核電廠對富水水庫的輻射和余氯影響評價

隨著我國能源結構的適應和環境保護的要求，核電站的發展開始迅速。自2008年以來，中國建立了三個核電廠：秦山、廣東灣和江蘇天灣。安裝功率為910.04g，建筑面積為2290.04g。與中國目前所有的生產設施一樣，由于所占地面積的不同，很難實施《工廠中后期規劃》（2007-2010）中至2020年的4000.14g工廠，以及安裝條件為1800.14g工廠的規劃要求。國際原子能機構(IAEA)將核電廠址分為濱海、濱河和濱湖三類,我國習慣上將濱河、濱湖廠址統稱為內陸廠址.世界范圍內的核電廠以內陸廠址為主.目前,全世界207座運行核電廠中有118座位于內陸廠址.內陸核電廠中濱河廠址占大部分,大都位于各國流量較大的主要河流或河流主要支流附近,如美國的密西西比河流域有20多座核電廠,法國的Loire河和Rhone河流域有核電廠9座.在湖泊資源豐富的地區,濱湖核電廠也占有一定比例,如北美五大湖地區有12個廠址(其中美國10個,加拿大2個),俄羅斯有3座核電廠,分別位于Udomlia湖、Imandra湖和Tsimlyansk水庫附近.我國擁有豐富的可為核電廠提供生產生活用水和循環冷卻水熱阱的河流與湖庫資源,因此,合理開發和利用內陸核電廠址勢在必行.本文將通過分析和評價咸寧核電廠對富水水庫的環境影響,為我國建設內陸核電廠提供建議和參考.1咸寧水庫和富水水庫的結構1.1富水水庫概況咸寧核電廠位于湖北省咸寧市通山縣大畈鎮大墈村附近的獅子巖,項目占地262.1hm2,規劃連續建設四臺AP1000核電機組,采用二次循環冷卻方式,每臺機組冷卻水系統配備兩座逆流式自然通風冷卻塔.咸寧核電廠所在的富水流域界跨鄂贛兩省五縣,流域面積5310km2.富水發源于湖北省通山、崇陽及江西省修水三縣交界處的幕阜山北麓,至通山城關與通羊河匯合后,向東流經通山、陽新兩縣,于富池口入江.富水流域內多年平均降水量1594mm,徑流深816.7mm,徑流量22.5×108m3.核電廠所在的獅子巖位于富水水庫中段北岸,為庫汊包圍下的半島.富水水庫位于富水流域中游,為人工修筑的河道型大(Ⅰ)型水庫,庫區自上而下漸趨平緩、開闊,沿途納通山、橫石、黃沙、燕廈4條主要河流,過壩后流入富水河.水庫正常蓄水位51m,水面面積54.8km2,總庫容16.21×108m3.根據《湖北省地表水環境功能區類別》,富水水庫保留區目前主要功能為農業和漁業用水,水質現狀與水質管理目標均為Ⅲ類.咸寧核電廠及富水水庫的示意圖見圖1.1.2水質、生物和浮游動物國內生物多樣性指數監測成果富水水庫現狀水質良好,庫區水體透明度平均約3m,pH平均為7.19,DO、COD、氯化物、硫酸鹽、總氮、總磷、硅酸鹽濃度平均值分別為11.43mg/L、3.27mg/L、3.0mg/L、27.32mg/L、0.659mg/L、0.014mg/L和8.57mg/L.各污染物含量自上游至下游呈下降趨勢,在支流匯入水域和豐水期受外源污染影響含量有所升高,在大畈鎮下游處受生活污水影響含量最高.各項水質參數除總氮外,均達到Ⅰ-Ⅱ類水質的要求,滿足該流域執行的Ⅲ類水質管理目標.水體天然放射性指標:U為0.12-0.23μg/L,Th<0.02μg/L,226Ra0.0011-0.0018Bq/L,40K0.033-0.037Bq/L,總α放射性<0.04Bq/L,總β放射性0.02-0.04Bq/L,與長江流域本底值相比處于正常偏低的水平.庫區中有浮游植物62屬115種,主要為綠藻、硅藻和藍藻,平均密度為9.00×105cells/L,生物量平均為1.41mg/L.浮游動物77屬150種,以原生動物、輪蟲居多,平均密度為1.71×104ind./L,生物量平均為2.63mg/L.