海上浮式核電站溫排水對海洋生態環境的影響

蘭志剛, 李新仲, 肖 鋼, 劉 聰

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海上浮式核電站溫排水對海洋生態環境的影響

蘭志剛, 李新仲, 肖 鋼, 劉 聰

(中海油研究總院, 北京 100028)

開發海上浮式核電站, 可以有效地解決海洋工業的用能需求, 符合國家能源發展戰略。海上核電冷卻循環系統產生的溫排水會對海洋環境本體及其生態系統產生一定的負面影響, 是環評工作關注的重點。論述了海上核電站溫排水的特點, 分析了其對受納海域水文條件、海水水質、生態環境、生物群落組成與結構等方面產生的影響, 提出了溫排水的熱污染控制對策。

海上浮式核電站; 溫排水; 海洋環境影響

發展核電是節能減排、減少溫室氣體排放、實現經濟和生態環境協調發展的有效途徑, 更是世界強國滿足能源需求、優化能源結構、保障能源安全、促進經濟可持續發展的重要戰略舉措。由于核電廠址的選擇條件極其嚴格, 且核電廠運行需要大量冷卻水作為最終熱阱, 建設運行于海上的浮式核電站便成為發展核電的一個有效途徑。

海上浮式核電站具有很好的海域適應性與靈活的移動性, 由于其遠離大陸本土, 即便發生核物質泄漏事故, 也不會對大陸本土產生核污染, 引發嚴重生態危機。同時, 由于海洋是天然的無限熱阱, 置身于海洋之中的海上核電站不會發生失水, 可有效地避免融堆事故的發生。俄羅斯幾年前就開始研制浮式核電站, 它的第一座在建浮動核電站取名為“羅蒙諾索夫號”, 它可以裝載2座35MW的KLT-40S反應堆, 為偏遠的俄遠東地區提供亟需的電力來源。美國也對浮式核電站表現出了濃厚興趣。麻省理工學院核科學與工程學院波恩基諾博士的研究團隊, 設計了一個可以抵擋地震和海嘯的漂浮核電站方案。該方案采用海上石油勘探平臺技術, 可以有效抵擋住地震和海嘯的襲擊。圖1分別為俄羅斯的“羅蒙諾索夫號”海上核電船和美國麻省理工學院的海上浮式核電平臺的概念設計圖。我國有關部門對海上浮式核電站的設想非常重視, 一些設計研究單位也開始了相關技術研究工作, 特別是針對渤海油田核能供電的可行性開展了大量前期研究。

海上核電廠在運行期間, 會對海洋環境產生一定的影響。其中冷卻循環系統產生的溫排水會對海域水文條件、海水水質、生態環境、生物群落組成與結構等多個方面產生影響[1-2]。由于核電熱效率低于火電, 會排放更多廢熱到周圍環境中, 因此核能電廠的熱污染更突出, 對環境的影響也更大。例如坐落在美國佛羅里達州比斯坎灣的一座核電站, 其排放的溫排水使附近水域水溫增加了8℃, 導致了1.5 km海域內生物消失。因此, 除放射性影響外, 海上核電站的溫排水也將成為海上核電項目環境影響評價的重點[3-4]。渤海是我國海洋經濟活動密集區, 也是我國唯一的半封閉型內海, 在我國海洋生態系統中具有重要作用和獨特的功能。由于其封閉性強, 水交換周期長, 環境承載能力較弱, 面臨著巨大的環境壓力。為此, 搞清海上浮動核電溫排水對渤海海洋生態環境的潛在影響, 是確保在渤海海域科學開發和利用海上核能的必要條件之一。

1 海上核電溫排水特點

由工廠排入受納水體且溫度比受納水體環境溫度高的冷卻水也稱之為溫排水。核電站發電時其核裂變能僅有少部分變成了電能, 其余大部分核裂變能則變成了熱能。因此, 核電廠在運行過程中將有大量的廢熱通過冷卻系統以溫排水的形式被釋放到水環境中。核電站溫排水排入海水后, 在水體中形成羽流, 并在海洋水動力的作用下通過稀釋、擴散等過程與海水水體混合, 在排放口附近形成混合區, 同時在浮力作用下, 上升到水體表面形成溫層, 在海面通過蒸發和輻射與大氣進行熱交換。溫排水的物理混合區域可分為近區和遠區。近區是由初始排出流特征和浮力控制的典型區域, 而遠區則是由周圍環境條件控制的區域。混合過程的空間范圍及溫升主要由溫排水的動量和浮力、排放口的結構和位置以及排放口附近水體的特性, 如深度和水流等因素決定。由于溫排水是一種污染源, 必需對其限定一定的范圍, 而該范圍的設置應以不削弱水體功能的完整性、不危及重要的生態敏感區、不降低臨近功能區的水質、確保海域環境功能的原有等級和生態系統的完整以及生態結構的相對穩定為準則[5]。因此, 從環境保護和監管角度來看, 混合區是指受納水體的水溫超過該水域水質目標限值的有限包絡范圍。而影響到這個范圍大小的排放因素包括溫排水排放量, 出口流速、溫排水與受納水體之間的溫度差等[6]。

