The maximum temperature limit of thermal discharge from typical northern coastal npp
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摘要:
基于国内现有的温排水排放控制标准可执行性不强的现状，对我国电厂温排水的热污染控制标准中的关键参数-温排水排放口的最高排放温度限值进行了研究。以我国北方某典型滨海核电厂址邻近海域的代表性海洋生物为研究对象，以各季节不同受试物种高起始致死温度（UILT50）的统计分析结果，作为确定该厂址温排水排放口控制的高温限值的主要依据。并结合法规调研法和水温极值预测法，最终确定该典型滨海核电厂址温排水最高排放温度限值的推荐值如下：冬季为31℃，春、秋季为32℃，夏季为34℃。
Abstract:Based on the situation that the existing domestic temperature control standards are not performable, study on one of the key parameters of thermal pollution control standards-the maximum temperature limit of thermal discharge was conducted in this paper.The upper incipient lethal temperatures (UILT50) of different tested species were used as the main basis of determination of maximum temperature limit of thermal discharge, with using the representative marine lives in adjacent waters of a typical northern coastal nuclear power plant site as the research objects.Combined with "regulatory research method" and "extreme temperature forecast method", the recommended values of maximum temperature limit of thermal discharge are as follows:31℃ in winter, 32℃ in spring and autumn, and 34℃ in summer.
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近年来我国在滨海地区已投建许多座大型电厂(包括火电厂和核电厂)，这些大型电厂通常采用一次直流冷却方式，即将循环冷却水(温排水)直接排入环境水体。国内外的相关研究表明，挟带大量余热的温排水如果不受控制地排放，会给受纳水体的生态环境带来一定程度的负面影响(即引起局部水域的热污染)[1-6]，但目前我国还没有专门的温排水排放控制标准，仅在一些水环境质量标准(《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[7]和《海水水质标准》(GB3097-1997)[8])中对水体的温升提出了在任何时间、地点受纳水体表层温升不得超过的最大值的相关规定。为了避免和减轻温排放对自然水体生态环境造成的负面热影响，制定合适的温排水排放控制标准已是当务之急。
温排水排放口的最高排放温度限值是温排水排放控制标准体系中的关键控制参数之一。本文即是以我国北方某典型滨海核电厂址(以下简称N核电厂)为例，通过法规调研法、水温极值预测法和温排水热影响试验成果推算法等三种途径，开展温排水最高排放温度限值这一关键控制参数的研究，为将来建立和完善核电站温排水的排放控制标准提供科学依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 法规调研法
该方法主要是通过开展与N核电厂类似纬度的国外核电站关于温排水排放口最高排放温度限值的调研，为确定N核电厂温排水最高排放温度限值作参考。
