唐森銘，商照榮，黃 浩*, 張玉生

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005； 2.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心, 北京 100082)

海洋作為全球最大的生態(tài)系統(tǒng)，在全球氣候調(diào)節(jié)、污染物降解以及生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)等方面發(fā)揮了重要作用。近海海洋水體是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它具有生態(tài)平衡、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、漁業(yè)生產(chǎn)、運(yùn)輸、旅游、教育等重大功能[1]。除此之外，人們還利用海水進(jìn)行降溫，賦予了海水冷卻功能。迄今為止，世界濱海的火電和核電廠絕大多數(shù)使用海水進(jìn)行循環(huán)冷卻。我國的濱海電廠基本上使用海水直接冷卻，為發(fā)電機(jī)組降溫。隨著濱海熱電廠數(shù)量的增加，冷卻水用量劇增，余熱排放導(dǎo)致高溫海水大量進(jìn)入海洋，引發(fā)了一系列生態(tài)與環(huán)境問題。電廠取水冷卻過程中，在高溫、高壓、機(jī)械以及藥物投放等多種物理化學(xué)因子的作用下，大部分生物不適應(yīng)突變的環(huán)境而死亡，導(dǎo)致水體中生物消失、水體污染。水生生物的棲息空間、水環(huán)境質(zhì)量和海洋冷卻用水需求之間的矛盾日益尖銳，海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和服務(wù)功能退化[2-6]。

冷卻水使用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響伴隨著電廠取水冷卻過程持續(xù)存在。但是，過去人們主要關(guān)注溫排水造成的海洋生態(tài)系統(tǒng)影響。電廠取水需求增加后，人們發(fā)現(xiàn)取水口同樣存在生物傷害和海洋生態(tài)系統(tǒng)危害[7-9]。當(dāng)今全球海洋生態(tài)系統(tǒng)受到海洋污染、棲息地破壞、過度捕撈和外來物種入侵等四大威脅，冷卻水取水和排水的負(fù)面影響幾乎涉及了所有方面。溫排水改變局部海洋熱平衡，改變水生生物棲息環(huán)境；溫排水中的余氯和余熱導(dǎo)致水體污染；取水傷害魚類和其他小型生物，成為過度捕撈的又一種方式；電廠取水口外滋生外來物種，如斑馬貽貝(Dreissenapolymorpha)等[10]。目前，電廠大量取用海水產(chǎn)生的海洋環(huán)境影響仍然沒有得到充分認(rèn)識(shí)。實(shí)際上，海洋植物的光合作用，動(dòng)物覓食、生長和繁殖，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和功能正常，都不能離開海水。海洋是全球生命支持系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部分，冷卻取水實(shí)現(xiàn)了海水降溫的附加價(jià)值，但在海洋生命系統(tǒng)內(nèi)取水，擠占海洋生態(tài)空間的事實(shí)很多人混然不知。

本研究以我國規(guī)模化冷卻取排水為背景，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)潛在的負(fù)面影響進(jìn)行闡述。特別就電廠冷卻取水伴生的卷塞和卷載效應(yīng)以及對(duì)漁業(yè)資源和魚卵、仔稚魚的影響進(jìn)行了分析，提出了冷卻用水過程中防范生物傷害的減損措施。本研究旨在為濱海電廠建設(shè)以及海洋生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 電廠對(duì)冷卻水的需求

1.1 電廠冷卻水系統(tǒng)的冷卻方式

以核電廠為例，電廠反應(yīng)堆內(nèi)鈾燃料裂變過程中產(chǎn)生大量的熱量，通過傳導(dǎo)加熱水體，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。為了提高發(fā)電效率，需要將蒸汽冷凝回用，使之再進(jìn)入加熱系統(tǒng)循環(huán)使用。限于當(dāng)前技術(shù)，目前還不能夠充分利用核能產(chǎn)生的全部熱能，大約2/3的熱量通過海水交換以廢熱的形式排放進(jìn)入海洋環(huán)境。電廠的冷卻降溫可通過多種方式進(jìn)行，不同的冷卻方式對(duì)海洋環(huán)境影響不同，目前在濱海電廠使用的主要有以下2種方式。

1.1.1 直流冷卻系統(tǒng) 直流冷卻系統(tǒng)是使用最多的也是效率最高的熱排放方式。海水直流冷卻技術(shù)以原海水為冷卻介質(zhì)，海水經(jīng)換熱設(shè)備完成一次性冷卻后，直接排放處理。該技術(shù)具有取水溫度低、冷卻效率高以及系統(tǒng)運(yùn)行管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在取水量大、工程一次性投資大、排污量大和海洋水體污染明顯等問題[11]。直流冷卻系統(tǒng)不會(huì)重復(fù)利用冷卻水，廢水排放后在自然環(huán)境中冷卻。由于廢水排放溫度不能太高(一般不高于7 ℃)，因此每天需要抽取數(shù)量巨大的海水進(jìn)行熱交換。直流冷卻是最簡單的熱排放方式，低溫海水循環(huán)后加熱，再返回水源地。直流冷卻水很少蒸發(fā)損耗，但產(chǎn)生了大量熱污染，從而改變水質(zhì)和生物棲息地環(huán)境。直流冷卻對(duì)水質(zhì)要求高，低溫、潔凈是首要條件。取水口需防范包括生物在內(nèi)的各種垃圾堵塞，管道系統(tǒng)需要添加殺生劑滅殺海洋生物，防止生物附著，確保供水順暢。電廠取水區(qū)應(yīng)回避生態(tài)敏感區(qū)和高生產(chǎn)力水域，加上限制溫排水等，我國濱海發(fā)電廠可用的選址不多。