a. 俄羅斯的“羅蒙諾索夫號”海上核電船; b. 美國麻省理工學院的海上浮式核電平臺

a. Russia’s floating nuclear power plantLomonosov; b. MIT offshore floating nuclear power plant

目前,我國在役濱海核電站均采用一次循環冷卻直排方式處理核電站的冷卻水, 即直接將吸收了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余熱帶入受納水體。相對于火電而言, 核電站效率較低, 只有約30%~35%, 加之核電機組循環水量是火電機組的1.2~1.5倍[7], 運行過程中超過60%的熱量將隨冷卻水排入受納水體, 如1臺1 000 MW的核電機組, 將會有2 000 MW的熱量散失到環境中, 當其采用直流冷卻方式時, 溫排水流量約為50 m3/s。若夏季工況溫升8℃, 則每天排放到受納水體的熱量為1.45×1011kJ; 冬季工況溫升10℃, 則每天排放到受納水體的熱量為1.81×1011kJ。因此與相同發電功率的火電廠相比, 核電廠具有溫排水排放量大、廢熱排放多的特點。

2 海上核電溫排水對海洋環境的影響

水溫是影響海水水質、水動力環境, 特別是水生生物生長繁殖和分布的重要環境因子。歐美等國家早在20世紀40年代就開展了溫排水對受納水體環境影響研究, 包括溫排水模型研究以及溫排水中余氯和溫升對浮游動植物和底棲動物影響等方面的研究。研究表明在適溫范圍內, 生物的生長速度與溫度成正比; 超過適溫范圍時, 生物的行為活動以及生長繁殖都將受到抑制, 甚至導致死亡。研究還發現溫排水對水域生態環境的影響多為潛在的和累積的, 嚴重時會從根本上、整體上改變水體理化特征, 進而嚴重影響水生態系統的結構和功能[8]。國內研究人員針對水生生物開展了熱影響實驗研究, 研究了溫排水對于海洋生物的影響與促進, 以確定溫升對魚類造成的致死或亞致死效應, 同時研究了不同季節、不同增溫引起浮游植物和浮游動物種類和數量的變化[9]。在確立溫度影響指標方面, 研究了不同生物的起始致死溫度(ILT)、最高起始致死溫度(UUILT)、臨界熱最大值(CTMax)、選擇/回避溫度、生長最適溫度(OGT)、最高周平均溫度(MWAT)、短期暴露最高溫度(MTSE)等的熱影響指標, 獲得了大量的生物熱影響基礎數據[3]。

海上核電溫排水對受納水體的影響主要集中在以下幾個方面。

2.1 對水動力環境的影響

溫排水排放后會上升到水體的表面形成溫層或徑直沖到排放口前方, 在水體中形成羽流, 進而擴散到大氣中或與冷水混合, 在混合區形成明顯和持久的溫躍層, 并由此改變了海水局部層化結構和流態。溫排水對溫層結構的影響程度由冷卻水系統的布局和排放水域的水動力狀況決定: 溫排水帶來的溫升會加深分層, 而冷水取用造成的水體循環則減小分層。對溫排水數值模擬研究表明, 溫排水產生的增溫影響, 最大增溫影響在表層, 底層增溫影響較小[10]。另外, 水溫升高后水體黏度降低, 有可能使懸浮物的沉積性能發生改變, 加之是排放口處的水流速較高, 因此也會對局部沉積環境產生影響。圖2為溫排水形成的羽流效果示意圖。

