某核電廠附近海域生態(tài)環(huán)境特征及潛在致災(zāi)生物研究

張文斌, 孫 偉, 許 歆, 王洪波, 鄭碧琪, 魯 超, 李 靖, 穆景利

某核電廠附近海域生態(tài)環(huán)境特征及潛在致災(zāi)生物研究

張文斌1, 2, 孫 偉3, 許 歆4, 王洪波3, 鄭碧琪1, 2, 魯 超1, 2, 李 靖4, 穆景利4

(1. 國家海洋局寧德海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 濱海電廠海洋生態(tài)聯(lián)合研究中心, 福建 寧德 352100; 2. 自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)技術(shù)重點實驗室, 上海 201206; 3. 福建寧德核電有限公司, 福建 寧德 355200; 4. 閩江學(xué)院 地理與海洋學(xué)院, 福建 福州 350108)

為了了解某核電廠周邊海域的生態(tài)環(huán)境狀況, 篩選潛在威脅核電廠冷源安全的致災(zāi)生物, 分析影響致災(zāi)生物時空分布的主要環(huán)境因素, 本研究于2018年進行了4個季節(jié)的生態(tài)調(diào)查。結(jié)果表明, 研究海域浮游植物密度秋季最高, 春季優(yōu)勢種為東海原甲藻(), 其他季節(jié)優(yōu)勢種為中肋骨條藻()等硅藻。浮游動物密度夏季最高, 以橈足類為主, 春、夏季優(yōu)勢種還包括球型側(cè)腕水母()和藪枝螅水母(sp.)。底棲動物的密度和生物量在秋季最高, 優(yōu)勢種主要為豆形短眼蟹()、長吻沙蠶()和絲異須蟲()。浮游植物、浮游動物和底棲動物群落均在夏季最為穩(wěn)定, 群落多樣性水平和物種豐度較高, 且分布較為均勻。浮游植物群落的細胞豐度與懸浮物和磷酸鹽的濃度正相關(guān)性最高。浮游動物的密度受溫度和鹽度的影響較大。底棲動物的群落分布主要受懸浮物和無機營養(yǎng)鹽的濃度影響。本研究共篩選出17種威脅該核電廠冷源安全的潛在致災(zāi)生物。海地瓜()、棘刺錨參()、?？?Actiniaria species)和球型側(cè)腕水母的風(fēng)險等級較高, 其分布主要受溫度和鹽度的影響。后續(xù)工作中, 該核電廠應(yīng)根據(jù)潛在致災(zāi)生物與環(huán)境因子的關(guān)系加強暴發(fā)機制研究、提升監(jiān)測預(yù)警能力, 并優(yōu)化驅(qū)趕消殺技術(shù)和干擾體系, 為核電廠冷源安全提供理論和技術(shù)保障。

核電廠; 浮游植物; 浮游動物; 底棲動物; 潛在致災(zāi)生物

核能作為清潔低碳、高效安全的能源, 是我國實現(xiàn)碳中和的一個重要選擇。目前國內(nèi)的核電廠均沿海而建, 取海水進入核電廠作為最終冷卻水帶走熱量[1]。當前核電廠建設(shè)前期的海洋生態(tài)調(diào)查與評價主要是判斷核電廠施工和運行對海洋生態(tài)環(huán)境的可能影響, 缺乏對海洋生物危害核電廠正常運行的針對性研究[2]。事實上, 國內(nèi)外濱海核電廠已發(fā)生多起海洋生物暴發(fā)導(dǎo)致取水系統(tǒng)異常的事件。2008—2015年, 世界核電運營者協(xié)會(World Association of Nuclear Operators, WANO)公布了60多起核電廠冷卻水取水口堵塞導(dǎo)致機組降功率、反應(yīng)堆手動停堆和反應(yīng)堆自動停堆的事件, 其中有40多起是由海洋生物暴發(fā)和入侵導(dǎo)致的。自2013年以來, 我國渤海、東海、南海海區(qū)多處濱海核電廠取水海域分別發(fā)生了水母、球形棕囊藻()、毛蝦(sp.)、海地瓜()等海洋生物影響工程取水的事件, 嚴重時導(dǎo)致機組的降負荷運行、跳機乃至跳堆[3]。

某核電廠首臺機組于2013年4月投入商業(yè)運行, 一期工程于2016年7月全面建成。調(diào)查表明, 該核電廠投入使用后, 周邊海域水質(zhì)保持較好, 說明核電廠運行對鄰近海域水質(zhì)影響不大[4-5]。然而, 海地瓜曾大規(guī)模進入某核電廠取水口的鼓網(wǎng), 對冷源系統(tǒng)取水造成一定的影響[3]。為了深入了解該核電廠對臨近海域水質(zhì)和生物的影響, 以及潛在致災(zāi)生物存在現(xiàn)狀和暴發(fā)的可能性, 本文對2018年該核電廠附近的海洋生態(tài)環(huán)境狀況進行分析, 并根據(jù)海洋生物的生長特點和暴發(fā)歷史, 提出潛在致災(zāi)生物名錄, 為核電廠進行海洋生物災(zāi)害預(yù)防提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查海域與采樣方法

根據(jù)某核電廠的布局, 在取水口、港池區(qū)和排水口臨近海域各布設(shè)4個調(diào)查站位, 采樣時間分別為2018年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)。

