西交大能源環(huán)境學(xué)講義第4章 能源開發(fā)中的環(huán)境問題

PAGEPAGE8第4章能源開發(fā)中的環(huán)境問題能源的開發(fā)利用過程可分為三個階段：開采開發(fā)、能量轉(zhuǎn)換、消費(fèi)使用?；剂稀⒑肆炎?nèi)剂闲枰_采、加工；水能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃枰_發(fā)。由于目前人類活動消費(fèi)能源以電能、熱能形式為主，所以大規(guī)模應(yīng)用的能源都需要能量形式轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換過程造成的環(huán)境污染最為嚴(yán)重。常規(guī)能源中，除水能外，煤、石油、天然氣及核燃料，從勘探、開采、加工、運(yùn)輸、貯存，到能量形式轉(zhuǎn)換，直至最后使用，每一階段均對環(huán)境造成不同程度的危害。相對來說，天然氣、水能的應(yīng)用污染較輕，但水能最初開發(fā)時，也同樣殃及環(huán)境。4.1采煤的環(huán)境問題煤的露天開采和地下開采都給環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。煤炭與廢物堆積，煤炭自燃也污染環(huán)境。地下采煤是一種危險而有損健康的職業(yè)。（1）地表的破壞在平原露天采煤是，先挖掉一條窄長地段的覆蓋土層，采出剝露的煤炭；再將下一長條的覆蓋土翻入這道地溝，剝出下一條煤炭。類似地，在丘陵地帶露天采煤，則沿著等高線開溝，自下而上一步步向坡頂推進(jìn)。結(jié)果，平原采煤后造成了一條條山脊與溝槽交替的“搓板”，丘陵采煤后形成一層層“梯田”。原本是林木蔥綠的山區(qū)、草木旺盛的丘陵、土肥水美的平原，露天開采煤礦使地表土喪失，植被遭到破壞，翻到地面的土層不適于植物生長。水土流失，陡坡塌方，附近的河流被淤塞。自然風(fēng)景被破壞，地面被污染，整個生態(tài)平衡被打破。露天采煤造成的破壞，可用某些方法來恢復(fù)。例如，開掘時盡量保持地表土仍在上層地面；或者用城市污泥回填礦區(qū)；進(jìn)行復(fù)墾和再種植等等。復(fù)墾的土地短期內(nèi)植物生長困難，需要若干年養(yǎng)護(hù)，才能逐漸改善土壤條件。總的來說，雖然破壞的土地可以整復(fù)，但代價昂貴，且不可能一切如故。因此，大多數(shù)露天礦區(qū)成為不毛之地。（2）巖層和地表移動采用地下開采方法，當(dāng)煤層被采空后，上覆巖層的應(yīng)力平衡被破壞，煤層以上一定范圍的巖層發(fā)生冒落，繼之引起其上巖層的斷裂、塌陷，直至地表整體下沉。開采中礦井塌頂極少發(fā)生，廢棄的礦井塌頂則司空見慣。覆蓋巖層陷落通常波及地表。如果地面沉陷較深，則長期積水形成湖泊；沉陷較淺則雨季積水，旱季泛堿。若沉陷發(fā)生在市區(qū)，則街道、建筑物遭到破壞；若發(fā)生在農(nóng)村，裂縫使地表和地下水流紊亂，地表水漏入礦井，土地干旱。采礦時將地下水抽出，使地表土壤干燥，難以種植。地下開采引起的塌陷，下落體積可達(dá)采出煤炭的60~70%。如開灤礦區(qū)地面沉陷平均為6米。對付沉陷可用不同的方法。例如較淺的煤層用房柱式采煤法，但由于留下煤柱支護(hù)頂板，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、廢油頁巖等。但充填材料并非都能隨處可得。填充礦井往往是代價昂貴的。（3）礦井酸性排水由于地下水、地表水、生產(chǎn)用水等涌入礦井，需要不斷排除。煤中通常含有黃鐵礦（FeS2），遇水生成稀酸，使礦井排水呈酸性。洗煤廠也排除含硫、酚等有害污染物的黑水。煤礦廢水量常常是采煤量的數(shù)倍。大量酸性廢水排入河流，致使河水污染。對酸性排水的治理同樣是經(jīng)濟(jì)問題。