2.2 對海洋水質的影響

海上核電溫排水帶來的溫升會造成受納水體局部理化性質, 特別是水溫、溶解氧等指標的改變, 從而對海洋水質環境造成影響。主要體現在以下3個方面: (1)造成水體缺氧。由于氧氣溶解度隨著水體溫度升高而降低, 溫排水排放帶來的溫升將導致底層的溶解氧含量降低, 造成氧虧損; 同時, 水溫升高會加速底泥中有機物的生物降解, 分解速度加快, 耗氧量增多, 致使水體缺氧進一步加劇。(2)增加海水中有毒物質毒性。研究表明, 熱污染會增加海水中有毒物質對水生生物的毒性, 當水溫增至30℃時, 一些重金屬離子對浮游動物和底棲動物的毒性會增加2~4倍。(3)提高生物對有害物質的富集能力。貝殼類水生生物體內核素(銫、鈷、碘、鋅)的積累量將隨溫度升高而增大, 某些藻類對鈷、銫放射性同位素的吸收也隨溫度升高而升高[2]。

此外, 溫排水排放還有可能使水色變濁、透明度降低、氨氮、總磷、總氮含量增高, 造成受納水體的富營養化[11]。在影響赤潮的諸多因素中, 營養化水平是發生赤潮的最基本因素, 而針對渤海, 特別是遼東灣海域的監測結果表明, 其富營養化的水平已具備了發生赤潮的基礎條件, 只要其它因素適宜, 就可能暴發赤潮[12-13]。因此, 應海上核電運行中, 應嚴格控制溫排水排量, 以免進一步惡化水質, 引發赤潮。

2.3 對浮游生物的影響

海洋浮游生物是海洋生態系統中物質循環和能量傳遞的重要環節, 在海洋生態系統的結構和功能中, 占據極為重要的位置。海洋浮游生物作為海洋生物生產力的基礎, 既控制著海洋初級生產力, 也影響著魚類和其他動物的生物量。

研究表明若環境水溫升高超過海洋生物生長的適宜溫度范圍, 則海洋生物生長將受到抑制或損害, 若不超出該溫度范圍, 則會促進海洋生物的生長和繁殖。首先, 溫升導致水體溶解氧下降, 會加劇微厭氧菌的繁殖以及海洋中存積生物殘體的生物分解, 致使有機物的氮、磷分解速度加快以及海水富營養化, 促進了水中富營養化藻類的生長, 使優勢種突出, 繼而導致多樣性指數下降。同時, 溫升導致的富營養化會使懸浮物的濃度增大, 導致浮游植物的關鍵生境條件光照和溫度發生顯著變化, 也會造成浮游植物生物量和種群結構發生變化。研究表明, 浮游植物在20℃水生環境中生長最慢, 30~35℃生長最快, 但超過35℃時生長速率開始下降, 30℃以上高水溫可加速浮游植物生長, 但使浮游植物多樣性降低, 耐污種增加; 對于浮游動物來說, 水溫超過35℃時, 特別是夏季在強增溫(Δ>4℃)區內, 浮游動物的生存條件將明顯受到威脅, 種類和數量都會減少, 群落的物種多樣性降低, 群落中物種組成發生改變, 個別耐熱種類數量開始增多, 成為明顯的優勢種。如從各類群浮游動物的耐溫特性得知, 35℃時原生動物和輪蟲的生物數量較大, 枝角類數量稀少, 橈足類則基本消失。由于溫排水直接作用于海洋浮游生物, 會對它們的分布和生活習性產生影響, 在上行效應的作用下, 處于食物鏈上層的魚類、哺乳類動物及甲殼類進而也會受到直接或間接的影響。

2.4 對魚類的影響

魚類是變溫動物, 其體溫的調節能力相對較弱, 對周邊水溫的變化十分敏感, 會選擇在溫度適宜的水域內活動, 對超出適宜溫度范圍的高溫或低溫水體有回避反應。在適溫范圍內, 水溫的升高會提高魚類的攝食能力, 促進其性成熟和身體生長; 當水溫過高時, 會對水域中的魚類產生熱沖擊, 阻止營養物質在魚類生殖腺中的積累, 從而限制魚卵的成熟, 影響魚類生殖, 甚至會引起魚類異常發育事件的發生, 對魚類會造成明顯的危害[14]; 同時水溫的變化, 也將會引起魚類餌料生物群落結構發生變化, 進而影響魚類生長。魚類對高溫水體的回避反應, 也將導致其洄游通道、產卵區、棲息地的改變, 進而影響環境和生態平衡。