1.1.2 內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng) 該系統(tǒng)利用水體通過冷卻塔蒸發(fā)帶走熱量，故也稱濕式冷卻系統(tǒng)或二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)。與直流冷卻系統(tǒng)相比，內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)減少了取水量，不向水體排放熱量，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響減少95%左右。因其環(huán)境友好，1970年以來美國大多數(shù)電廠選擇使用內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)[11]。為了解決淡水不足和直流冷卻用水量大的問題，海水循環(huán)冷卻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)應(yīng)用海水循環(huán)冷卻取代直流冷卻完成熱量交換，目前我國已經(jīng)有十萬噸級(jí)設(shè)備投運(yùn)[12]，該技術(shù)的大型化、工程化及大型發(fā)電機(jī)組技術(shù)進(jìn)程研制尚需加快。

綜上，直流冷卻方式效率較高，技術(shù)方法相對(duì)簡單。為了獲得穩(wěn)定的低溫海水供應(yīng)，大部分電廠建設(shè)在濱海地區(qū)，以方便取用大量海水，獲得最大程度的冷卻效益。我國已投入使用的有 47 臺(tái)和正在建設(shè)的有 15臺(tái)核電機(jī)組全部位于濱海地帶[13]，以直流冷卻方式運(yùn)行。與發(fā)達(dá)國家比較，我國直流冷卻電廠占有的比例高，潛在的環(huán)境問題較大。

1.2 冷卻水用水量

電廠發(fā)電需要大量冷卻水對(duì)渦輪機(jī)的高溫蒸汽進(jìn)行冷卻，核電廠生產(chǎn)1×106kW發(fā)電量大約每秒需要冷卻水75 m3，火電廠用水量略低，為每秒50 m3[7]。按照1×106kW發(fā)電量需要冷卻水75 m3/s計(jì)算，24 h運(yùn)行需抽取6.48×106m3海水，全年需要冷卻水?dāng)?shù)量為2.365×109m3。

我國2012年核電發(fā)電1.257×107kW，使用冷卻水2.973×1010m3。根據(jù)規(guī)劃，2020年我國濱海核電廠裝機(jī)容量將達(dá)到5.800×107kW，估算每年冷卻水使用量達(dá)1.372×1011m3。 我國2030年核電裝機(jī)容量將達(dá)到1.370×108kW的建議目標(biāo)，如全部機(jī)組仍然使用直流冷卻，其用水量將是2020年的2.36倍，達(dá)3.240×1011m3(圖1)。

圖1 我國濱海核電裝機(jī)容量與年用水量估算Fig.1 Development of total capacity of NPS and annual water consumption estimated in coastal China圖中折線代表裝機(jī)容量，直方圖代表冷卻水用量；圖中裝機(jī)容量數(shù)據(jù)引自資料[14-17]。

2012年全國直接利用海水共計(jì)6.631×1010m3，主要為火(核)電冷卻用水[18]，大約是同年核電廠用水量(2.973×1010m3)的2倍。以大亞灣海水容積為5×109m3來算，2012年我國火(核)電冷卻水用量需要12個(gè)大亞灣的容量，其中僅核電取水一項(xiàng)即消耗了6個(gè)大亞灣容量的海水以及其中的海洋生物。

未來，環(huán)境污染較大的小型電廠建設(shè)將受到限制，海水淡化、海水替代工業(yè)用水、大生活用海水等不同用途的用水將進(jìn)一步增加。與世界發(fā)達(dá)國家比較，我國冷卻水使用量還處于較低水平，用水量成倍增長是長期趨勢(shì)，將來電廠取排水的環(huán)境影響將更加嚴(yán)重。

2 直流冷卻用水的負(fù)面效應(yīng)

直流冷卻是電廠用水量最大的冷卻方式，冷卻過程中進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的生物體在物理和化學(xué)作用下幾乎沒有生還的可能[8]。溫排水重新排入海洋，導(dǎo)致局部水體溫度升高，不同程度地改變水體水質(zhì)和水生生物的棲息環(huán)境。在取水口濾網(wǎng)上卷塞的生物，在水流和濾網(wǎng)阻擋下?lián)p傷，除了直接死亡外，僥幸逃脫的生物還將面對(duì)生存考驗(yàn)，能夠存活的機(jī)會(huì)不多。

2.1 溫排水生態(tài)效應(yīng)

直流冷卻系統(tǒng)用水除了大量抽取水體降溫之外，取水過程對(duì)海洋生物和海洋生態(tài)施加更為嚴(yán)重的影響。核電站運(yùn)行過程中，需要大量的水作為冷卻劑。據(jù)估算，以兩臺(tái)百萬千瓦機(jī)組的發(fā)電能力計(jì)算，每天排出的熱量可以將周邊1×107m3水體的水溫提升5.5 ℃[19]。

長期將4 ℃以上熱水排入海洋，即視為污染水體[20]?！逗Ｋ|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，海洋水體符合第一、二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的，夏季人為造成的海水溫升不超過當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)? ℃，其他季節(jié)不超過2 ℃；第三、四類水質(zhì)的溫升不能超過當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)? ℃[21]。超過限值，水質(zhì)降級(jí)。熱污染減少水體溶解氧含量，大面積的低氧區(qū)甚至造成局部水體荒漠化。溫升容易導(dǎo)致水體滋生有害致病生物，不利于水生生物正常生長。溫排水中的余氯、溫度可能對(duì)魚類和貝類生殖、索餌活動(dòng)造成不利影響，高溫區(qū)可能導(dǎo)致生物的熱沖擊而死亡。為了避免溫排水的直接影響，通常將排水口附近水域劃定為熱擴(kuò)散區(qū)，即溫排水專用區(qū)(混合區(qū))，專用區(qū)內(nèi)可以不考慮溫排水的影響。但是，專用區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的高溫海水則可能在海區(qū)形成大范圍的熱障，從而阻斷游泳動(dòng)物的洄游路徑，改變產(chǎn)卵區(qū)位置。受影響的附近海區(qū)不再適合藻類養(yǎng)殖，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變化。因此，電廠選址需考慮溫排水問題，在水體擴(kuò)散能力良好的開放水域設(shè)置排放口，能夠最大程度地降低溫排水的不利影響。

