核電站事故對水資源安全的影響研究

靳 頂，曹淑敏，丁曉雯，陳慶偉

（1.水利部水資源管理中心，100053，北京；2.華北電力大學(xué)，102206，北京）

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，發(fā)展新能源、節(jié)能減排的戰(zhàn)略實施，核能因其優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、清潔、經(jīng)濟、安全等特性，成為我國新能源的主力軍，其健康發(fā)展對于提高人民生活質(zhì)量、保護生態(tài)環(huán)境、促進社會經(jīng)濟和諧發(fā)展等均具有重要意義。2011年3月11日，日本發(fā)生里氏9級的大地震，并引發(fā)福島核電站機組爆炸，造成了嚴(yán)重的核泄漏事故和水資源安全危害，這給我國的核電水資源管理提出了新的警示。

核電建設(shè)和運行過程對水資源需求巨大，所以核電站一般布設(shè)在水資源豐富的區(qū)域，往往濱海、濱河、濱湖庫。尤其對于我國將穩(wěn)步推進內(nèi)陸核電，其依托的水系，還承擔(dān)著重要的飲用、灌溉和養(yǎng)殖等功能，一旦因核電站事故造成水體的放射性污染，將對事故區(qū)域及下游的水安全構(gòu)成嚴(yán)重危害。歷史上國外發(fā)生的幾次重大核電站事故對生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟以及公眾身心健康都造成了巨大的威脅和危害。

因此，探究核電站事故對水資源安全的影響、保障核事故狀態(tài)下的飲用水安全成為我國核工業(yè)發(fā)展應(yīng)關(guān)注的重要問題之一，其對于維護我國穩(wěn)定的能源供應(yīng)體系及可靠的水安全保障體系具有極其重要的意義。

一、國外重要核電事故及其對水資源安全的影響

在核電發(fā)展史上，曾經(jīng)發(fā)生過多次核泄漏事故，其中以美國三里島核電站事故、蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故及日本福島核電站事故最為嚴(yán)重。這三起核電站事故對一定范圍內(nèi)的水資源安全造成了不同程度的威脅和危害。

1.三里島事故及其對水資源安全的影響

三里島核電站位于美國賓夕法尼亞州首府哈里斯堡東南16 km附近，其2號機組（TMI-2）是由美國巴布科克和威爾科克斯公司設(shè)計、大都會愛迪生公司運行的950 MW電功率（880 MW凈電功率）壓水反應(yīng)堆。1978年3月28日達到臨界，一年后的1979年3月28日發(fā)生了美國商用核電站歷史上最嚴(yán)重的事故——三里島核電站事故。這次事故由給水喪失引起瞬變開始，經(jīng)過一系列事件造成了堆芯熔化，大量裂變產(chǎn)物釋放到安全殼。

少量受放射性污染的水從工業(yè)廢物處理系統(tǒng)的一個沉淀池泄漏到附近的薩斯奎哈河。此次事故級別定義為5級事故。對電站下游兩個不同地點采集的河水樣品的分析結(jié)果表明，由于泄漏的放射性物質(zhì)較少、河水稀釋、自身衰變衰減等原因，沒有發(fā)現(xiàn)河水中的放射性異常。雖然三里島核電站事故中有放射性廢水流入薩斯奎哈河，但因為泄漏的放射性物質(zhì)相對較少、主要泄漏物131I半衰期較短、河流擴散稀釋等原因，沒有對薩斯奎哈河產(chǎn)生顯著的放射性污染。

2.切爾諾貝利事故及其對水資源安全的影響

1986年4月26日，蘇聯(lián)切爾諾貝利4號機組發(fā)生了核電歷史上第一次最高級別的7級核電站事故。該核電站事故是在反應(yīng)堆安全系統(tǒng)試驗過程中發(fā)生功率瞬變，引起瞬發(fā)臨界而造成的嚴(yán)重事故。反應(yīng)堆堆芯、反應(yīng)堆廠房和汽輪機廠房被摧毀，大量放射性物質(zhì)釋放到環(huán)境中。

切爾諾貝利事故發(fā)生后，放射性元素通過大氣干濕沉降、地表水和地下水的遷移擴散以及其他因素作用，對周邊水體造成了不同程度的放射性污染，尤其是核電站周圍30 km范圍內(nèi)的河流、湖泊和水庫受放射性污染嚴(yán)重，大部分放射性沉降物進入了普里皮亞季河、第聶伯河、杰納斯河和索日河等河流的集水區(qū)域。

