能源利用对环境的影响-《环境学导论》

在生态学一章中已提到，在人口稀少的远古时代，并不存在什么环境问题，因为人类活动的耗能作用只局限于食用和利用现成的动植物有机体。后来，人类使用各种能源的数量逐渐增大，便给人类的环境带来种种影响，引起森林、土地的破坏和大气、水的污染等等，甚至破坏环境的生态平衡。造成这种环境污染和破坏的原因很多；下面着重讨论各种能源在开发、加工、运输和利用过程中对环境的影响。

1. 化石燃料的影响

由于化石燃料（煤、石油、天然气等）是目前世界上使用的主要能源，其开采、运输、加工和燃烧耗用等方面的数量都很大，从而对环境的影响也最引人关注。

（1） 开采过程的环境影响

最典型的是采煤过程的环境影响。它包括两方面内容，即开采工人的事故与职业性伤亡以及地面或地面生态系统的破坏。前者以井下采煤最严重，后者则以露天采矿最为明显。

此外，煤矿废水的影响也不能忽视。如美国阿巴拉契亚地区一万七千公里河流的水质，有一万公里被井下和露天的酸性矿坑水所污染，使水生物减少甚至消灭。

表7—6 采煤过程的环境影响（以开采100万吨煤计）

表6—7 列出每开采100万吨煤所造成的伤亡人数和地面破坏情况以及排出矿坑废水的数量。

原油开采过程的井喷对环境的影响亦不能轻视。井喷会造成原油损失；在大陆架上的油井井喷还会破坏大片海洋的生态平衡，并引起工人的伤亡事故。

（2）运输过程的环境影响

煤炭运输过程不仅需要消耗大量的能源，而且在堆存和装卸中还会扬尘和浸水而造成煤的损失和大气与水体的污染，甚至增加环境的噪音。但比较起来，目前石油的运输对环境的影响更为严重。特别是近二十年来，油船吨位和世界石油海运量激增；1954年，最大的服役油船是三万吨，今天已是五十万吨级的油船了。1960年，世界石油的海运总量为4.49亿吨，而1977年就达到17亿吨，增加约三倍。

随着石油海运量的增加，因油船事故和油船外排洗舱水而进入海洋的石油量已显著增加。1970—1978年的九年中，因油船事故在海洋上的跑油量达107万吨。有关这方面的情况，将在“海洋污染”一章中详加介绍。

（3）加工过程中的环境影响

煤和石油在加工过程中都会对环境产生不良的影响。

煤除了在洗选中排出大量洗煤水和干燥时产生灰尘、NOx和SOx外，特别是它的气化和液化过程还会排出大量污染物，更应该予以重视（见表6—8）。

表6—8 煤的液化、气化需要的资源和三废排放估计量

*：处理量与100万干瓦电站一年的耗煤量相同

石油加工过程或炼油厂运转过程中排放的三废更多，其中污染物数量甚至比煤气化和液化时排放的多十倍以上（见表6—9）。

此外，煤油厂的原油或精制油产品储库，也可能发生跑油事故。1974年日本一油罐发生八米长的裂缝，结果有五万桶油流入濑户内海，使恢复海区的清理工作，花费近116亿美元。

（4）利用过程中的环境污染

目前除极少数化石能源用作化工原料外，基本上都用作燃料；其中石油制品主要用于交通运输，煤炭主要用于发电。美国1980年用于发电的煤炭，占其总耗量的77％。可以说，化石能源在利用过程中的环境影响，主要是由燃烧时的各种气、固废物和发电时的余热所造成的污染；因此，汽车和锅炉也就成为城市的两大污染源。