2.2 卷載機(jī)理與影響

溫排水導(dǎo)致的溫升對(duì)海水的物理、化學(xué)性質(zhì)造成影響，電廠取水對(duì)水生生物的影響包括取水的機(jī)械過程導(dǎo)致生物個(gè)體死亡，改變生物群落的種類組成和數(shù)量變化。

電廠取用冷卻水對(duì)水生生物的影響根據(jù)其物理作用方式分為卷載和卷塞(見“2.3”)兩個(gè)部分。卷載是電廠取水后水生生物等在水流裹挾下通過濾網(wǎng)進(jìn)入電廠冷卻系統(tǒng)的過程。簡單地說，卷載是水體通過濾網(wǎng)之后發(fā)生在封閉的冷卻系統(tǒng)內(nèi)的過程。

被卷載的生物體型小，體長或高度一般不大于濾網(wǎng)孔徑(約1 cm)。它們包括微生物、浮游植物、浮游動(dòng)物(含魚卵和仔稚魚)和階段性浮游生活的底棲生物。魚卵、仔稚魚、甲殼動(dòng)物幼體和貝類幼體等經(jīng)濟(jì)生物是主要的受害群體[8]。

被卷載的生物游泳能力很弱，容易隨同水流通過濾網(wǎng)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)。這一過程中，被卷載的生物個(gè)體小、脆弱，容易受到傷害或死亡。導(dǎo)致生物死亡的因素分為物理傷害和化學(xué)傷害。物理傷害包括生物體與水泵內(nèi)壁、管道和冷卻設(shè)備的表面摩擦撞擊，通過水泵時(shí)的高壓、擠壓和高壓水流剪切，冷卻水管中急劇溫升造成的形態(tài)結(jié)構(gòu)變形損傷。化學(xué)傷害包括化學(xué)物質(zhì)的滅活處理，為了防范生物附著在冷卻系統(tǒng)管壁上導(dǎo)致管道堵塞，在進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的水體中添加氯化物，用以殺滅生物幼體等污損生物。

被卷載的生物在各種外力的作用下，即使沒有立即死亡，排放進(jìn)入自然水體后生物個(gè)體也會(huì)因?yàn)闄C(jī)體損傷或變形失去繼續(xù)生存的能力。一些幼體出現(xiàn)攝食、生長和活動(dòng)障礙；還有一些生物被病毒、病菌感染，死亡率增加。一般認(rèn)為卷載受損生物重新進(jìn)入自然水體后，不能夠正常地生長和存活[22]。在余氯協(xié)同作用下，卷載生物可能全部死亡[23]。

2.3 卷塞機(jī)理與影響

卷塞效應(yīng)指的是進(jìn)入取水口水流中的水生生物被濾網(wǎng)攔截、撞擊或堵塞在進(jìn)水口濾網(wǎng)上的物理現(xiàn)象，發(fā)生于進(jìn)水流速大于生物游泳速度時(shí)，此時(shí)水生生物沒有能力躲避撞擊或被濾網(wǎng)俘獲[24]。卷塞發(fā)生的位置特殊、特征明顯，發(fā)生位置限于濾網(wǎng)之前或之上；對(duì)于通過濾網(wǎng)，隨水流進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的生物則不形成卷塞，而形成卷載，這是卷塞和卷載區(qū)別(圖2)。水流進(jìn)入濾網(wǎng)前生物受損一般為撞擊受傷，失去游泳能力，或被俘獲、堵塞在濾網(wǎng)上?！熬怼北硎倦姀S取水裹挾生物體的作用，“塞”表示撞擊發(fā)生后，生物體俘獲或堵塞在濾網(wǎng)上的結(jié)果。卷塞生物的大小隨濾網(wǎng)的孔徑變化，孔徑較大的濾網(wǎng)傷害的生物個(gè)體較大，小于濾網(wǎng)孔徑的生物成了卷載的對(duì)象。正常情況下濾網(wǎng)的孔徑通常為1 cm左右，被卷塞的生物體大多是體型較大、體長或橫截面直徑大于1 cm的生物。

圖2 電廠取水冷卻過程中卷載和卷塞的關(guān)系Fig.2 Relations of entrainment and impingement by the water intake of power plant

如圖2所示，卷塞可進(jìn)一步細(xì)分為兩類，分別是俘獲和撞擊。俘獲是個(gè)體較小的魚類和甲殼動(dòng)物在高速水流抽吸下被攔截、俘獲、嵌入網(wǎng)孔或吸貼在濾網(wǎng)上，形成堵塞。撞擊是在海水抽吸過程中個(gè)體稍大的生物體被濾網(wǎng)沖撞受傷、失去活動(dòng)能力，被攔截在濾網(wǎng)上。在水流沖擊下，這些生物可能被撕裂破碎，通過濾網(wǎng)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，成為卷載生物的一部分。那些被俘獲在濾網(wǎng)上的魚類，在急流作用下鰓蓋不能自主開閉，不能完成呼吸活動(dòng)，很快就會(huì)缺氧窒息死亡。在外力作用下，其他結(jié)構(gòu)脆弱的生物很容易受擠壓死亡。卷塞、刮擦或高壓水槍清除堵塞生物導(dǎo)致魚鱗剝離、體表受創(chuàng)、粘液流失感染等。