普里皮亞季河是其下游3000萬人的供水水源，131I、90Sr、137Cs 和139Pu等放射性物質(zhì)污染造成了區(qū)域水質(zhì)型缺水，其中基輔水庫的污染濃度比限定標(biāo)準(zhǔn)高5～10倍，水體遭受的放射性污染程度嚴(yán)重。這些地區(qū)也成為第聶伯河—索日河系統(tǒng)中長期放射性核素（如137Cs）的潛在來源。在雨季，雨水入滲使得沉積在土地表面的放射性物質(zhì)進入地下水系統(tǒng)，使得地區(qū)的地下水遭受污染。隨著區(qū)域產(chǎn)流、匯流和其他水流運動，放射性物質(zhì)在地下水中得以遷移、運動，使得更大面積的地下水遭受污染，并最終進入集水區(qū)的河流，對地表水又造成一定程度的污染。

盡管切爾諾貝利事故已經(jīng)過去26年，流域內(nèi)的一些區(qū)域（尤其是切爾諾貝利周圍30 km的隔離區(qū)）仍然有放射性核素進入河流。切爾諾貝利核電站隔離區(qū)內(nèi)的普里皮亞季河漫灘污染區(qū)以及來自基輔水庫的水成為主要的二級污染源，其中主要的90Sr污染被帶進了第聶伯河。

總之，切爾諾貝利事故對水安全的危害是巨大、深遠的。目前，受影響地區(qū)的放射性污染仍未結(jié)束，事故帶來的水環(huán)境影響仍在進一步研究之中。為避免放射性物質(zhì)對人類及其他生物的輻射危害，部分受到放射性污染的水體喪失了飲用水水源的功能。而那些受污染嚴(yán)重的水體，一方面遭受了半衰期較短核素（如131I等）帶來的短期污染影響，另一方面承受并還將繼續(xù)承受半衰期較長核素 （如137Cs）帶來的長期輻射效應(yīng)。

3.福島事故及其對水資源安全的影響

2011年3月11日，日本東部發(fā)生里氏9.0級大地震，并引發(fā)次生災(zāi)害——海嘯，福島第一核電站受地震和海嘯的影響，損毀極為嚴(yán)重，大量放射性物質(zhì)泄漏到外部。

日本福島核電站事故對周邊的水資源造成了極大危害。核泄漏事故發(fā)生后，福島核電站周邊的地表水、地下水檢測出放射性物質(zhì)超標(biāo)，當(dāng)?shù)鼐用耧嬘盟艿絿?yán)重威脅，導(dǎo)致這些地區(qū)用水緊張。通過水質(zhì)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：除福島縣存在生活飲用水放射性超標(biāo)個例外（如飯館村、川俁町），其他縣市生活飲用水中雖存在放射性核素異常，但未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)。其中福島縣生活飲用水中的放射性核素濃度明顯大于其他縣市，放射性核素在福島縣有較大沉降。水體的放射性使得超標(biāo)自來水無法飲用，局部地區(qū)發(fā)生災(zāi)后水質(zhì)型缺水。另外，在中國、美國、韓國等國家的水體中檢測到微量來自福島核電站事故的放射性元素，這些微量放射性核素不會對人體造成危害。2011年3月18—31日，日本文部科學(xué)省對福島第一核電站 25～58 km范圍內(nèi)的土壤的放射性物質(zhì)檢測結(jié)果表明，地下水體也受到了一定程度的污染，淺層地下水首當(dāng)其沖。2011年4月2日，在附近的海水中也檢測出了3 MBq/cm3的放射性131I，是法定標(biāo)準(zhǔn)的750萬倍?？梢?，飲用水、地表水、地下水和海水均受到了污染，事故泄漏的放射性物質(zhì)已經(jīng)嚴(yán)重污染了當(dāng)?shù)厮w環(huán)境，尤其給飲用水安全保障帶來了極大威脅。

4.三起核電站事故的影響比較

在回顧核電歷史上三起重要事故的基礎(chǔ)上，從事故等級、核電站類型、堆型、事故原因、應(yīng)急措施、對水資源安全的影響程度等方面進行比較和總結(jié)，詳見表1。

