核电是一种清洁能源, 具有环境影响小、资源消耗低、供应能力强等优点, 是目前三大电力供应支柱之一, 具有极大的发展潜力。核电安全一直是人们所关注的问题, 也是核电产业发展的重中之重; 其中确保核电安全的关键问题之一, 就是在任何情况下都要保证核燃料释热的正常疏导。所以, 核电厂的冷却水系统是其重要的组成部分, 防止冷却水系统堵塞、确保其正常运转是保障核电安全的重要环节(南卫等, 2018)。

防城港核电站位于广西防城港市企沙半岛东侧, 是我国西部地区和少数民族地区开工建设的首个核电项目。2014年12月下旬至2015年2月下旬, 在广西防城港核电厂一期工程1号机组热试期间, 核电厂所在的钦州湾海域暴发了球形棕囊藻赤潮。赤潮严重时, 出现了冷却水系统堵塞现象, 影响到了核电机组的正常运行。以改性粘土为核心技术的棕囊藻赤潮应急消除与防控系统, 顺利保障了防城港核电厂冷源系统的正常运行。本次球形棕囊藻赤潮的暴发对核电冷源安全的影响为我们敲响了警钟, 然而除了球形棕囊藻以外, 还有哪些藻类会潜在影响到核电冷源的安全, 是一个值得关注的问题。绝大多数藻类生长在水中, 具有叶绿素, 能进行放氧的光合作用。除了少数营漂浮生活的大型海藻(如马尾藻、浒苔等)外, 大部分属于单细胞藻类, 个体微小; 但部分单细胞藻类营群体生活, 通过成链、成团或成囊等过程大大增加了藻体粒径, 大量存在时有可能会堵塞核电冷源取水。

我国大陆核电发展至今已有四十余年, 以往的研究主要关注核电对生物的影响(魏新渝等, 2018), 较少考虑到生物对核电的影响, 而棕囊藻赤潮的暴发对核电冷源的影响使其成为不可忽略的问题。本文对潜在影响防城港核电冷源系统的藻类暴发特点进行分析, 并对预警监测和防控方法进行了初步介绍, 以达到早期预防、保障核电冷源系统安全的目的。

1 研究背景及数据资料

广西防城港核电站位于防城港市企沙半岛东侧, 每年可为北部湾经济区提供数以亿计千瓦时的清洁电力。然而自2014年以来, 球形棕囊藻赤潮在广西钦州湾海域频繁暴发, 赤潮严重时, 出现了冷却水系统堵塞现象(图 1), 造成机组跳机、跳堆, 严重威胁到了防城港核电冷源的安全, 引起了社会各界的高度关注。

本研究通过查阅防城港核电站附近海域生态调查基础资料、广西壮族自治区历年海洋环境质量公报(2006—2017年)等, 结合藻类本身的生物学特点, 对潜在影响核电冷源安全的藻类进行筛选研究。

2 潜在影响核电冷源安全的藻类筛选标准

本研究以大规模暴发时易成囊、成团、成簇以堵塞核电冷源入水作为筛选标准。基于历史调查和专项调查的方法可大致确定防城港核电厂海域可能的致灾生物, 同时考虑到本海域未曾发生过而在临近海域甚至更远的海域曾经发生过的暴发事件。

潜在致灾生物在某一海域中可能是实时存在的, 由于密度低时不会影响核电厂冷源的使用, 只有当其密度达到一定量级时, 才可能导致冷源风险。而对于核电的生物致灾防护体系, 需要知道何种量级水平的暴发等级才是需要防护的。同时, 致灾强度还与核电冷源的相关系统运行特性和要求密切相关, 比如粗细格栅、鼓网、贝类捕集器滤网的性能以及系统对冷源流量的限制要求等。根据循环水系统鼓网的孔径(常用3mm或5mm), 参考国内外已发生的海生物影响冷源事件, 将潜在影响冷源系统的藻类的筛选标准定为: (1)单细胞或群体粒径大于2000μm; (2)在电厂或周边海域发生过藻华或聚集事件; (3)在与本海域环境相似的其他海域发生过藻华或聚集事件。