因流速大，生物掙扎過程中容易受傷，受傷后掙脫，也會(huì)失去活動(dòng)能力。受傷的生物很容易發(fā)生二次傷害或重復(fù)撞擊，即使不出現(xiàn)二次傷害，它們的存活也會(huì)面臨很多挑戰(zhàn)，包括游動(dòng)、覓食、躲避敵害或繁殖。被卷塞的魚類不會(huì)立即死亡，但隨后死亡率加大，甚至達(dá)到100%。這些傷害通過兩個(gè)途徑影響動(dòng)物種群規(guī)模，一是個(gè)體生物撞擊后形體改變，器官結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致死亡，直接造成種群的個(gè)體數(shù)量減少；二是卷塞傷害了生物的后代，即生物的補(bǔ)充群體或補(bǔ)充量，進(jìn)入成熟期的個(gè)體數(shù)量減少，生物種群恢復(fù)能力受損，從而間接地影響子代生物的數(shù)量。不同發(fā)育階段動(dòng)物群體數(shù)量減少，嚴(yán)重的將導(dǎo)致種群消亡[24]。卷塞對(duì)區(qū)域性生物或當(dāng)?shù)靥赜蟹N的威脅最大，一旦特有種消失，區(qū)域生物多樣性將嚴(yán)重受損。

2.4 卷塞對(duì)電廠的危害

卷塞除了造成生物死亡外，還容易導(dǎo)致取水口濾網(wǎng)堵塞事件。我國因?yàn)槎喾N生物卷塞導(dǎo)致的大規(guī)模濾網(wǎng)堵塞事件時(shí)有發(fā)生。堵塞電廠進(jìn)水口濾網(wǎng)的生物有浮游植物、水生草本植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物和游泳動(dòng)物等。游泳動(dòng)物中，鯔魚(Mugilcephalus)、褐籃子魚(Siganusfuscescens)以及刺鲀(Diodonholacanthus)等也有報(bào)道[25]。圖3是電廠濾網(wǎng)上洗脫的卷塞海洋生物?？梢?，中、小型水生動(dòng)物和植物都有可能是電廠濾網(wǎng)上的卷塞生物。

圖3 電廠柵網(wǎng)上洗脫的卷塞海洋生物Fig.3 Collected marine organisms impinged on the screen of water intake facility

生物數(shù)量暴發(fā)導(dǎo)致的卷塞，可嚴(yán)重威脅電廠冷源安全。海洋生物或異物堵塞可能導(dǎo)致機(jī)組降功率，乃至造成停堆事件。從生態(tài)學(xué)角度分析，生物數(shù)量暴發(fā)，以至于發(fā)展到堵塞電廠進(jìn)水口的程度，是海區(qū)生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)異常的警告，正常情況下不會(huì)如此嚴(yán)重，我國濱海電廠之前沒有類似事故的報(bào)道。卷塞的發(fā)生可以從食物鏈上行或下行兩個(gè)方向進(jìn)行解釋。上行是卷塞生物餌料充足，為某些物種的大量增殖提供了食物條件；下行則是捕食壓力降低，食物鏈下層的生物數(shù)量不受控制，導(dǎo)致毛蝦等生物暴發(fā)，從而增加了卷塞的機(jī)會(huì)。生物卷塞的原因不僅有生物學(xué)因素，還有物理方面的原因，電廠取水口位置、結(jié)構(gòu)和取水方式都與卷塞有關(guān)。目前防范卷塞的措施大多數(shù)基于對(duì)取水方式的改造，從取水設(shè)施構(gòu)造上減少卷塞的影響。

3 取水對(duì)漁業(yè)資源損失的估算

3.1 漁業(yè)資源捕撈壓力

海洋漁業(yè)資源是人類優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的主要來源，它提高了人類生活質(zhì)量，為人類生存和發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，海洋漁業(yè)資源的重要性不言而喻。但是過度捕撈加重了海洋漁業(yè)資源的負(fù)荷，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，沿海地區(qū)增船增網(wǎng)，加大了捕撈壓力。個(gè)體大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的頂級(jí)捕食者種類被大量捕撈，近海資源衰退、漁場(chǎng)面積縮小、漁汛消失以及漁獲物小型化、早熟化，海洋捕撈業(yè)面臨嚴(yán)峻形勢(shì)[26-27]。近海捕撈業(yè)捕撈對(duì)象從大型轉(zhuǎn)向中小型魚類和蝦類等，漁業(yè)資源處于嚴(yán)重退化狀態(tài)。

3.2 非漁業(yè)捕撈的影響

電廠抽取冷卻水時(shí)使用了攔網(wǎng)獲取潔凈海水，攔截垃圾和活體生物，避免它們進(jìn)入冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。攔截相當(dāng)于非主動(dòng)捕撈行為，這如同漁民設(shè)置的定置網(wǎng)，利用潮流捕撈過往游泳動(dòng)物和底棲生物。電廠取水相當(dāng)于一個(gè)連續(xù)的捕撈作業(yè)[4]，伴隨電廠取水以及其他工業(yè)取水產(chǎn)生的捕撈效果，不具備商業(yè)目的，因此又稱為非漁業(yè)捕撈。特別地，非漁業(yè)捕撈不受休漁期和禁用網(wǎng)具等規(guī)定的限制，目前也不在政策法規(guī)的管制范圍內(nèi)，因此損害的生物種群難以通過生態(tài)保護(hù)措施恢復(fù)。

