核电取水卷塞卷载及海生物保护综述性研究

陈鸿毅 CHEN Hong-yi；代丽 DAI Li；张真 ZHANG Zhen；姜新舒 JIANG Xin-shu；黄倩HUANG Qian；张荣勇ZHANG Rong-yong

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

我国核电站目前均在沿海一线投运，核电冷却水一般采用直流冷却的方式，而直流冷却水则一般取自近海海域，核电每年取水量较大，在取水过程中，由于卷载效应和卷塞效应，可能会无可避免地对海生物产生一定负面效应。其中，卷塞作用指的是，海生物随水流进入核电冷却系统时被拦截在滤网等特定装置上，导致海生物的损伤或死亡；卷载作用指的是，小型海生物在进入取水冷却系统后，因热效应、机械作用、余氯等杀生剂而导致的死亡现象。一个热带沿海发电厂，其直流冷却系统的泵将海水、浮游植物、浮游动物吸入，其种群密度在排放点分别降低64%和93%[1]。研究表明，卷载作用往往造成的生物损失更大[2，3]。

1972年，美国国会颁布《清洁水法》，该法中规定要使用现有最佳技术最大限度减少鱼类和其他水生生物在冷却水取水结构中卷塞卷载的不利影响[4]。近年来，国家相关监管部门对水生态保护建设要求不断提高，在取水过程中，要注意保护海生物，减少取水卷塞卷载效应导致的海生物损失。在2019年发布的《核动力厂取排水环境影响评价指南》（试行）（HJ 1037-2019）中，也对核电取水的生态影响提出明确要求，要求密切关注核电取水影响，当取水的影响大时需要提出补救方案和相应的改进措施；指南中还明确规定环境影响的评价时间，在核动力厂运行后，应在五年内对取水措施的环境影响进行评价，此外，对取排水环境影响的评价方法亦提出卷载调查应至少进行两周年的明确要求。因此，核电站取水的卷吸卷载影响问题以及海生物保护问题值得密切关注。

1 引起卷塞卷载的因素

引起取水卷塞卷载作用的因素很多，如拦截、热效应、机械效应、化学因素等。拦截主要发生在核电站取水的前端拦截设施，通常由不同尺寸的拦污网、格栅等组成，其作用是拦截海水中的杂物，避免杂物进入冷却水系统引起设备故障。在这过程中，一些海生物可能在水泵的抽吸下顺着取水口进入拦截设施而被拦截、束缚。热效应是由于冷却水系统对核电站的乏汽进行冷却导致的水温升高所带来的影响，可以分为直接热效应和间接热效应，前者是指进入冷却水系统的海生物直接受被加热的循环水的影响，后者则是核电站长期的温排水对核电站取水水温的影响进而对生态及生物的作用。机械效应的表现方式主要包括绞伤、撞击、压力变化等，这些与冷却水系统内设备、水的流速、管道压力等有关。化学因素主要来自于杀生剂，由于核电站为了防止一些污损生物在管道附着而投加大量杀生剂，过多的杀生剂会影响海生物的生存环境。此外，一些自然因素如高温、极端天气等也是造成或促进卷塞卷载作用的重要因素。

虽然不同因素的作用强度和作用效果不尽相同，但它们在直流冷却的核电站长期存在，且具有协同效应。以一台百万千瓦机组为例，循环水流量60~70m3/s，投加杀生剂约1mg/L，温排水升温约8℃，每年运行7000余小时，如此大的取水体量和运行时长会增大拦截的概率及热效应、机械效应、化学因素的负向作用，长期运行将进一步加剧卷塞卷载所带来的影响，从长远看，非正向的人为因素下原有的生态环境必将发生恶性变化。

2 卷塞卷载作用的负面效应

卷塞卷载作用对海生物个体的存活和种群生物量具有直接或间接的影响。一方面，海生物在经过冷却系统的过程中受到机械效应、热效应等能够直接致死；另一方面，存活的个体在经过机械损伤、余氯中毒、冷热温度刺激等作用后，其生存能力、繁殖能力有所下降。

在受到取水卷塞卷载影响的海生物中，小型浮游生物、甲壳动物、仔稚幼鱼及鱼卵等是较为常见的类群，尤其是处于海洋鱼类早期生活史阶段的仔稚幼鱼和鱼卵。由于仔稚幼鱼游泳能力较弱，鱼卵则完全无游泳能力，因此更易受到核电取水卷载作用的影响。有研究表明，在所有经过电站冷却系统的仔稚幼鱼中，仅有1%~3.7%能够存活[5]。2019年~2020年，针对田湾核电开展了取水生物损失量调查，结果表明，1~4号机组运行过程中，鱼卵全年损失总量为6.71×109个，仔鱼全年损失量为3.18×109个。暨南大学在对大亚湾核电站进入冷却水系统的幼卵、幼虾进行Monte Carlo方法计算，得出取水过程造成其损失率为4.3%[6]。可见仔稚幼鱼的卷载损失量较高，对于渔业资源的可持续性存在一定负面效应。

