提供了充分的理由，即每一個核電廠和大型化石燃料電廠都要開展冷卻系統環境影響的管理工作。對未破壞當地物種/土著物種的舉證責任主要由開發利用者承擔，監管機構僅提供少許相關導則或規范[5]。

對電廠影響進行統一監管的需求，與之前針對電站廠址特征的具體研究之間需找到一個結合點。“一事一議”指導思想下的研究導致出現了各種不同的研究方法，各系統間的共同點較少。因此，要選定一個通用的模式作為判斷影響程度的依據，如對各采樣站點的平均參數值及其隨時間的變化進行比較分析和統計[5]。

2.2 經驗反饋

西北太平洋實驗室、橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室評估了美國不同廠址具代表性的監測項目。通過這些項目得到的一般性結論如下[4-5]：

(1)針對運營前(未擾動條件下)生態系統的研究工作不夠充分，不足以體現所關注參數的正常時空變化情況；

(2)運營后的生態影響研究工作通常在對每個參數的變化水平進行定義前就已啟動，這里的參數指的是生物學上的重要參數或統計學可探測到變化的那些參數。顯著的生物、物理或化學變化的概念經常被混淆為是否存在統計學上的變化；

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

(4)在不清楚生態影響的特定假設條件和統計模型的情況下，若課題經費允許，測量盡可能多的參數數據。方案設計時，將大部分監測項目分配到眾多的監測類別中，導致每個類別實際分配到的樣本數太少，從而使統計結果對比分析時的靈敏度不夠。

針對典型監測項目的上述經驗反饋對今后的研究工作有重要的參考價值，特別是在多站點對比分析法適用的場景下需考慮上述觀點。

選取適當的辦法來確定冷卻系統的環境效應(直接、急性或亞致死效應)，或其對種群、群落和生態系統特性的影響，并不是一個很容易解決的問題。如果無法獲取對目標研究區域直接影響的相關信息，建議開展廠址特征的個案研究時考慮整個生態系統或區域的總體特征，關注其對重要生態資源的預期可能的顯著影響。此時，可運用現有的一些廠址特異化方法進行評價。

如果前期的廠址特異性研究已經給出了直接影響的程度，并且也適當關注了對受納水體現在或將來的環境影響，那么評價的重點應轉移到共生生態系統，以評估受納水體生態系統對冷卻系統影響的承載能力。這種方法的最終目標是為了充分了解生態壓力下的自然變異和應激反應，以便建立可靠的預警方法以及可評估的顯著影響的閾值。

回顧起來，世界上各個國家顯然已經付出相當大的努力來量化冷卻系統對生物個體的具體熱影響、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]，但對冷卻系統對種間關系的影響，或者說其對生態系統結構和功能的影響等間接效應的研究卻是少之又少。目前已發現許多與溫度相關的影響，但除了局部的熱羽流，大型水生生態系統正常的溫度循環基本不受影響，還未觀察到其對大型水生生態系統造成的災難性影響。冷卻系統的取水影響還未造成魚類種群可測量的變化，但是，在某些情況下，利用仿真模擬模型已經可以預測到其對種群產生的影響。顯然，不同物種種群對持續增加的死亡率和不同個體對亞致死壓力的承受能力的限值/閾值不同。提高對這些動態閾值的評估水平，是將來大范圍地利用大型水體用作冷凝器冷卻水源，同時保證不危害其中重要水生生物資源的關鍵。

過去通常將冷卻系統的余熱視為潛在的環境問題，而不是將其轉換為潛在的能源，即溫排水的余熱利用。通過精心設計，水產養殖系統可以對余熱加以利用，以提高水產品的生長速率，這種余熱利用方法對那些居民飲食需要補充蛋白質的國家特別有吸引力。取水口網前撞擊致死的魚類通常被丟棄，但加工成魚粉后可用作飼料。從理論上講，電站取水口和排水口可設計成有效的魚類捕集器，尤其是在養殖管理性的大型冷卻水池/池塘。但這種設計與減少冷卻系統和生物間的相互作用的目標是相反的，具體取決于獲取的物種、種群和群落的基本信息[5]。

