关于国内温排水生态影响研究的建议

刘永叶 杨 阳 乔亚华 张 琨

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

关于国内温排水生态影响研究的建议

刘永叶 杨 阳 乔亚华 张 琨

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

本文通过对国外温排水的生态影响研究现状的深入调研，总结国际上的先进研究经验和宝贵的研究成果，并对照国内研究现状，提出国内温排水热影响的生物学和生态学研究框架。为国内电厂冷却系统的生态影响评价体系的建立、温排水排放管理对策的制定等提供有益的参考。

温排水；热污染；受纳水体；生态系统

1 引 言

温排水的热污染问题是我国电力行业(火电、核电)发展过程中面临的主要环境问题之一。尤其是核电的热利用效率偏低，仅为30%～35%，如果采用一次直流冷却方式，大部分热量被冷却水(即温排水)带走，加之核电机组功率一般高于火电机组，弃热量更多[1]。大量的冷却水不加控制地直接排入受纳水体，造成局部水域温度升高，这不仅改变了受纳水体的理化性质，而且影响水生生物的繁殖、发育和存活生长及其种群的繁衍和持续[2]。在温排水蕴含余热量长期远超过受纳水体的热环境容量的情况下，甚至会对其生态系统整体结构和生态功能产生不可逆的消极影响。

而我国现有的热污染控制标准不够完善，提出了“混合区”的概念，但没有明确规定温排水允许的混合区范围及其它的关键控制参数，使得相关水质标准的可执行性不强[3]。目前国内在相关领域开展的研究工作主要侧重于具有重要经济价值而备受社会关注的物种，而对温排水对受纳水体生态系统整体结构和生态功能的影响的研究较少。因此，亟需开展国外温排水的生态影响研究现状的调研，明确总体研究思路，总结国际上的先进研究经验和宝贵的研究成果，为今后国内相关领域的研究指明方向。

2 国外温排水的生态影响研究思路及经验反馈

2.1 研究思路

上个世纪70年代起，世界各国开展了大量的关于核电厂冷却系统环境影响的相关研究。以美国为例，其出于各种管理因素考虑，需要建立温度和水质标准，以保护“当地特有/土著生物”，并开展针对具体厂址特征的相关研究，从而为相关准则和标准的制定提供科学依据。美国各州发起了大量的相关研究项目，旨在评估冷却系统带来的生态压力引起的生物和生态系统各组分的一般性应激反应[4-5]。

明确特定生物对冷却系统相关的生态压力(如排水温升、冷凝器的影响和生物杀灭剂)的耐受性和应激反应，是制定保护“当地特有/土著物种”的水质标准的逻辑基础。由于同一物种在不同地理种群间的耐受性存在差异，需要获取具体受纳水域或生态系统的详细信息。还有其他一些随厂址地理特征变化的方面，因此需要针对特定厂址开展研究，制定相应的保护标准。然而，现在还没有明确的导则用以识别生态系统的敏感和重要的指示性物种。那些有重要经济价值而备受社会关注的物种可能并不是维持生态系统结构与功能的最重要物种。此外，研究表明冷却系统对某一种群有限数量的个体的急性效应可能不是其最重要的影响，而种间关系的微小变化可能导致更严重的后果。因此，厂址特异性的急性效应和生物的耐受性的概念似乎已为这项监管要求提供了充分的理由，即每一个核电厂和大型化石燃料电厂都要开展冷却系统环境影响的管理工作。对未破坏当地物种/土著物种的举证责任主要由开发利用者承担，监管机构仅提供少许相关导则或规范[5]。

对电厂影响进行统一监管的需求，与之前针对电站厂址特征的具体研究之间需找到一个结合点。“一事一议”指导思想下的研究导致出现了各种不同的研究方法，各系统间的共同点较少。因此，要选定一个通用的模式作为判断影响程度的依据，如对各采样站点的平均参数值及其随时间的变化进行比较分析和统计[5]。

2.2 经验反馈

西北太平洋实验室、橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室评估了美国不同厂址具代表性的监测项目。通过这些项目得到的一般性结论如下[4-5]：

(1)针对运营前(未扰动条件下)生态系统的研究工作不够充分，不足以体现所关注参数的正常时空变化情况；

(2)运营后的生态影响研究工作通常在对每个参数的变化水平进行定义前就已启动，这里的参数指的是生物学上的重要参数或统计学可探测到变化的那些参数。显著的生物、物理或化学变化的概念经常被混淆为是否存在统计学上的变化；

(3)生态系统属性的高度时空变化特性需要非常大的样本量，以探测到各参数平均值的细微变化或差异。这种情况下一般将可探测的差异限制到大于平均控制值的水平；

(4)在不清楚生态影响的特定假设条件和统计模型的情况下，若课题经费允许，测量尽可能多的参数数据。方案设计时，将大部分监测项目分配到众多的监测类别中，导致每个类别实际分配到的样本数太少，从而使统计结果对比分析时的灵敏度不够。