表6—9 炼油厂排放的污染物（吨/年）*

* 处理量与100万千瓦电站一年的耗油量相同

① 温室效应

化石能源燃烧的基本反应是：

C＋O2→CO 2＋热 　（6—2）

即燃料中的碳转变成二氧化碳进入大气，同时产生热能供人们使用。根据对北极冰层的化验，在一百多年工业革命以前，地球大气中二氧化碳的浓度约为260—280ppm，与海洋和绿色植物两大二氧化碳储库形成了平衡。而近百年来，由于生产和生活上燃料耗用量的激增和森林的大量破坏，使大气中二氧化碳的浓度以每年0.7—0.8ppm的速度递增，现在约为320—330ppn。有的学者认为，大气中二氧化碳浓度的增加，有利于光合作用，能增加农作物的收成，从而对人类有利。而多数环境学家则持相反意见，认为大气中二氧化碳浓度的增加，会导致温室效应，改变地球的气候，而危害生态系统。

什么是温室效应（Greenhousl effect）？实验测定，二氧化碳容易吸收波长小于380毫微米（nm），特别是660—8000毫微米及大于13000毫微米的光线，也就是紫外、近红外和远红外的光线（见图6—3）。到达地面的太阳光能量中，99％的可见光将地面物体晒热，这些物体便不断地以长波（红外）辐射形式，将热量散发返回空间，维持地球的热平衡和平均气温。但是，大气中二氧化碳浓度的增加，有利于大气层更多地吸收红外辐射，并将它反射回到地面，从而干扰地球的热平衡并使平均气温升高。换句话说，这种现象具有和玻璃暖房相似的作用，所以称为温室效应。

图6—3 CO2气体易于吸收的辐射波段

地球平均气温只要升高几度，就可能使占地球淡水95％的两极冰帽融化10％左右，并使海水上涨6—7米。结果，一方面要淹没许多沿海地区；一方面因地球赤道半径增大，使地球自转一周的时间增加约0.03秒，从而引起地球动力学效应的变化。例如，地球自转速度减慢时，可能产生一个自西向东的惯性力，破坏地层结构各板块之间力的平衡，容易使某些地区积存应力，从而加剧某些地震和火山活动。我国华北地区的几次大地震，几乎都发生在地球自转减慢的时期。由上面讨论可见，因大量燃烧而使大气中二氧化碳浓度增加，是一个全球性的环境问题。

② 热污染

一般火电站借助于燃烧化石燃料得到热量，产生高温高压蒸汽，推动发电机组以获得电能。但是，根据热力学第二定律，必须工作在两个热源间的任何热机都不可能使燃料中的全部潜能完全转变为有用功，其最大效率ε最大可由下式计算：

式中：Tc——低温热源（即冷源）温度

Th——高温热源温度

显然，该效率随Th的上升和Tc的下降而增大。但是，升高热源温度，要受到材料耐热性能的限制；而降低冷源温度，又受到环境的制约。因此，既不可能把热源的温度提得很高，也不可能把冷源的温度降得很低。这样，火电站的效率就不能很高。再加上能量在转换和传递过程中的损耗，目前运转的各类火电站中热能利用的平均效率约为33％。就是说，燃料潜能的三分之二没有被利用，而成为“余热”排放掉。如果作为热水，供工厂或居民使用，或供暖房生产和育种等，就可以降低这部分能源的消耗。可是，目前许多火电站，都通过冷却水把“余热”排入河流、湖泊或海洋中。这样做，在特定的季节和地区，可能会延长捕捞期限和增加捕捞量，延长水上运输季节，发展温、热水养殖业。但人们一般认为，由火电站排入环境的“余热”，在多数情况下会引起热污染。这种废热水进入水域时，其温度比水域的温度平均要高出7—8℃，因此，水中鱼类会因升温或火电站事故时突然降温而死亡。此外，由于水源周围水气候的温度升高，栖息在该地区的昆虫将提前苏醒，而远离该地区的本应先行苏醒的昆虫，却仍处于冬眠状态。昆虫苏醒次序的这种更迭，会造成有关生态系统中食物链的中断，破坏生态平衡，使提前苏醒的昆虫大批死亡，甚至灭绝，这是一般热污染所共有的对环境的不良影响。