按《海洋監(jiān)測規(guī)范》[6]和《海洋調(diào)查規(guī)范》[7]對調(diào)查海域的水質(zhì)參數(shù)和生物樣品進行采集和檢測。使用采水器采集表層和底層海水, 分別用于水質(zhì)參數(shù)的測定和浮游植物的分析。利用CTD多參數(shù)水質(zhì)儀對水溫(T)、鹽度(S)、pH、溶解氧(DO)等水質(zhì)參數(shù)進行測量。量取一定體積的海水經(jīng)0.45 μm的濾膜過濾, 稱量留在濾膜上的懸浮物重量, 計算海水中的懸浮物(SP)濃度。濾液加入三氯甲烷固定后–20 ℃保存, 用營養(yǎng)鹽自動分析儀測定銨鹽(NH4-N)、硝酸鹽(NO3-N)、亞硝酸鹽(NO2-N)、磷酸鹽(PO4-P)、硅酸鹽(SiO3-Si)的濃度。無機氮濃度為NH4-N、NO3-N和NO2-N濃度之和。浮游植物樣品使用5%的甲醛溶液固定, 在倒置顯微鏡下對浮游植物進行種類鑒定和細胞計數(shù)。使用淺水Ⅰ型網(wǎng)(孔徑0.505 mm)和淺水Ⅱ型網(wǎng)(孔徑0.160 mm)分別采集大中型浮游動物和中小型浮游動物樣品, 用5%的甲醛溶液固定, 在體視顯微鏡下進行物種鑒定和計數(shù)。1月份未進行大中型浮游動物樣品采集, 中小型浮游動物樣品因未記錄采樣濾水量, 無法計算密度, 僅進行物種鑒定。用0.05 m2的挖斗式采泥器獲取底泥樣品, 通過底棲動物漩渦分選裝置篩選底棲動物。樣品用75%乙醇固定, 然后在實驗室內(nèi)對底棲生物進行物種鑒定和計數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析處理

優(yōu)勢種用Mcnaughton優(yōu)勢度指數(shù)(＞0.02)[8]判斷, 物種豐富度、物種多樣性和物種均勻度分別采用Margalef指數(shù)[9], Shannon-Weaver多樣性指數(shù)′[10]和Pielou指數(shù)[11]計算。各指數(shù)公式如下:

式中,為采集樣品中所有物種的總個體數(shù),為樣品中的物種總數(shù),n為第種的總個體數(shù),f為第種在各站位中出現(xiàn)的頻率。

由于調(diào)查海域的水深較淺(平均水深6.3 m), 表層海水和底層海水在同一時間的水質(zhì)參數(shù)數(shù)值、浮游植物細胞密度和優(yōu)勢種無顯著差異, 因此, 取表、底層相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值進行后續(xù)分析。

水質(zhì)富營養(yǎng)化的評價采用富營養(yǎng)化指數(shù)法[12], 評價公式如下:

其中, 耗氧有機物(COD)、無機氮和無機磷(磷酸鹽)的質(zhì)量濃度(以下簡稱濃度)單位為mg/L。富營養(yǎng)化等級指標劃分按如下標準:<1, 貧營養(yǎng); 1≤≤2, 輕度富營養(yǎng); 2≤≤5, 中度富營養(yǎng); 5≤≤15, 重富營養(yǎng);≥15, 嚴重富營養(yǎng)[5]。

為了探究環(huán)境因子的時空差異, 對環(huán)境因子進行主成分分析(principal component analysis, PCA)。采用多元統(tǒng)計分析確定生物群落、個別物種的時空分布與環(huán)境因子的相互作用關(guān)系?；谌ペ厔莘治?detrended correspondence analysis, DCA)判斷, 當?shù)谝惠S長度小于3, 采用線性模型冗余分析法(redundancy analysis, RDA)進行分析, 當?shù)谝惠S長度大于3, 采用單峰模型典范對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis, CCA)進行分析[13]。以上分析均在CANOCO 5.0軟件包上進行。

2 結(jié)果

2.1 水質(zhì)參數(shù)

2018年某核電廠附近海域水質(zhì)參數(shù)變化如圖1所示。水溫的變化范圍為12.25～33.28 ℃, 最高溫出現(xiàn)在7月排水口海域, 最低溫出現(xiàn)在1月港池區(qū)海域。在1、4、7月, 排水口海域水溫高于其他調(diào)查海域, 4月排水口海域水溫甚至高出取水口水溫約4.0 ℃。四季鹽度范圍為26.86～32.79, 7月最高, 1月最低。總體而言, 港池區(qū)海水鹽度略高; 1月各區(qū)域鹽度差異最小, 僅為0.06; 10月各區(qū)域鹽度差異最大, 港池區(qū)比排水口高0.78。pH波動較小, 在7.96～8.20之間, 最高值和最低值分別出現(xiàn)在7月取水口海域和10月排水口海域。溶解氧的變化趨勢與水溫相反, 1、4月高, 7、10月低。溶解氧質(zhì)量濃度(以下簡稱溶解氧濃度)最高值9.20 mg/L出現(xiàn)在1月取水口海域, 最低值6.81 mg/L在7月排水口海域。其中, 1月各區(qū)域的溶解氧濃度差異最小(0.28 mg/L), 7月港池區(qū)的溶解氧濃度比排水口高1.75 mg/L, 區(qū)域差值最大。懸浮物濃度的季節(jié)波動較大, 冬季懸浮物含量平均值是其他季節(jié)的2～5倍, 最高值和最低值分別出現(xiàn)在1月取水口海域(123.8 mg/L)和4月港池區(qū)海域(15.2 mg/L)。