對付的措施有：防止大量的水進(jìn)入礦井；封閉廢棄礦井入口；把廢水排入不會自流排放的廢井等。（4）廢物堆積在開采和選煤過程中，排除大量煤矸石和廢石，礦區(qū)固體廢物堆積如山。全世界每年排矸量(10~12)×108t，預(yù)計2000年將達(dá)到115×108t。中國目前年排矸量超過1×108t，而綜合利用不到2000×104t?，F(xiàn)已堆積煤矸石(16~20)×108t，占地面積約1000ha。矸石堆積不僅占用土地，而且不斷自燃，排放各種有害氣體、灰塵，污染環(huán)境。風(fēng)吹則塵土飛揚(yáng)，雨蝕則污染河流。這些廢物可加以利用。矸石利用大體分為兩個方面：一是作為劣質(zhì)燃料，用于供熱和發(fā)電；一是作為建材原料，如制造磚瓦、水泥，還可制造肥料；固體廢物至少可用于礦井回填。目前對矸石利用不夠；全國平均綜合利用率大約只有17%。（5）自燃煤堆和礦井內(nèi)的煤經(jīng)常會自動地緩慢燃燒，排放一氧化碳、硫化物等有害氣體。煤的自燃不僅浪費(fèi)有價值的資源，而且嚴(yán)重污染空氣。礦井內(nèi)自燃又是危險隱患。（6）煤塵煤的開采、裝卸、運(yùn)輸過程中，難以避免地使大量細(xì)微顆粒飄揚(yáng)空中。礦區(qū)大多是浮塵遮天，落塵蔽地。空氣中固體顆粒懸浮濃度大大超出環(huán)境能夠承受的程度，嚴(yán)重危害人體健康及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。對于以煤炭為第一能源的中國，煤炭開采的環(huán)境保護(hù)與綜合利用尤為重要。4.2石油開采、運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境污染石油污染的一個主要方面是對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞(參閱第二章第3節(jié))；(另外的問題是石油燃料燃燒造成空氣污染)。在石油開采中，海上油田發(fā)生井噴和泄露。在石油運(yùn)輸方面，國際輸油主要靠海運(yùn)，油輪發(fā)生事故，將大量原油泄入海洋；正常情況下，油輪排放壓艙水，以及其它輸油船只沖洗排放，使沿海含油濃度升高。陸地油田、機(jī)動車輛、船只和其它機(jī)器泄放廢油，例如潤滑油，隨著河水流入海洋，造成近海石油污染。陸地上散溢的石油，其中一部分蒸發(fā)，污染大氣；一部分排入江河，污染河流、湖泊、海洋等水體。蒸發(fā)的石油烴類，有一部分通過幾種途徑重回地面，污染地面和水體。據(jù)統(tǒng)計，目前每年進(jìn)入海洋的原油及石油產(chǎn)品的總量約1000×104t。近年來，海上油輪事故泄油的事件時有發(fā)生。最早的海上大量泄油事件是1967年的TorryCanyan災(zāi)難。航行于英吉利海峽的TorryCanyan號油輪觸礁，石油迅速泄露。當(dāng)時正置歐洲的休假季節(jié)，水面上一層油膜漫向英法兩國的避暑海灘。縱火燃油的辦法未能成功。法國在海灘上鋪撒稻草，吸收石油，然后將稻草燒掉，這是在陸地上清除石油的古老而有效的辦法。英國則利用清潔劑驅(qū)散油污。后來證明英國的辦法近乎飲鴆止渴——清潔劑對海洋的污染比石油更嚴(yán)重。由于清潔劑溶解于有毒的芳香族溶劑中，出事區(qū)域又出現(xiàn)了大量的有毒化學(xué)物質(zhì)。清潔劑乳化的原油沉到海底，殺死了長在巖石上的蚌貝，而它們是本來能夠分解泄露原油的。這次失事使4~10萬只海鳥死亡。之后，類似的石油泄漏事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，每年光是美國發(fā)生的比較嚴(yán)重的泄油事件就超過10000起。圖4.1是20世紀(jì)80年代初期海洋上的油膜分布；此外，低濃度的石油組分早已遍布于整個世界海洋。