二、核電站事故對水資源安全的影響

核電站事故發(fā)生后，放射性元素一旦進入水體，可能對水資源安全產(chǎn)生巨大危害，使得水資源水質(zhì)受損，可用水量減少，水生原有功能喪失，從而對水資源安全造成威脅或損害。尤其對于內(nèi)陸核電站而言，影響的范圍和深度比沿海核電更為復(fù)雜。

1.核電站事故對水質(zhì)的影響

幾次重大核電事故均表明：核電站事故引起的放射性物質(zhì)泄漏，可能會污染核電站周圍的地表水和地下水水質(zhì)，尤其易對敞開式水源造成放射性污染。

（1）影響范圍

就地表水而言，重大事故的影響范圍很大，甚至是世界范圍的影響，但最主要受影響的是核電站周圍60 km范圍內(nèi)的地表水體，其中30 km范圍內(nèi)河流、湖泊和水庫的放射性污染最為嚴(yán)重。放射性物質(zhì)在土壤、植被中的沉降、積累也會造成地下水污染。與地表水類似，在核電站周圍60 km范圍內(nèi)的地下水，尤其是30 km范圍內(nèi)地下水的放射性污染最為嚴(yán)重；從深度上來說，事故對地下水的影響范圍主要在容易滲水的泥沙層，放射性物質(zhì)超標(biāo)的地下水埋深可能超過15m，承壓水層可能受到一定影響。

表1 核電三大事故對水資源影響的對比

（2）影響時間

放射性物質(zhì)污染對水體水質(zhì)的影響在事故初期尤為明顯，之后隨著水體的稀釋和擴散、自身衰變、吸附和沉淀作用逐漸減弱，甚至消除。一方面要考慮短半衰期放射性元素（例如131I）帶來的短期內(nèi)的輻射影響，另一方面要考慮長半衰期放射性元素（例如137Cs）帶來的長期潛在效應(yīng)。

半衰期相對較短的131I一般在數(shù)個半衰期（半衰期為8.04 d）后，濃度有較大下降；對水質(zhì)的影響在第一個半衰期影響最大，在1個月后影響大為削減，2～3個月以后影響基本消除。

半衰期相對較長的137Cs（半衰期約 30.0 a）和90Sr（半衰期 29.1 a）對地表水和地下水水質(zhì)的影響在事故初期最大，在2～3個月之后因為水體的遷移、擴散有很大程度的衰減。但由于其半衰期較長，加上土壤、植被及底泥中沉積的放射性物質(zhì)的淋溶、釋放作用，這些放射性元素對水體的影響在短期內(nèi)無法完全消除，可能長達數(shù)十年；但水體中放射性物質(zhì)可能含量較低，水質(zhì)仍處于達標(biāo)的狀態(tài)，是一種持久、低濃度、累積的影響，尤其是沉積在封閉水體（如湖泊、水庫）中的長半衰期核素，對水體的污染更為長久。

（3）飲用水水質(zhì)超標(biāo)情況

核電站發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏后，對水體水質(zhì)最重要的影響是導(dǎo)致飲用水水質(zhì)超標(biāo)、水體飲用功能喪失。放射性物質(zhì)進入河流、水庫等可直接導(dǎo)致飲用水水源放射性物質(zhì)超標(biāo)；而沉降在土壤、植被上的放射性物質(zhì)則成為影響地表水和地下水水源水質(zhì)的潛在污染源，一旦發(fā)生降雨、水土流失等，飲用水水質(zhì)就可能受到污染，對流域居民飲用水安全構(gòu)成威脅。

核電站事故釋放的放射性物質(zhì)以β放射性核素為主，我國的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2005）要求飲用水水質(zhì)總β放射性的上限為1Bq/L。對照該標(biāo)準(zhǔn)，切爾諾貝利事故對飲用水水質(zhì)的危害是巨大、深遠的，有關(guān)國家至今仍在研究其所帶來的水環(huán)境問題。但其他一些重大事故由于放射量小，受納水體容量大，水動力條件好，加上河水的擴散、稀釋、自身衰變衰減等原因，核電站事故對飲用水水質(zhì)的影響是有限的，通過水體自凈、尋找其他替代水源、挖掘深井等途徑可獲取水質(zhì)達標(biāo)的飲用水。

