Environmental effects of thermal and radioactive discharges from nuclear power plants in the boreal brackish-water conditions of the northern Baltic Sea

Abstract

During recent decades, thermal and radioactive discharges from nuclear power plants into the aquatic environment have become the subject of lively debate as an ecological concern. The target of this thesis was to summarize the large quantity of results obtained in extensive monitoring programmes and studies carried out in recipient sea areas off the Finnish nuclear power plants at Loviisa and Olkiluoto during more than four decades. The Loviisa NPP is located on the coast of the Gulf of Finland and Olkiluoto NPP on that of the Bothnian Sea. The state of the Gulf of Finland is clearly more eutrophic; the nutrient concentrations in the surface water are about 1½–2 times higher at Loviisa than at Olkiluoto, and the total phosphorus concentrations still increased in both areas (even doubled at Loviisa) between the early 1970s and 2000. Thus, it is a challenge to distinguish the local effects of thermal discharges from the general eutrophication process of the Gulf of Finland. The salinity is generally low in the brackish-water conditions of the northern Baltic Sea, being however about 1‰ higher at Olkiluoto than at Loviisa (the salinity of surface water varying at the latter from near to 0‰ in early spring to 4–6‰ in late autumn). Thus, many marine and fresh-water organisms live in the Loviisa area close to their limit of existence, which makes the biota sensitive to any additional stress. The characteristics of the discharge areas of the two sites differ from each other in many respects: the discharge area at Loviisa is a semi-enclosed bay in the inner archipelago, where the exchange of water is limited, while the discharge area at Olkiluoto is more open, and the exchange of water with the open Bothnian Sea is more effective.

The effects of the cooling water discharged from the power plants on the temperatures in the sea were most obvious in winter. The formation of a permanent ice cover in the discharge areas has been delayed in early winter, and the break-up of the ice occurs earlier in spring. The prolonging of the growing season and the disturbance of the overwintering time, in conditions where the biota has adjusted to a distinct rest period in winter, have been the most significant biological effects of the thermal pollution.

The soft-bottom macrofauna at Loviisa has deteriorated to the point of almost total extinction at many sampling stations during the past 40 years. A similar decline has been reported for the whole eastern Gulf of Finland. However, the local eutrophication process seems to have contributed into the decline of the zoobenthos in the discharge area at Loviisa. Thermal discharges have increased the production of organic matter, which again has led to more organic bottom deposits. These have in turn increased the tendency of the isolated deeps to a depletion of oxygen, and this has further caused strong remobilization of phosphorus from the bottom sediments. Phytoplankton primary production and primary production capacity doubled in the whole area between the late 1960s and the late 1990s, but started to decrease a little at the beginning of this century. The focus of the production shifted from spring to mid- and late summer. The general rise in the level of primary production was mainly due to the increase in nutrient concentrations over the whole Gulf of Finland, but the thermal discharge contributed to a stronger increase of production in the discharge area compared to that in the intake area. The eutrophication of littoral vegetation in the discharge area has been the most obvious, unambiguous and significant biological effect of the heated water. Myriophyllum spicatum, Potamogeton perfoliatus and Potamogeton pectinatus, and vigorous growths of numerous filamentous algae as their epiphytes have strongly increased in the vicinity of the cooling water outlet, where they have formed dense populations in the littoral zone in late summer. However, the strongest increase of phytobenthos has extended only to a distance of about 1 km from the outlet, i.e., the changes in vegetation have been largest in those areas that remain ice-free in winter. Similar trends were also discernible at Olkiluoto, but to a clearly smaller extent, which was due to the definitely weaker level of background eutrophy and nutrient concentrations in the Bothnian Sea, and the differing local hydrographical and biological factors prevailing in the Olkiluoto area. The level of primary production has also increased at Olkiluoto, but has remained at a clearly lower level than at Loviisa. In spite of the analogous changes observed in the macrozoobenthos, the benthic fauna has remained strong and diversified in the Olkiluoto area.