現(xiàn)代漁業(yè)捕撈的主要對(duì)象是海洋中的中大型生物，電廠取水傷害的是海水中的中、小型生物，從而漁業(yè)捕撈和電廠取水對(duì)漁業(yè)資源形成了互補(bǔ)的捕撈壓力，兩種方式同時(shí)作用于海洋生物大小不同的個(gè)體。從種群結(jié)構(gòu)角度分析，冷卻用水影響的對(duì)象是海洋漁業(yè)資源的補(bǔ)充量，即大型經(jīng)濟(jì)海洋生物的補(bǔ)充群體。盡管補(bǔ)充量減少對(duì)當(dāng)前漁獲量影響很小，但它影響了未來資源量，從而導(dǎo)致未來的漁獲量波動(dòng)，嚴(yán)重的將阻礙海洋漁業(yè)資源恢復(fù)。過度捕撈導(dǎo)致我國漁業(yè)資源嚴(yán)重衰退，其中幼體過度捕撈是重要的原因[28]。中小型魚類數(shù)量減少，不論從補(bǔ)充群體的數(shù)量，還是從餌料生物角度看，它們都是阻礙生物種群恢復(fù)的重要因素。

電廠取水的濾網(wǎng)網(wǎng)眼細(xì)密，運(yùn)行時(shí)間長，影響深遠(yuǎn)。取水過程攔截和吸入的生物包括海水中的中小型生物，主要有蝦、蟹、頭足類、小型魚類和魚類幼體等(圖4)。中小型生物的數(shù)量大，是食物鏈底層生物的重要成員。它們形成的攝食壓力對(duì)于制約海域赤潮或其他小型生物(如水母和毛蝦)暴發(fā)具有積極作用。當(dāng)前各海區(qū)(包括電廠附近海域)頻發(fā)的不同物種的赤潮很可能與攝食壓力降低有關(guān)。

圖4 捕撈、卷塞和卷載損害的不同大小個(gè)體或發(fā)育階段的生物Fig.4 Different sizes and life stages of marine organisms caught by fishery activity and by entrainment and impingement associated with the water intake by power plant

非漁業(yè)捕撈截獲和傷害的生物不在漁業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)范疇，至今未有年鑒給予統(tǒng)計(jì)記載，因此其生物資源損失尚未得到足夠的關(guān)注。

3.3 大亞灣漁業(yè)資源變化原因

對(duì)生物群體的捕撈，還可能影響漁業(yè)資源的種類結(jié)構(gòu)。以大亞灣為例，調(diào)查發(fā)現(xiàn)電廠運(yùn)行后大亞灣仔稚魚種類組成出現(xiàn)了異常。1994年之前的主要種類斑鰶(Clupanodonpunctatus)和鯛科魚類的魚卵和仔稚魚數(shù)量顯著減少，鳀(Engraulisjaponicus)和小公魚(Anchoviellasp.)魚卵以及鳀科和銀漢魚科的仔稚魚也未再出現(xiàn)。但小沙丁魚(Sardinellaspp.)魚卵和仔稚魚數(shù)量明顯增多，高值魚類被低值魚類所取代。大亞灣上世紀(jì)八十年代以中上層魚類占優(yōu)勢(shì)，而九十年代底層和近底層魚類為主要物種[29]。

此外，漁業(yè)產(chǎn)量也發(fā)生了明顯變化。研究發(fā)現(xiàn)，電廠建設(shè)后大亞灣的初級(jí)生產(chǎn)力沒有減少，甚至還有增加，但是估算的大亞灣漁業(yè)潛在產(chǎn)量高于實(shí)際漁業(yè)產(chǎn)量[30]。長期的數(shù)據(jù)分析表明，大亞灣內(nèi)漁獲率處于持續(xù)下降過程中[31]。顯然，潛在漁業(yè)產(chǎn)量和實(shí)際漁業(yè)產(chǎn)量之間存在落差，初級(jí)生產(chǎn)力沒有全部轉(zhuǎn)化為應(yīng)捕的漁獲量。從能量守恒角度看，低漁獲率之外必定還有一個(gè)能量傳遞的分支，從而分流了本應(yīng)該高一些的漁業(yè)產(chǎn)量。

已有報(bào)道表明，大亞灣的溫排水和水體的富營養(yǎng)化與有機(jī)顆粒物有密切聯(lián)系[32]。盡管有的顆粒物來自灣內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)和陸源徑流，但電廠溫排水提供了源源不斷的有機(jī)顆粒物，其中有活的生物個(gè)體，還有死亡的小型和微型浮游生物、破碎的有機(jī)體和可溶有機(jī)物絮凝體。豐富的有機(jī)顆粒物為底棲生物提供了充足的餌料。雙殼貝類動(dòng)物是濾食性底棲生物，可以攝取懸浮有機(jī)物，這可能是大亞灣波紋巴菲蛤(Paphiaundulate)在電廠運(yùn)行后成為底棲生物優(yōu)勢(shì)種的原因。

電廠運(yùn)行后灣內(nèi)出現(xiàn)大量波紋巴菲蛤，從而一度成為捕撈業(yè)的一項(xiàng)主業(yè)，表明灣內(nèi)出現(xiàn)了從懸浮碎屑到底棲貝類食物鏈的結(jié)構(gòu)。王肇鼎等(2003)在大亞灣觀察到漁業(yè)資源結(jié)構(gòu)從中上層魚類為主轉(zhuǎn)變?yōu)榈讓雍徒讓由餅橹?，軟體動(dòng)物的生物量上升極快，相對(duì)生物量由1985年的28.7%上升為1996年以后的89.9%[29]。袁濤萍(2016)和張舒怡(2017)研究表明大亞灣內(nèi)底棲濾食性生物是主要生物量貢獻(xiàn)者，以底棲生物為主的食物鏈結(jié)構(gòu)至今仍然存在[33-34]。這能夠解釋大亞灣漁獲率降低的原因，即碎屑食物鏈分流了原本應(yīng)該較高的漁獲量。