底棲動物有18種,平均密度為1636ind./m2,生物量平均為4.88g/m2.空間分布上,浮游植物和浮游動物種類數、密度和生物量均為中上游高于下游,庫區多于支流,底棲動物呈“兩頭高中間低”的典型山谷型水庫分布特征.時間上,浮游植物與底棲動物的密度均為3月>7月,生物量呈相反趨勢,浮游動物種類數3月明顯高于7月.庫區中水生維管束植物資源量較小,僅水庫上游、庫灣及周邊淺水區域有少量分布.魚類有7目14科45種,區系組成與大部分長江中下游水體相似,主要有人工放養的鳙、鰱、銀魚和野生的鯉、鯽、翹嘴鲌、黃顙魚等.庫區內無國家級保護魚類,壩下河段有、長吻鮠兩種湖北省重點保護魚類存在.應用Shannon-Wiener生物多樣性指數計算方法,可得浮游植物除個別斷面外多樣性指數均>2,浮游動物和底棲動物多樣性指數分別為1.90-2.32和1.38-1.53.根據水生態調查結果和水質理化指標綜合判斷,富水水庫水環境現狀屬于輕度-中度污染狀態.2放射性流出物和輻射變相對于火電,核電的運行過程中幾乎不產生SO2和溫室氣體,被認為是滿足環保要求的清潔能源.但核電廠的核反應過程會產生放射性裂變和活化產物,其中一部分可通過氣態和液態途徑釋入環境,產生的輻射影響是核電廠區別于其他類型電廠的顯著特征.對于水庫而言,核電廠的放射性流出物將會改變水體放射性水平,對水生物產生輻射劑量,并可能影響廠址附近的淡水資源利用.2.1放射性核素在水庫中的遷移富水水庫作為咸寧核電廠的受納水體,釋入其中的放射性核素主要來自于核電廠液態放射性流出物的稀釋擴散,和氣載放射性流出物中部分碘與氣溶膠粒子的水面沉降.此外,沉降在水庫集雨區域土壤表面的碘與氣溶膠粒子中約有2%的份額可在雨水沖刷下匯入水庫.放射性核素進入水體后,部分吸附在水體中的懸浮物上并沉淀至水庫底部.放射性核素在水庫中的上述遷移過程可參考IAEA推薦的水庫彌散模型、沉積模型及分配系數(Kd)等參數進行計算.2.2參考魚類的選擇核電廠有嚴格的管理措施控制放射性物質排放.《核電廠環境輻射防護規定》(GB6249-86)中規定,核電廠向環境釋放的放射性物質對公眾中任何個人造成的有效劑量應小于0.25mSv/a.根據現有核電廠的運行經驗,對附近公眾實際產生的劑量遠低于該限值,可以滿足對公眾的輻射防護要求.起初,“保護了人類也就保護了其他生物”的觀點是輻射防護界的主導思想.自20世紀90年代以來,有研究發現許多生物受到的輻射劑量率及輻射敏感性明顯高于人類,人們開始關注非人類物種的輻射影響.目前,國內有關生物輻射影響評價的方法研究較少,也無相關評價標準.國外已開發應用了多種生物劑量評價模型及框架.其中歐盟于2004-2007年開展的ERICA項目,旨在評估來自電離輻射的暴露、效應和風險等環境問題,提出的一系列參考生物模型及生物劑量轉換因子得到了國際放射防護委員會(ICRP)的認同,并已應用于我國濱海核電廠的環境影響評價中.由于生態系統中的生物多樣性,不可能對環境中每種生物進行輻射影響評估.ERICA項目提出的可用于評價的參考生物中淡水物種有12種,包括兩棲動物、底棲魚類、水鳥、軟體動物、甲殼動物、腹足動物、蟲卵、哺乳動物、浮游魚類、浮游植物、管束植物和浮游動物等,ICRP選取了其中的兩棲動物、水鳥、浮游魚類三類,從物種角度明確提出將青蛙、鴨和鮭魚作為淡水參考生物.考慮到此三類生物的輻射敏感性為水鳥>魚類>兩棲動物,同時富水水庫中水鳥和兩棲動物分布相對較少,因此,本次評價選擇淡水魚類作為參考生物.富水水庫的主要魚類鳙魚體重為590-2015g,體長35.5-46.0cm,鰱魚體重1055-1900g,體長38.8-47.0cm,鯉魚體重300-800g,體長約25-30cm,與ERICA項目和ICRP建立的體重1.26kg,體長50cm的參考魚體模型相近.