濱海電廠溫排水對生態(tài)環(huán)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(huán)境監(jiān)測中心站 寧波 315012）

濱海電廠溫排水對生態(tài)環(huán)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(huán)境監(jiān)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(yīng)對附近海域生態(tài)系統(tǒng)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(tài)環(huán)境影響出現(xiàn)的新問題及今后研究趨勢。

溫排水；余氯；生態(tài)影響；疊加效應(yīng)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，火電和核電行業(yè)發(fā)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(tài)環(huán)境影響的主要污染因子是溫排水，溫排水對生態(tài)環(huán)境的直接影響因素是溫升和余氯。根據(jù)有關(guān)文獻資料，一些發(fā)達國家在20世紀(jì)70年代以前就開始了電廠溫排水對水生生態(tài)環(huán)境影響的研究。從20世紀(jì)80年代初開始，國內(nèi)相繼出現(xiàn)了相關(guān)研究成果介紹。電廠卷載效應(yīng)也是影響鄰近海域生態(tài)環(huán)境的一個主要因素。電廠卷載效應(yīng)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(nèi)的研究則剛剛起步。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 溫升對海洋生態(tài)環(huán)境影響的研究

1.1.1 溫升對浮游生物的影響

國內(nèi)外對這方面的研究較多，普遍認(rèn)為，溫排水使水域溫度升高，若環(huán)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(dǎo)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(nèi)，環(huán)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(jié)果表明，當(dāng)水體適度增溫時（ΔT≤3℃），群落中的種類數(shù)增加，其中浮游植物的種類數(shù)平均增加50%，浮游動物的種類數(shù)平均增加76%。在春季，溫度場弱增溫區(qū)生物量最高，是自然水溫區(qū)生物量的1.3倍；而在冬季，溫度場弱增溫區(qū)的浮游動物生物量是自然水溫區(qū)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(xiàn)減少。尤其是在夏季自然水溫較高時，在強增溫（ΔT＞4℃）區(qū)內(nèi)，亦即水溫超過35℃時，浮游動物的種類和數(shù)量都會減少，降低了群落的物種多樣性，還會改變?nèi)郝渲械奈锓N組成，有些種類的個體數(shù)量明顯減少，而個別耐熱種類數(shù)量開始增加，成為明顯的優(yōu)劣種。

徐曉群等［4］的研究結(jié)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(qū)域，且影響區(qū)域面積大小與該地的水文動力作用聯(lián)系密切。

1.1.2 溫升對底棲生物的影響

調(diào)查研究表明：電廠附近海域底棲生態(tài)系統(tǒng)會受到明顯擾動；附近海域底棲生物的種類和數(shù)量均有明顯下降，優(yōu)勢種亦發(fā)生了較大程度的變化；底棲生物的生物多樣性指數(shù)、均勻度和豐富度均較低，且呈明顯下降趨勢，群落結(jié)構(gòu)各參數(shù)值極為不理想［5－7］。

但關(guān)于影響程度，國內(nèi)外普遍認(rèn)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(qū)內(nèi)，底棲動物會減少，如果增溫區(qū)僅限于表層，則對底棲動物無影響；季節(jié)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(guī)律性影響。一般認(rèn)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?qū)е滤劳觥Ｒ虼耍谙哪┲林星锛竟?jié)，溫升對底棲動物造成不利影響最大，動物極度減少的區(qū)域會向中增溫區(qū)擴展。

胡德良等［8］有關(guān)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(nèi)，自然水溫越低，增溫對底棲動物種類與數(shù)量的增加越有利。在春秋兩季，適度溫升對節(jié)肢動物種類與數(shù)量的增加有利。但在強增溫區(qū)，增溫6℃以上，大型底棲動物有機體代謝增大，需氧量相應(yīng)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(qū)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(guān)于沿海火電廠工程建設(shè)對海洋環(huán)境影響的研究結(jié)果一致。

另外，法國的一項研究結(jié)果也表明，只有靠近排水口3 km2海域內(nèi)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(jié)構(gòu)的變化［11－13］。國內(nèi)對升溫水體中魚類生態(tài)學(xué)的研究做了一些工作。一般認(rèn)為，不同增溫區(qū)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(xiàn)出有利的影響，一定范圍內(nèi)種群數(shù)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(shù)量也增加。

研究表明［14－15］，熱排放對鄰近水域魚類的產(chǎn)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(qū)域（溫升1.0℃產(chǎn)卵。盛連喜等報道了升溫水體中的魚類種群動態(tài)，結(jié)果表明，溫排水對魚類的影響十分復(fù)雜，評價這種影響需要考慮到整個生態(tài)系統(tǒng)，包括魚類的營養(yǎng)學(xué)特征和空間生態(tài)位。現(xiàn)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(tài)影響。