圖4.120世紀(jì)80年代海洋上的油膜分布錢易，2000：(國際環(huán)境與發(fā)展研究所，世界資源，1987)油膜阻礙陽光進(jìn)入海水，一方面影響海洋植物的光合作用，減少產(chǎn)氧量；另一方面，影響大氣中的氧向水中擴(kuò)散。海洋植物生長受阻，進(jìn)而影響整個海洋生態(tài)系統(tǒng)。石油是碳鏈長短不同的碳?xì)浠衔锏幕旌衔?。它們對水生動物都有明顯的破壞作用。低分子烷烴有麻醉和麻痹作用，濃度高時則引起細(xì)胞損傷和死亡；高分子烷烴干擾魚類用作覓食、回游、繁殖等活動的化學(xué)信息系統(tǒng)，從而破壞生態(tài)平衡。低分子芳香烴劇毒，高分子芳香烴是長效毒劑，含有苯并芘等致癌物質(zhì)，因而具有長期危險性。毒物可通過食物鏈危害人類的健康。近海水域高濃度含油，造成沿海水生生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞。在水域污染的惡劣條件下，大批魚類、鳥類、其它海洋生物受害、生病、中毒、死亡。許多物種數(shù)目銳減，一些珍稀物種趨于滅絕。高濃度石油對近海水域生態(tài)系統(tǒng)的破壞雖然是局部的，但低濃度、長時間對整個海洋的危害也已日漸顯露。石油污染也危及內(nèi)陸水域的魚類。例如，鮭魚借助河水的特殊味道，溯流而上，找到固定地點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)卵。在其回游路徑上排放碳?xì)浠衔铮銜蓴_它們的判斷，使其無法找到它們的家，產(chǎn)卵繁殖。石油污染使海灘濁臭難聞，海濱風(fēng)光不在，海濱浴場令人避之不及。石油工業(yè)對海岸土地的占用也值得重視。沿海地帶對于海灘、海灣、潮間帶的生態(tài)平衡及海洋食物鏈的作用非常重要。近海石油開采，必須使用沿海土地鋪設(shè)管道，建立貯油罐和其他設(shè)施；如果進(jìn)口石油則需要建立碼頭及貯油罐等相應(yīng)設(shè)施。海上采油和進(jìn)口石油都不可避免地要在沿海建起煉油廠。這就使沿海地帶生態(tài)系統(tǒng)遭受毀滅性的破壞，同時殃及近海水域生態(tài)環(huán)境。對付海上石油泄漏的辦法，重在防止事故的發(fā)生。對于陸地上的廢油，最好是將其收集起來再加煉制。這不僅利于環(huán)境，又利于節(jié)油。石油污染也危及內(nèi)陸水域的魚類。例如，鮭魚借助河水的特殊味道，溯流而上，找到固定地點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)卵。在其回游路徑上排放碳?xì)浠衔铮銜蓴_它們的判斷，使其無法找到它們的家，產(chǎn)卵繁殖。石油污染使海灘濁臭難聞，海濱風(fēng)光不在，海濱浴場令人避之不及。石油工業(yè)對海岸土地的占用也值得重視。沿海地帶對于海灘、海灣、潮間帶的生態(tài)平衡及海洋食物鏈的作用非常重要。近海石油開采，必須使用沿海土地鋪設(shè)管道，建立貯油罐和其他設(shè)施；如果進(jìn)口石油則需要建立碼頭及貯油罐等相應(yīng)設(shè)施。海上采油和進(jìn)口石油都不可避免地要在沿海建起煉油廠。這就使沿海地帶生態(tài)系統(tǒng)遭受毀滅性的破壞，同時殃及近海水域生態(tài)環(huán)境。對付海上石油泄漏的辦法，重在防止事故的發(fā)生。對于陸地上的廢油，最好是將其收集起來再加煉制。這不僅利于環(huán)境，又利于節(jié)油。4.3鈾生產(chǎn)的環(huán)境污染核工業(yè)產(chǎn)生的環(huán)境污染主要來自兩個階段：核燃料生產(chǎn)和輻照后燃料的處理。由于人類無論何時何地都處在射線的照射之中，通常核燃料生產(chǎn)過程的放射性污染較輕，一般不構(gòu)成嚴(yán)重危害。但它畢竟對人體有害，故仍須予以充分注意。