解决热污染的措施，最好采用冷却池和冷却塔，使一次用水经空气或自然蒸发冷却后返回使用，同时补充一些新水。这样，热量随蒸发进入大气，可免对水源的热污染。

采用冷却池，费用较低，但占地面积大。一个100万千瓦的火电站需要6000—12000亩的水面。

冷却塔有湿式和干式两种；由于运转费较低，通常多采用自然通风的湿式冷却塔。图6—4为这种冷却塔的简图。

图6—4 湿式冷却塔简图

③ 其它污染物及酸雨

火电站除对环境造成上述影响外，还向环境排放大量颗粒灰尘、硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、烃类和其它有机化合物等空气污染物，含有悬浮固体、硫酸、氯化物、磷酸盐、硼化物、铬酸盐和有机物等的废水，以及炉渣等固体废物。表6—10列出100万千瓦的火电站中耗用煤、石油、天然气三种化石燃料的三废排放量。显然，天然气是最洁净的一种化石能源。

表6—10 100万千瓦火电站的三废排放量（吨/年）

*：电站燃煤300万吨；煤含硫2％；热效率38％；飞灰脱除效率99％；无烟气脱硫措施。

**：电站用200万吨残渣油（含1％硫、0.5％灰分）热效率38％；飞灰回收率99％。

***：电站用22亿米³天然气，热值为3.5万英热值单位/米³；热效率38％。

****：包括底灰。

化石燃料（天然气除外）燃烧时排出的气体废物中，以硫氧化物数量最大。1980年，仅美国就排出2600万吨二氧化硫；整个北半球每年排放二氧化硫达1.45亿吨。这些污染物对环境危害极大。关于电站排出的各类污染物对环境的影响及治理措施，将分别在“空气污染与防治”、 “水污染与防治”以及“城市固体废物”等章节中讨论。这里着重介绍硫氧化物引起的酸雨问题。(www.xing528.com)

雨水的pH值小于5.6的都称为酸雨。它最早于本世纪三、四十年代在瑞典和挪威发现；后来经证实，造成该地区酸雨的根源是一千公里以外的英国。因为在五十年代以前，英国能源结构中，煤占90％。燃煤烟气排入高空后，因风北移并形成酸雨。酸雨是当前一个引入注意的全球性环境问题。

酸雨是由二氧化硫、氮氧化物和氯化物等空气污染物，在一定条件下通过化学反应而生成硫酸、硝酸和盐酸，并附在水滴、雪花、微粒物上，随降水落下。据估计，美国东北部的酸雨，其酸度65％是硫酸、30％是硝酸，5％是盐酸。

酸雨对环境和人类的危害是多方面的：

ⅰ改变土壤的酸碱性，危害作物或森林生态系统。西德有22500亩常青树森林是由于酸雨而死亡的。

ⅱ 改变湖泊、水库的酸碱性，不利于鱼类或其它水生生物的生存。瑞典九万多个湖泊中，有两万个受到酸雨的危害，其中四千个湖泊中的鱼类已经绝迹。

ⅲ 使某些湖泊底泥中铝的溶解量增加，从而影响鱼类的生存。

ⅳ 对钢铁构件和建筑物有极大的腐蚀作用，特别是危害各种大理石雕刻的历史文物。例如渥太华的加拿大议会大厦，因酸雨而变黑；我国故宫的汉白玉，有的也为酸雨所侵蚀。

ⅴ 空气中酸度提高会造成雾量的增加，以致改变地区的气候。此外，酸雨渗过土壤时还能将重金属带入蓄水层，使地下水污染，从而危及人类健康。

以化石燃料作为主要能源，看来在最近几十年内不会有根本的改变；而且大气污染的范围又不受国界所约束。因此，为了扭转酸雨公害的局面，有大量的管理、研究和治理工作要求我们去做。一方面，要求有关国家各自行动起来采取必要措施；另一方面，必须进行国际间的协作。例如在1979年，欧洲和北美三十五个国家签订了《长程越界空气污染公约》。但由于控制技术花费昂贵，执行的效果不够理想，今后尚有待于努力。因此，酸雨问题的确是最近将来极棘手的全球性环境问题之一。

