西交大能源环境学讲义第4章 能源开发中的环境问题

PAGEPAGE8第4章能源开发中的环境问题能源的开发利用过程可分为三个阶段：开采开发、能量转换、消费使用。化石燃料、核裂变燃料需要开采、加工；水能、风能、地热能等需要开发。由于目前人类活动消费能源以电能、热能形式为主，所以大规模应用的能源都需要能量形式转换。能量转换过程造成的环境污染最为严重。常规能源中，除水能外，煤、石油、天然气及核燃料，从勘探、开采、加工、运输、贮存，到能量形式转换，直至最后使用，每一阶段均对环境造成不同程度的危害。相对来说，天然气、水能的应用污染较轻，但水能最初开发时，也同样殃及环境。4.1采煤的环境问题煤的露天开采和地下开采都给环境造成严重破坏。煤炭与废物堆积，煤炭自燃也污染环境。地下采煤是一种危险而有损健康的职业。（1）地表的破坏在平原露天采煤是，先挖掉一条窄长地段的覆盖土层，采出剥露的煤炭；再将下一长条的覆盖土翻入这道地沟，剥出下一条煤炭。类似地，在丘陵地带露天采煤，则沿着等高线开沟，自下而上一步步向坡顶推进。结果，平原采煤后造成了一条条山脊与沟槽交替的“搓板”，丘陵采煤后形成一层层“梯田”。原本是林木葱绿的山区、草木旺盛的丘陵、土肥水美的平原，露天开采煤矿使地表土丧失，植被遭到破坏，翻到地面的土层不适于植物生长。水土流失，陡坡塌方，附近的河流被淤塞。自然风景被破坏，地面被污染，整个生态平衡被打破。露天采煤造成的破坏，可用某些方法来恢复。例如，开掘时尽量保持地表土仍在上层地面；或者用城市污泥回填矿区；进行复垦和再种植等等。复垦的土地短期内植物生长困难，需要若干年养护，才能逐渐改善土壤条件。总的来说，虽然破坏的土地可以整复，但代价昂贵，且不可能一切如故。因此，大多数露天矿区成为不毛之地。（2）岩层和地表移动采用地下开采方法，当煤层被采空后，上覆岩层的应力平衡被破坏，煤层以上一定范围的岩层发生冒落，继之引起其上岩层的断裂、塌陷，直至地表整体下沉。开采中矿井塌顶极少发生，废弃的矿井塌顶则司空见惯。覆盖岩层陷落通常波及地表。如果地面沉陷较深，则长期积水形成湖泊；沉陷较浅则雨季积水，旱季泛碱。若沉陷发生在市区，则街道、建筑物遭到破坏；若发生在农村，裂缝使地表和地下水流紊乱，地表水漏入矿井，土地干旱。采矿时将地下水抽出，使地表土壤干燥，难以种植。地下开采引起的塌陷，下落体积可达采出煤炭的60~70%。如开滦矿区地面沉陷平均为6米。对付沉陷可用不同的方法。例如较浅的煤层用房柱式采煤法，但由于留下煤柱支护顶板，使回采率很低。最可靠的方法是全部充填法，即采空后用其他材料回填，如碎石、砂、矸石、废油页岩等。但充填材料并非都能随处可得。填充矿井往往是代价昂贵的。（3）矿井酸性排水由于地下水、地表水、生产用水等涌入矿井，需要不断排除。煤中通常含有黄铁矿（FeS2），遇水生成稀酸，使矿井排水呈酸性。洗煤厂也排除含硫、酚等有害污染物的黑水。煤矿废水量常常是采煤量的数倍。大量酸性废水排入河流，致使河水污染。对酸性排水的治理同样是经济问题。对付的措施有：防止大量的水进入矿井；封闭废弃矿井入口；把废水排入不会自流排放的废井等。（4）废物堆积在开采和选煤过程中，排除大量煤矸石和废石，矿区固体废物堆积如山。全世界每年排矸量(10~12)×108t，预计2000年将达到115×108t。中国目前年排矸量超过1×108t，而综合利用不到2000×104t。现已堆积煤矸石(16~20)×108t，占地面积约1000ha。矸石堆积不仅占用土地，而且不断自燃，排放各种有害气体、灰尘，污染环境。风吹则尘土飞扬，雨蚀则污染河流。这些废物可加以利用。矸石利用大体分为两个方面：一是作为劣质燃料，用于供热和发电；一是作为建材原料，如制造砖瓦、水泥，还可制造肥料；固体废物至少可用于矿井回填。目前对矸石利用不够；全国平均综合利用率大约只有17%。