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院通過對我國幾大水系魚類及水產(chǎn)動物共65種的抽樣調(diào)查、急性熱沖擊試驗、熱回避試驗、最大起始致死溫度和持續(xù)熱影響試驗，探討了我國漁業(yè)水域的廢熱排水對魚類影響的溫度標(biāo)準(zhǔn)［17］。認(rèn)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(qū)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(tài)環(huán)境的影響

濱海電廠工業(yè)中需要采用海水對發(fā)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(tǒng)的內(nèi)壁，造成內(nèi)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(tǒng)，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(jīng)整個冷卻系統(tǒng)后仍含有部分氯，構(gòu)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(chǎn)生毒害作用，影響水生生態(tài)環(huán)境。

1.2.1 海水中的氯化學(xué)

Cl2（ap）與H2O反應(yīng)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(shù)。當(dāng)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(yīng)。如氯與水中的氨反應(yīng)產(chǎn)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(tài)化合物余氯中NH2Cl穩(wěn)定性最好；其次為NHCl2；NCl3最差。當(dāng)p H不小于7時，主要產(chǎn)物是NH2Cl。

游離余氯性質(zhì)不穩(wěn)定，易被光解，且高溫、攪動都可加速其光解過程。Goldman等［18］發(fā)現(xiàn)，向海水中加入9～130 mg/L的有效氯，12 h后測定余氯濃度，發(fā)現(xiàn)海水中的余氯濃度衰減了80%。余氯在水體中的動態(tài)變化比較復(fù)雜，通常氯處理后的電廠冷卻水流經(jīng)整個冷卻系統(tǒng)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(fā)、與海水中還原物質(zhì)和有機物質(zhì)發(fā)生發(fā)應(yīng)而濃度逐漸降低，性質(zhì)比較穩(wěn)定的NH2Cl是水體中余氯的主要存在形態(tài)。

1.2.2 對初級生產(chǎn)力

國外研究表明，電廠溫排水對鄰近水域初級生產(chǎn)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(chǎn)力的影響進行了研究，通過對比電廠冷卻系統(tǒng)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(rèn)為電廠溫排水中的余氯將是損害初級生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)當(dāng)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(shù)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(chǎn)力的影響發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)在試驗室的生物測試和實驗結(jié)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(yīng)一樣。不同形態(tài)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(guān)于余氯對魚類的毒害作用存在較大爭議，大多數(shù)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(yīng)對海洋生態(tài)環(huán)境的影響

取水口附近匯流明顯，卷載效應(yīng)不容忽視。卷載效應(yīng)是水環(huán)境溫度、溫升幅度、物理壓力、生物群落結(jié)構(gòu)季節(jié)變化以及電廠水工設(shè)計特征等系列因素相互作用的綜合［28］。根據(jù)國外的研究結(jié)果，電廠卷載影響對浮游生物數(shù)量損傷率在10%～30%左右［2］。根據(jù)我國科研工作者的研究［1－2］，電廠溫排水系統(tǒng)對海水浮游藻類數(shù)量的損傷率在11.98%～27.08%左右，均值為19.82%，卷載效應(yīng)對浮游動物的損傷率較浮游藻類高；根據(jù)青島電廠的監(jiān)測結(jié)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(tài)環(huán)境影響出現(xiàn)的新問題

近年來，隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，在同一大水域上共建數(shù)座大型電廠的現(xiàn)象已不鮮見。數(shù)千米范圍內(nèi)可能出現(xiàn)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(fā)展，對應(yīng)的研究也呈現(xiàn)出類似的特點。

電廠群溫排水與以往的單個電廠循環(huán)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(yīng)，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(fù)雜。

這些不同之處，使得當(dāng)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(tǒng)數(shù)值預(yù)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(yīng)及加和作用，對大水體熱量的累積效應(yīng)缺乏預(yù)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(fā)新的預(yù)報模型［29－31］；②對于已建的大型電廠群，缺乏環(huán)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(shù)據(jù)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(yīng)的角度出發(fā)，今后的研究面臨如下問題需要解決。

（1）在現(xiàn)有數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)電廠群的自身物理特性，在湍流的參數(shù)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(fā)出新的適合電廠溫排水預(yù)測的模型。并結(jié)合溫排水對海域生態(tài)系統(tǒng)的影響研究成果，開展電廠群附近生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)研究。

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

（3）對于已建的電廠群，開展大水域環(huán)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(jiān)測技術(shù)的改進。在電廠前沿采用CTD走航測溫的方法，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定點準(zhǔn)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(xù)的溫度值，這樣在溫升范圍的確定過程中，能更真實、準(zhǔn)確地反映電廠前沿的溫升情況。另外，利用遙感技術(shù)監(jiān)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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