本研究中的N核电厂址所处纬度为39°N附近，与日本(30°N~45°N)及美国加利福尼亚州(32°N~42°N)和伊利诺伊州(38°N~42°N)所处纬度类似。经调研，日本及美国的这两个州针对滨海厂址温排水排放口控制的环境水温分别为：日本：≤45℃；加利福尼亚州：≤36℃；伊利诺伊州：12~3月 < 16℃，4~1月 < 32℃。
1.2 水温极值预测法
水温极值预测法推算温排水最高排放温度限值的技术路线为：以某选定的未来温度极值作为该海域生态系统各要素短期暴露可耐受的温度极值，使其在数值上等于温排水混合区边缘的绝对高温值[9]。设选定概率下的未来温度极值为Tmax，混合区边缘温升限值为ΔT1，排放口的设计取排水温升为ΔT(N核电厂的取排水温升为ΔT=9℃)，则温排水最高排放温度限值TC=Tmax-ΔΤ1+ΔT。
有学者利用经验正交函数分解，对东中国海(渤海、黄海和东海)海面温度场的变化特征进行了分析。结果表明，整个东中国海海面温度1985~2005年间的变化趋势为(0.034±0.011)℃/a (大于99.9%的置信度)。逐点线性回归得到的空间分布显示所有的海域都处于升温的趋势，仅朝鲜半岛西侧的江华湾出现小幅降温趋势，降温幅度最大为0.015℃/a。升温速率较大的趋势出现在山东半岛以南台湾岛以北的大陆架浅海海域及渤海的浅水区，升温速率大于0.05℃/a，最高达到0.075℃/a[10]。
本项目中涉及的N核电工程海域位于渤海辽东湾东海岸，厂址海域表面温度的未来变化趋势采用1985~2005年间的变化趋势，即0.034±0.011℃/a。N核电厂的设计寿期一般为40 a，考虑到国外核电站普遍延寿10~20 a的事实，计算60 a后的海水表层温升为2.7℃(按最大变化趋势值0.045计算)。
N核电厂厂址海域表层海水温度的多年平均值为14.8℃。春季(4~6月)海域表层海水温度的变化较大，由4月份的5.9℃逐步升高到6月份的16.7℃；整个夏季(7~9月)海域表层海水温度都高于22℃，8月最高达24.4℃；秋季(10~12月)的变化类似春季，但趋势相反，由10月份的16.4℃逐步降低到在12月份的3.3℃；海域表层海水温度的年极大值出现在8月，为28.8℃；海水温度的极低值出现在12月，为-2.1℃[11]。
1.3 温排水热影响试验成果推算法
1.3.1 代表性试验物种的筛选
本研究主要结合N核电厂址海域的主要经济生物资源状况[12]，同时考虑如下因素来确定N核电厂温排水热影响试验的试验物种：1)物种的广域性，即它们在各目标研究水域均有分布；2)地域性，即同一物种的各地理种群常年生活于某特定范围的水域(如各核电站周边水域)，它们在整个生活史中不做长距离迁移、洄游。这样，各地理群体的隔离程度较高，加之生活过程中经历的温度史不同，它们对水温变化的适应性和耐温性可能存在地理性差异；3)可比性，即使同一物种，其在不同发育阶段对水温变化的反应也有明显差异，因此尽量选择特定实验物种同一生活阶段的个体开展实验，以提高实验结果的可比性。作为试验材料，天然活体仔稚鱼一般不易获取和养成，成鱼对水温变化通常具备较强的主动逃避能力。而幼鱼对水温影响的反应较敏感，但逃避能力较弱，加之相对仔稚鱼更容易获取活体材料和养成。因此，实验以幼体阶段的个体为宜；4)可获性，即能够获取活体材料以保证实验能按计划顺利开展；5)生理习性和行为特征，包括鱼类生活的适宜水温、鱼类对温升的可观察行为反应(如活动和呼吸异常)等。
根据上述原则，最终选定的春季试验的试验生物有大泷六线鱼Hexagrammos otakii、许氏平鮋Sebastes schlegeli、纹缟鰕虎鱼Tridentiger trigonocephalus、矛尾鰕虎鱼Chaeturichthys stigmatias、口虾蛄Oratosquilla oratoria和日本蟳Charybdis japonica等6个物种；夏季试验生物有许氏平鮋、矛尾鰕虎鱼、口虾蛄、日本蟳等4个物种；冬季试验生物有大泷六线鱼、许氏平鮋、纹缟鰕虎鱼、矛尾鰕虎鱼、口虾蛄、松江鲈(Trachidermus fasciatus)、方氏云鳚(Pholis fangi)、日本蟳等8个物种，试验生物均为1龄内幼体。
1.3.2 各季节不同受试生物的高起始致死温度统计分析