圖1 水質(zhì)參數(shù)的季節(jié)變化

調(diào)查海域磷酸鹽、無機氮和硅酸鹽的濃度范圍分別為0.009～0.046 mg/L, 0.079～0.562 mg/L和0.322～ 1.195 mg/L。三者的季節(jié)變化呈現(xiàn)V型趨勢, 1、10月較高, 4、7月較低, 最高值均出現(xiàn)在10月排水口海域, 最低值出現(xiàn)在7月港池區(qū)海域(磷酸鹽和硅酸鹽)或取水口海域(無機氮)。不同區(qū)域磷酸鹽、無機氮和硅酸鹽的濃度變化趨勢也幾乎一致, 其中無機氮濃度在7月相對較低。

2.2 浮游植物

浮游植物細胞密度變化范圍為4.14×103～ 2.90×104個/L, 最低值和最高值分別出現(xiàn)在4月排水口海域和10月港池區(qū)海域(圖2a)。1月共鑒定出硅藻46種, 甲藻1種, 綠藻1種, 優(yōu)勢種為中肋骨條藻()和具槽直鏈藻(), 各區(qū)域間差異較小。4月共鑒定出硅藻40種, 甲藻7種, 優(yōu)勢種為東海原甲藻(), 浮游植物平均細胞密度不及其他月份的1/2。7月浮游植物樣品共鑒定出硅藻35種, 甲藻9種, 藍藻1種, 優(yōu)勢種較多, 包括中肋骨條藻、尖刺擬菱形藻()、瓊氏圓篩藻()、海洋曲舟藻()和小細柱藻()。排水口浮游植物細胞密度顯著較高, 分別為取水口和港池區(qū)的3倍和2倍。10月共鑒定出硅藻28種, 甲藻10種, 藍藻1種, 優(yōu)勢種為中肋骨條藻, 港池區(qū)浮游植物細胞密度是其他區(qū)域的2～3倍。多樣性指數(shù)′、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律(圖2b): 1月較低, 4、7月較高, 10月急劇降至最低值; 這與浮游植物細胞密度的季節(jié)變化規(guī)律相反。

圖2 浮游植物的細胞密度和群落多樣性指數(shù)季節(jié)變化

2.3 浮游動物

2018年4月調(diào)查結(jié)果顯示, Ⅰ型網(wǎng)樣品共鑒定出大中型浮游動物27種, 隸屬于11個類群, 優(yōu)勢種為墨氏胸刺水蚤()、中華哲水蚤()和球型側(cè)腕水母()。排水口大中型浮游動物平均密度最低(6.88 ind./m3), 港池區(qū)最高(56.50 ind./m3), 因為港池區(qū)其中一個站位有高密度的球型側(cè)腕水母和中華哲水蚤(圖3a)。Ⅱ型網(wǎng)采樣共獲得中小型浮游動物36種, 隸屬于10個類群, 優(yōu)勢種為小擬哲水蚤()。由于在取水口某站位小擬哲水蚤的密度高達29 700 ind./m3, 取水口中小型浮游動物的平均密度(11 640.00 ind./m3)高出港池區(qū)(1 232.81 ind./m3)1個數(shù)量級(圖3b)。大中型浮游動物比中小型浮游動物物種數(shù)少, 但物種多樣性′和均勻度較高(圖3c、3d), 這與中小型浮游動物群落中存在密度高出其他物種1～2個數(shù)量級的絕對優(yōu)勢種(小擬哲水蚤)有關(guān)。

7月, Ⅰ型網(wǎng)樣品共鑒定出大中型浮游動物12個類群51種, 密度變化范圍為103.76～400.63 ind./m3, 優(yōu)勢種為球型側(cè)腕水母、刺尾紡錘水蚤()和藪枝螅水母(sp.)。取水口大中型浮游動物密度達到調(diào)查海域全年最高值, 因為該區(qū)域球型側(cè)腕水母和刺尾紡錘水蚤的密度顯著高于其他區(qū)域。中小型浮游動物(Ⅱ型網(wǎng)樣品)共14個類群60種, 密度變化范圍為4 174.06～14 948.49 ind./m3, 優(yōu)勢種為針刺擬哲水蚤()、刺尾紡錘水蚤、長腹劍水蚤(sp.)和小擬哲水蚤。取水口和排水口海域中小型浮游動物密度接近, 港池區(qū)有2個站位的針刺擬哲水蚤密度高達12 685.71 ind./m3和16 507.94 ind./m3, 故平均值遠高于另外2個海域。大中型、中小型浮游動物群落的多樣性指數(shù)′和豐富度指數(shù)均在7月達到高峰, 均勻度指數(shù)前者略微降低、后者顯著升高。