電廠建設(shè)以來，大亞灣周邊環(huán)境發(fā)生了很大的變化。盡管氣候以及周邊發(fā)展因素對(duì)大亞灣漁業(yè)資源有很大的影響，難以直接將電廠的取排水活動(dòng)與宏觀資源的變化進(jìn)行聯(lián)系。但多年調(diào)查的結(jié)論認(rèn)為，即使存在其他因素，也不能夠排除大亞灣沿岸工業(yè)建設(shè)和電廠取排水的影響[35]。

3.4 資源損失估算

3.4.1 魚卵和仔稚魚 卷載是電廠取排水影響普遍關(guān)注的問題，針對(duì)卷載主要的生物對(duì)象魚卵、仔稚魚的損失進(jìn)行分析，其損失量計(jì)算公式[36]如下：

Wi=Di·Q·Pi

(1)

式(1)中：Wi為第i種類生物資源年損失量(尾)，Di為第i種類生物資源平均分布密度(尾/m3)，Q為電廠年取水總量(m3)，Pi為第i種類生物資源全年出現(xiàn)的天數(shù)占全年的比率(%)。

我們?nèi)『Ｋ恤~卵、仔稚魚的全年平均分布密度為1尾/m3，即Di=1(該數(shù)值在不同海區(qū)和季節(jié)有所變化，一些區(qū)域甚至更高)。因此這里Pi值為100%，于是有

Wi=Q

(2)

根據(jù)公式(2)，結(jié)合上文估算的2012、2020年我國濱海核電海水冷卻水使用量，僅魚卵、仔稚魚，2012年和2020年分別損失2.973×1010尾和1.372×1011尾。設(shè)定魚卵、仔稚魚能夠長成魚苗的存活率分別為1%和5%[36]，這里取1%下限計(jì)算，設(shè)定每尾魚苗定價(jià)1元，那么2012年和2020年的經(jīng)濟(jì)損失分別達(dá)到2.973億元和13.72億元。這里僅計(jì)算核電取水1項(xiàng)的魚卵、仔稚魚損失，如果加上其他取水活動(dòng)(見“1.2”)產(chǎn)生的生物死亡數(shù)量，上述數(shù)據(jù)顯然被低估。

本研究中卷載的生物基本上是肉眼難以辨識(shí)的種類，但由于取水背后巨大的用水基數(shù)，這些小型生物就有了更大的經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)學(xué)意義。特別地，沿海某些海區(qū)的魚卵、仔稚魚分布密度甚至高達(dá)數(shù)百個(gè)或尾每立方米，這種情況下長期大量抽取冷卻水的影響更不可以忽視。

3.4.2 補(bǔ)充量損失 到目前為止，我們沒有電廠取水導(dǎo)致的生物損失統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本研究引用兩個(gè)例子推算沿海漁業(yè)資源補(bǔ)充量損失。李鐵軍等(2017)對(duì)發(fā)電容量為300 MW的舟山火電廠二期項(xiàng)目卷載和余氯產(chǎn)生的漁業(yè)資源損失量進(jìn)行了估算[37]。以海區(qū)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果表明卷載造成的漁業(yè)損失量每年達(dá)到132.26 t，余氯導(dǎo)致的損失每年達(dá)到41.37 t，合計(jì)年損失量為173.63 t。已知300 MW火電廠每年需用冷卻水約為5×108m3，計(jì)算可知每億立方米用水每年消耗的漁業(yè)資源量大約為34.73 t。

徐兆禮等(2007)對(duì)火(核)電廠因卷載和余氯導(dǎo)致的漁業(yè)資源損失量進(jìn)行了估算[23]。LNG接收站取水量約為1.02×108m3/a，其年資源損失量為176.80 t，計(jì)算可得每億立方米用水每年的資源量損失為173.33 t。由于各地海洋環(huán)境、生物量背景、取水口設(shè)施各不相同，上述兩個(gè)損失量數(shù)據(jù)不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，差異難免。這里權(quán)且取34.73 t和173.33 t的平均值104.03 t作為每億立方米冷卻取水每年附帶的漁業(yè)資源損失量，那么2012年的火(核)電取水量為6.631×1010m3，附帶的漁業(yè)資源量損失大約為6.90×104t 。

2003—2012年全國海洋捕撈產(chǎn)量的平均值為1.276×107t[38]。比較之下，電廠取水導(dǎo)致的漁業(yè)資源損失占比不大，相當(dāng)于當(dāng)時(shí)全國全年海洋漁獲量的0.54%。但是，在沿海漁業(yè)資源過度捕撈的現(xiàn)狀下，考慮到一座核電廠通常集中了4臺(tái)以上百萬千瓦級(jí)的機(jī)組，局部海域的漁業(yè)資源實(shí)際上承受了很大的捕撈壓力。在高生產(chǎn)力區(qū)和海灣內(nèi)水域，取排水導(dǎo)致漁業(yè)資源的損失將更高，一些地方出現(xiàn)的用海糾紛說明取排水影響不僅是理論的問題，而且是現(xiàn)實(shí)的問題。