（5）自燃煤堆和矿井内的煤经常会自动地缓慢燃烧，排放一氧化碳、硫化物等有害气体。煤的自燃不仅浪费有价值的资源，而且严重污染空气。矿井内自燃又是危险隐患。（6）煤尘煤的开采、装卸、运输过程中，难以避免地使大量细微颗粒飘扬空中。矿区大多是浮尘遮天，落尘蔽地。空气中固体颗粒悬浮浓度大大超出环境能够承受的程度，严重危害人体健康及矿区生态环境。对于以煤炭为第一能源的中国，煤炭开采的环境保护与综合利用尤为重要。4.2石油开采、运输的环境污染石油污染的一个主要方面是对海洋生态环境的破坏(参阅第二章第3节)；(另外的问题是石油燃料燃烧造成空气污染)。在石油开采中，海上油田发生井喷和泄露。在石油运输方面，国际输油主要靠海运，油轮发生事故，将大量原油泄入海洋；正常情况下，油轮排放压舱水，以及其它输油船只冲洗排放，使沿海含油浓度升高。陆地油田、机动车辆、船只和其它机器泄放废油，例如润滑油，随着河水流入海洋，造成近海石油污染。陆地上散溢的石油，其中一部分蒸发，污染大气；一部分排入江河，污染河流、湖泊、海洋等水体。蒸发的石油烃类，有一部分通过几种途径重回地面，污染地面和水体。据统计，目前每年进入海洋的原油及石油产品的总量约1000×104t。近年来，海上油轮事故泄油的事件时有发生。最早的海上大量泄油事件是1967年的TorryCanyan灾难。航行于英吉利海峡的TorryCanyan号油轮触礁，石油迅速泄露。当时正置欧洲的休假季节，水面上一层油膜漫向英法两国的避暑海滩。纵火燃油的办法未能成功。法国在海滩上铺撒稻草，吸收石油，然后将稻草烧掉，这是在陆地上清除石油的古老而有效的办法。英国则利用清洁剂驱散油污。后来证明英国的办法近乎饮鸩止渴——清洁剂对海洋的污染比石油更严重。由于清洁剂溶解于有毒的芳香族溶剂中，出事区域又出现了大量的有毒化学物质。清洁剂乳化的原油沉到海底，杀死了长在岩石上的蚌贝，而它们是本来能够分解泄露原油的。这次失事使4~10万只海鸟死亡。之后，类似的石油泄漏事故时有发生。据统计，每年光是美国发生的比较严重的泄油事件就超过10000起。图4.1是20世纪80年代初期海洋上的油膜分布；此外，低浓度的石油组分早已遍布于整个世界海洋。图4.120世纪80年代海洋上的油膜分布钱易，2000：(国际环境与发展研究所，世界资源，1987)油膜阻碍阳光进入海水，一方面影响海洋植物的光合作用，减少产氧量；另一方面，影响大气中的氧向水中扩散。海洋植物生长受阻，进而影响整个海洋生态系统。石油是碳链长短不同的碳氢化合物的混合物。它们对水生动物都有明显的破坏作用。低分子烷烃有麻醉和麻痹作用，浓度高时则引起细胞损伤和死亡；高分子烷烃干扰鱼类用作觅食、回游、繁殖等活动的化学信息系统，从而破坏生态平衡。低分子芳香烃剧毒，高分子芳香烃是长效毒剂，含有苯并芘等致癌物质，因而具有长期危险性。毒物可通过食物链危害人类的健康。近海水域高浓度含油，造成沿海水生生态系统的严重破坏。在水域污染的恶劣条件下，大批鱼类、鸟类、其它海洋生物受害、生病、中毒、死亡。许多物种数目锐减，一些珍稀物种趋于灭绝。高浓度石油对近海水域生态系统的破坏虽然是局部的，但低浓度、长时间对整个海洋的危害也已日渐显露。石油污染也危及内陆水域的鱼类。例如，鲑鱼借助河水的特殊味道，溯流而上，找到固定地点进行产卵。在其回游路径上排放碳氢化合物，便会干扰它们的判断，使其无法找到它们的家，产卵繁殖。石油污染使海滩浊臭难闻，海滨风光不在，海滨浴场令人避之不及。石油工业对海岸土地的占用也值得重视。沿海地带对于海滩、海湾、潮间带的生态平衡及海洋食物链的作用非常重要。近海石油开采，必须使用沿海土地铺设管道，建立贮油罐和其他设施；如果进口石油则需要建立码头及贮油罐等相应设施。海上采油和进口石油都不可避免地要在沿海建起炼油厂。