2.核電站事故對水量的影響

核電站事故對水量的影響主要表現(xiàn)在事故處置水量、可供水量減少和為滿足居民用水需要提供的應(yīng)急飲用水水量三方面。核電站事故發(fā)生后，為防止事故升級 （如堆芯熔毀等），需向反應(yīng)堆注入冷卻水，事故處置需要用水，并排放含放射性的污水等。其次，放射性污水可能進入河流、湖泊及海洋等水體，造成一定范圍內(nèi)的地表水、地下水中放射性物質(zhì)濃度升高，水質(zhì)惡化、水體原有功能喪失，從而導(dǎo)致可用水量減少。此外，當(dāng)水體的飲用功能喪失時，為解決受核電站事故影響范圍內(nèi)居民的正常生活用水，需從事故影響范圍之外調(diào)水。

核電站核泄漏事故發(fā)生后，首先需向反應(yīng)堆注水，給反應(yīng)堆降溫，為機組乏燃料棒水池加水，防止核反應(yīng)堆堆芯熔毀、放射性物質(zhì)泄露。事故處置過程需水量巨大。對于濱海核電站而言，雖有海水可作為冷卻水，但由于海水中的鹽分會銹蝕管道，縮短維護周期，增加維護成本，所以濱海核電站的事故處置也優(yōu)先使用淡水，只有在淡水供應(yīng)不足的情況下，迫不得已才使用海水。而對于內(nèi)陸核電站，由于無海水可用，所有的事故處置用水均為淡水?？梢?，不管是濱海核電站還是內(nèi)陸核電站，事故處置對水資源，尤其是淡水資源的需求是巨大的。此外，核電站核泄漏事故發(fā)生后，大量冷卻水注入的同時，也產(chǎn)生許多放射性污水，含有放射性物質(zhì)冷卻水的儲存和處理也是核電站事故處置過程的重要環(huán)節(jié)之一。

其次，當(dāng)廢水中放射性水平較低時，可經(jīng)過核電站的綜合污染處理設(shè)施處理后，排到河流、湖泊、海洋等水體；如果水體放射性水平較高，可先煮沸，將廢水中的放射性物質(zhì)沉淀，再過濾后排放。但當(dāng)核電站的廢水處理設(shè)施在事故中受損，或大量的中高濃度核污染廢水超出核電站處理和存儲的極限時，大量的中高濃度核污染廢水將可能流入附近的河流、湖泊、水庫和海洋中，從而對地表水造成污染，地表水的補給也會影響當(dāng)?shù)氐臏\層地下水，使水質(zhì)受損，具備原有功能的水資源量減少。

此外，放射性物質(zhì)的沉降將會造成當(dāng)?shù)仫嬘盟廴?，使得被污染水體的放射性核素超出安全標(biāo)準(zhǔn)，對當(dāng)?shù)仫嬘盟踩珮?gòu)成威脅。此種情況下，為了解決核電站事故影響范圍內(nèi)居民的正常用水，需從其他區(qū)域調(diào)水，從而對調(diào)水區(qū)的可用水量也造成一定影響。

3.核電站事故對水功能區(qū)的影響

核電站事故發(fā)生后，放射性核素可能進入水體，其放射性、溫度升高、毒理性等均可能導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化，可用水量減少，水生生態(tài)環(huán)境受損，進而影響水功能區(qū)功能。水功能一級區(qū)無法正常發(fā)揮其保護、緩沖、開發(fā)利用和保留的功能；具體到水功能二級區(qū)，則將影響飲用水水源、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、漁業(yè)用水、景觀娛樂用水的功能，使過渡區(qū)無法實現(xiàn)過渡功能，排污控制區(qū)的排污控制不達標(biāo)。

三、總 結(jié)

通過國外重要核電站事故回顧及其對水資源安全的影響分析，可以看出：①就地表水而言，重大核電站事故的影響范圍很大，不排除世界范圍的影響，但最主要受影響的是在核電站周圍60 km范圍內(nèi)的地表水體，其中30 km范圍內(nèi)河流、湖泊和水庫的放射性污染最為嚴(yán)重。放射性物質(zhì)在土壤、植被中的沉降、積累也會造成地下水污染。在核電站周圍60 km范圍內(nèi)的地下水，尤其是30 km范圍內(nèi)地下水的放射性污染最為嚴(yán)重；從深度上來說，放射性物質(zhì)超標(biāo)的地下水埋深可能超過15 m，承壓水層也可能受到影響。濱海核電站事故產(chǎn)生的放射性物質(zhì)主要通過大氣沉降的方式污染地表、地下水體。②放射性物質(zhì)污染對水體水質(zhì)的影響在事故初期尤為明顯，之后隨著水體的稀釋和擴散、自身衰變、吸附和沉淀作用可逐漸減弱，甚至消除。③核電站事故對水量的影響主要表現(xiàn)在事故處置水量、可供水量的減少和為滿足居民用水需要提供的應(yīng)急水量三方面。④當(dāng)核電站發(fā)生事故時，放射性核素可能進入水體，導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化，可用水量減少，水生生態(tài)環(huán)境受損，進而影響水功能區(qū)的功能實現(xiàn)。