1993—1994年調(diào)查表明，電廠濾網(wǎng)上卷塞的海洋生物仔稚魚、蝦類、頭足類和水母類的死亡率分別為95.5%、97.3%、96.3%和96.8%，對(duì)卷塞死亡的仔稚魚數(shù)量的統(tǒng)計(jì)表明，取水濾網(wǎng)上的魚類年死亡量達(dá)到2.4×107尾；這些魚類多數(shù)為鯡科和鳀科魚類，少部分為鯛科魚類的幼體；計(jì)算結(jié)果表明，濾網(wǎng)上卷塞死亡的仔稚魚數(shù)量相當(dāng)于該電廠所在海灣魚類現(xiàn)存量的3%～5%[39]。如包括卷載受傷和逃逸的魚類，實(shí)際損失會(huì)更大。類似地，相關(guān)報(bào)道表明，有的電廠取水導(dǎo)致的魚類死亡數(shù)量甚至超過捕撈業(yè)的數(shù)量[11]。

4 對(duì)策和措施

4.1 優(yōu)化取水方式的必要性

如前文所述，濱海電廠裝機(jī)容量增加，在繼續(xù)使用海水直流冷卻的前提下，我國對(duì)海洋冷卻水的需求勢(shì)必大量增加。與此同時(shí)，我國漁業(yè)、交通運(yùn)輸、旅游娛樂、圍海造地、排污傾倒、工礦等海洋產(chǎn)業(yè)用海需求旺盛，綜合用海規(guī)劃比例增加，行業(yè)間用海矛盾日漸突出。特別在漁業(yè)用海為主導(dǎo)的用海方式下，電廠取排水用海發(fā)展空間必然受限。為了維護(hù)海洋環(huán)境健康，減少取排水對(duì)海洋生態(tài)的影響，合理規(guī)劃電廠取排水?dāng)?shù)量和取水方式尤其必要。

我國海洋屬國家所有，海洋用水處于共享的狀態(tài)。冷卻水取用存在著水質(zhì)污染，損害生物和漁業(yè)資源等問題。為了獲得最大利益，海洋建設(shè)工程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，尤其是對(duì)海洋生物的生長、繁殖和種群保護(hù)問題考慮不夠。除了經(jīng)濟(jì)因素外，缺乏明確的取水設(shè)施運(yùn)行環(huán)境保護(hù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也是重要的原因[9]。隨著國家增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的力度，遏制海洋資源破壞和污染，保證我國海洋產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，今后我國電廠建設(shè)中優(yōu)化改造直流冷卻方式，推動(dòng)發(fā)展內(nèi)循環(huán)冷卻將成為必然。

4.2 最佳實(shí)踐技術(shù)要求

在充分了解環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，防范取水對(duì)水生生物的危害、加載先進(jìn)技術(shù)、避免對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害是基于現(xiàn)狀的權(quán)益措施，也是目前能夠接受的緩解電廠取水環(huán)境影響的方法。根據(jù)電廠所在位置和取水環(huán)境的生態(tài)特點(diǎn)，優(yōu)化取排水裝置、減少冷卻水取水和溫排水負(fù)面影響并考慮建造成本的技術(shù)稱為最佳實(shí)踐技術(shù)(Best Technique Available, BTA)[40]。該技術(shù)是今后電廠取排水設(shè)施優(yōu)化的發(fā)展方向。

BTA需要考慮兩個(gè)方面的問題。一是它的環(huán)境屬性，二是技術(shù)本身的適用性。與海洋環(huán)境需求不匹配的技術(shù)，不符合電廠實(shí)際需求的技術(shù)都不是BTA。為了合理使用BTA，必須首先了解電廠取排水海區(qū)的海洋環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)?shù)厣?、環(huán)境和工程特征進(jìn)行多要素全面調(diào)查和判別。此后，還得根據(jù)實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待和評(píng)價(jià)[41]。

BTA的判定準(zhǔn)則與電廠附近海區(qū)的生物生態(tài)環(huán)境有關(guān)。魚類以及甲殼動(dòng)物等經(jīng)濟(jì)物種、在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能中起重要作用的關(guān)鍵物種、區(qū)域珍稀瀕危物種、危害冷源安全的卷塞或卷載物種等重要代表物種的狀態(tài)及其數(shù)量是考核當(dāng)前取排水裝置是否符合BTA要求的重要指標(biāo)。如果電廠位于非生態(tài)敏感區(qū)，取排水影響海區(qū)內(nèi)不存在重要代表物種以及與之相關(guān)的重要食物鏈關(guān)聯(lián)種，那么可認(rèn)為當(dāng)前取排水裝置屬于BTA。反之，需要對(duì)當(dāng)前的裝置進(jìn)行優(yōu)化或加載實(shí)用的BTA。如果電廠認(rèn)為它的當(dāng)前設(shè)施已經(jīng)是BTA，不再需要對(duì)當(dāng)前設(shè)施進(jìn)行改造，則電廠需要向主管部門提供當(dāng)前運(yùn)行的取排水設(shè)施不存在直接和間接破壞或影響重要代表物種的證據(jù)，以便審核。

我國濱海電廠分布在不同緯度，各電廠附近海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生物種類和數(shù)量、生產(chǎn)力和生物價(jià)值、功能區(qū)劃管理要求等都有很大的不同。因此電廠的BTA賦予了特殊性，即A電廠的BTA通常不能應(yīng)用于B電廠。從BTA具有的環(huán)境屬性上看，環(huán)境不同，則不能將A電廠相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)狀資料應(yīng)用于B電廠。要求提供電廠的專屬數(shù)據(jù)，這既有數(shù)據(jù)使用上的要求，也是管理部門判定采用的技術(shù)是否符合BTA的需求[42]。

