核电厂温排水环境影响评价及减缓措施

张晓峰

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

核电厂温排水环境影响评价及减缓措施

张晓峰

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

核电厂温升范围预测、法规适应性分析、热影响生态效应研究及热污染影响评价等方面，对我国拟建核电厂的温排水环境影响现状、评价方法及相关研究内容进行概述，在此基础上，针对目前温排水环境影响评价中的不足，从完善相关法规要求、加强热污染影响基础研究和考虑热影响叠加效应等角度给出研究者和管理人员所应关注的内容，并提出了可减缓热污染影响的余热利用措施的建议。

核电厂；温排水；热污染；环境影响评价；减缓措施

引言

相对于火电，核电因其不燃烧化石能源，不产生SO2、NOx等气体污染物和温室气体而更符合清洁环保的要求。但核电相比火电热功率较大而热利用效率较低，因此释入环境的热量较多。目前，国内外核电厂的循环冷却主要采用两种处理方式——直接排入自然水体的一次循环冷却 （直流冷却）和利用冷却塔（湿式和干式）进行的二次循环冷却。例如，美国的104座核反应堆中，60座使用一次冷却，35座使用湿式冷却塔的二次冷却，9座使用根据环境条件进行切换的双冷却系统；法国有4个滨海核电厂，全部使用海水直流冷却，15个内陆核电厂中11个（32座反应堆）使用冷却塔蒸发冷却，另外4个（12座反应堆）使用河水或湖水直流冷却；英国、瑞典、芬兰、加拿大、南非、日本、韩国等国的核电厂基本都建在海边（或大湖边），全部采用直流冷却[1]。我国目前所有运行和在建核电厂均为滨海厂址，采用以海水为最终热阱的一次循环冷却方式。

核电厂的不同循环冷却方式对环境的潜在影响也不同。广泛采用的直流冷却主要对水环境产生温升和与其他污染物的协同效应等影响，二次循环冷却将热量从水相转移到蒸汽中释出，使大量热量和水滴进入大气环境，可能对局地小气候产生一定影响。同时，由于采用冷却塔冷却的核电厂大多建在纳污容量较小的水体旁，排污水量虽小但影响仍不可忽视。随着我国核电规模不断扩大，除放射性影响之外，温排水造成的热污染影响也是核电厂环境影响评价中需要重视的内容之一。

1 评价工作程序

1.1 温升范围预测

温排水影响评价是在核电厂运行之前开展的预测性评价，评价须基于根据类比分析或热扩散预测研究的方法获得温升范围预测结果来进行。目前常用的热扩散预测研究方法是数值模拟计算和物理模型试验。其中，物理模型试验通常以核电厂排水口附近海域为对象，采用水下地形模拟和控制开边界流量、监视模型潮位过程的潮汐模拟系统，人工控制模型边界进出水量，并考虑重力相似为主，兼顾浮力相似的准则，对取排水口附近水域流场、温度场的三维特性进行模拟，其结果可以较好地反映排水口近区域的热污染扩散。数值模拟又分为二维或三维模型，三维模型研究多采用物理模型试验或试验和数值模拟相结合的方法，在实际工作中因费用较高而使用较少，使用广泛的二维模型数值模拟是在平面二维的深度平均数学模型的基础上引入考虑速度与浓度 （或温度）的垂向分布不均匀性的流散影响，可适用于对全场的二维模拟，其特点是对热扩散远区温升分布的预测较好，但无法模拟温排水近区与周围环境水体的卷吸稀释混合现象[2]。

目前，我国核电厂址容量大都为4～6台核电机组，由于各电厂的循环冷却水排放设计和受纳水体稀释扩散条件各有不同，预测研究得到的温升包络面积也不尽相同。表1给出了我国一些在建核电厂的温升范围预测结果，结果显示高温升区（4℃以上）范围基本保持在数个平方公里之内，而1℃温升区范围则差异较大。按照保守原则通常取最大包络面积进行评价。