Small amounts of local discharge nuclides were regularly detected in environmental samples taken from the discharge areas: tritium in seawater samples, and activation products, such as 60Co, 58Co, 54Mn, 110mAg, 51Cr, in suspended particulate matter, bottom sediments and in several indicator organisms (e.g., periphyton and Fucus vesiculosus) that effectively accumulate radioactive substances from the medium. The tritium discharges and the consequent detection frequency and concentrations of tritium in seawater were higher at Loviisa, but the concentrations of the activation products were higher at Olkiluoto, where traces of local discharge nuclides were also observed over a clearly wider area, due to the better exchange of water than at Loviisa, where local discharge nuclides were only detected outside Hästholmsfjärden Bay quite rarely and in smaller amounts. At the farthest, an insignificant trace amount (0.2 Bq kg-1 d.w.) of 60Co originating from Olkiluoto was detected in Fucus at a distance of 137 km from the power plant. Discharge nuclides from the local nuclear power plants were almost exclusively detected at the lower trophic levels of the ecosystems. Traces of local discharge nuclides were very seldom detected in fish, and even then only in very low quantities. As a consequence of the reduced discharges, the concentrations of local discharge nuclides in the environment have decreased noticeably in recent years at both Loviisa and Olkiluoto. Although the concentrations in environmental samples, and above all, the discharge data, are presented as seemingly large numbers, the radiation doses caused by them to the population and to the biota are very low, practically insignificant. The effects of the thermal discharges have been more significant, at least to the wildlife in the discharge areas of the cooling water, although the area of impact has been relatively small. The results show that the nutrient level and the exchange of water in the discharge area of a nuclear power plant are of crucial importance.

Ydinvoimalaitosten radioaktiivisten aineiden ja lämminvesipäästöjen ympäristövaikutukset ovat viime vuosikymmeninä nousseet vilkkaan keskustelun kohteeksi ekologisena huolenaiheena. Tämän tutkimuksen päämääränä oli laatia laaja yhteenveto Loviisan ja Olkiluodon voimalaitosten meriympäristöissä yli 40 vuoden aikana suoritettujen vesibiologisten ja radioekologisten tutkimusten tuloksista. Lämpötilan nousu lisää ympäristöstä eliöille aiheutuvaa stressiä erityisesti pohjoiselle Itämerelle tyypillisissä olosuhteissa, missä eliöstö on niukkaa ja sopeutunutta suhteellisen alhaisiin lämpötiloihin; kylmään talveen ja lauhkeaan kesään. Lisäksi monet lajit elävät pohjoisen Itämeren vähäsuolaisissa olosuhteissa fysiologisen sietokykynsä rajoilla. Toisaalta alhainen suolapitoisuus lisää eräiden radionuklidien kertymistä eliöihin valtameriolosuhteisiin verrattuna. Suomen ydinvoimalaitoksia ympäröivät merialueet eroavat olennaisesti toisistaan vedenvaihdon tehokkuuden, veden ravinnepitoisuuksien ja useiden muiden vedenlaatuparametrien, sekä veden suolapitoisuuden, ja siihen liittyen eliöstön lajikoostumuksen, runsauden ja elinvoimaisuuden puolesta. Tutkimuksessa vertaillaan voimalaitosten ympäristövaikutuksia ja arvioidaan niiden merkitystä.

Jäähdytysveden vaikutukset meriveden lämpötiloihin olivat näkyvimmät talvella, jolloin olosuhteet myös selkeimmin poikkesivat luonnontilaisista. Lämminvesipäästöt ovat vaikuttaneet merkittävästi jääolosuhteisiin voimalaitosten lähialueilla, jolloin kasvukausi on pidentynyt molemmista päistään. Biologisesta näkökulmasta kasvukauden piteneminen ja talvehtimisajan häiriintyminen olosuhteissa, missä eliöstö on tottunut selvään lepovaiheeseen talvella, ovat olleet merkittävimmät lämpökuormituksen ympäristövaikutukset.