我国的上海和使用高硫煤的西南地区，目前已经发现酸雨。酸雨的pH值已到3以上，并已经引起政府的高度重视，努力研究采取解决的措施。

2. 核电站与环境

据1980年统计，世界上已有二十九个国家和地区，拥有运行中的发电反应堆244座，正在建设的233座。核能在全世界能源中所占的比重，目前是8％，预计到2000年将达到10％；2020年达到31％（表6—11）。

表6—11 核能在世界能源中所占的比重（％）

核动力就是利用铀﹣235（或钚—239）的核，在中子轰击下发生裂变，同时释放出核能，将水加热成蒸汽，驱动汽轮机——发电机组，发出电来作为动力，所以进行核裂变反应的反应堆，就是核电站的“锅炉”。

由于核动力的燃料是核燃料（铀或钚），不是煤或石油，所以其优点是：无空气污染，无漏油问题，无露天矿坑，无酸性矿坑水等。它唯一的缺点是存在放射性污染，特别是为了保证安全要求由反应堆产生的放射性废物要与环境隔离不让它进入生态系统。问题是作为核动力的心脏——反应堆，在正常运转时它所具有的低水平辐照（又称慢性辐照）对人有多大的影响，它所产生的放射性废物的剂量多大，数量多少，如何处置等等，以及反应堆运转失常时的危害如何和怎样才能做到安全运转，避免发生事故，并保证环境不受损害。所有这些，都关系到核裂变是否可以获得充分利用的问题。下面就慢性辐照、放射性废物和反应堆安全分别作简单说明。

（1）慢性辐照的影响问题

生物圈总是在不断地受到低水平电离辐射的照射。这类辐射大多数是天然的，但也有一部分是由人类活动引起的。表6—12列出人体受到各种辐射的剂量。

表6—12 各种辐射的剂量

由表可见，核电站对周围居民的辐射剂量、只相当于天然辐射剂量的1/5～1/6；比一次胸胃X光透视所受剂量少11倍；而每天看1小时电视，半年时间所受到的剂量就超过核电站一年内的辐射剂量。因此，核电站对人的体外慢性辐射影响，在反应堆的密度还不很大的时候，可以暂时不作考虑。但是，由反应堆和核工业前处理和后处理车间中释放的少量放射性，通过水或空气特别是食物链的富集效应，如碘﹣131在甲状腺中、锶﹣90在肾中、铯﹣137在肌肉中的富集，会造成人体内的慢性辐射。这是发展核工业时必须重视的问题，尤其是要慎重处置由反应堆排出的各种放射性污染物。

（2）放射性废物的环境问题。

由于需要换装燃料和清除放射性废物，反应堆大约每年须停车一次。因此，反应堆除经常释放出少量放射性外，还定期排放出大量放射性。前者是堆运转时，渗入冷却剂回路的某些放射性（包括裂变产物与活化产物），经净化控制到一定指标后，外排入环境中的。它们主要是3H（氚）、58Co、60Co、35Kr、87Sr、90Sr、131I、131Xe、133Xe、134Cs、137Cs、140Ba。氚半衰期12.3年、氪半衰期为9年，它们都能在环境中积累。这些就是可能造成体内慢性辐照的反应堆排出物。但好在它们都是属于低效的，所以影响不大。