表1 我国若干核电厂温升范围预测结果 km2

1.2 法规适应性分析

评价中首先需考虑电厂温排水影响范围与附近受纳水体的功能区划及相应温升控制要求的相容性。我国在一些环境质量标准中提出了温升限值，使用较多的是《海水水质标准》（GB3097-1997）中第一、二类海水水质“人为造成的海水温升夏季不超过当时当地1℃，其他季节不超过2℃”；第三、四类水质 “人为造成的海水温升不超过当时当地4℃”的规定。核电厂附近的受纳水体通常存在近岸海域环境功能区划或自然保护区的水质管理要求，直流循环时7～11℃的排水温升必然将在排水口附近区域形成不能满足GB3097-1997要求的高温升区，因此从满足法规要求的角度需考虑设置排污混合区，设置混合区时需满足《近岸海域环境功能区管理办法》中的要求，即“应当根据该区域的水动力条件，邻近近岸海域功能区的水质要求，接纳污染物的种类、数量等因素，进行科学论证，确定混合区的范围。混合区不得影响邻近近岸海域环境功能区的水质和鱼类洄游通道”。

1.3 热影响生态效应研究

在满足相应环境管理要求的基础上，评价中需关注温排水对于受纳水体的生态影响。根据已有的研究综述[2-3]，热污染可以造成的影响包括：水体理化性质发生溶解氧下降，非离子氨含量升高，TN、TP浓度升高等变化；水体中的有机物、重金属、悬浮固体等与温升产生协同效应，增大污染物对水生生态系统的损害。热污染还可能导致水体生态系统失衡，浮游生物、底栖动物和鱼类都可能在适度增温环境中数量种类增加，而在较高增温区内受到不利影响，不同生物对于适温环境的要求也有所不同，但人为造成的温升常会改变受纳水体中的自然生态群落特征，产生不可逆的变化。

表2 国内海洋生物耐热性温度指标研究

目前，国内已有研究人员针对水生生物的温度指标开展了热影响实验研究，这些温度指标包括起始致死温度（ILT）、最高起始致死温度（UUILT）、临界热最大值（CTMax）、选择－回避温度、生长最适温度（OGT）、最高周平均温度（MWAT）、短期暴露最高温度（MTSE）等[4]。表2给出了国内已开展的海洋生物耐热性温度指标研究成果[5-13]，它们可应用于滨海核电厂的温排水影响评价。此外，汪锡均等人通过实验研究确定了青鱼、草鱼、鲢、鳙、鲤、鲫、鳊等几种淡水鱼类的温度基准值[14]，姜礼燔根据对我国不同地区的几大水系进行调查及实地开展的热冲击试验，提出了我国几大水系渔业水域的温度限值[15]。这些成果可适用于内陆水体建设核电厂时的温排水影响评价。

1.4 热污染影响评价

在掌握温排水温升预测范围和受纳水体中生态环境特征及热效应基础数据的基础上，可对核电厂温排水造成的温升影响进行定性和定量的分析评价，实际工作中常以温排水造成的2℃或3℃温升作为判断水生生物受到温升影响的阈值，根据温升包络线范围内的水生生物分布和生活习性来初步判断核电厂温排水的生态影响。从降低环境影响的角度，评价中要求核电厂的热量排放应尽可能减少对水环境产生影响的范围和程度，同时温排水造成温升叠加自然背景水温后也应不超过重要水生生物的耐受要求。此外，在评价中还需着重考虑温排水对于水生生物洄游路线、产卵及越冬场、水产养殖区、自然保护区和特殊生态系统区域（如红树林、珊瑚等）等环境敏感区的热影响。

2 评价中的不足与完善

基于上述评价工作程序，笔者参与了针对国内若干拟建核电厂开展的温排水影响评价工作。由于我国滨海核电厂址多数远离公众生产生活区域和环境敏感区域，周围海域水力弥散较佳，根据热扩散预测研究得到的温升影响范围不大，温排水对海洋生态影响总体较小。同时，从发展核电促进地方经济发展的角度出发，电厂附近海域的功能区划及水质管理目标与温排水影响程度的适应性也常通过主管部门的研究调整得以满足，因此，各拟建核电厂温排水影响的评价结论趋于一致，环境影响可以接受。但在评价工作中仍存在一些不足之处，主要表现在相关法规要求不完善、热污染影响基础研究薄弱、缺乏对热污染叠加影响和热污染源的规划考虑等方面。