核電站事故發(fā)生后，從水資源安全角度出發(fā)，建議應(yīng)重點關(guān)注核電站周圍60 km范圍內(nèi) （尤其是30 km范圍內(nèi)）的地表水體，埋深超過15 m的地下水及承壓水層的水質(zhì)也應(yīng)開展監(jiān)測。特別關(guān)注飲用水水源地的安全。主要關(guān)注的元素是I和Cs，在事故發(fā)生后1～2個月，主要關(guān)注131I等短半衰期核素對水資源安全的影響，此后主要關(guān)注134Cs、137Cs等長半衰期核素對水資源安全的影響。建議對受納水體的底泥進行長期的放射性監(jiān)測與治理。在核電站選址及建設(shè)過程中，應(yīng)充分考慮到事故發(fā)生后，對水量的巨大需求。新建內(nèi)陸核電站應(yīng)根據(jù)堆型、水資源條件、人口密度等，論證需要配備事故冷卻水池和事故廢水容納池的規(guī)模、事故應(yīng)急水源的來源和保障程度等。核電站的設(shè)計中，增加風(fēng)冷、空調(diào)等方式的冷卻比重。在核電站事故處置過程中，采用空調(diào)和風(fēng)冷等方式對核島進行降溫，盡量減少因冷卻水使用產(chǎn)生的放射性污水，減輕核電站事故對當(dāng)?shù)厮Y源量的影響。建議在核電站設(shè)置取水井，用于抽取被污染的地下水。從水資源保護的角度出發(fā)，應(yīng)結(jié)合水功能區(qū)管理要求來確定核電站的選址。

[1]李繼開.核事故應(yīng)急響應(yīng)概論[M].北京：原子能出版社，2010.

[2]周全之.中國核電發(fā)展概況及展望[J].大眾用電，2009（5）.

[3]鳳凰網(wǎng).日本東北部9.0級大地震專題 報 道 [EB/OL].2011，http://news.ifeng.com/world/special/ribendizhen/.

[4]新華網(wǎng).多方認(rèn)為疏于防范是福島核事故重要原因[EB/OL].（2011-03-18），http://news.xinhuanet.com/world/2011-03/18/c_121205617.htm.

[5]新華網(wǎng).2011年全國能源工作會議在京召開[EB/OL].（2011-01-18）.

[6]萬育生，張淑玲，陳慶偉.核電發(fā)展的水資源論證管理應(yīng)對策略[J].水利發(fā)展研究，2011（10）.

[7]鄭通漢，陳慶偉.內(nèi)陸核電項目水資源論證關(guān)鍵問題與對策研究[J].中國水利，2011（21）.

[8]國際原子能機構(gòu).核或輻射應(yīng)急的安排與響應(yīng)[M].北京：原子能出版社，2002.

[9]國際原子能機構(gòu).制定核或輻射應(yīng)急響應(yīng)方案的方法[M].北京：原子能出版社，1997.

[10]Mitchell Rogovin, George T.Frampton,Three mile island:A report to the commissioners and to the public[R].vol 2（1），1980.

[11]Luigi Monte.Regional-scale application of the decision support system MOIRA-PLUS:an example of assessment of the radiological impact of the Chernobyl accident on the fresh water ecosystem in Italy[J].Journal of Environmental Radioactivity,102（2011）73-83.

[12]N.Buraglioa,A.Aldahanb,G.Possnerta.129I in lakes of the Chernobyl fallout region and its environmental implications[J].Applied Radiation and Isotopes,55(2001)715-720.

[13]IAEA. Environmental Consequences of the Chernobyl Accident and their Remediation:Twenty Years of Experience,Report of the Chernobyl Forum Expert Group ‘Environment’ [R].2006.

[14]張淑玲，陳慶偉.日本福島核泄漏事故對我國核電水資源管理的警示[J].水利發(fā)展研究，2011（8）.