反应堆定期排出的大量放射性，主要来自两方面；裂变碎片产物（fission products）和反应堆中的其它材料受堆芯强中子场作用产生的中子活化产物（Neutron activation products）。在换装燃料时，从反应堆取出的、具有强放射性的高放废燃料组件，在堆址暂存四个月，让大量短寿命的放射性核素衰变掉后，用屏蔽运输罐送去后处理。后处理时，废燃料组件被切碎溶于硝酸中回收未反应的铀，以便重新使用；并从中提取钚，可用于制造核武器（原子弹），其余有的放射性同位素可供应用。但大部分核素仍留在浓缩液或固体中，须送去作最终处置。其中最重要的是锶﹣90（半衰期28.8年）和铯—137（半衰期30年）。开始存放时，这两种放射性核素约占2％，但存放30年后，二者的放射性约占98％。而且锶—90在高放废液中的比放约为100居/升，即使在600年（20个半衰期）后，其比放降低100万倍，变为10﹣4居/升，仍远远超出饮用水的标准（锶—90的比放规定为10﹣9居/升）10万倍，因此，这是须要加倍重视的放射性废物。

随着反应堆的运转，放射性的积累情况又如何呢？据估计，美国2000年放射性废物中积累的β放射性约209×109居里（即2090亿居里），而饮用水的标准为10﹣9居里/升，因此被污染的水可达2×1014立方米，即全世界淡水（地下水及冰川均在内）的2倍，或等于全部水圈所有水量的1/8。这就告诉我们，严重的问题在于这些放射性废物该贮存于何处，以致千百年中亦不会进入人类的生活环境。

美国七十年代初期，大部分放射性废物均贮存在几个容积为2400立方米的大钢槽中，这里会由于辐射内热而造成沸腾现象，因此需要经常冷却和搅拌。显而易见，这种贮存方法，只是短暂的权宜之计。据悉美国1970年泄漏放射性废液约23万加仑，而1973年又泄漏12万加仑。如果这些废液漏进地下水体，则污染达数百年之久。

由反应堆排出的放射性废物作最终处置时，究竞应贮存于何处，多年来虽有人提出各种建议（将固化好的放射性废物埋于500～2000英尺深的盐床中，利用火箭送到太阳中；或贮存于南极冰帽中）但至今仍未解决。在核动力应用过程中，除了会造成放射性污染外，还有反应堆本身的安全问题，也是不可忽视的。

（3） 反应堆的安全问题

反应堆本身是否安全，是否会象原子弹那样爆炸，放射性物质是否会四处泄漏，危及人类和生态系统的安全，这是核能利用中人们十分关注的另一个重要问题。

我们知道，原子弹用的是浓缩铀（指铀﹣235而言），且组装紧密，没有调控装置；而反应堆用的是低浓铀（铀﹣235只占3％左右），组装琉松，总质量量远未达到核爆炸的临界值，而且有调控装置（吸收中子的控制系统），因此不会产生核爆炸那样的事故。

但是，如果冷却系统失灵，堆蕊温度便不断升高，以至堆蕊自身熔融，造成放射性物质外溢。然而，由于反应堆一般都有厚而密封的外壳所封闭，所以即便发生堆蕊熔融事故，放射性物质也被封在外壳文内，散逸到外界去的机会甚小。例如1979年3月美国三里岛事故，虽然较严重，但污染物全封在房顶壳内，事故周围的居民只受到1.5毫雷姆的作用。

据估计，反应堆发生事故的几率，大约是千分之一，但即便是千分之一，人们还是高度予以重视，研究采用各种措施，以预防事故的发生。因此，反应堆对环境的污染与危害，反比某些工业企业要少得多。

3. 水力发电对环境的影响

前面已提到，水电是一种经济、干净、可再生的能源，不会产生环境的污染问题。但是一般需要建设水库才能获得水电；而到目前为止，没有一座水库的建造不须付出巨大的环境代价。水库建造的过程中与建成之后，对环境的影响，主要有下列四方面：

