核電取水卷塞卷載及海生物保護(hù)綜述性研究

陳鴻毅 CHEN Hong-yi；代麗 DAI Li；張真 ZHANG Zhen；姜新舒 JIANG Xin-shu；黃倩HUANG Qian；張榮勇ZHANG Rong-yong

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

我國核電站目前均在沿海一線投運(yùn)，核電冷卻水一般采用直流冷卻的方式，而直流冷卻水則一般取自近海海域，核電每年取水量較大，在取水過程中，由于卷載效應(yīng)和卷塞效應(yīng)，可能會無可避免地對海生物產(chǎn)生一定負(fù)面效應(yīng)。其中，卷塞作用指的是，海生物隨水流進(jìn)入核電冷卻系統(tǒng)時被攔截在濾網(wǎng)等特定裝置上，導(dǎo)致海生物的損傷或死亡；卷載作用指的是，小型海生物在進(jìn)入取水冷卻系統(tǒng)后，因熱效應(yīng)、機(jī)械作用、余氯等殺生劑而導(dǎo)致的死亡現(xiàn)象。一個熱帶沿海發(fā)電廠，其直流冷卻系統(tǒng)的泵將海水、浮游植物、浮游動物吸入，其種群密度在排放點(diǎn)分別降低64%和93%[1]。研究表明，卷載作用往往造成的生物損失更大[2，3]。

1972年，美國國會頒布《清潔水法》，該法中規(guī)定要使用現(xiàn)有最佳技術(shù)最大限度減少魚類和其他水生生物在冷卻水取水結(jié)構(gòu)中卷塞卷載的不利影響[4]。近年來，國家相關(guān)監(jiān)管部門對水生態(tài)保護(hù)建設(shè)要求不斷提高，在取水過程中，要注意保護(hù)海生物，減少取水卷塞卷載效應(yīng)導(dǎo)致的海生物損失。在2019年發(fā)布的《核動力廠取排水環(huán)境影響評價指南》（試行）（HJ 1037-2019）中，也對核電取水的生態(tài)影響提出明確要求，要求密切關(guān)注核電取水影響，當(dāng)取水的影響大時需要提出補(bǔ)救方案和相應(yīng)的改進(jìn)措施；指南中還明確規(guī)定環(huán)境影響的評價時間，在核動力廠運(yùn)行后，應(yīng)在五年內(nèi)對取水措施的環(huán)境影響進(jìn)行評價，此外，對取排水環(huán)境影響的評價方法亦提出卷載調(diào)查應(yīng)至少進(jìn)行兩周年的明確要求。因此，核電站取水的卷吸卷載影響問題以及海生物保護(hù)問題值得密切關(guān)注。

1 引起卷塞卷載的因素

引起取水卷塞卷載作用的因素很多，如攔截、熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、化學(xué)因素等。攔截主要發(fā)生在核電站取水的前端攔截設(shè)施，通常由不同尺寸的攔污網(wǎng)、格柵等組成，其作用是攔截海水中的雜物，避免雜物進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)引起設(shè)備故障。在這過程中，一些海生物可能在水泵的抽吸下順著取水口進(jìn)入攔截設(shè)施而被攔截、束縛。熱效應(yīng)是由于冷卻水系統(tǒng)對核電站的乏汽進(jìn)行冷卻導(dǎo)致的水溫升高所帶來的影響，可以分為直接熱效應(yīng)和間接熱效應(yīng)，前者是指進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)的海生物直接受被加熱的循環(huán)水的影響，后者則是核電站長期的溫排水對核電站取水水溫的影響進(jìn)而對生態(tài)及生物的作用。機(jī)械效應(yīng)的表現(xiàn)方式主要包括絞傷、撞擊、壓力變化等，這些與冷卻水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、水的流速、管道壓力等有關(guān)?；瘜W(xué)因素主要來自于殺生劑，由于核電站為了防止一些污損生物在管道附著而投加大量殺生劑，過多的殺生劑會影響海生物的生存環(huán)境。此外，一些自然因素如高溫、極端天氣等也是造成或促進(jìn)卷塞卷載作用的重要因素。