目前核能利用的主要形式是核裂變。核燃料的基本原料是鈾。鈾的生產(chǎn)過程包括：地質(zhì)勘探，鈾礦開采、選礦，水冶加工，最后精制得到濃縮鈾。在核燃料生產(chǎn)中，鈾礦山和鈾水冶廠是主要污染源。從這里排除的廢物，雖然放射性水平低，但排放量大，分布廣。鈾礦山產(chǎn)生的放射性廢物有廢水、廢氣、固體廢物。鈾礦山廢水不僅含有氡、鈾及其衰變子體，而且有其他共生的有害化學(xué)物質(zhì)。廢水包括：通過礦脈裂縫的地下水滲入礦井形成的礦坑水；濕法鑿石、除塵、降溫等作業(yè)產(chǎn)生的廢水；流經(jīng)礦石堆、廢石堆、尾礦堆的雨水等。鈾礦山的固體廢物具有低水平的放射性，其固體廢物量非常大。主要是廢石，包括地下開采挖掘的巖石、圈巖，露天開采的覆蓋巖層和表外礦石，以及預(yù)選淘汰礦石，還有預(yù)處理產(chǎn)生的礦渣和尾礦。鈾礦區(qū)空中含有放射性氣體氡及其衰變子體、放射性粉塵，主要來自礦井通風(fēng)排氣。在掘進(jìn)、破碎、裝運(yùn)等作業(yè)中產(chǎn)生氡和粉塵，隨廢氣排出。此外，礦巖面、礦石堆、廢石堆、礦坑水都不斷地析出氡氣。水冶廠的廢物性質(zhì)隨礦石成分、水冶流程、使用的化學(xué)藥劑不同而變化，對環(huán)境的影響程度也隨之不同。水冶廠的液體廢物主要有貧鈾溶液、萃余液及部分沉淀母液。其中放射性物質(zhì)最危險的是鐳226。廢水中還含有其他化學(xué)物質(zhì)，例如，硫酸根、硝酸根、有機(jī)溶劑等。酸性廢水排入河流造成的危害往往比放射性物質(zhì)更嚴(yán)重。另外的廢水來自車間、實驗室、洗衣淋浴排出水等，不過這類廢水毒性很小。水冶廠排出的廢氣放射性水平很低，一般不致引起環(huán)境放射性污染。但其中浸出流程產(chǎn)生的氮氧化物、硫酸霧往往凈化不力而污染環(huán)境。水冶廠的固體廢物主要是提取鈾后的尾礦，還有污染的設(shè)備、物品等。尾礦數(shù)量大致與原礦石相等。雖然其中殘留鈾不及原礦含量的10%，但卻保留了原礦石總放射性的70~80%，因為除氡氣及短壽命子體在加工過程中釋放，鈾系子體的絕大部分還殘留在尾礦內(nèi)，如鐳，仍殘留95%以上。核燃料生產(chǎn)中對環(huán)境的污染，主要是廢水排入河流造成水體污染，危害水生生物和相關(guān)居民。在美國科羅拉多河上游流域的某些河段，發(fā)生過污染事件。那里鈾礦石加工廠密集。水冶廠廢水排放口下游附近，鐳含量超過了飲水容許標(biāo)準(zhǔn)，魚類和其他水生生物幾乎絕跡。因喝水灌溉農(nóng)田又導(dǎo)致土壤及農(nóng)產(chǎn)品污染。例如，污染地區(qū)的紫花苜蓿含鐳，使得吃此牧草的牛所產(chǎn)牛奶中含高濃度的鐳。鈾生產(chǎn)過程的固體廢物往往造成一定程度的污染。廢石、尾礦受雨水沖蝕，或流入河道，污染河水；或流失于周圍土地，污染土壤、水源。美國科羅拉多州大章興鎮(zhèn)曾經(jīng)將尾礦砂用作建筑填充材料，結(jié)果造成了廣泛污染。鈾礦山和水冶廠排出的廢氣，經(jīng)過凈化、大氣稀釋，一般不會引起嚴(yán)重污染。通常，對鈾礦山廢水，用鋇鹽除鐳或用其他方法凈化，然后排放。對礦渣采取堆積棄置或回填礦井的方法。水冶廠的廢水貯存于尾礦坑中，澄清后一部分重復(fù)使用，大部分自然蒸發(fā)，或滲入地下，或排入河川。對尾礦砂，有的回填礦井，有的用各種方法穩(wěn)定，例如尾礦砂堆表面噴涂化學(xué)藥劑，或用混凝土覆蓋等等?？傊?，核燃料生產(chǎn)過程中的污染排放，如果有了合理的預(yù)防措施，不會有太大危害。放射污染的危害性隨著鈾的濃縮而升高。因此核放射污染的主要危險是反應(yīng)堆事故和燃料的后處理。4.4建造水電站對環(huán)境的影響由于水利發(fā)電的一系列優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外都將優(yōu)先開發(fā)水電列入能源開發(fā)戰(zhàn)略。