（1） 自然方面 巨大的水库可能引起地面沉降，地表活动，甚至诱发地震。意大利的法恩特（Vaiont）坝于1963年坍塌，死亡二千多人；在坍塌的前几年中，常常出现小的地震。此外，它还会引起流域水文上的改变，如下游水水位降低而造成土壤盐碱化，或来自上游的泥沙减少，补偿不了海浪对河口一带的冲涮作用，使三角洲受到侵蚀。再就是水库建成后，由于蒸发量大，气候凉爽且较稳定，降雨量减少，使水库地区的小气候大为改观。

（2）地球化学方面这不仅指流入和流出水库的水在颜色和气味等物理化学性质方面发生改变，而且水库中各层水的密度、温度、甚至溶解氧等都有所不同。如巴西的依泰普（Itaipu）水库，因热带植物被淹没腐烂后发出强烈的硫磺臭味，人们到水库附近时不得不带上防毒面具，而且腐烂的杂草、树木滋生某些细菌，并在它们的作用下，湖水中产生了硫酸，严重腐蚀轮船的涡轮桨。

（3）生物方面 这与水库具体的地理位置和季节有关。象依泰普水库建成后，大量的野生动植物被淹没死亡，甚至全部灭绝；而且腐烂的动物植物尸体更耗尽水中的溶解氧，进一步造成水库内鱼类的大量死亡，甚至有另一些生物，又可能应运而大量繁殖，结果破坏了原有的生态平衡。最明显的是，上游原来是陆地生态系统，建立水库后则变成水域生态系统；而下游则正好发生相反的变化。同时，由于上游水域面积的扩大使某些生物（如钉螺）的栖息地点增多，并为一些地区性疾病（如血吸虫病）的蔓延创造了条件。

（4）社会经济方面 修建水库可改善用水的供应和管理，增加农田灌溉，生产电力以及其他工农生产等社会经济利益。但同时亦有其不利之处，如居民搬迁后重新定居，会对社会结构（宗教信仰、生活习惯、农村户口转城镇户口等）产生影响。如果计划不周，社会生产和人民生活安排不当，还会引起一系列社会经济的问题（如埃及修建阿斯旺坝时，十万移民粮食安排不周，结果需世界粮食组织进行救济）。至于古迹文物的淹没与破坏更是文化和经济上的一大损失。以上四方面的影响，彼此之间又相互作用，使情况更为复杂（如图6—5所示）。因此，对利用水电所带来的环境影响决不能等闲视之。

下面再以我国丹江口水利枢纽为例，说明水力发电对环境的影响。

丹江口水利枢纽位于汉水上游，有一个狭长的水库，面积1050平方公里，坝顶高程175米，库容290.5亿立方米。建成后，给我国带来不少利益，但对环境也发生很大影响：

① 河流水温从16.8℃上升到18℃，使河水蒸发量增大。夏季气候凉爽稳定、降雨减少；冬季不稳，雨量增加。结果，改变了水库地区的气候。

② 地震活动增加。据历史记载，从十六世纪到1959年的三百多年中，水库地区周围共发生有感地震43次；但从1969年建立地震监测网以来，在水库周围十公里范围内，测得地震426次。

图6—5 水库的环境影响

③ 河流水质改变。除增加有毒物质镉、汞、砷和氰化物外，营养物质增加更多。例如建库前坝上地区河水中硝酸盐浓度只有0.44毫克/升，在建库后增到90毫克/升，增加二百多倍。

④ 为了建库需迁移人口38万，同时重建城镇三座；而且春秋战国和汉唐古墓多淹没在地下，在社会经济方面造成不少损失。

由此可见，为了把水力利用中的环境问题降到最低限度，应尽量建造中小型水电站。

综上所述，看来能源问题主要有两方面的含义：一是能源在近期或长期中满足对人类需求的供应；一是能源在开发利用过程中对环境的污染或危害。本章集中介绍了常规能源的供应和对环境的影响问题，说明要解决能源问题，除采取各种有力措施消除化石能源的环境危害以外，更应按照自然规律，寻找解决能源供应和避免环境污染的新途径。