此外，从生态系统角度来看，卷塞卷载作用导致的生物量减少可能引起生态失衡等负面效应[7]。一方面，低端物种或劣势物种的减少可能造成多级消费者的数量锐减，且其影响迅速；另一方面，优势物种的减少可能使某一些被消费者在短时间内迅速繁殖，一旦发生生物爆发，则容易导致冷端取水堵塞，进而引发核电站机组降功率运行或紧急停堆等事故工况。国内已经发生多起海生物爆发堵塞核电站取水口事件，如2021年7月，红沿河核电站因大量海月水母进入冷却系统，导致机组停堆；2020年3月，阳江核电站取水海域爆发大量毛虾、水虱，导致多台机组停堆[8]。海生物爆发引起的事故工况不仅对电网产生巨大的冲击，而且会使核电站造成巨大经济损失。

总体来说，卷塞卷载效应对海洋生态、渔业资源补充、核电站运行都有一定的负面效应，特别是仔稚幼鱼及鱼卵对整个渔业资源的恢复、水生生态系统的稳定性具有重要作用，影响核电的环境友好性。然而，当前国内外在选址和建设核电站时，更多地考虑建设运行成本和收益，缺乏对生态、生物资源的全局衡量，不利于生态可持续发展、渔业资源保护，因此，核电站取水的卷塞卷载问题需要给予更多关注。

3 卷塞卷载的研究现状

目前，国内外对于卷塞卷载已有一定研究，但针对于仔稚幼鱼及鱼卵的研究较少。美国、德国、瑞典、法国等早在上个世纪70年代就已经开始核电站卷载效应方面的研究，取得了不少的成果。Huggett等[9]通过在库贝格核电站长期观察，发现在卷载效应下，浮游植物的生物量平均减少55.33%；各类浮游动物的死亡率平均为17.48%，其中作为优势物种的桡足类动物的平均死亡率达到21.88%。在瑞典西部沿岸核电站冷却水系统的卷载作用的研究结果表明，进入冷却水系统的浮游动物会受到机械损伤、温升及加氯的影响，死亡率可达60%[10]。法国格拉夫林核电站的相关研究显示，浮游动物死亡率在10%以下，其中敏感群体则高达20%；底栖鱼类的卵死亡率为50%，幼鱼死亡率则高达100%。对撞击比较敏感的鯡鱼死亡率高达100%，耐抗力较强的比目鱼、鳗鱼、鲈鱼死亡率则在0~20%间，海虾死亡率在30%~70%间[11]。此外，相关模拟沿海直流冷却发电站冷却水系统的取水实验表明，不同种类或不同成长期的物种对压力、机械作用、热效应、余氯等因素的敏感度不相同，且这些因素具有一定的协同作用，可以使幼体、成年期物种的死亡率达到20%[12]。Kartasheva等[13]的研究研究结果显示，当温度超过33-35℃时，取水设备中卷载的浮游动物的死亡率大幅上升，如果冷却水系统中的水温达到40℃，死亡率通常会超过80%，尽管一部分浮游动物能够存活下来，但冷却水温差也会影响其生存能力，且死亡率随着暴露时间和杀菌剂浓度的增加而增加。

对于沿海各核电站对海生物的机械卷载统计及研究，目前做的工作较少。据统计，沿海核电站对海生物的卷载数量较大，机械卷载造成的海生物死亡率较高。对秦山二期工程的调研结果表明，进入冷却系统的浮游藻类的机械损伤率为11.98%～27.08%；但研究表明，浮游藻类的繁殖力较强，在受到机械损伤后其种群能够在较短时间内就能迅速恢复。对浮游动物的卷载实验则表明，核电取水卷载作用对浮游动物的总损伤率约为55%，但浮游动物生殖期短，繁殖能力强，其生物量周转率较高，种群数量可快速恢复。相对而言，仔稚幼鱼的资源补充相对较缓慢，其卷载效应对于渔业资源的有效利用和渔业资源补充损害较大[14]。