受试生物的高起始致死温度(upper incipient lethal temperature，UILT50)试验为静态试验，它是将受试生物直接从驯化水温下暴露于一系列不同温度，观察24小时内各生物的死亡存活情况，统计50%的生物个体不能长期存活的温度，即为UILT50。具体试验方案参见文献[13-16]。
该试验分别于2014年5~6月(春季)、2014年7~8月(夏季)和2014年11~12月(冬季)在N核电厂附近的育苗场进行，试验海水为砂滤后天然海水。
试验用的主要仪器设备如下：
试验水桶：容积180 L；
驯化水池：容积2 m3；
钛加热棒：100~2000 W；德国Armaturenbau；
温度控制仪：温控范围:0~90℃，感温灵敏度：0.1℃，型号:A-MI-211H；
充氧系统：增氧气泵、气管、气石、气量调节阀等；
精密水银温度计。
根据不同生物及不同驯化温度，按1~2℃温差设置温度梯度，每个温度组均设3个重复。从驯化水池中每种分别选取8~10尾大小相近、健康的个体放入不同暴露温度组。恒温试验24 h，观察试验生物的行为反应，及时捞出死亡个体。试验结束后记录每个试验温度组中各种试验生物的死亡个体数量(以鳃盖停止运动或触碰无反应定义为死亡)，以直线内插法或SPSS统计分析法求得各驯化温度下试验生物的UILT50。其中，冬、春和夏季静态试验的基础水温分别为8℃、17℃和26℃。
针对本厂址开展的温排水热影响试验得到的UILT50值统计情况分别见表 1~表 3。
表 1 冬季热影响试验中各物种的24 h UILT50Tab. 1 The 24 h UILT50 of each species in the thermal influence experiments in winter物种 24 h UILT50/℃ 大泷六线鱼H.otakii 25.6 许氏平鮋S.schlegeli 25.9 口虾蛄O.oratoria 26.3 纹缟鰕虎鱼T.trigonocephalus 26.5 方氏云鳚P.nebulosa 26.8 松江鲈鱼T.fasciatus 27.3 矛尾鰕虎鱼C.stigmatias 28.5 日本蟳C.japonica 32.7 表 2 春季热影响试验中各物种的24 h UILT50Tab. 2 The 24h UILT50 of each species in the thermal influence experiments in spring物种 24 h UILT50/℃ 大泷六线鱼H.otakii 26.7 许氏平鮋S.schlegeli 27.3 口虾蛄O.oratoria 27.6 纹缟鰕虎鱼T.trigonocephalus 32.9 矛尾鰕虎鱼C.stigmatias 33.9 日本蟳C.japonica 34.7 表 3 夏季热影响试验中各物种的24 h UILT50Tab. 3 The 24h UILT50 of each species in the thermal influence experiments in summer物种 24 h UILT50/℃ 许氏平鮋S.schlegeli 29.2 口虾蛄O.oratoria 31.9 矛尾鰕虎鱼C.stigmatias 34.3 日本蟳C.japonica 36.6 根据上述统计结果，N核电厂厂址海域受试物种的UILT50值范围(取整)：冬季为26~33℃；春季为27~35℃；夏季为29~37℃。
2 结果与讨论
2.1 法规调研结果
法规调研的结果表明：即使是处于类似纬度，同一国家不同地区/州的相关限值差异也很大。这可能与各地方的环境政策倾向，以及同纬度区的气候差异导致的水体自然水温以及水生物的耐温特性差异有关。因此，此调研结果对我国温排水最高排放温度限值的确定仅具参考价值。
2.2 水温极值预测结果
根据温度极值及未来变化趋势，得到未来温度极值：Tmax=28.8℃+2.7℃=31.5℃。
混合区边缘温升限值按《海水水质标准》(GB3097-1997)中提出的“第三、四类海域人为造成的海水温升不超过当时当地4℃”的要求，暂定为ΔT1=4℃。
N核电厂的设计取排水温升ΔT=9℃。
根据上述已知参数，可得N核电厂温排水最高排放温度限值TC=Tmax-ΔT1+ΔT=36.5℃。
2.3 由温排水热影响试验成果推算的结果