圖3 Ⅰ型網(wǎng)和Ⅱ型網(wǎng)采集的浮游動物的密度和群落多樣性指數(shù)季節(jié)變化

10月, Ⅰ型網(wǎng)樣品共鑒定大中型浮游動物8個類群37種, 優(yōu)勢種為背針胸刺水蚤()、精致真刺水蚤()和太平洋紡錘水蚤()。密度變化范圍為24.88～125.70 ind./m3, 取水口最高, 排水口最低。中小型浮游動物(Ⅱ型網(wǎng)樣品)40種, 隸屬于9個類群, 密度變化范圍為421.55～1 677.86 ind./m3。其中, 港池區(qū)密度比排水口高出1個數(shù)量級, 因為港池區(qū)海域第一優(yōu)勢種針刺擬哲水蚤較多。此外, 中小型浮游動物優(yōu)勢種還包括太平洋紡錘水蚤、近緣大眼劍水蚤()、擬長腹劍水蚤()和小擬哲水蚤。10月大中型浮游動物群落多樣性指數(shù)′、均勻度指數(shù)以及豐富度指數(shù)均低于其他月份, 中小型浮游動物多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)與7月接近, 豐富度指數(shù)略微降低。

2.4 底棲動物

2018年4次調(diào)查中, 底棲生物物種數(shù)為54～69, 隸屬于8個類群, 環(huán)節(jié)動物門(Annelida)種數(shù)最多, 平均棲息密度最高; 棘皮動物門(Echinodermata)個體較大、較重, 平均生物量最高; 豆形短眼蟹()是全年的優(yōu)勢物種。1月優(yōu)勢種為豆形短眼蟹、絲異須蟲()、長吻沙蠶()和角海蛹(), 各區(qū)域底棲動物棲息密度和生物量范圍分別為37.50～77.50 ind./m2和7.44～11.07 g/m2, 排水口、港池區(qū)和取水口密度依次降低, 生物量分布相反(圖4a、4b)。4月優(yōu)勢種為豆形短眼蟹、角海蛹、奇異稚齒蟲()、絲異須蟲和長吻沙蠶, 各區(qū)域底棲動物棲息密度和生物量范圍分別為31.67～84.00 ind./m2和5.85～37.57 g/m2。雖然取水口底棲動物棲息密度最高, 但其生物量遠高于其他區(qū)域的主要原因是取水口發(fā)現(xiàn)了1只成年海地瓜, 而成年海地瓜的質(zhì)量(50.50 g/ind.)比其他底棲生物個體高1個數(shù)量級。7月優(yōu)勢種有長吻沙蠶、絨毛細足蟹()、鉤蝦(Gammaridae species)、豆形短眼蟹和背毛背蚓蟲(), 各區(qū)域底棲動物棲息密度(23.75～83.00 ind./m2)和生物量(5.79～16.71 g/m2)的變化趨勢一致, 取水口、港池區(qū)、排水口依次降低。10月優(yōu)勢種為豆形短眼蟹、鉤蝦、寡鰓齒吻沙蠶()、奇異稚齒蟲和絲異須蟲, 各區(qū)域底棲動物棲息密度和生物量范圍分別為89.50～255.00 ind./m2和8.11～44.05 g/m2。雖然取水口底棲動物棲息密度略低于港池區(qū), 但生物量是其3倍, 主要是因為取水口個別站位出現(xiàn)的短吻鏟莢螠()(13.10 g/ind.)和棘刺錨參()(12.24 g/ind.)個體質(zhì)量較大。排水口底棲動物棲息密度在10月達全年最高, 這是因為某個站位的奇異稚齒蟲密度(270.00 ind./m2)高于其他物種1個數(shù)量級, 而生物量較大則是因為短吻鏟莢螠在絕大多數(shù)站位貢獻了大于32 g/m2的生物量。

圖4 底棲動物的密度、生物量和群落多樣性指數(shù)季節(jié)變化

相比于浮游植物和浮游動物, 調(diào)查海域底棲動物群落的物種多樣性指數(shù)′(2.27～2.96)、均勻度指數(shù)(0.85～0.91)和豐度指數(shù)(1.09～1.63)總體較高, 季節(jié)波動較小(圖4c)。這表明: 底棲動物物種豐度較高且分布較為均勻, 群落多樣性水平較高; 底棲環(huán)境受污染程度較低, 群落結(jié)構(gòu)處于受輕微擾動狀態(tài)。

3 討論

3.1 潛在致災(zāi)生物

海洋生物通過異常增殖或聚集, 可能堵塞核電廠冷卻水取水管道、影響核電廠機組運行安全。因此, 根據(jù)核電廠附近海域海洋生物特點, 篩選潛在致災(zāi)生物, 將為核電廠的安全預(yù)警提供重要的科學(xué)支撐。個體或群體大小大于核電廠取水口鼓網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑(3 mm)、運動能力弱、易聚集或易暴發(fā)性增殖的海洋生物, 可能會對核電廠冷源系統(tǒng)產(chǎn)生威脅[1, 14-15]。根據(jù)2018年的調(diào)查結(jié)果, 本研究篩選出某核電廠附近海域影響冷源安全的潛在致災(zāi)生物, 并對其風(fēng)險等級進行劃分(表1)。劃分標準如下: 國內(nèi)外已報道的影響核電廠冷源安全的物種, 以及與致災(zāi)生物形態(tài)和生活習(xí)性相似且曾在某核電廠臨近海域大量聚集的物種, 風(fēng)險等級為“高”; 與致災(zāi)生物在形態(tài)和生活習(xí)性上相似, 堵塞冷源系統(tǒng)可能性較高的物種, 風(fēng)險等級為“中”。