此外,基于放射性核素均勻分布于體內,不對核素對魚個別器官內照射作特別考慮,魚體內外放射性濃度保持平衡,且僅考慮具有典型代表情況的點源外照射的假定,Ulanovsky等運用Monte-Carlo方法計算得到參考魚對α、β、γ輻射的吸收比例,結合輻射能量得出各種輻射對于魚體的劑量轉換因子(DCC),根據不同類型輻射所造成的不同輻射效應,分別取α輻射、低能β輻射(電子能量<10keV)以及高能β和γ輻射(電子、光子能量>10keV)的輻射權重因子(weightingfactors,wf)為10、3和1,進而得到內照射和外照射的劑量轉換因子(DCCint和DCCe,t):根據內照射和外照射劑量轉換因子,和核素在參考生物體內的濃度(Cb)及環境介質中的濃度(Cref),計算得到核素對于不同參考生物的內照射及外照射輻射劑量率,其中魚體內的放射性活度可由IAEA推薦的魚類對核素濃集因子(Bp)得出.式中,v為參考生物于某種介質中的暴露時間占其生命周期的比例,本文魚類暴露水體中的v取1.放射性核素在水庫中的分布及參考魚類所受的內照射和外照射附加劑量率見表1.參考魚類所受輻射來自兩個途徑,即生物通過水及營養物質直接攝入和通過食物鏈在體內富集的核素產生的內照射,和生物體活動的水體中所含核素的外照射,由內、外照射劑量率之和即得總的輻射劑量率.計算可得咸寧核電廠放射性釋放對于水庫中參考魚類產生的總輻射劑量率為0.075mGy/a(2.06×10-4mGy/d),該結果約相當于文獻中給出的淡水魚類所受輻射劑量率本底值8.112μGy/d的2.5%.ICRP認為,對于參考鮭魚,1-10mGy/d的輻射劑量率可能導致魚卵及幼魚變形,性腺發育遲緩并減少繁殖進程,但總體上是安全的.>10mGy/d的輻射劑量率會導致幼魚產生不利效應,致病性增加甚至胚胎死亡.目前,國內外一般將IAEA、ICRP等國際組織推薦的400μGy/h(10mGy/d)作為劑量率限值,以保證水生生物不會受到種群水平上的危害.本次計算得到的參考魚類所受附加輻射劑量率遠低于該限值,說明水庫中水生生物受到的輻射影響很低.同時,參考魚類所受的主要劑量來自134Cs和137Cs的內照射,這與核電廠對海洋魚類劑量貢獻的主要核素是124Sb和132Te不同,除放射性釋放源項上的差異外,可能是因為Cs在淡水魚體內的富集系數較高所致.2.3放射性確定由于我國內陸人口較為密集,廠址特征特別是水環境特征較為復雜,因此內陸核電廠所面臨的水體環境影響評價因素遠比濱海廠址復雜.目前,我國《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中并未提出放射性限值,地表水體放射性評價主要參考《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)中生活飲用水水質總β放射性低于1Bq/L的要求.此外,在即將頒布的《核動力廠環境輻射防護規定》中,也有核電廠受納水體下游1km處總β放射性應低于1Bq/L的規定.核電廠運行排放的放射性流出物對水庫水體造成的總β放射性約為5.57×10-3Bq/L,低于水庫庫區本底值0.02-0.04Bq/L,疊加后仍小于1Bq/L(表1).富水水庫庫區內沒有居民集中飲用水取水口,距廠址最近的飲用水取水口為水庫大壩下游約21km處的排市鎮自來水廠取水口.