3 潜在影响核电冷源系统的藻类暴发特点及预警防控方法

根据上文的筛选标准, 结合历史调查资料, 本研究筛选出球形棕囊藻、夜光藻、束毛藻和浒苔四种潜在影响核电冷源系统的藻类。

3.1 球形棕囊藻

球形棕囊藻隶属于定鞭藻门, 其生活史分为单细胞和囊体两个阶段, 单细胞大小为3—8μm, 囊体最大可达3cm (沈萍萍等, 2000), 囊体没有运动能力, 主要分布在水体上层。囊体的外壁主要成分为多糖类, 当其暴发时, 大量的囊体易堵塞核电循环水过滤系统中格栅, 从而对冷源系统造成威胁。

一般在营养盐充裕或者富营养化的近岸海域中容易发生棕囊藻藻华, 氮、磷等营养盐的限制均会抑制球形棕囊藻的生长以及生活史转化。球形棕囊藻的囊体细胞相比于游离单细胞更容易受到磷限制的影响, 因此在较低的磷酸盐浓度下无法形成囊体(王梅, 2006)。在硝酸盐为氮源的情况下球形棕囊藻易形成囊体, 而其他形态的氮素则导致囊体的消散。囊体可以在一个较宽的盐度范围形成, 但是不同温度对于形成的囊体大小有着关键的作用。适宜的外界温度会加速球形棕囊藻囊体的破裂, 使单细胞个体迅速形成大的囊体, 囊体再经过新的生长周期, 形成新的囊体。研究表明, 在盐度28、温度25℃和盐度25、温度20℃能得到囊体粒径的最大值(王小冬, 2010)。球形棕囊藻的囊体形成需要一定的光照强度, 在光照超过40μmol/(m²·s)时易形成, 而低于此值, 囊体极少形成(邓坤, 2013)。球形棕囊藻藻华的发生和消散过程中经常伴生硅藻, 尤其是成链状群体的硅藻, 如角毛藻、中肋骨条藻以及拟菱形藻等。球形棕囊藻囊体的形成和直径提高导致摄食者和食物颗粒间的粒径不匹配, 抑制摄食者的摄食效率, 保护囊体细胞。不同的囊体株系的成囊能力不同, 球形棕囊藻在面临中型浮游动物的摄食时, 更能提高成囊空间。球形棕囊藻频繁形成大规模藻华的原因可能归因于其生活史的转化和囊体形成所赋予的竞争优势。

球形棕囊藻是近年来在广西近岸海域常见的赤潮暴发种(图 2): 2011年11月7日—10日, 在廉州湾北岸发生面积约10平方公里的球形棕囊藻赤潮; 2014年2月下旬, 在铁山港、涠洲岛等海域发现密度为1.6×10⁵cells/L的球形棕囊藻, 虽未达到赤潮密度, 但引起了海水变色; 2014年12月—2015年2月, 在广西沿岸特别是各个港湾海水中, 球形棕囊藻细胞密度一直处于较高水平; 2017年1月—3月, 在广西部分近岸海域特别是各个港湾海水中, 球形棕囊藻出现爆发性增殖, 且在3月15日—23日, 在涠洲岛北侧沿岸出现明显的聚集。每年11月份至来年3月份为球形棕囊藻的重点监测防控的时间段。在棕囊藻赤潮形成前(囊体出现前), 通过流式细胞分析和棕囊藻特征色素19-Hex的检测, 能够在一定程度上指示棕囊藻细胞的分布和变化情况; 棕囊藻赤潮发生后(囊体出现后), 其数量变动和分布状况是反映棕囊藻赤潮状况的最好指标。采用改性粘土技术可以达到对球形棕囊藻的有效去除(曹西华等, 2017; 邱丽霞等, 2017)。

3.2 夜光藻

夜光藻隶属于甲藻门, 是单细胞藻类, 个体大小范围为150—2000μm, 细胞近圆球形, 细胞壁透明且由2层胶状物质组成。赤潮发生时, 夜光藻集中于表层或近表层, 条带状或块状分布, 呈深粉红色、桔红色(图 3)。赤潮发生期间, 夜光藻的细胞丰度一般都在10⁴cells/L以上(钱宏林等, 1994), 由于单细胞个体较大且表面具有胶状物质, 当其暴发时有可能会堵塞核电核电冷却水系统, 造成安全隐患。