附近海域潛在影響核電廠冷源安全的浮游動物主要為水母。水母的主要成分是水和膠質(zhì), 易破碎; 運動能力弱, 易隨水漂流; 易受到核電廠巨大取水量產(chǎn)生的卷吸效應(yīng)的影響, 堵塞核電取水口。國內(nèi)外關(guān)于水母堵塞核電廠取水口的事件常有報道, 如2011年6月, 英國、美國、日本、以色列均出現(xiàn)水母干擾核電廠運行的事件。2014年, 我國北方一核電廠出現(xiàn)海月水母堵塞取水口, 導(dǎo)致機組跳堆或低功率運行[16]。2020年7月, 該核電廠再次因水母入侵取水口, 導(dǎo)致鼓網(wǎng)壓差升高、運行人員手動停堆。臨近海域水母分布特征的研究表明, 夏季為潛在高風(fēng)險季節(jié), 其次是春季, 秋季和冬季基本不會因水母而引起核電廠冷源安全事故發(fā)生[17]。根據(jù)2018年對某核電廠周邊海域浮游動物的調(diào)查結(jié)果, 球型側(cè)腕水母曾在春季和夏季的大中型浮游動物群體中成為優(yōu)勢種, 暴發(fā)的可能性較大; 該種高7～12 mm, 寬5～10 mm, 大于鼓網(wǎng)網(wǎng)孔直徑; 繁殖能力強, 生長發(fā)育速度極快, 每年4—7月是其主要的生殖季節(jié)[18]; 綜上, 球型側(cè)腕水母的風(fēng)險等級為“高”。

潛在影響某核電廠冷源安全的底棲動物中, 暴發(fā)可能性最大的是海地瓜, 因為某核電廠取水口曾在2015年8、9月發(fā)生過海地瓜堵塞事件。2016年, 在某核電廠取水口曾打撈到大量海地瓜, 2018年春、冬季又有海地瓜出現(xiàn)。因此, 海地瓜對某核電廠冷源安全存在較高的威脅。

形態(tài)、個體與海地瓜相近的棘刺錨參也是潛在影響該核電廠冷源安全的致災(zāi)生物。棘刺錨參一般體長約10～15 cm, 最大可達28 cm, 直徑15～20 mm。體呈蠕蟲狀, 體壁密布錨形骨片, 此骨片使蟲體易于黏附在其他物體上, 如取水口攔網(wǎng)[14]。在2018年春、夏、秋季的調(diào)查結(jié)果中, 某核電廠取水口海域幾乎所有站位的底泥中均檢出棘刺錨參, 且是秋季底棲動物生物量的主要貢獻者之一, 對取水安全有較大的潛在威脅, 風(fēng)險等級為“高”。

?？麄€體大小與海地瓜相當, 可吸水膨脹、吐水收縮[19]。?？讨? 通常不易隨水流移動, 但若在外界刺激或者極端天氣時, ?？梢云∑饋? 隨著水流運動, 堵塞鼓網(wǎng)。2016年, 某核電廠取水口疏浚工作中曾發(fā)現(xiàn)較多?？?。綜上, ?？娘L(fēng)險等級也較高。

3.2 生物與環(huán)境因子的關(guān)系

某核電廠取水口、港池區(qū)和排水口的水質(zhì)環(huán)境存在一定差異。從PCA分析結(jié)果(圖5)可以看出, 不同季節(jié)的樣品聚集程度不同。春季樣品(Apr1、Apr2、Apr3)聚集程度最高, 說明各區(qū)域水質(zhì)環(huán)境差異較小, 且主要受pH值影響。夏季樣品(Jul1、Jul2、Jul3)受溫度、鹽度和pH影響較大, 港池區(qū)的水質(zhì)環(huán)境與取水口、排水口有比較明顯的差異。秋季樣品(Oct1、Oct2、Oct3)最為分散, 可能與該季節(jié)3個區(qū)域無機營養(yǎng)鹽濃度差異較大有關(guān)。冬季樣品(Jan1、Jan2、Jan3)受懸浮物和溶解氧的影響較大。

在春、夏、冬季, 排水口水溫比另外兩個區(qū)域高(圖1a), 可見核電廠排水口的溫排水對鄰近海域的水溫有顯著影響。除了夏季, 排水口的無機營養(yǎng)鹽濃度均比取水口和港池區(qū)高(圖1f—1h), 且在秋、冬季最為顯著, 富營養(yǎng)化程度也是相同規(guī)律(表2)。3個區(qū)域在秋、冬季存在一定程度的富營養(yǎng)化, 春、夏季均為貧營養(yǎng)。相比于某核電廠建成之前[5], 該海域2018年的水質(zhì)富營養(yǎng)化程度沒有明顯上升。

圖5 環(huán)境因子的PCA分析

注: 藍、綠、紅、黃色圓點分別代表1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)的樣品, 樣品名稱中的1、2、3分別代表取水口、港池區(qū)和排水口。