2.5 對底棲生物的影響

底棲生物是海洋生物中的重要生態類群, 是海洋食物鏈中重要的一環, 其數量的多少影響著經濟類魚蝦資源的數量和漁業的發展。海洋底棲生物的分布主要受底質、水溫、鹽度等海洋環境因子的影響。由于底棲生物長期棲息在水底底質表面或底質的淺層中, 它們棲息地相對固定、遷移能力弱, 難以回避熱排放沖擊, 當升溫超過其適應閾值, 則會導致其代謝異常甚至死亡, 最終導致強增溫區內底棲生物的消失。研究表明, 底棲生物對于高溫沖擊極為敏感[15], 溫排水海域最先出現的海洋生態破壞往往就是底棲生物絕滅現象。

另外, 核電廠取、排水過程中形成的卷載效應, 會對通過濾網系統而進入冷凝器的小型浮游生物、卵及魚類幼體等所造成的巨大傷害。冷卻水取水口的卷載和溫排水形成的羽流也會阻斷水生生物的洄游路線。這些都會對受納水體的生態環境產生不利影響。

鑒于上述原因, 為控制和減少溫排水對海洋環境的影響, 各國在確立溫排水混合區時, 都規定了混合區不能妨礙現有受納水體的使用功能, 不能妨礙水生物種的自然遷移、洄游、繁殖和生長等強制要求, 以盡可能降低溫排水對水生生物的影響。

3 結論和建議

開發海上浮式核電站, 可以有效地解決海洋工業的用能需求, 符合國家能源發展戰略。然而海上浮動核電站在運行過程中將有大量的廢熱通過冷卻系統以溫排水的形式被釋放到水環境, 對受納海域水文條件、海水水質、生態環境、生物群落組成與結構等方面產生影響, 需要引起足夠的重視。

為合理控制溫排水排放對環境的影響, 應針對擬建海上浮式核電站海域的生態群落結構特征, 開展廠址附近海洋生物的耐溫特性及其他熱影響特性專項研究, 進而利用熱影響研究數據, 結合擬建水域的水動力特征, 論證并確立核電站溫排水混合區范圍、混合區邊緣溫升限值以及排放口極端高溫值等混合區參數, 確定更科學的溫排水控制方案。

另外, 核電廠溫排水具有流量穩定、水質清潔等特點, 是一種理想的低品質熱源。應加強海上核電溫排水資源化利用技術的研究, 開展核電廠溫排水余熱綜合利用。渤海是我國海洋油氣開發的主戰場, 產能占國內海洋油氣產量的50%以上。海上油氣生產過程中, 需要大量的熱和淡水資源。特別是渤海稠油儲量巨大, 現階段最成熟的稠油開采技術便是熱采技術。因此, 應積極探索將海上核電產生的余熱用于稠油熱采、平臺冬季供暖以及海水淡化等方面的技術可行性, 以便在發展海上核電的同時, 實現油田生產的節能減排。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Potential impacts of thermal discharge on marine environment from offshore floating nuclear power plant

LAN Zhi-gang, LI Xin-zhong, XIAO Gang, LIU Cong

(CNOOC Research institute, Beijing 100028, China)

Development of offshore floating nuclear power plants can effectively solve the energy demands of the marine industry, which is definitely in line with national energy development strategies. However, the thermal discharge generated by the cooling system of an offshore nuclear power plant would have negative impacts on the marine ecosystem and would thus be the focus of an environmental impact assessment. This article discusses the characteristics of thermal discharge from offshore nuclear power plants; analyzes its impact on the receiving water body with respect to hydrological conditions, water quality, ecosystems, and the composition and structure of biological communities; and proposes control measures for preventing or limiting the impacts of thermal discharge.

Oct. 8, 2015

offshore floating nuclear power plant; thermal discharge; environmental impact

X55

A

1000-3096(2016)06-0084-05

10.11759/hykx20151008004

2015-10-08;

2015-12-01

中科華核電技術研究院有限公司委托項目(20150T-004); 中海石油有限公司綜合科研課題(YXKY-2014-ZY-07-MR- PMT-013)

[Foundation: Program Entrusted by China Nuclear Power Technology Research Institute, No. 20150T-004; Research Program of China National Offshore Oil Co., No.YXKY-2014-ZY-07-MR- PMT-013]

蘭志剛(1963-), 男, 山東青島人, 教授級高級工程師, 注冊環評工程師, 博士, 從事海洋工程環境、環境影響評價和新能源應用研究工作, 電話: 010-84522243, E-mail: lanzhg@cnooc.com.cn