雖然不同因素的作用強(qiáng)度和作用效果不盡相同，但它們在直流冷卻的核電站長期存在，且具有協(xié)同效應(yīng)。以一臺百萬千瓦機(jī)組為例，循環(huán)水流量60~70m3/s，投加殺生劑約1mg/L，溫排水升溫約8℃，每年運(yùn)行7000余小時，如此大的取水體量和運(yùn)行時長會增大攔截的概率及熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、化學(xué)因素的負(fù)向作用，長期運(yùn)行將進(jìn)一步加劇卷塞卷載所帶來的影響，從長遠(yuǎn)看，非正向的人為因素下原有的生態(tài)環(huán)境必將發(fā)生惡性變化。

2 卷塞卷載作用的負(fù)面效應(yīng)

卷塞卷載作用對海生物個體的存活和種群生物量具有直接或間接的影響。一方面，海生物在經(jīng)過冷卻系統(tǒng)的過程中受到機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)等能夠直接致死；另一方面，存活的個體在經(jīng)過機(jī)械損傷、余氯中毒、冷熱溫度刺激等作用后，其生存能力、繁殖能力有所下降。

在受到取水卷塞卷載影響的海生物中，小型浮游生物、甲殼動物、仔稚幼魚及魚卵等是較為常見的類群，尤其是處于海洋魚類早期生活史階段的仔稚幼魚和魚卵。由于仔稚幼魚游泳能力較弱，魚卵則完全無游泳能力，因此更易受到核電取水卷載作用的影響。有研究表明，在所有經(jīng)過電站冷卻系統(tǒng)的仔稚幼魚中，僅有1%~3.7%能夠存活[5]。2019年~2020年，針對田灣核電開展了取水生物損失量調(diào)查，結(jié)果表明，1~4號機(jī)組運(yùn)行過程中，魚卵全年損失總量為6.71×109個，仔魚全年損失量為3.18×109個。暨南大學(xué)在對大亞灣核電站進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)的幼卵、幼蝦進(jìn)行Monte Carlo方法計算，得出取水過程造成其損失率為4.3%[6]?？梢娮兄捎佐~的卷載損失量較高，對于漁業(yè)資源的可持續(xù)性存在一定負(fù)面效應(yīng)。

此外，從生態(tài)系統(tǒng)角度來看，卷塞卷載作用導(dǎo)致的生物量減少可能引起生態(tài)失衡等負(fù)面效應(yīng)[7]。一方面，低端物種或劣勢物種的減少可能造成多級消費(fèi)者的數(shù)量銳減，且其影響迅速；另一方面，優(yōu)勢物種的減少可能使某一些被消費(fèi)者在短時間內(nèi)迅速繁殖，一旦發(fā)生生物爆發(fā)，則容易導(dǎo)致冷端取水堵塞，進(jìn)而引發(fā)核電站機(jī)組降功率運(yùn)行或緊急停堆等事故工況。國內(nèi)已經(jīng)發(fā)生多起海生物爆發(fā)堵塞核電站取水口事件，如2021年7月，紅沿河核電站因大量海月水母進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)組停堆；2020年3月，陽江核電站取水海域爆發(fā)大量毛蝦、水虱，導(dǎo)致多臺機(jī)組停堆[8]。海生物爆發(fā)引起的事故工況不僅對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的沖擊，而且會使核電站造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

總體來說，卷塞卷載效應(yīng)對海洋生態(tài)、漁業(yè)資源補(bǔ)充、核電站運(yùn)行都有一定的負(fù)面效應(yīng)，特別是仔稚幼魚及魚卵對整個漁業(yè)資源的恢復(fù)、水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要作用，影響核電的環(huán)境友好性。然而，當(dāng)前國內(nèi)外在選址和建設(shè)核電站時，更多地考慮建設(shè)運(yùn)行成本和收益，缺乏對生態(tài)、生物資源的全局衡量，不利于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展、漁業(yè)資源保護(hù)，因此，核電站取水的卷塞卷載問題需要給予更多關(guān)注。