4.3 減損措施

除了需要主管部門審核外，落實(shí)到BTA上，緩減電廠取水卷塞、卷載影響的措施有以下幾個(gè)方面：

①改變?nèi)∷诘奈恢茫瑢⑷∷趶母呱a(chǎn)力區(qū)域轉(zhuǎn)移到低生產(chǎn)力區(qū)域，或者從生態(tài)高敏感海域移到低敏感海域。將取水口從近岸淺海區(qū)移到遠(yuǎn)岸深水區(qū)是不錯(cuò)的選擇。改變?nèi)∷谖恢眯枰谌娴默F(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上確定，權(quán)衡得失；不可因?yàn)楦淖兾恢煤?，解決了生物卷載問題，又出現(xiàn)了生物卷塞問題。

②設(shè)置多個(gè)取水口，降低取水口進(jìn)水流速，減少卷載生物的數(shù)量。降低進(jìn)水流速需要在保證發(fā)電功率不受影響的前提下進(jìn)行。安裝變速泵，根據(jù)發(fā)電量調(diào)整進(jìn)水流速；安裝多個(gè)抽水泵，根據(jù)需求使用其中相應(yīng)數(shù)量的水泵能夠起到調(diào)節(jié)流量的作用。

③在進(jìn)水口前加裝不同的網(wǎng)具裝置，分流可能出現(xiàn)的卷塞生物。通過物理方式攔截防止生物體進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的裝置，包括滾網(wǎng)、楔形網(wǎng)和水下濾網(wǎng)。通過導(dǎo)引魚類改變游泳方向的設(shè)備有魚梯和斜網(wǎng)，這一類設(shè)施通常配置避魚裝置或?qū)~渠。改變魚類活動(dòng)行為的裝置有變流蓋、聲墻、光幕、氣幕等。

加裝不同滾網(wǎng)、導(dǎo)流渠以及使用不同物理手段避免生物卷塞，有多種措施可供選擇。如在電站進(jìn)水渠內(nèi)兩道漁網(wǎng)之間隔離出一段空間，其中生長著高密度魚類，形成一段魚渠。魚渠內(nèi)魚類個(gè)體大、游泳能力強(qiáng)，可能攝食隨同水流進(jìn)入魚渠的中小型浮游動(dòng)物，從而起到降低卷載生物數(shù)量的效果。

受到環(huán)境限制，運(yùn)行環(huán)境的影響代價(jià)大，而沒有合適BTA可以使用的電廠，申請(qǐng)退役或者轉(zhuǎn)為海水內(nèi)循環(huán)冷卻方式不失為合理的選擇。此外，生態(tài)補(bǔ)償也是一個(gè)替代途徑[8]。控制和改善海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，保障海洋生態(tài)安全，合理統(tǒng)籌使用海水資源是大勢(shì)所趨，相信我國濱海電廠冷卻水使用的負(fù)面影響將會(huì)得到根本改善。

4.4 電廠冷源安全

近年來，生物卷塞、卷載產(chǎn)生的損失和危害不局限于海洋生態(tài)系統(tǒng)和漁業(yè)資源。間接效應(yīng)已經(jīng)發(fā)生，隨著近海資源利用和開發(fā)強(qiáng)度增加，海洋生物種類組成失衡，一些物種數(shù)量暴發(fā)，赤潮和水母暴發(fā)等事件頻頻發(fā)生，成為近年濱海電廠生物卷塞事件頻發(fā)的原因。卷塞生物監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警和控制是濱海電廠冷源安全面臨的新挑戰(zhàn)。開展電廠取水生態(tài)危害監(jiān)測(cè)與調(diào)查，了解生物暴發(fā)原因，制定防范措施和減損方法，除了推進(jìn)內(nèi)循環(huán)冷卻運(yùn)營方式外，研制新的生物減損辦法和技術(shù)，推進(jìn)BTA實(shí)施，維護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保證海洋資源的可持續(xù)利用，不容置疑是今后電廠優(yōu)化取水的工作重點(diǎn)。電廠取水推廣應(yīng)用BTA，改變電廠冷卻方式，不僅有利于環(huán)境，也有利于資源保護(hù)和恢復(fù)，對(duì)電廠安全運(yùn)營也具有重要意義。

5 結(jié)論

發(fā)展我國電力能源建設(shè)是近、中期國家規(guī)劃，可以預(yù)見，我國濱海電廠建設(shè)規(guī)模和機(jī)組熱功率將不斷增大，在直流冷卻仍作為當(dāng)前濱海電廠降溫排熱的主要方式下，電廠取排水?dāng)D占水生態(tài)空間帶來的海洋環(huán)境負(fù)面影響將進(jìn)一步擴(kuò)大。電廠取排水的卷塞和卷載效應(yīng)導(dǎo)致海洋生物損傷和死亡，損害海水作為海洋生物棲息和繁殖場(chǎng)所的固有屬性。取排水影響漁業(yè)資源中的中小型生物、魚卵、仔稚魚以及其他生物幼體。這些生物位于食物鏈中下層，它們本身是其他生物的餌料和人類蛋白質(zhì)來源，同時(shí)也是漁業(yè)資源的重要補(bǔ)充量，取排水導(dǎo)致的漁業(yè)資源損失應(yīng)予以足夠重視。此外，大量取水和溫排水導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)變化，某些物種數(shù)量暴發(fā)，取水口堵塞等生物災(zāi)害影響電廠冷源安全。在役和擬建電廠可以通過改建或加載BTA，改善取水環(huán)境，對(duì)避免、減緩取水傷害生物種群以及對(duì)電廠安全生產(chǎn)而言，是互利共贏的措施。