3 國內溫排水生態影響研究的建議

目前國際上在如何選擇敏感性目標物種、利用何種生物指標如何來表征生物對溫升的生理反應，以及如何以此評價溫排水對水生生物的熱影響等問題的方法論研究不多，尚未形成統一標準[4-5]，尤其是對溫排水對受納水體生態系統整體結構和生態功能的影響的研究少之又少。因此，需要進一步開展溫排水對生態系統的影響研究，以預測一個電廠投運后對受納水體的長期影響。但，首先要通過研究確定電廠的最佳廠址。基于全方位的生物學和生態研究，可以確定溫排水受納水體最高絕對溫度和允許的溫度變化幅度。

理想條件下，全方位的生物學和生態研究項目包括物理、化學和生物的現場和實驗室研究。由于電廠廠址地理位置的差異，電廠的環境條件各不相同，因此沒有絕對的研究標準。通常，在熱帶地區，需要關注致死溫度，而在寒帶和溫帶地區，溫排水余熱對生物種群和行為的影響更需關注。同時，要考慮不同污染源的疊加影響。目前，人們對多種環境壓力對生物的協同作用至今還了解甚少，因此，需要對這種協同作用多加關注。

關于溫排水的生物學和生態學的熱影響研究方法是國際通用的。然而，一些新的研究方法還在發展過程中，特別是針對如何確定長期的間接致死影響、對生態系統的整體影響和區域影響的研究。為了獲得高質量的溫排水對生物體的熱影響數據，每個地點需要至少兩年的研究。如果要作可靠的預測，則還需更長期的研究。在生態學研究中，物理和化學知識是生物學研究的基礎。魚類、貝類和其它經濟類和觀賞類生物體都是當地生物區系/生物相不可或缺的一部分，對這些生物資源的研究通常都很有必要。

綜上所述，建議國內溫排水熱影響的生物學和生態學研究框架如下：

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

(2)一般性的生態學研究：①植物和動物物種的現存量及其分布和生物量，或其他相關的總體參數；②熱負荷對微生物、浮游生物、底棲生物和植物種群的影響；③ 溫度變化對重要生物個體和種群的影響；④熱負荷和其他生態壓力因子(如重金屬、營養鹽)同時作用于咸水或淡水中生 物個體和種群時的協同效應；⑤不同生命周期溫度效應導致的繁殖和死亡率的變化；⑥溫度效應導致的不同物種之間的關系變化(如捕食-被捕食和寄生蟲-宿主關系)；⑦溫度對重要物種的遷徙和其他行為現象的影響；⑧重要物種生命周期中的低溫條件；⑨重要物種對不同溫度條件的適應能力。

(3)對魚類及其他具商業和娛樂價值的資源的影響研究：①最重要的可食魚類的確定；②現存量和年產量；③溫排放對魚類生長和產量的影響；④生長和繁殖階段可適應的最高溫度或最佳溫度的確定；⑤生長和繁殖階段可適應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水體受熱環境下發生疾病的可能性；⑧魚類適應(食物網已發生改變的)受熱水體環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測。

以上主要是考慮溫排水的溫升作用對受納水體生態系統影響研究的框架，對溫排水余氯的生態系統影響也不能忽視[10]。近年來我國在海濱(河口或港灣)建設了許多大型火電廠和核電廠，海水溫排水余氯對海域生態和養殖環境的負面影響日益顯現。為了保護海域生態環境，必須制定相關標準限制濱海工業冷卻水余氯的排放濃度，而制定該標準則要求以受納海域主要生物的安全耐受濃度值為依據，并考慮保持受納海域生態結構和功能的完整性。因此，開展氯對生物群落的組成、結構和生態演替影響的研究，積累余氯對不同浮游生物影響的基礎資料，具有重大生態學意義。此外，還應開展溫升與余氯聯合作用的影響研究，以及冷卻系統取水的卷吸挾帶和撞擊作用對魚類等水生生物或海洋生物的機械損傷研究。

[1]連培生.原子能工業[M].北京：原子能出版社，2002.

[2]金嵐，李平衡，劉偉等.水域熱影響概論[M].北京：高等教育出版社，1993.

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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，高級工程師，輻射防護與環境保護專業，主要從事核設施的環境影響評價研究

喬亞華，高級工程師，主要從事核與輻射安全研究

X21

A

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

項目資助：國家科技重大專項“CAP1400安全審評關鍵技術研究”(2013ZX06002001)

引用文獻格式：劉永葉 等.關于國內溫排水生態影響研究的建議[J].環境與可持續發展，2017，42(3)：47-49.