卷塞卷载的负面效应已经引起了研究者的关注，为了降低卷塞卷载效应的影响，鱼类收集系统、鱼类回流系统、物理屏障和行为屏障等技术被应用于降低和缓解冷却水系统对海生物的损害。Turnpenny等[15]观察到鱼类回流系统可以有效降低鳕鱼和鳕鱼等较耐寒物种的卷塞死亡率，其存活率从47.8%到100%不等；Taft等[16]改进鱼类回流系统，配备提鱼桶和连续筛轮旋转的筛网，使受伤鱼类的生存率进一步提高。Thomas Thompson等[17]使用不同尺寸的网状筛以减少大型生物和幼虫的卷塞卷载，结果显示，使用细网筛成功地将卷载的生物数量减少了80%，经转移返回河口的生物体的存活率从小于1%到大约92%不等。德国慕尼黑工业大学通过模拟实验的方式，建立了一个功能齐全的35kw水电站，并建立了一套物模屏障系统，能够将小鱼分隔开来，降低对幼鱼的卷载效应。Maes等[18]使用声学威慑系统将河口鱼类从发电站冷却水入口驱赶，鱼的入侵量减少了60%。此外，设置核电站取水海生物监测系统，可以进一步揭示核电站卷塞卷载效应对对海洋环境和生物学的影响，同时可以对生物爆发提前预警，确保冷源安全；建设人工鱼礁对鱼类产卵能够产生诱集作用，不仅可以作为安全的产卵场，又可以减少卷载效应引起的损失[19]。

4 海生物保护的研究需求

卷塞卷载效应是核电站取水必须考虑的问题。国内外已经持续开展多年研究，但直至目前仍没有形成标准的评价方法，在对海生物的影响研究，特别是对不同鱼类种群、局部生态系统的危害方面仍没有达成一致意见。尽管没有明显证据表明核电站卷塞卷载效应是引起渔业资源衰退的主要原因，但毋庸置疑，卷塞卷载的负面效应不容忽视，核电站取水作为人为因素必然加剧该进程。因此，从渔业资源保护角度、落实相关法律法规要求、电厂安全稳定运行、电厂经济性和环境友好性角度来看，亟需加强对卷塞卷载作用缓解、海生物保护的研究。

第一，从渔业资源保护角度来看，仔稚幼鱼及鱼卵保护工作有待开展。我国部分海域已面临海洋渔业资源衰退的问题，仔稚幼鱼及鱼卵是宝贵的海洋资源，是渔业资源补充的最直接来源，亟需采取有效措施进行保护。保护核电站周围海域水生物和水生态系统，要从电厂选址、工程设计以及运营管理等方面入手，建立水生物友好型的冷却取水系统，减少取水时对鱼类的直接作用，从而降低取水系统对鱼类的影响[20]。

第二，保护仔稚幼鱼及鱼卵是落实当前法律法规及核动力厂评价指南的重要任务。根据相关规定的的要求，例如《核动力厂取排水环境影响评价指南》，进一步采取措施，解读并落实有关规定的要求，开展仔稚幼鱼及鱼卵保护工作。同时，应形成渔业资源损失评估参数体系，引导鱼卵、仔稚幼鱼损害评估工作标准化，避免不同尺度评估方式引起的结果差异性。

第三，电厂的安全稳定运行依赖于冷源取水安全，而卷塞卷载作用具有间接破坏物种平衡的负面效应，这可能引起生物爆发造成取水堵塞，成为冷源取水的潜在风险，从而形成了恶性循环，因此，保护海生物，避免或减少卷塞卷载作用，是遏制恶行循环的有效手段，同时又是促进物种平衡、电厂安全稳定运行良性循环的有效良方。

第四，从电厂的环境友好性角度，降低卷载卷塞的影响是重要要求。从经济性角度来说，据统计，每年核电站在生态补偿和生态修复等方面需要投入大量资金；从生态冷源角度切入，研究海生物的卷塞卷载状况，寻求立足核电需求的科学方法手段，以促进海生物保护的可持续。此外，保护海洋生态是当前发展阶段的重要任务之一。党的十八大以来，生态文明建设已摆在全局工作的突出位置。研究海生物的卷载状况，立足核电需求酝酿可用的方法手段，对仔稚幼鱼和鱼卵等海生物进行保护，以降低卷塞卷载效应对于海生物的影响。在保证核电安全性、稳定性的基础之上，应做好生态保护工作，助力核电更高质量发展。

5 结论及展望

海生物卷塞卷载效应对于渔业资源保护、电厂经济性及环境友好性都有较大影响，尤其是对于仔稚幼鱼及鱼卵的影响较大，目前对于卷塞卷载的研究较少，相关的措施研究不足。在保证核电的安全和经济性基础上，做好生态保护工作，助力渔业资源可持续发展，提升核电的环境友好性，是后续研究的重点。