针对典型监测项目的上述经验反馈对今后的研究工作有重要的参考价值，特别是在多站点对比分析法适用的场景下需考虑上述观点。

选取适当的办法来确定冷却系统的环境效应(直接、急性或亚致死效应)，或其对种群、群落和生态系统特性的影响，并不是一个很容易解决的问题。如果无法获取对目标研究区域直接影响的相关信息，建议开展厂址特征的个案研究时考虑整个生态系统或区域的总体特征，关注其对重要生态资源的预期可能的显著影响。此时，可运用现有的一些厂址特异化方法进行评价。

如果前期的厂址特异性研究已经给出了直接影响的程度，并且也适当关注了对受纳水体现在或将来的环境影响，那么评价的重点应转移到共生生态系统，以评估受纳水体生态系统对冷却系统影响的承载能力。这种方法的最终目标是为了充分了解生态压力下的自然变异和应激反应，以便建立可靠的预警方法以及可评估的显著影响的阈值。

回顾起来，世界上各个国家显然已经付出相当大的努力来量化冷却系统对生物个体的具体热影响、取水卷吸挟带和撞击作用以及抗微生物剂(余氯)的影响[4-9]，但对冷却系统对种间关系的影响，或者说其对生态系统结构和功能的影响等间接效应的研究却是少之又少。目前已发现许多与温度相关的影响，但除了局部的热羽流，大型水生生态系统正常的温度循环基本不受影响，还未观察到其对大型水生生态系统造成的灾难性影响。冷却系统的取水影响还未造成鱼类种群可测量的变化，但是，在某些情况下，利用仿真模拟模型已经可以预测到其对种群产生的影响。显然，不同物种种群对持续增加的死亡率和不同个体对亚致死压力的承受能力的限值/阈值不同。提高对这些动态阈值的评估水平，是将来大范围地利用大型水体用作冷凝器冷却水源，同时保证不危害其中重要水生生物资源的关键。

过去通常将冷却系统的余热视为潜在的环境问题，而不是将其转换为潜在的能源，即温排水的余热利用。通过精心设计，水产养殖系统可以对余热加以利用，以提高水产品的生长速率，这种余热利用方法对那些居民饮食需要补充蛋白质的国家特别有吸引力。取水口网前撞击致死的鱼类通常被丢弃，但加工成鱼粉后可用作饲料。从理论上讲，电站取水口和排水口可设计成有效的鱼类捕集器，尤其是在养殖管理性的大型冷却水池/池塘。但这种设计与减少冷却系统和生物间的相互作用的目标是相反的，具体取决于获取的物种、种群和群落的基本信息[5]。

3 国内温排水生态影响研究的建议

目前国际上在如何选择敏感性目标物种、利用何种生物指标如何来表征生物对温升的生理反应，以及如何以此评价温排水对水生生物的热影响等问题的方法论研究不多，尚未形成统一标准[4-5]，尤其是对温排水对受纳水体生态系统整体结构和生态功能的影响的研究少之又少。因此，需要进一步开展温排水对生态系统的影响研究，以预测一个电厂投运后对受纳水体的长期影响。但，首先要通过研究确定电厂的最佳厂址。基于全方位的生物学和生态研究，可以确定温排水受纳水体最高绝对温度和允许的温度变化幅度。

理想条件下，全方位的生物学和生态研究项目包括物理、化学和生物的现场和实验室研究。由于电厂厂址地理位置的差异，电厂的环境条件各不相同，因此没有绝对的研究标准。通常，在热带地区，需要关注致死温度，而在寒带和温带地区，温排水余热对生物种群和行为的影响更需关注。同时，要考虑不同污染源的叠加影响。目前，人们对多种环境压力对生物的协同作用至今还了解甚少，因此，需要对这种协同作用多加关注。

关于温排水的生物学和生态学的热影响研究方法是国际通用的。然而，一些新的研究方法还在发展过程中，特别是针对如何确定长期的间接致死影响、对生态系统的整体影响和区域影响的研究。为了获得高质量的温排水对生物体的热影响数据，每个地点需要至少两年的研究。如果要作可靠的预测，则还需更长期的研究。在生态学研究中，物理和化学知识是生物学研究的基础。鱼类、贝类和其它经济类和观赏类生物体都是当地生物区系/生物相不可或缺的一部分，对这些生物资源的研究通常都很有必要。