但是事物總是具有正反兩個方面。在水能開發(fā)初始階段，不可避免地對環(huán)境造成破壞。水電工程要建筑大壩，攔蓄河水，以得到垂直落差。于是大片河谷流域成為水庫，森林、土地、村莊被淹沒，自然風(fēng)景被破壞，流域生態(tài)系統(tǒng)受影響。因而，建造大型水電站帶來的環(huán)境問題，必須預(yù)先周密考慮，采取合理措施，把危害降低到最小程度。（1）破壞自然景觀要有盡可能高的落差，就要選擇怒濤奔瀉的河段；要使水壩盡量縮短，就要選擇最窄的峽谷。于是，由于大壩攔河蓄水，“高峽出平湖”，昔日波濤洶涌的河流，變成了平靜的流水；曾經(jīng)風(fēng)光綺麗的峽谷，也會消失或褪色。大壩將水位大幅度提高，使壩前區(qū)域大面積永久淹沒。有的淹沒了大片郁郁蔥蔥的森林、自然荒野，有的淹沒了千頃良田、村莊城鎮(zhèn)、名勝古跡。建造水庫使一些自然風(fēng)景永遠(yuǎn)消失，造成不可挽回的損失。（2）破壞生態(tài)環(huán)境在水電站工程影響區(qū)，大片植被遭到破壞。尤其在水庫淹沒區(qū)，原來的綠色植物不復(fù)存在；原來棲息于這片山林、荒野、農(nóng)田的野生動物被迫遷徙。有的動植物種類因之滅絕。對于這里的動植物無疑是一場災(zāi)難。庫區(qū)的自然生態(tài)平衡被破壞，動植物群落需要重新組合，形成新的生態(tài)平衡。水庫改變了河流狀況，破壞了流域生態(tài)系統(tǒng)。大壩截斷了某些魚類的回游路徑，水庫淹沒了一些魚類的產(chǎn)卵和棲息地。例如，美國西北部的哥倫比亞河修建了一座座水壩，嚴(yán)重破壞了鮭魚的回游產(chǎn)卵習(xí)性。河上的大古力水壩使大鱗大馬哈魚回游棲息地和產(chǎn)卵地減少了70%。水庫泥沙沉積，食物組成改變，對魚類生存不利。水庫中的水從溢洪道沖下時會溶解過量的氮?dú)?，壩后河水中有過飽和的氮，能引起魚類患彎體病而死亡。（3）移民將要淹沒的庫區(qū)的城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村居民，需要搬遷、安置。人與自然界其他生物一樣，也處于一定的生態(tài)環(huán)境之中。遷徙也使他們打破原有的平衡，建立新的生態(tài)平衡系統(tǒng)。不但自然生態(tài)環(huán)境改變，而且社會環(huán)境也有所改變。與其他生物經(jīng)受的變化相比，遷移人口的問題更復(fù)雜，對這些居民的生活影響更明顯。大型水電工程往往要動遷大量人口。例如，我國50年代的黃河三門峽水電站工程，遷移人口30萬；目前興建的長江三峽工程，將移民120萬以上。（4）泥沙沉積河水夾帶泥沙，流入水庫靜水區(qū)，由于流速減小，水流挾沙能力降低、泥沙逐漸沉積下來。天長日久，降低水庫容水量；水壩下游也相應(yīng)受到影響。泥沙沉積是影響水庫功能最嚴(yán)重的問題。黃河三門峽水電站興建前，對泥沙沉積估計不足，結(jié)果建成后被迫數(shù)次修整。盡管如此，發(fā)電量也只有原設(shè)計的10%。美國得克薩斯州的奧斯汀湖，曾在13年間，泥沙淤積使庫容量減少45%。埃及阿斯旺水庫每年淤泥量達(dá)1.1億噸。美國、印度、塞浦路斯等國的130座水庫調(diào)查表明，每年淤積的庫容量為2%~14.3%。水庫沉積淤泥對水壩下游有下列影響：一是有的河流下游泛濫平原靠淤泥來得到肥沃土壤，減少淤泥會影響種植。二是水壩下游河流侵蝕河岸和淤泥沿岸沉積的平衡被打破，加劇河岸侵蝕，并威脅橋梁地基。三是可以引起入?？谒虻纳鷳B(tài)變化，例如阿斯旺高壩建成，毀掉了尼羅河口地中海沿岸的沙丁魚加工工業(yè)，因為含有豐富營養(yǎng)物質(zhì)的淤泥不能進(jìn)入地中海，引起食物鏈的低營養(yǎng)級生物大量死亡，致使該區(qū)域沙丁魚捕獲