表2 某核電廠附近不同區(qū)域的富營養(yǎng)化評價

不同生物類群與環(huán)境因子的RDA排序分析結(jié)果顯示(圖6), 浮游植物的細胞豐度與懸浮物、溫度和磷酸鹽的變化呈一定程度的正相關(guān)。其中, 浮游植物的細胞豐度與懸浮物和磷酸鹽的濃度正相關(guān)性最高(表3)。結(jié)合RDA分析和Spearman相關(guān)性分析的結(jié)果, 浮游動物的密度受溫度和鹽度的影響較大, 這與前人對該海域浮游動物與水環(huán)境因子關(guān)系研究的結(jié)果相似[20-28]。浮游植物、懸浮顆粒物和表層沉積物是很多底棲動物的主要食物來源, 而水體中無機營養(yǎng)鹽濃度與浮游植物的密度和表層沉積物的分解釋放有關(guān), 因此, 底棲動物的密度與懸浮物和無機營養(yǎng)鹽有較強的正相關(guān)性。將潛在致災(zāi)生物的密度與環(huán)境變量進行CCA分析(圖7), 發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)潛在致災(zāi)生物的密度變化與溫度、鹽度、pH和溶解氧密切相關(guān), 包括高風(fēng)險物種球型側(cè)腕水母和?？Ｇ蛐蛡?cè)腕水母屬于亞熱帶外海種, 喜歡較高的水溫和鹽度[17, 29-30], 與溫度和鹽度的相關(guān)系數(shù)最大, 且為極顯著正相關(guān)(表3)。?？躳H、鹽度和溫度的影響較大(圖7), 與鹽度的變化呈顯著正相關(guān)(表3)。

圖6 不同生物類群與環(huán)境變量的RDA排序圖

表3 生物變量與環(huán)境因子的Spearman相關(guān)性系數(shù)

注: **表示<0.01, *表示<0.05。括號內(nèi)為物種名縮寫, 全稱見表1。

3.3 取水口海洋生物致災(zāi)防控建議

由于對環(huán)境條件改變引起海洋生物暴增的預(yù)測能力不足, 以及應(yīng)對取水口堵塞事件的經(jīng)驗和技術(shù)儲備欠缺, 濱海核電廠冷源堵塞導(dǎo)致機組運行受阻的事件每年均有報道, 尚未得到有效抑制。為了建立有效的監(jiān)測預(yù)警與處置技術(shù)體系, 結(jié)合某核電廠鄰近海域生態(tài)環(huán)境特征和致災(zāi)生物名錄, 可以從以下幾個方面加以努力:

圖7 潛在致災(zāi)生物與環(huán)境變量的CCA排序圖(物種名縮寫見表3)

1) 加強核電廠周邊海域潛在致災(zāi)生物的暴發(fā)機制研究。某核電廠目前圍繞海地瓜的生理、生長、分布以及暴發(fā)誘因等基礎(chǔ)研究較多, 但對其他潛在致災(zāi)生物(如水母、?？图体^參)的空間分布情況、生殖繁育規(guī)律等問題研究較少, 亟需開展相關(guān)調(diào)查與暴發(fā)機制研究。

2) 提升核電廠周邊海域潛在致災(zāi)生物的監(jiān)測預(yù)警能力。針對取水口海域, 可建立觀測塔和海底觀測網(wǎng)相結(jié)合的關(guān)鍵區(qū)域監(jiān)測平臺, 搭載水面高清攝像頭、水下高頻聲吶成像系統(tǒng)、水下高清攝像頭、流速流向水文傳感器, 對生物群落采用自水底到水面的全方位監(jiān)控, 實現(xiàn)小尺度范圍內(nèi)的生物數(shù)量和群落分布的精確監(jiān)測和定位。此外, 還應(yīng)同海洋、海事和氣象等相關(guān)部門建立長期穩(wěn)定的合作關(guān)系, 以便及時、準確地獲得海洋氣象、魚汛、蝦汛、大面積浮游物等預(yù)報信息。

3) 優(yōu)化核電廠周邊海域潛在致災(zāi)生物的驅(qū)趕消殺技術(shù)和干擾體系。目前, 某核電廠已針對海地瓜開展了一系列防控技術(shù)的研究, 發(fā)現(xiàn)在取水口投放氯錠可對成年海地瓜產(chǎn)生一定的抑制。此外, 還應(yīng)針對某核電廠其他潛在致災(zāi)生物的特點, 搭建綜合實驗平臺, 對比研究聲波、氣泡幕、光、電脈沖和殺生劑等不同驅(qū)趕消殺技術(shù)的效果與影響, 根據(jù)實際效果進行分級分區(qū), 開發(fā)復(fù)合式防控技術(shù)?？紤]到不同季節(jié)海洋生物暴發(fā)情況不同, 應(yīng)在取水口攔截過濾設(shè)施上預(yù)留安裝臨時攔截設(shè)施的條件, 以采取更有針對性的攔截, 如水母高發(fā)期布放對應(yīng)水母網(wǎng)等。

[1] 張國輝, 宋和航, 穆陽陽. 北方核電廠取水口堵塞原因分析及改進措施評價[J]. 核動力工程, 2019, 40(5): 111-117.

ZHANG Guohui, SONG Hehang, MU Yangyang. Reason analysis and improvement measures evaluation for water intake blockage at northern nuclear power plan-ts[J]. Nuclear Power Engineering, 2019, 40(5): 111-117.

[2] 於凡, 許波濤, 吳昕, 等. 基于核電冷源安全的海洋生物調(diào)查及篩選評價方法研究[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2021, 40(1): 139-143.

YU Fan, XU Botao, WU Xin, et al. Study on the me-thod of marine organisms investigation, screening and evaluation based on nuclear power plant cold source safety[J]. Marine Environmental Science, 2021, 40(1): 139-143.

[3] 吳僑軍. 核電廠冷源安全的挑戰(zhàn)及對策[J]. 電力安全技術(shù), 2019, 21(11): 4-9.

WU Qiaojun. Challenges and countermeasures for heat sink safety of nuclear power plants[J]. Electric Safety Technology, 2019, 21(11): 4-9.