2.1 法规标准的完善

目前，在我国现行的《水污染防治法》等相关法规标准中不乏对水体中设置排污口和排放污水做出的规定，但研究人员和管理者对于温排水是否属于污水排放尚存不同认识，也没有像其他常规污染物一样制定针对温排水的排放标准。在现行的环境质量标准中，《海水水质标准》（GB3097-1997）的要求在评价中具有一定可操作性，但《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中“人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温升≤1℃，周平均最大温降≤2℃”的要求，则由于对评价基准和超标范围没有细致的规定，而在实际应用中不够严密且可操作性不强[16]。为满足核电厂直流循环排水需要设置温升超标混合区，但GB3097-1997和《近岸海域环境功能区管理办法》中提出了混合区设置要求较为笼统，使核电厂温排水的影响评价和监管常处于尴尬境地，对核电工程温排水的环境影响，目前不得不采取“一事一议”的办法确定其可接受性[17]。

完善的温排水法规体系是顺利开展温排水影响评价和监管的保障，因此也亟待加强。在制定温排水控制准则的时候，可以参考USEPA提出的△T准则、最高排放温度准则、热阻塞准则、表层面积准则、表层温度准则等基本准则[18]，结合我国水体温升控制的实际情况来执行，并可根据不同地区特点因地制宜地制定地方标准要求。

2.2 热污染影响基础研究的开展

由于热污染影响是基于温升范围预测结果进行评价，为提高预测结果准确性，需要对于预测模型的选取，边界条件的处理，水面风速、气温、水面散热情况、水下地形、潮位、流速等模型各项参数的获取提出进一步的要求。同时，在电厂运行之后也可考虑采用一定的温升监测措施对模型预测结果加以修正。

对于热污染效应，在评价中需要考虑Coutant给出的保护水生物种免受温升影响的原则要求[19]，包括(a)温排放不应显著改变特定区域的生产力特征；(b)温度不应超过当地物种的最高和最低耐受限；(c)不应使水生生物适应过高的温度以避免电厂在冬季停止运行时的低温压力导致死亡；(d)温度变化不应排除繁殖等特定季节性活动，产生异常行为，或者扰乱季节周期等；(e)温度应允许保持物种多样性；(f)温度不应阻碍昆虫向下游漂移，昆虫移动。但受技术手段的限制，我国目前对于温升的生态效应还处于定性分析阶段。对于水生生物的热影响指标试验中，CTMax和ILT50研究较多，而缺少国外应用于评价较多的MWAT和MTSE的研究[4]，且涉及区域主要集中在大亚湾、浙江沿海和辽东海域，在其他海域及内陆水体中开展研究较少，同时，各种热耐受性指标的试验对象主要针对较易判断死亡或昏迷的鱼虾类，而缺乏其他类别的水生生物的热耐受性数据。

生物热影响数据的缺乏导致评价时基础资料的捉襟见肘。因此，需在对核电厂水生环境的调查中有针对性地增加实地调查内容，同时加强对不同海域和水域中重要水生生物热耐受性试验的研究，以获得较为系统的生物热影响基础数据。

2.3 针对热污染叠加影响的考虑

随着国家经济建设的飞速发展，近年来火、核电厂建设规模、数量突飞猛进，在同一大水域上共建数座大型电厂的现象已不鲜见。尤其是在内陆核电厂的上马势在必行的背景之下，虽然内陆核电厂多使用对水环境热影响相对较小的二次循环冷却方式，但内陆受纳水体环境容量同样有限，针对内陆水体的温升水质标准和生物热影响指标研究还很缺乏，并且在同一流域上可能存在多个热源而出现温升叠加的现象[16]，因此热污染的叠加影响评价是内陆核电厂推进过程中必须解决的问题。

对于热污染叠加影响的考虑需建立在对单个热排放源进行影响评价的基础上，因此同样需要加强对于循环冷却塔排污水的热影响范围预测和评价及管理手段研究，但同时需跳出关注单项工程的局限性，需要树立大水域统筹规划理念，科学评估水域的整体承载能力和热环境容量，合理布局同一流域内取、排水口的位置，并尝试开发一定的水环境管理预报系统进行影响预报等[20-21]。

3 温排水影响的缓解措施

在进行核电厂温排水环境影响评价的过程中，从尽可能减小热污染环境影响的角度出发，审管部门通常会要求开展包括深海排放、射流排放、冷却前池、二次循环冷却塔等工程措施的论证和研究。国外的工程实例表明，上述工程措施的实施仍存在水深要求、影响渔船航线、管道防腐和内壁清洗[22]、盐分沉积和飘滴沉降等冷却塔物理影响[23]等问题和限制，且其实质并没有减少能量的释出，因此仍可能对深海、大气等环境增加额外的影响。