这就使沿海地带生态系统遭受毁灭性的破坏，同时殃及近海水域生态环境。对付海上石油泄漏的办法，重在防止事故的发生。对于陆地上的废油，最好是将其收集起来再加炼制。这不仅利于环境，又利于节油。石油污染也危及内陆水域的鱼类。例如，鲑鱼借助河水的特殊味道，溯流而上，找到固定地点进行产卵。在其回游路径上排放碳氢化合物，便会干扰它们的判断，使其无法找到它们的家，产卵繁殖。石油污染使海滩浊臭难闻，海滨风光不在，海滨浴场令人避之不及。石油工业对海岸土地的占用也值得重视。沿海地带对于海滩、海湾、潮间带的生态平衡及海洋食物链的作用非常重要。近海石油开采，必须使用沿海土地铺设管道，建立贮油罐和其他设施；如果进口石油则需要建立码头及贮油罐等相应设施。海上采油和进口石油都不可避免地要在沿海建起炼油厂。这就使沿海地带生态系统遭受毁灭性的破坏，同时殃及近海水域生态环境。对付海上石油泄漏的办法，重在防止事故的发生。对于陆地上的废油，最好是将其收集起来再加炼制。这不仅利于环境，又利于节油。4.3铀生产的环境污染核工业产生的环境污染主要来自两个阶段：核燃料生产和辐照后燃料的处理。由于人类无论何时何地都处在射线的照射之中，通常核燃料生产过程的放射性污染较轻，一般不构成严重危害。但它毕竟对人体有害，故仍须予以充分注意。目前核能利用的主要形式是核裂变。核燃料的基本原料是铀。铀的生产过程包括：地质勘探，铀矿开采、选矿，水冶加工，最后精制得到浓缩铀。在核燃料生产中，铀矿山和铀水冶厂是主要污染源。从这里排除的废物，虽然放射性水平低，但排放量大，分布广。铀矿山产生的放射性废物有废水、废气、固体废物。铀矿山废水不仅含有氡、铀及其衰变子体，而且有其他共生的有害化学物质。废水包括：通过矿脉裂缝的地下水渗入矿井形成的矿坑水；湿法凿石、除尘、降温等作业产生的废水；流经矿石堆、废石堆、尾矿堆的雨水等。铀矿山的固体废物具有低水平的放射性，其固体废物量非常大。主要是废石，包括地下开采挖掘的岩石、圈岩，露天开采的覆盖岩层和表外矿石，以及预选淘汰矿石，还有预处理产生的矿渣和尾矿。铀矿区空中含有放射性气体氡及其衰变子体、放射性粉尘，主要来自矿井通风排气。在掘进、破碎、装运等作业中产生氡和粉尘，随废气排出。此外，矿岩面、矿石堆、废石堆、矿坑水都不断地析出氡气。水冶厂的废物性质随矿石成分、水冶流程、使用的化学药剂不同而变化，对环境的影响程度也随之不同。水冶厂的液体废物主要有贫铀溶液、萃余液及部分沉淀母液。其中放射性物质最危险的是镭226。废水中还含有其他化学物质，例如，硫酸根、硝酸根、有机溶剂等。酸性废水排入河流造成的危害往往比放射性物质更严重。另外的废水来自车间、实验室、洗衣淋浴排出水等，不过这类废水毒性很小。水冶厂排出的废气放射性水平很低，一般不致引起环境放射性污染。但其中浸出流程产生的氮氧化物、硫酸雾往往净化不力而污染环境。水冶厂的固体废物主要是提取铀后的尾矿，还有污染的设备、物品等。尾矿数量大致与原矿石相等。虽然其中残留铀不及原矿含量的10%，但却保留了原矿石总放射性的70~80%，因为除氡气及短寿命子体在加工过程中释放，铀系子体的绝大部分还残留在尾矿内，如镭，仍残留95%以上。核燃料生产中对环境的污染，主要是废水排入河流造成水体污染，危害水生生物和相关居民。在美国科罗拉多河上游流域的某些河段，发生过污染事件。那里铀矿石加工厂密集。水冶厂废水排放口下游附近，镭含量超过了饮水容许标准，鱼类和其他水生生物几乎绝迹。因喝水灌溉农田又导致土壤及农产品污染。例如，污染地区的紫花苜蓿含镭，使得吃此牧草的牛所产牛奶中含高浓度的镭。铀生产过程的固体废物往往造成一定程度的污染。废石、尾矿受雨水冲蚀，或流入河道，污染河水；或流失于周围土地，污染土壤、水源。美国科罗拉多州大章兴镇曾经将尾矿砂用作建筑填充材料，结果造成了广泛污染。