夜光藻的季节动态与其温度适应性有关, 作为偏冷水性的物种, 在温度超高5—6℃时就可繁殖, 其适温范围一般在10—25℃, 当水温超过25℃时夜光藻会大量死亡。春季和秋季的水温较适宜夜光藻的生长和繁殖, 冬季较低的温度限制其生长和繁殖, 而夏季的高温则影响夜光藻的生存, 但在有上升流存在的区域, 涌升的冷水可为夜光藻的大量繁殖提供适宜的物理环境。空间分布上, 夜光藻呈现“近岸高于远岸, 表层高于底层”的模式; 但存在显著的昼夜垂直迁移现象, 大体呈现“白天上升, 晚上下降”的趋势。近岸和表层水体的营养盐浓度较高, 作为夜光藻饵料的浮游植物也就比较丰富, 有利于夜光藻的生长和繁殖(谢健等, 1993)。此外, 风和潮汐促进夜光藻在近岸表层水体中的聚集, 会加强其在生态群落中的竞争力。近岸水域的海水富营养化现象是夜光藻赤潮暴发的最重要原因, 富营养化给浮游植物的细胞增殖提供了丰富的营养基础, 而大量的浮游植物又为夜光藻的增殖提供了丰厚的饵料(陈汉辉等, 1991)。每次夜光藻细胞丰度的峰值前均有一个浮游植物和叶绿素a同步的峰值, 且浮游植物群落以硅藻占优势。

近年来, 夜光藻在广西附近海域频繁暴发: 2008年4月6日—9日, 在涠洲岛东南方和钦州三娘湾近岸海面均发现夜光藻赤潮; 2011年4月11日, 在钦州湾三墩岛南面海域发生面积约1.2平方公里的夜光藻赤潮; 2015年2月13日凌晨, 北海涠洲岛一带发现海滩有夜光藻发出的蓝色荧光; 2017年4月份夜光藻赤潮在钦州湾暴发, 水温范围为19.8—23℃ (马继先等, 2017)。夜光藻预警监测方案为:在核电厂取水口周边水域沿离岸方向布设5—10个调查站位, 每年12月至来年4月份, 对上述站位每两周进行一次监测, 项目包括水温、叶绿素a、浮游植物群落(网采)和夜光藻丰度。当叶绿素a浓度超过2μg/L, 且伴随多日晴好天气, 或者夜光藻丰度超过10³cells/L, 需加密监测; 当夜光藻丰度达到或超过10⁴cells/L时, 表明暴发夜光藻赤潮, 需要采取拦截或消杀措施以保证冷源安全; 当叶绿素a浓度降至1.5μg/L以下时, 恢复至每两周一次监测; 当水温超过28℃时, 可暂停监测。采用改性粘土技术可以达到对夜光藻的有效去除(Yu et al, 2017)。

3.3 束毛藻

束毛藻隶属于蓝藻门, 是一类重要的固氮蓝藻, 束毛藻以藻丝体或藻丝体聚集成群的形式生活, 藻丝体由数个到数百个不等的细胞组成, 是自然水体中常见的形态(张燕英等, 2007)。群体有放射状和纺锤状两种形态, 每个群体内藻丝体的数目不尽相同, 最多可达数百条, 粒径可达数毫米(图 4), 当群体大量聚集时, 有可能会堵塞核电核电冷却水系统, 造成安全隐患。

束毛藻能够在水体稳定而且透明度高、营养盐缺乏以及其他浮游植物丰度较低的海域大量繁殖, 甚至能在表层形成藻华。束毛藻的分布和丰度受到多种环境条件的影响, 主要包括水体温度、盐度、营养盐、风与海流等。束毛藻主要分布在水温高于20℃的水域, 当水温介于25—28℃时光合速率较高(Lugomela et al, 2002), 在30℃时达到最高, 束毛藻藻华也通常发生在水温≥25℃的热带或亚热带水域表层(Karl et al, 2002)。盐度对蓝藻的影响不明显, 但束毛藻多生活于高盐海域, 较低的盐度不利于其生长。虽然束毛藻较适应低营养盐环境, 但营养盐增加仍会促进其生长。风和海流引起的海水扰动不利于束毛藻聚集成群体, 影响其固氮能力, 进而限制其生长, 因此风平浪静的海况有利于束毛藻大量繁殖, 甚至形成藻华。此外, 海流会把束毛藻输送到其他海域, 从而影响其分布(李涛等, 2008)。