在我国大力提倡节能减排的大背景下，核电作为清洁和环保的能源，在控制污染物排放的同时，也应重视对发电余热的利用。国外自20世纪70年代开始已开展了一系列针对余热利用的研究，表3和图1中分别给出了Beall等人和Lanford所概括的国外余热利用途径实例[24-25]。在我国，废热利用一直没有得到重视，这与它属于低品位热能，直接利用范围狭窄等因素有关[26]。国内目前的主要应用是温水养殖业，但也存在水温不稳定、网箱附着物难消除、亲鱼性腺老化等问题[20]。此外，北方一些地区还有将电厂热水用于海水破冰、农植物栽培等的案例[26]。

通过余热利用实现废热的减量排放，是减轻温排水热影响的根本性措施。在核电厂温排水的环境影响评价中，应加强对余热利用方式的研究和探索。在温排水排至自然水体前，尽可能取出和利用部分余热，使温排水降低温度后再排入水域，在降低电厂温排水对水域环境的热影响的同时，实现环境利益和经济利益的共赢。

表3 国外余热利用途径实例

图1 利用废热进行混合养殖系统实例

4 结论与建议

在《国家核电中长期发展规划（2005-2020年）》的指导下，我国的核电产业进入了快速发展的时期，随之而产生的核电厂温排水环境影响也应得到重视。从目前已开展的评价来看，我国拟建核电厂以直流循环方式排放的温排水对环境影响基本可以接受，而且除大亚湾、台山等少数厂址外，也不会出现污染源温升影响叠加的情况。但由于评价过程中一些不完善之处，评价结果尚存一定的不确定性，因此使评价和监管人员难以明确给出定量减少温排水环境影响的环保建议和污染防治措施。从实际情况来看，国内核电厂营运单位大都只能通过运行后加强温升监测等管理手段，控制热污染的影响。

因此，从完善核电厂温排水影响评价方法和缓解措施的角度，相关管理部门和研究人员应重视开展以下几方面的工作：

（1）充分利用生态调查等手段，明确温排水受纳水体中需重点考虑的水生生物物种，并加强试验研究，掌握受纳水体中生物的生活习性和热影响数据；

（2）根据国内外相关准则和热影响生态研究结果，针对不同区域的生态特征，因地制宜地制定和完善温排水控制标准和混合区设置规定；

（3）在优化热污染影响预测手段的基础上，强化对电厂排水设计方案的优化改进，加强对深海排放，射流排放、冷却前池、二次循环冷却塔等工程措施优缺点及在不同类型厂址的适应性研究；

（4）关注温升与其他污染因子的协同效应，特别是电厂取排水系统的主要污染物余氯，其与温升对于鱼类的共同作用值得关注；

（5）基于余热利用的原则，开展海水淡化、水产养殖、农业种植、海水破冰、制盐、热电联产、冷热电联产等在核电厂应用的探索。

[1] World Nuclear Association.Cooling power plants[EB/OL].[2010-04-01].http://www.world-nuclear.org/info/cooling_power_plants_inf121.html.

[2] Yu F,Zhang Y-X.The review on the effects of thermal effluent from nuclear plants on the marine ecosystem[J].Radiation Protection Bulletin,2008,28(1):1-7(in Chinese).

[3] Zhang J-M.Study on the thermal effect on hydrobiont and water quality for thermal discharge[D].Nanjing:Hohai University,2006:11-16(in Chinese).

[4] Jin L.A Conspectus on thermal effect of waters[M].Beijing:Higher Education Press,1993:1-20(in Chinese).

[5] Li M-Q,Xu J-B.Research on the temperature tolerance values of ten marine animals[J].Marine Environmental Science,1992,11(4):29-32(in Chinese).

[6] Sun Y-M,Li D-Z,Hou W-L.The study on the temperature-limiting values for young Oncorhynchus Masou(Bervoore)[J].Songliao Journal:Natural Science Edition,1999,2:48-50(in Chinese).

[7] Ru S-G,Hou W-L,Zhang M-Y,et al.Study on the thermal effects of cooling water from power plants on young mullet[J].Chinese Journal of Environmental Science,1995,15(5):30-32(in Chinese).

[8] Zhang M-Y,Hou W-L,Ru S-G.Study on the temperature of thermal tolerance of the mullet larva(Liza haematocheila)[J].Chinese Journal of E-cology,1999,18(2):60-62(in Chinese).