[4] 雷廷波. 淺析寧德市近岸海域水質(zhì)狀況[J]. 低碳世界, 2019, 9(10): 19-20.

LEI Tingbo. Analysis on the water quality of the coastal waters of Ningde City[J]. Low Carbon World, 2019, 9(10): 19-20.

[5] 陸杰. 寧德市近岸海域富營養(yǎng)化評價[J]. 海峽科學(xué), 2015(2): 5-7.

LU Jie. Evaluation of eutrophication in the coastal waters of Ningde City[J]. Straits Science, 2015(2): 5-7.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局總局. GB 17378.4-2007海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分: 海水分析[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China. GB 17378.4-2007 The specification for marine monitoring-Part 4: Seawater analysis[S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局總局. GB/T12763.6—2007 海洋調(diào)查規(guī)范第6部分: 海洋生物調(diào)查[S]. 北京: 中國標準出版社, 2007.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China. GB/T12763.6-2007 Specifications for Oceanographic Survey-Part 6: Marine biological Survey[S]. Beijing: Standards Press of China, 2007.

[8] McNaughton S J. Relationships among functional properties of Californian grassland[J]. Nature, 1967, 216: 168-169.

[9] Margalef R. Information theory in ecology[J]. Gene-ral Research, 1958, 3: 36-71.

[10] Shannon C E, Weaver W. The mathematical theo-ry of communication[M]. Urbana, USA: University of Illinois Press, 1949.

[11] Pielou E C. An introduction to mathematical ecolo-gy[J]. Bioscience, 1969, 24(2): 7-12.

[12] 鄒景忠, 董麗萍, 秦保平. 渤海灣富營養(yǎng)化和赤潮問題的初步探討[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 1983, 2(2): 45-58.

ZHOU Jingzhong, DONG Liping, QIN Baoping. A preliminary discussion on eutrophication and red tides in Bohai bay[J]. Marine Environmental Science, 1983, 2(2): 45-58.

[13] Braak C, Verdonschot P. Canonical correspondence analysis and related multivariate methods in aqua-tic ecology[J]. Aquatic Sciences, 1995, 57(3): 255-289.

[14] 唐婭菲. 濱海核電運行安全典型致災(zāi)生物研究——以寧德核電為例[D]. 上海: 上海海洋大學(xué), 2018.

TANG Yafei. Study on typical disaster-causing organis-ms of coastal nuclear power operation safety: Taking Ningde nuclear power as an example[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2018.

[15] 張朝文, 關(guān)春江, 徐鵬, 等. 遼東灣東部海域核電冷源取水區(qū)的風(fēng)險生物分析[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2019, 38(1): 41-45.

ZHANG Chaowen, GUAN Chunjiang, XU Peng, et al. Analysis on risk organisms for the cold source water of nuclear power plant in the eastern waters of Liaodong bay[J]. Marine Environmental Science, 2019, 38(1): 41-45.

[16] 李建文, 劉笑麟, 張錦飛, 等. 提升核電廠冷源安全性的海生物探測技術(shù)研究[J]. 電力安全技術(shù), 2017, 19(10): 32-37.

LI Jianwen, LIU Xiaolin, ZHANG Jinfei, et al. Research on marine life detection technology to improve the safety of nuclear power plant cold sources[J]. Electric Safety Technology, 2017, 19(10): 32-37.

[17] 鄧邦平, 劉衡, 王洪波, 等. 福建寧德晴川灣海域水母群落特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險分析[J]. 海洋學(xué)報, 2020, 42(4): 128-136.

DENG Bangping, LIU Heng, WANG Hongbo, et al. Analysis on the community characteristics and potential ecological risk of jellyfish in the Qingchuan Bay of Ningde, Fujian Province[J]. Haiyang Xuebao, 2020, 42(4): 128-136.

[18] 鄭慧苑, 丘書院. 廈門港球型側(cè)腕水母(Moser)的生殖[J]. 動物學(xué)報, 1990, 36(4): 393- 397.

ZHENG Huiyuan, QIU Shuyuan. Reproduction ofMoser in Xiamen Bay[J]. Acta Zoologica Sinica, 1990, 36(4): 393-397.

[19] 許人和. ?？鸞J]. 生物學(xué)通報, 1984(4): 7-10.

XU Renhe.Acfiniaria[J]. Bulletin of Biology, 1984(4): 7-10.

[20] 郭皓. 中國近海赤潮生物圖譜[M]. 北京: 海洋出版社, 2004.

GUO Hao. Illustrations of planktons responsible for the blooms in chinese coastal waters[M]. Beijing: China Ocean Press, 2004.

[21] Mulholland M R, Capone D G. The nitrogen phy-siology of the marine N2-fixing cyanobacteriaspp.[J]. Trends in Plant Science. 2000, 4(4): 148-153.

[22] 王永杰. 膠州灣異體住囊蟲的生態(tài)適應(yīng)性研究[D]. 青島: 中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院海洋研究所), 2014.

WANG Yongjie. Ecological adaption ofin Jiaozhou Bay[D]. Qingdao: University of Chinese Aca-demy of Sciences (Institute of Oceanology, Chinese Aca-demy of Sciences), 2014.

[23] Lambert G. Ecology and natural history of the proto-chordates[J]. Canadian Journal of Zoology. 2005, 83(1): 34-50.

[24] 張高明, 於凡, 張啟明, 等. 核電站取水口海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)研究[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(1): 22-27.