综上所述，建议国内温排水热影响的生物学和生态学研究框架如下：

(1)与生物相关的水体物理化学影响的研究：①向受纳水体的排热总量及其在水体中的分布；②温排放前的水体现状及其预期的变化趋势；③ 水体(热量和化学性质)分层及其预期的变化趋势；④ 受纳水体的含氧量及温排放所致的预期变化；⑤ 水体中及底层的营养盐类(尤其是氮和磷)；⑥水体化学性质的一致性的大尺度描述。

(2)一般性的生态学研究：①植物和动物物种的现存量及其分布和生物量，或其他相关的总体参数；②热负荷对微生物、浮游生物、底栖生物和植物种群的影响；③ 温度变化对重要生物个体和种群的影响；④热负荷和其他生态压力因子(如重金属、营养盐)同时作用于咸水或淡水中生 物个体和种群时的协同效应；⑤不同生命周期温度效应导致的繁殖和死亡率的变化；⑥温度效应导致的不同物种之间的关系变化(如捕食-被捕食和寄生虫-宿主关系)；⑦温度对重要物种的迁徙和其他行为现象的影响；⑧重要物种生命周期中的低温条件；⑨重要物种对不同温度条件的适应能力。

(3)对鱼类及其他具商业和娱乐价值的资源的影响研究：①最重要的可食鱼类的确定；②现存量和年产量；③温排放对鱼类生长和产量的影响；④生长和繁殖阶段可适应的最高温度或最佳温度的确定；⑤生长和繁殖阶段可适应的最大变温幅度和变温速率的确定；⑥繁殖阶段所需的温度下限值的确定；⑦水体受热环境下发生疾病的可能性；⑧鱼类适应(食物网已发生改变的)受热水体环境中饵料物种变化的能力；⑨不同温度条件下物种迁徙行为的预测。

以上主要是考虑温排水的温升作用对受纳水体生态系统影响研究的框架，对温排水余氯的生态系统影响也不能忽视[10]。近年来我国在海滨(河口或港湾)建设了许多大型火电厂和核电厂，海水温排水余氯对海域生态和养殖环境的负面影响日益显现。为了保护海域生态环境，必须制定相关标准限制滨海工业冷却水余氯的排放浓度，而制定该标准则要求以受纳海域主要生物的安全耐受浓度值为依据，并考虑保持受纳海域生态结构和功能的完整性。因此，开展氯对生物群落的组成、结构和生态演替影响的研究，积累余氯对不同浮游生物影响的基础资料，具有重大生态学意义。此外，还应开展温升与余氯联合作用的影响研究，以及冷却系统取水的卷吸挟带和撞击作用对鱼类等水生生物或海洋生物的机械损伤研究。

[1]连培生.原子能工业[M].北京：原子能出版社，2002.

[2]金岚，李平衡，刘伟等.水域热影响概论[M].北京：高等教育出版社，1993.

[3]陈晓秋，商照荣.核电厂环境影响审查中的温排水问题[J].核安全，2007，(2)：46-50.

[4]IAEA.1974.Thermal Discharges at Nuclear Power Stations—Their Management and Environmental Impacts.STI/DOC/10/155，Vienna (IAEA Technical Reports Series No.155).

[5]IAEA.1980.Environmental Effects of Cooling Systems.STI/DOC/10/202，Vienna (IAEA Technical Reports Series No.202).

[6]Tatiana Pires Teixeira，Leonardo Mitrano Neves，Francisco Gerson Araújo.Effects of a Nuclear Power Plant Thermal Discharge on Habitat Complexity and Fish Community Structure in Ilha Grande Bay，Brazil[J].Marine Environmental Research，2009，68：188-195.

[7]Butterwick C，Heaney S I，Talling J F.Diversity in the influence of temperature on the growth rates of freshwater algae，and its ecological relevance[J].Freshwater Biology，2005，50(2)：291-300.

[8]Martínez-ArRoyo A，Abundes S，González M E，Rosas I.On the influence of hot-water discharges on phytoplankton communities from a coastal zone of the Gulf of Mexico[J].Water Air and Soil Pollution，2000，119(1)：209-230.

[9]Poornima E H，Rajadurai M，Rao V N R，Narasimhan S V，Venugopalan V P.Use of coastal waters as condenser coolant in electric power plants：Impaction on phytoplankton and primary productivity[J].Journal of Thermal Biology，2006，31(7)：556-564.

[10]曾江宁.滨海电厂温排水对亚热带海域生态影响的研究[D].浙江大学，2008.

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

刘永叶，高级工程师，辐射防护与环境保护专业，主要从事核设施的环境影响评价研究

乔亚华，高级工程师，主要从事核与辐射安全研究

X21

A

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

项目资助：国家科技重大专项“CAP1400安全审评关键技术研究”(2013ZX06002001)

引用文献格式：刘永叶 等.关于国内温排水生态影响研究的建议[J].环境与可持续发展，2017，42(3)：47-49.