铀矿山和水冶厂排出的废气，经过净化、大气稀释，一般不会引起严重污染。通常，对铀矿山废水，用钡盐除镭或用其他方法净化，然后排放。对矿渣采取堆积弃置或回填矿井的方法。水冶厂的废水贮存于尾矿坑中，澄清后一部分重复使用，大部分自然蒸发，或渗入地下，或排入河川。对尾矿砂，有的回填矿井，有的用各种方法稳定，例如尾矿砂堆表面喷涂化学药剂，或用混凝土覆盖等等。总之，核燃料生产过程中的污染排放，如果有了合理的预防措施，不会有太大危害。放射污染的危害性随着铀的浓缩而升高。因此核放射污染的主要危险是反应堆事故和燃料的后处理。4.4建造水电站对环境的影响由于水利发电的一系列优点，国内外都将优先开发水电列入能源开发战略。但是事物总是具有正反两个方面。在水能开发初始阶段，不可避免地对环境造成破坏。水电工程要建筑大坝，拦蓄河水，以得到垂直落差。于是大片河谷流域成为水库，森林、土地、村庄被淹没，自然风景被破坏，流域生态系统受影响。因而，建造大型水电站带来的环境问题，必须预先周密考虑，采取合理措施，把危害降低到最小程度。（1）破坏自然景观要有尽可能高的落差，就要选择怒涛奔泻的河段；要使水坝尽量缩短，就要选择最窄的峡谷。于是，由于大坝拦河蓄水，“高峡出平湖”，昔日波涛汹涌的河流，变成了平静的流水；曾经风光绮丽的峡谷，也会消失或褪色。大坝将水位大幅度提高，使坝前区域大面积永久淹没。有的淹没了大片郁郁葱葱的森林、自然荒野，有的淹没了千顷良田、村庄城镇、名胜古迹。建造水库使一些自然风景永远消失，造成不可挽回的损失。（2）破坏生态环境在水电站工程影响区，大片植被遭到破坏。尤其在水库淹没区，原来的绿色植物不复存在；原来栖息于这片山林、荒野、农田的野生动物被迫迁徙。有的动植物种类因之灭绝。对于这里的动植物无疑是一场灾难。库区的自然生态平衡被破坏，动植物群落需要重新组合，形成新的生态平衡。水库改变了河流状况，破坏了流域生态系统。大坝截断了某些鱼类的回游路径，水库淹没了一些鱼类的产卵和栖息地。例如，美国西北部的哥伦比亚河修建了一座座水坝，严重破坏了鲑鱼的回游产卵习性。河上的大古力水坝使大鳞大马哈鱼回游栖息地和产卵地减少了70%。水库泥沙沉积，食物组成改变，对鱼类生存不利。水库中的水从溢洪道冲下时会溶解过量的氮气，坝后河水中有过饱和的氮，能引起鱼类患弯体病而死亡。（3）移民将要淹没的库区的城镇、乡村居民，需要搬迁、安置。人与自然界其他生物一样，也处于一定的生态环境之中。迁徙也使他们打破原有的平衡，建立新的生态平衡系统。不但自然生态环境改变，而且社会环境也有所改变。与其他生物经受的变化相比，迁移人口的问题更复杂，对这些居民的生活影响更明显。大型水电工程往往要动迁大量人口。例如，我国50年代的黄河三门峡水电站工程，迁移人口30万；目前兴建的长江三峡工程，将移民120万以上。（4）泥沙沉积河水夹带泥沙，流入水库静水区，由于流速减小，水流挟沙能力降低、泥沙逐渐沉积下来。天长日久，降低水库容水量；水坝下游也相应受到影响。泥沙沉积是影响水库功能最严重的问题。黄河三门峡水电站兴建前，对泥沙沉积估计不足，结果建成后被迫数次修整。尽管如此，发电量也只有原设计的10%。美国得克萨斯州的奥斯汀湖，曾在13年间，泥沙淤积使库容量减少45%。埃及阿斯旺水库每年淤泥量达1.1亿吨。美国、印度、塞浦路斯等国的130座水库调查表明，每年淤积的库容量为2%~14.3%。水库沉积淤泥对水坝下游有下列影响：一是有的河流下游泛滥平原靠淤泥来得到肥沃土壤，减少淤泥会影响种植。二是水坝下游河流侵蚀河岸和淤泥沿岸沉积的平衡被打破，加剧河岸侵蚀，并威胁桥梁地基。三是可以引起入海口水域的生态变化，例如阿斯旺高坝建成，毁掉了尼罗河口地中海沿岸的沙丁鱼加工工业，因为含有丰富营养物质的淤泥不能进入地中海，引起食物链的低营养级生物大量死亡，致使该区域沙丁鱼捕获