近年来, 红海束毛藻多次在广西沿海引发赤潮(国家环境保护总局, 2005), 其中2004年6月28日至7月1日, 在涠洲岛附近海域发生了一次小规模的红海束毛藻赤潮, 这已是该海域近3年内的第3次红海束毛藻赤潮(李小敏等, 2009)。有报道在夏季的北部湾部分海域, 束毛藻能够取代硅藻成为优势类群(王符菁等, 2015)。束毛藻的暴发时间主要是在夏季, 在核电厂周边外海布设监测站位, 或采用卫星遥感的方法监控(图 4), 于每年6—9月份开展监测, 项目包括水温、浮游植物群落(网采)以及束毛藻群体的现场观测, 选取外海较长时间处于风平浪静、天气晴好的时段进行。当水体中发现大量束毛藻藻丝体时, 应加密观测频率; 当水体中发现束毛藻群体时, 需要采取拦截或消杀措施以保证冷源安全。

3.4 浒苔

浒苔隶属于绿藻门, 其生活史分为微观繁殖体阶段和藻丝体阶段, 微观繁殖体大小10μm左右(王晓坤等, 2007), 藻丝体肉眼可见, 当藻丝体大量聚集时, 有可能会堵塞核电冷却水系统, 造成安全隐患。

浒苔等绿潮的形成是由多重因素综合作用的结果。绿潮海藻营养盐吸收能力较高, 且在富营养化的水域环境中, 绿潮海藻在营养盐的刺激下可成倍增长, 且光能利用效率高, 具有较强的竞争优势(刘峰等, 2012)。绿潮海藻的繁殖方式多样, 包括有性生殖、无性生殖、营养繁殖等; 且繁殖能力强, 在生活史的任何一个中间形态都可以单独发育为成熟的藻体, 同时绿潮海藻的孢子和藻体具有较强的抗胁迫能力(王晓坤等,2007)。由于绿潮海藻的上述特点, 使其往往能够成为一个水域环境中竞争的优胜者; 目前报道的绿潮中大都只有一种优势海藻, 如黄海绿潮的优势种为浒苔。海水富营养化一直被认为是引起绿潮暴发及泛滥的最直接因素。氮和磷等营养元素含量的增加是绿潮海藻生物量增加的物质基础(李瑞香等, 2009)。环境因子是绿潮海藻能否在营养充足的条件下快速繁殖的重要因素, 且主要包括温度、光强、盐度、溶解氧、摄食动物等。同时, 全球气候变暖和海洋酸化的加剧在短期内都有利于绿潮海藻的生长(徐兆礼等, 2009)。

虽然在防城港附近未见报道, 但是近年来, 浒苔灾害在北海沿岸海域不容忽视; 据报道, 2015年2月份, 北海银滩遭到大量浒苔侵袭, 2017年11月份北海又出现大量浒苔(图 5)。关于浒苔的监测, 传统地面调查能够比较全面地了解浒苔暴发的过程, 但需长期投入大量的人力物力, 特别是时空局限性限制了其应用。利用遥感技术监测浒苔的动态变化(图 5), 可以迅速确定浒苔的暴发区域、时间和聚集度等, 提高灾情分析的准确度, 使海上的浒苔打捞工作变得更有针对性, 同时通过跟踪监测分析可对浒苔做出预警。对于防城港核电厂, 建议加强核电厂附近水域的遥感监测, 及早发现浒苔。采用改性粘土技术可以实现对浒苔微观繁殖体的有效去除(李靖等, 2015; 张悦等, 2016), 对于浒苔藻丝体, 建议采用打捞的方法去除。

4 结语

在防城港核电厂取水海域, 潜在影响核电冷源系统的藻类主要包括球形棕囊藻、夜光藻、束毛藻和浒苔等。不同物种的种群暴发特点在集中暴发时间略有差异, 但基本上都表现出暴发生物量密度高、水动力条件加剧入侵冷源系统、堵塞拦网程度严重和捕捞阻截效率低等特征。

针对以上藻类暴发及其冷源系统入侵特点, 在预警技术方面, 应重点开展浮游植物分布调查及动态监测技术、温排水混合区的水温长期监测技术、卫星遥感监测与预警技术等研究。在藻类消杀方面, 优选技术应用较为成熟, 经济成本控制合理、生物资源生态环境损伤较低的措施方法。对于球形棕囊藻、夜光藻、浒苔围观繁殖体, 可以采用改性粘土技术进行消除(图 6); 对于浒苔藻丝体、束毛藻, 建议在加强生物监测预警和借助船只、渔网等工具对取水口和通流渠道的大型浮游植物进行定期打捞的基础上, 辅以隔离屏障(拦污网、格栅和滤网)。此外, 应结合长期动态监测与历史资料分析结果, 在实验室内针对潜在暴发的藻类进行改性粘土去除研究, 优选改性粘土配方及消杀策略, 从而为核电冷源安全提供技术支撑。