[9] Ma S-W,Shen A-L,Shen X-Q.Acute lethal effect of water temperatures on inhomogeneous fishes[J].Marine Fisheries,2005,27(4):298-303(in Chinese).

[10] Liao Y-B,Chen Q-Z,Zeng J-N,et al.Study on thermal tolerance of four commercial important fishes[J].Marine Environmental Science,2007,26(5):458-460(in Chinese).

[11] Liao Y-B,Chen Q-Z,Zeng J-N,et al.Thermal tolerance of four commercial shellfishes[J].Journal of Marine Science Bulletin,2007,26(1):50-54(in Chinese).

[12] Cai Z-P,Chen H-R,Jin Q-Z,et al.Influence of thermal power effluent on three species of fishes in Daya Bay[J].Tropic Oceanology,1999,18(2):11-19(in Chinese).

[13] Cai Z-P,Chen H-R.Thermal effects of temperature on two commercially important shrimp species in Daya Bay[J].Acta Ecological Sinica,2005,25(5):1115-1122(in Chinese).

[14] Wang X-J,Wu D-A.Studies on the criteria of water temperature for major cultured freshwater fishes[J].Journal of Fisheries of China,1994,18(2):93-100(in Chinese).

[15] Jiang L-F.Effects of thermal shock on fishes[J].Journal of Fishery Sciences of China,2000,7(2):77-81(in Chinese).

[16] Mao X-H.Discussion on the index of water temperature in GB3838-2002[J].Water Resource Research,2009,30(1):41-43(in Chinese).

[17] Chen X-Q,Shang Z-R.The issue of thermal discharge in reviewing the environmental impacts report for nuclear power plant[J].Nuclear Safety,2007,2:46-50(in Chinese).

[18] Mills W B,Porcella D B,Ungs M J,et al.Water quality assessment:a screening procedure for toxic and conventional pollutants in surface and ground water,part 2(EPA/600/6-85/002b)[R].Athens:US EPA,1985:267-269.

[19] Coutant C C,Talmadge S S.Thermal effects[J].Journal-Water Pollution Control Federation.1977,49(6):1369-1425.

[20] Bi W-B.Research on the management of the warm water of coastal power plant[D].Qingdao:Ocean University of China,2008:50-51(in Chinese).

[21] He Y-Y.A pondering over research on environment thermal impact of cooling water discharged from groups of power plants[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2008,28(4):27-29(in Chinese).

[22] Li H-Z.Environmental impact assessment on the thermal discharge from Japanese nuclear power plants[J].Research&Design of Nuclear Engineering,2007,62:14-16(in Chinese).

[23] Shangguan Z-H,Zhang Q-M,Tao Y-L.Cooling tower environmental impact prediction at inland nuclear power plant[J].Radiation Protection,2009,29(4):211-218(in Chinese).

[24] Beall S E,Yarosh,M M.Status of waste heat utilization and dual purpose plant projects[R].Oak Ridge:Oak Ridge National Laboratory,1973:5-33.

[25] Lanford T E.Ecological effects of thermal discharges[M].London&New York:Elsevier Applied Science,1990:345.

[26] He Y-Y,Zhao Y-J.Key issues in the high-efficient utilization of residual heat in cooling water from power plant[J].Energy and Environmental,2007,6:27-29.(in Chinese).

Assessment and Mitigation to the Environmental Impact of Thermal Discharge from Nuclear Power Plants

ZHANG Xiao-feng
（Suzhou Nuclear Power Research Institute,Suzhou Jiangsu 215004,China）

Based on the aspects of estimation of temperature rise range,analysis of compliance to regulation,research on thermoecological effects and assessment to thermal impact,a review on the current situation,assessment technique and related research on the thermal effluent from nuclear power plants is presented.Moreover,some proposals on the forthcoming topics such as perfecting regulation framework,intensifying thermal impact research,and considering the overlapped impact from different thermal discharges are given.Lastly,some advice on the engineering practices of residual heat utilization which can help to mitigate the thermal impact are given.

nuclear power plant(NPP);thermal effluent;thermal pollution;environmental impact assessment;mitigation practice

X55

A

1003-2029（2010）04-0038-06

2010-06-26

国家海洋局海洋公益性行业科研专项（200705028）；中国广东核电集团科研课题（CGNPC-T-2008-061）。

张晓峰（1982-），男，硕士，主要从事核设施环境影响评价研究。