3 卷塞卷載的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對于卷塞卷載已有一定研究，但針對于仔稚幼魚及魚卵的研究較少。美國、德國、瑞典、法國等早在上個世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始核電站卷載效應(yīng)方面的研究，取得了不少的成果。Huggett等[9]通過在庫貝格核電站長期觀察，發(fā)現(xiàn)在卷載效應(yīng)下，浮游植物的生物量平均減少55.33%；各類浮游動物的死亡率平均為17.48%，其中作為優(yōu)勢物種的橈足類動物的平均死亡率達(dá)到21.88%。在瑞典西部沿岸核電站冷卻水系統(tǒng)的卷載作用的研究結(jié)果表明，進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)的浮游動物會受到機(jī)械損傷、溫升及加氯的影響，死亡率可達(dá)60%[10]。法國格拉夫林核電站的相關(guān)研究顯示，浮游動物死亡率在10%以下，其中敏感群體則高達(dá)20%；底棲魚類的卵死亡率為50%，幼魚死亡率則高達(dá)100%。對撞擊比較敏感的鯡魚死亡率高達(dá)100%，耐抗力較強(qiáng)的比目魚、鰻魚、鱸魚死亡率則在0~20%間，海蝦死亡率在30%~70%間[11]。此外，相關(guān)模擬沿海直流冷卻發(fā)電站冷卻水系統(tǒng)的取水實驗表明，不同種類或不同成長期的物種對壓力、機(jī)械作用、熱效應(yīng)、余氯等因素的敏感度不相同，且這些因素具有一定的協(xié)同作用，可以使幼體、成年期物種的死亡率達(dá)到20%[12]。Kartasheva等[13]的研究研究結(jié)果顯示，當(dāng)溫度超過33-35℃時，取水設(shè)備中卷載的浮游動物的死亡率大幅上升，如果冷卻水系統(tǒng)中的水溫達(dá)到40℃，死亡率通常會超過80%，盡管一部分浮游動物能夠存活下來，但冷卻水溫差也會影響其生存能力，且死亡率隨著暴露時間和殺菌劑濃度的增加而增加。

對于沿海各核電站對海生物的機(jī)械卷載統(tǒng)計及研究，目前做的工作較少。據(jù)統(tǒng)計，沿海核電站對海生物的卷載數(shù)量較大，機(jī)械卷載造成的海生物死亡率較高。對秦山二期工程的調(diào)研結(jié)果表明，進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的浮游藻類的機(jī)械損傷率為11.98%～27.08%；但研究表明，浮游藻類的繁殖力較強(qiáng)，在受到機(jī)械損傷后其種群能夠在較短時間內(nèi)就能迅速恢復(fù)。對浮游動物的卷載實驗則表明，核電取水卷載作用對浮游動物的總損傷率約為55%，但浮游動物生殖期短，繁殖能力強(qiáng)，其生物量周轉(zhuǎn)率較高，種群數(shù)量可快速恢復(fù)。相對而言，仔稚幼魚的資源補(bǔ)充相對較緩慢，其卷載效應(yīng)對于漁業(yè)資源的有效利用和漁業(yè)資源補(bǔ)充損害較大[14]。

卷塞卷載的負(fù)面效應(yīng)已經(jīng)引起了研究者的關(guān)注，為了降低卷塞卷載效應(yīng)的影響，魚類收集系統(tǒng)、魚類回流系統(tǒng)、物理屏障和行為屏障等技術(shù)被應(yīng)用于降低和緩解冷卻水系統(tǒng)對海生物的損害。Turnpenny等[15]觀察到魚類回流系統(tǒng)可以有效降低鱈魚和鱈魚等較耐寒物種的卷塞死亡率，其存活率從47.8%到100%不等；Taft等[16]改進(jìn)魚類回流系統(tǒng)，配備提魚桶和連續(xù)篩輪旋轉(zhuǎn)的篩網(wǎng)，使受傷魚類的生存率進(jìn)一步提高。Thomas Thompson等[17]使用不同尺寸的網(wǎng)狀篩以減少大型生物和幼蟲的卷塞卷載，結(jié)果顯示，使用細(xì)網(wǎng)篩成功地將卷載的生物數(shù)量減少了80%，經(jīng)轉(zhuǎn)移返回河口的生物體的存活率從小于1%到大約92%不等。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)通過模擬實驗的方式，建立了一個功能齊全的35kw水電站，并建立了一套物模屏障系統(tǒng)，能夠?qū)⑿◆~分隔開來，降低對幼魚的卷載效應(yīng)。Maes等[18]使用聲學(xué)威懾系統(tǒng)將河口魚類從發(fā)電站冷卻水入口驅(qū)趕，魚的入侵量減少了60%。此外，設(shè)置核電站取水海生物監(jiān)測系統(tǒng)，可以進(jìn)一步揭示核電站卷塞卷載效應(yīng)對對海洋環(huán)境和生物學(xué)的影響，同時可以對生物爆發(fā)提前預(yù)警，確保冷源安全；建設(shè)人工魚礁對魚類產(chǎn)卵能夠產(chǎn)生誘集作用，不僅可以作為安全的產(chǎn)卵場，又可以減少卷載效應(yīng)引起的損失[19]。