以受试物种短期暴露可耐受的温度极值，作为温排水混合区边缘的绝对高温值，则温排水排放口的最高排放温度限值TC=Tmax-ΔT1+ΔT。
其中，Tmax取为不同季节受试生物的UILT50值，保守考虑，取各季节受试物种UILT50统计值的最小值；式中ΔT1及ΔT的取值同上文。
由此可得N核电厂温排水最高排放温度限值：冬季为31℃；春、秋季为32℃；夏季为34℃。
综上所述，通过法规调研法、水温极值预测法和温排水热影响试验成果推算法等三种途径得到的N核电厂址海域排放口控制的最高排放温度限值差别较大，考虑保守性，最终以热影响试验成果推算法得到的结果为主要依据，即N核电厂温排水最高排放温度限值推荐值为：冬季31℃；春、秋季32℃；夏季34℃。
3 结论
(1)本研究结合我国北方某典型核电厂址海域的主要经济生物资源状况，同时考虑受试物种的广域性、地域性、可比性(对水温的敏感阶段)、生理习性和行为特征以及可获性等因素，来确定该核电厂温排水热影响试验的代表性试验物种。最终选定的春季试验的试验生物为大泷六线鱼、许氏平鮋、纹缟鰕虎鱼、矛尾鰕虎鱼、口虾蛄和日本蟳等6个物种；夏季试验生物为许氏平鮋、矛尾鰕虎鱼、口虾蛄、日本蟳等4个物种；冬季试验生物为大泷六线鱼、许氏平鮋、纹缟鰕虎鱼、矛尾鰕虎鱼、口虾蛄、松江鲈、方氏云鳚、日本蟳等8个物种；
(2)综合法规调研法、水温极值预测法和温排水热影响试验成果推算法等三种途径的推算结果，并考虑保守性，得到该典型核电厂温排水排放口最高排放温度限值的推荐值为：冬季31℃，春、秋季32℃，夏季34℃；
(3)本研究用到的温排水热影响试验研究成果(即各季节不同受试生物的高起始致死温度)限于课题执行周期及经费，仅针对筛选的代表性物种开展，还需进一步开展深入、全面和系统的温排水生态影响现场试验研究和实验室仿真模拟试验研究来确定生物的温度指标。建议对某特定海域进行长期跟踪观测，以查明温升对当地生物种类数、生物量、丰度、群落结构，乃至生态系统的影响机理和规律。在此基础上，可以进一步研究温升、余氯以及放射性物质联合作用下对生态系统各组分产生的影响和对水域生态系统的长期整体影响。
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表 1 冬季热影响试验中各物种的24 h UILT50
Tab. 1 The 24 h UILT50 of each species in the thermal influence experiments in winter
物种 24 h UILT50/℃ 大泷六线鱼H.otakii 25.6 许氏平鮋S.schlegeli 25.9 口虾蛄O.oratoria 26.3 纹缟鰕虎鱼T.trigonocephalus 26.5 方氏云鳚P.nebulosa 26.8 松江鲈鱼T.fasciatus 27.3 矛尾鰕虎鱼C.stigmatias 28.5 日本蟳C.japonica 32.7 
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表 2 春季热影响试验中各物种的24 h UILT50
Tab. 2 The 24h UILT50 of each species in the thermal influence experiments in spring
物种 24 h UILT50/℃ 大泷六线鱼H.otakii 26.7 许氏平鮋S.schlegeli 27.3 口虾蛄O.oratoria 27.6 纹缟鰕虎鱼T.trigonocephalus 32.9 矛尾鰕虎鱼C.stigmatias 33.9 日本蟳C.japonica 34.7
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表 3 夏季热影响试验中各物种的24 h UILT50
Tab. 3 The 24h UILT50 of each species in the thermal influence experiments in summer
物种 24 h UILT50/℃ 许氏平鮋S.schlegeli 29.2 口虾蛄O.oratoria 31.9 矛尾鰕虎鱼C.stigmatias 34.3 日本蟳C.japonica 36.6
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