水庫大壩距核電廠排放口約18km,大壩下游進入富水河,富水河沿途匯入龍港河及三溪河的稀釋作用以及核素自身的衰變,會導致河水中核素濃度的變化,采用環境影響評價導則中推薦的河流一維穩態模式計算富水河各段水體及取水口的放射性核素濃度,可得排市鎮自來水廠處的總β放射性增量為4.51×10-3Bq/L,疊加富水河本底值0.05-0.09Bq/L,也可滿足1Bq/L的生活飲用水質要求.3電廠冷卻系統的污染源除輻射影響外,核電廠還會造成一些非放射性環境影響.本文主要關注核電廠排放化學污染物對水庫環境的非放射性影響,并對電廠冷卻系統的環境影響給予一定評價.3.1淡水生物余氯安全濃度評價核電廠運行過程中,需加入一定量的化學試劑以滿足系統運行和水質處理的要求,因此核電廠的液態流出物中除含有放射性核素外,還包括一定量的化學污染物,其中需著重考慮余氯.與國內其他電廠一樣,咸寧核電廠將使用加氯處理方法避免冷卻系統生物阻塞的現象,這必然導致電廠排放的冷卻水中存在一定數量的余氯.余氯進入水體后可水解生成游離有效氯(HOCl和OCl-),進而與水中的氨反應產生化合態有機氯(NH2Cl和NHC12),游離態余氯毒性強于化合態余氯,但更容易衰減.現有的研究表明,浮游植物受余氯影響較大,0.2mg/L的氯可直接殺死冷卻塔用水中60%-80%的藻類,0.1mg/L的氯會使浮游植物光合作用下降50%,當余氯稀釋到0.03mg/L以下,水中初級生產力可完全恢復;浮游動物對氯較敏感,25℃時余氯對淡水中浮游動物的48hLC50為0.032-0.055mg/L,按照LC50乘以50%的方法可確定余氯安全濃度為0.016mg/L;魚類受余氯影響也較大,余氯對幾種淡水魚類的96hLC50為0.050-0.358mg/L,可估算余氯對淡水魚類的安全容許濃度不低于0.025-0.179mg/L.目前,我國的《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中僅規定了采用氯化消毒的醫院污水中總余氯排放限值,不適用于核電廠余氯排放評價.國外針對淡水中余氯濃度制定了一系列的限值要求,歐洲淡水魚類水質標準中不同pH值和溫度下淡水中總余氯濃度的閾值(表2)說明,pH值對總余氯濃度影響比溫度影響大得多;Mattice等通過對氯毒性的零死亡率統計,得出余氯對于淡水生物的慢性毒性閾值為1.5μg/L;EPA于2006年制定的水質基準中針對淡水中余氯制定的基準最大濃度和基準連續濃度(可分別對應為急性閾值和慢性閾值)分別為19μg/L和11μg/L.咸寧核電廠冷卻塔補水為淡水,補給水量約6.2m3/s,設計采用間歇加氯方式,每天加氯1-3次,每次加氯量約1.Omg/L,冷卻塔總排污水量1.4m3/s,排水中余氯含量<0.1mg/L.根據保守計算的原則,不考慮余氯衰減,選取水庫保證率99%的枯水期流量28.79m3/s,使用環評導則中推薦的湖泊混合平衡模式計算得到庫區內余氯混合后的平衡濃度為0.005mg/L.計算結果低于劉蘭芬等給出的安全濃度,但高于一些國外環境基準值.實際情況中,余氯在水庫中稀釋擴散時會受pH、光照和水溫的影響而衰減;水中的浮游生物,一些還原性物質以及有機物等會迅速消耗水中的游離氯;排水過程中的摻混和壓力變化等也會促進余氯衰減.根據相關的余氯衰減研究,余氯在排放后最初3h內衰減迅速,可衰減為排放濃度的8%,隨著時間延長,濃度衰減速率變緩,9h后余氯濃度衰減為排放濃度的6%,20h后衰減為排放濃度的4%.考慮到富水水庫水容量與電廠排污量相差極大,余氯在水庫內有充分的衰減過程,上述保守估算結果可能遠遠高估實際的余氯濃度,因此預計核電廠排放的余氯對富水水庫環境的實際影響不大.3.2機械作用對浮游動物的影響核電廠冷卻系統對環境的影響包括冷卻水的熱影響和冷卻系統的機械作用影響.咸寧核電廠作為內陸核電廠,為減少對受納水體的熱影響而采用二次循環冷卻方式.