ZHANG Gaoming, YU Fan, ZHANG Qiming, et al. Research on marine organism expulsion and elimination nearby water intakes of nuclear power plants[J]. Marine Electric & Electronic Engineering, 2019, 39(1): 22-27.

[25] 程宏. 海地瓜()堵塞核電冷源成因分析及防控措施研究[D]. 上海: 上海海洋大學(xué), 2018.

CHENG Hong. Research on the causes, prevention and control measures of bio-blogging on nuclear power cold source by[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2018.

[26] 張鳳瀛, 廖玉麟. 我國的蛇尾[J]. 生物學(xué)通報, 1958(11): 16-22.

ZHANG Fengying, LIAO Yulin. Ophiuroidea in China[J]. Bulletin of Biology, 1958(11): 16-22.

[27] 唐婭菲, 王金輝, 程宏, 等. 寧德東部海域大型底棲動物生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2019, 38(2): 278-285, 302.

TANG Yafei, WANG Jinhui, CHENG Hong, et al. Eco- environment quality assessment of macrobenthic community in the East Ningde sea waters[J]. Marine Environmental Science, 2019, 38(2): 278-285, 302.

[28] 程宏, 徐炳旭, 劉溢馨, 等. 寧德市東部海域浮游動物群落及其與水環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2019, 36(8): 18-23.

CHENG Hong, XU Bingxu, LIU Yixin, et al. Zooplan-k-ton community and its relation to environmental factors in the eastern sea area of Ningde[J]. Ocean Develo-pment and Management, 2019, 36(8): 18-23.

[29] 徐兆禮, 高倩, 陳佳杰, 等. 東海櫛水母對溫度和鹽度生態(tài)適應(yīng)的Yield-Density模型[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2008, 27(1): 68-72.

XU Zhaoli, GAO Qian, CHEN Jiajie, et al. Yield- Density model on adaptation of Ctenophora to water temperature and salinity in East China Sea[J]. Chinese Journal of Eco-logy, 2008, 27(1): 68-72.

[30] 張金標. 我國東南近岸海域球型側(cè)腕水母的分布和豐度[J]. 海洋學(xué)報, 1984, 5(S1): 840-846.

ZHANG Jinbiao. The distribution and abundance ofin the coastal waters of Southeast China[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1984, 5(S1): 840-846.

Ecological environment and the potential hazard-causing organisms in the sea area near the nuclear power plant

Zhang Wen-bin1, 2, Sun Wei3, Xu Xin4, Wang Hong-bo3, Zheng Bi-qi1, 2,Lu Chao1, 2, Li Jing4, Mu Jing-li4

(1. Joint Research Center of Marine Ecology of Coastal NPP, Ningde Marine Environmental Monitoring Center of State Oceanic Administration, Ningde 352100, China; 2. Key Laboratory of Marine Ecological Monitoring and Restoration Technologies, MNR, Shanghai 201206, China; 3. Fujian Ningde Nuclear Power Co., Ltd., Ningde 355200, China; 4. College of Geography and Oceanography, Minjiang University, Fuzhou 350108, China)

This study conducted seasonal ecological surveys in 2018 to understand the ecological environment of the sea area near the nuclear power plant and to screen out the hazard-causing organisms that may threaten the safety of the cold water source for the nuclear power plant. The results showed that phytoplankton density was highest during autumn. The dominant phytoplankton species during spring was, and diatoms, such as, dominated during the other seasons. The zooplankton density was highest in summer, and dominated by copepods.andsp. were among the dominant zooplankton species in spring and summer. The density and biomass of zoobenthos were highest in autumn, and the dominant species were,, and. The phytoplankton, zooplankton, and zoobenthos communities were the most diverse and stable in summer. The cell abundance of the phytoplankton community was strongly positively correlated with changes in suspended matter and phosphate. The zooplankton density was strongly affected by temperature and salinity. The zoobenthos community distribution was mainly affected by the concentrations of suspended matter and inorganic nutrients. A total of 17 potential hazard-causing organisms that threatened the safety of the cold water source for the nuclear power plant were screened out. Among them,,, Actiniaria species, andhad higher risk levels, and their distributions were mainly affected by temperature and salinity. Based on the relationship between potential disaster-causing organisms and environmental factors, the nuclear power plant should strengthen research on the outbreak mechanism, improve monitoring and early-warning capabilities, and optimize driving-killing technology and the interference system. Therefore, more theoretical and technical guarantees were provided for the safety of the cold water source for the nuclear power plant.

nuclear power plant; phytoplankton; zooplankton; zoobenthos; potential hazard-causing organisms

Nov. 1, 2021

[Youth Science Fund of East China Sea Bureau of Ministry of Natural Resources, No. 202112; Marine Economy Special Project of Fujian Province, No. ZHHY-2019-1]

Q178.1; Q178.53; X945

A

1000-3096(2022)07-0032-12

10.11759/hykx20211101001

2021-11-01;

2021-12-29

自然資源部東海局青年科學(xué)基金(202112); 福建省海洋經(jīng)濟專項(ZHHY-2019-1)

張文斌(1972—), 男, 福建寧德人, 高級工程師, 本科, 主要從事海洋觀測預(yù)報、生態(tài)監(jiān)測相關(guān)研究, E-mail:zhangwb@ecs. mnr.gov.cn; 許歆(1989—),通信作者, E-mail: xuxin@mju.edu.cn; 穆景利(1979—), 通信作者, E-mail: jlmu@mju.edu.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)