4 海生物保護(hù)的研究需求

卷塞卷載效應(yīng)是核電站取水必須考慮的問題。國內(nèi)外已經(jīng)持續(xù)開展多年研究，但直至目前仍沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的評價方法，在對海生物的影響研究，特別是對不同魚類種群、局部生態(tài)系統(tǒng)的危害方面仍沒有達(dá)成一致意見。盡管沒有明顯證據(jù)表明核電站卷塞卷載效應(yīng)是引起漁業(yè)資源衰退的主要原因，但毋庸置疑，卷塞卷載的負(fù)面效應(yīng)不容忽視，核電站取水作為人為因素必然加劇該進(jìn)程。因此，從漁業(yè)資源保護(hù)角度、落實相關(guān)法律法規(guī)要求、電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行、電廠經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性角度來看，亟需加強(qiáng)對卷塞卷載作用緩解、海生物保護(hù)的研究。

第一，從漁業(yè)資源保護(hù)角度來看，仔稚幼魚及魚卵保護(hù)工作有待開展。我國部分海域已面臨海洋漁業(yè)資源衰退的問題，仔稚幼魚及魚卵是寶貴的海洋資源，是漁業(yè)資源補(bǔ)充的最直接來源，亟需采取有效措施進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)核電站周圍海域水生物和水生態(tài)系統(tǒng)，要從電廠選址、工程設(shè)計以及運(yùn)營管理等方面入手，建立水生物友好型的冷卻取水系統(tǒng)，減少取水時對魚類的直接作用，從而降低取水系統(tǒng)對魚類的影響[20]。

第二，保護(hù)仔稚幼魚及魚卵是落實當(dāng)前法律法規(guī)及核動力廠評價指南的重要任務(wù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定的的要求，例如《核動力廠取排水環(huán)境影響評價指南》，進(jìn)一步采取措施，解讀并落實有關(guān)規(guī)定的要求，開展仔稚幼魚及魚卵保護(hù)工作。同時，應(yīng)形成漁業(yè)資源損失評估參數(shù)體系，引導(dǎo)魚卵、仔稚幼魚損害評估工作標(biāo)準(zhǔn)化，避免不同尺度評估方式引起的結(jié)果差異性。

第三，電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行依賴于冷源取水安全，而卷塞卷載作用具有間接破壞物種平衡的負(fù)面效應(yīng)，這可能引起生物爆發(fā)造成取水堵塞，成為冷源取水的潛在風(fēng)險，從而形成了惡性循環(huán)，因此，保護(hù)海生物，避免或減少卷塞卷載作用，是遏制惡行循環(huán)的有效手段，同時又是促進(jìn)物種平衡、電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行良性循環(huán)的有效良方。

第四，從電廠的環(huán)境友好性角度，降低卷載卷塞的影響是重要要求。從經(jīng)濟(jì)性角度來說，據(jù)統(tǒng)計，每年核電站在生態(tài)補(bǔ)償和生態(tài)修復(fù)等方面需要投入大量資金；從生態(tài)冷源角度切入，研究海生物的卷塞卷載狀況，尋求立足核電需求的科學(xué)方法手段，以促進(jìn)海生物保護(hù)的可持續(xù)。此外，保護(hù)海洋生態(tài)是當(dāng)前發(fā)展階段的重要任務(wù)之一。黨的十八大以來，生態(tài)文明建設(shè)已擺在全局工作的突出位置。研究海生物的卷載狀況，立足核電需求醞釀可用的方法手段，對仔稚幼魚和魚卵等海生物進(jìn)行保護(hù)，以降低卷塞卷載效應(yīng)對于海生物的影響。在保證核電安全性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)之上，應(yīng)做好生態(tài)保護(hù)工作，助力核電更高質(zhì)量發(fā)展。

5 結(jié)論及展望

海生物卷塞卷載效應(yīng)對于漁業(yè)資源保護(hù)、電廠經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境友好性都有較大影響，尤其是對于仔稚幼魚及魚卵的影響較大，目前對于卷塞卷載的研究較少，相關(guān)的措施研究不足。在保證核電的安全和經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，做好生態(tài)保護(hù)工作，助力漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展，提升核電的環(huán)境友好性，是后續(xù)研究的重點(diǎn)。