Vesistötarkkailun tulokset osoittivat rehevöitymisen olevan Loviisan alueella selvästi korkeammalla tasolla kuin Olkiluodossa, mikä johtuu koko Suomenlahden tilasta. Tämä vaikeuttaa myös lämpimän veden paikallisten vaikutusten erottamista Suomenlahden yleisestä rehevöitymiskehityksestä. Pohjaeläimistö on taantunut voimakkaasti useimmissa Loviisan alueen havaintopaikoissa viimeisten 40 vuoden aikana. Samanlaisesta pohjaeläinyhteisöjen heikkenemisestä on raportoitu koko itäisen Suomenlahden alueelta. Paikallinen rehevöitymiskehitys näyttää kuitenkin edistäneen Hästholmsfjärdenin pohjaeläimistön taantumista Loviisassa. Lämminvesipäästöt ovat lisänneet orgaanisen aineksen tuotantoa, mikä on edelleen johtanut orgaanisen aineksen lisääntymiseen pohjasedimenteissä. Hajotettavan orgaanisen aineksen lisäys on edelleen lisännyt syvänteiden pohjanläheisen veden altistumista happikadoille, mikä on aiheuttanut etenkin fosforin voimakasta remobilisointia pohjasedimenteistä alusveteen. Kasviplanktonin perustuotanto ja perustuotantokyky kaksinkertaistuivat koko alueella 1960-luvun lopun ja 1990-luvun lopun välisenä aikana, mutta kääntyivät jonkin verran laskuun tämän vuosikymmenen alussa. Samalla tuotannon painopiste siirtyi keväästä keski- ja loppukesään. Perustuotantotason yleinen kasvu johtui ensisijaisesti ravinnepitoisuuksien kasvusta koko Suomenlahdessa, mutta lämminvesipäästöt aiheuttivat sen, että tuotanto kasvoi jonkin verran voimakkaammin jäähdytysveden purkualueella kuin sen ottoalueella. Vesikasvillisuuden rehevöityminen jäähdytysveden purkualueella on ollut näkyvin, merkittävin ja kiistattomin lämpimän veden biologinen vaikutus. Tähkä-ärviä, ahvenenvita ja hapsivita ja useiden levälajien muodostamat rihmaleväkasvustot niiden päällyskasveina ovat voimakkaasti runsastuneet jäähdytysveden purkupaikan läheisyydessä, missä ne muodostivat tiheitä yhdyskuntia rantavyöhykkeeseen loppukesäisin. Vesikasvillisuuden voimakkain runsastuminen on kuitenkin rajoittunut vain noin 1 km etäisyydelle purkupaikasta, ts. muutokset ovat olleet suurimpia niillä alueilla, jotka ovat jääneet ilman jääpeitettä talvella. Samanlaista, rehevöitymistä osoittavaa kehitystä oli nähtävissä myös Olkiluodossa, mutta selvästi vähäisemmässä määrin kuin Loviisassa, mikä johtui taustalla olevasta Selkämeren selvästi alhaisemmasta ravinnetasosta ja Olkiluodon edustan merialueelle tyypillisistä hydrografisista ja biologisista tekijöistä, kuten hyvästä vedenvaihdosta ja elinvoimaisesta eliöstöstä.

Pieniä määriä paikallisia päästönuklideja havaittiin säännöllisesti jäähdytysveden purkualueilta otetuissa ympäristönäytteissä: tritiumia merivedessä ja aktivoitumistuotteita (kuten koboltti-60:a, koboltti-58:a, mangaani-54:a, hopea-110m:a ja kromi-51:a) sedimentoituvassa aineksessa, pohjasedimenteissä ja ns. indikaattoriorganismeissa, jotka keräävät tehokkaasti radioaktiivisia aineita ympäristöstä. Tritiumin päästöt ja vastaavasti sen havaitseminen ja pitoisuudet merivesinäytteissä olivat runsaampia Loviisassa, mutta aktivoitumistuotteiden pitoisuudet olivat suurempia Olkiluodossa, missä niitä havaittiin myös selvästi laajemmalla alueella. Purkualueen vedenvaihto on siellä tehokkaampaa kuin Loviisassa, missä paikallisia päästönuklideja havaittiin vain suhteellisen niukasti Hästholmsfjärdenin ulkopuolella. Merkityksettömän pieni määrä koboltti-60:a (0.2 Bq kg-1 kuivap.) havaittiin rakkolevässä etäisimmillään noin 137 km:n päässä Olkiluodon voimalaitoksesta. Paikallisia päästönuklideja havaittiin lähes yksinomaan ekosysteemin alimmilla trofiatasoilla. Kaloissa päästönuklideja tavattiin hyvin harvoin, ja silloinkin vain hyvin pieninä pitoisuuksina. Päästöjen vähentämisen ansiosta paikallisten päästönuklidien pitoisuudet pienenivät 1990- ja 2000-luvuilla merkittävästi ympäristönäytteissä sekä Loviisassa että Olkiluodossa. Vaikka radioaktiivisten aineiden pitoisuudet ympäristönäytteissä, ja ennen kaikkea päästömäärät näyttävät numeroina suurilta, niiden väestölle ja luonnon eliöstölle aiheuttamat säteilyannokset ovat hyvin pieniä, käytännössä merkityksettömiä. Lämminvesipäästöjen vaikutukset ovat olleet merkittävämpiä erityisesti jäähdytysveden purkualueilla, vaikkakin vaikutusalue on ollut suhteellisen rajoittunut. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että jäähdytysveden purkualueen vedenvaihdolla ja ravinnepitoisuudella on ratkaiseva merkitys ympäristövaikutusten kannalta.