姜禮燔曾建議長江水系中的魚類最高水溫標準為35℃,最大水溫變化不應超過3℃.富水水庫的全年月平均溫度為6.7-28.0℃,最高水溫不超過33.2℃,咸寧核電廠冷卻塔排污水量小(1.4m3/s)且溫升較低(3-5℃),因此對富水水庫的熱影響范圍及程度很小.水生生物隨冷卻塔補給水進入循環冷卻系統后,在壓力、沖擊力、剪切力、機械磨損和碰撞等因素作用下,可能產生一定的機械損傷.潘明祥等在綜述中指出:機械作用對于浮游植物的影響不大,但可一定程度上影響初級生產力;對于浮游動物影響較大,體型越大、水溫越低時越易受到損傷,且浮游動物所受的機械損傷常與熱沖擊、化學沖擊并存;魚類,特別是魚卵和仔魚最易受到機械作用影響而死亡,死亡率可接近100%,機械作用對魚類的影響可能超過熱沖擊,甚至對漁業資源產生破壞.國內目前相關的研究較少.孔令豐通過數值模擬方法,計算得大亞灣和嶺澳核電站四臺機組共同運行時,對西大亞灣海域中的黑鯛和墨吉明對蝦的卷載率分別為10.10%和5.55%.盛連喜等在青島電廠開展的實驗結果表明,進入冷卻系統的浮游藻類機械損傷率為11.98%-27.08%,易損種類主要為藍藻和綠藻,受損藻類恢復到受損前水平約需2d時間;對浮游動物的損傷程度高于浮游藻類,數量損傷率為31%-90%,易受損傷的種類主要是橈足類水蚤,浮游動物恢復約需1.5-6d,恢復最快的是原生動物,最慢的是橈足類;因卷吸進入冷卻系統的仔蝦(體長7-34mm)損傷率為28.3%-66.9%,損傷率與仔蝦密度呈正相關關系,且隨仔蝦體長增大而增加;梭魚幼魚(體長20-40mm)的損傷率為63.4%-78.8%,損傷主要由機械應力和高溫所致.目前國內的相關研究主要針對采用直流循環冷卻方式的濱海電廠,因此難以對咸寧核電廠冷卻系統的機械作用影響進行定量分析.Paller等發現,美國Savannah河上的三座反應堆對河流中魚卵和幼魚的卷吸率為4%-18%,兩座反應堆關閉,第三座改為二次循環冷卻方式后,卷吸率顯著降低為0.2%-0.8%.可見采用二次循環冷卻方式后,由于抽取水量減少,對于水生生物的機械影響也將相應減少.此外,富水水庫中沒有珍稀的水生生物,可能受核電廠卷吸和撞擊影響的水生生物均分布廣泛,并可很快恢復,因此估計咸寧核電廠冷卻系統的機械作用影響很小.4沒有對重要濕地景觀的影響NorthAnna核電廠位于美國Virginia州Louisa郡,地處Anna湖中部西岸.Anna湖與富水水庫環境特征較為類似,同是由筑壩產生的入工河道型水庫,湖面面積約52.7km2,平均水深7.6m,湖水平均流量11.32m3/s(富水水庫面積約54.8km2,平均水深約13m,湖水平均流量70.68m3/s).NorthAnna核電廠現有兩臺采用直流循環冷卻方式的機組正在運行,冷卻水流量為120m3/s,冷卻水并不直接排入Anna湖,而先通入位于Anna湖西側的三個湖灣中進行冷卻,湖灣面積約13.8km2,與Anna湖分別有水壩相隔.擬建的3、4號核電機組將采用冷卻塔閉合循環冷卻方式,其中3號機組冷卻塔排污水量約為0.35m3/s,目前該機組已獲準建設.根據美國核管會(USNRC)公布的NorthAnna核電廠環評文件,擬建的3、4號機組對于Anna湖中魚類產生的輻射劑量率為0.19mGy/a,較之富水水庫中參考魚類所受的0.075mGy/a輻射劑量率略高.NorthAnna核電廠1、2號機組對Anna湖中魚類有一定的機械作用影響,其中影響最大的黑莓鱸(Pomoxisnigromaculatus)受影響比例近3.8%,但總體上影響仍可接受.擬建機組中,4號機組擬采用空氣干式冷卻,水利用量很小.3號機組采用濕式冷卻塔,其運行會使水生生物受到卷吸和撞擊的損失量增加約1%,不會對Ann