地表水源热泵系统尾水对水环境安全影响研究进展

摘要:

在总结前人研究的基础上, 综述了温排水以及低温水对水环境影响的研究进展, 其中包括温排水数值模拟的研究, 对水生生物以及水体富营养化进程影响的研究进展情况。分析认为地表水源热泵尾水排放会引起局部水温变化, 且温排水将影响水生生物的生长繁殖和加快水体富营养化进程。其影响大小主要取决于进出水的温差和排放量, 也与水源的水文地质特征密切相关。提出了对其深入系统研究的重要性和迫切性, 并建议尽快开发排放口布置以及原位冷却等尾水污染控制关键技术, 建立地表水源热泵尾水污染综合评价指标体系和评估方法。

关键词: 地表水源热泵 尾水 水环境安全

0　引　言
我国“十一五”规划明确提出了节能减排的总体目标, 水源热泵正是为了贯彻国家节能减排政策而得到迅速发展的。有关地表水源热泵系统尾水排放对水环境安全的影响问题, 目前国内外尚缺乏系统研究。而类似的研究是关于电厂温排水对水环境的影响问题。电厂排水温度一般较水源水温高8℃～10℃, 对局部水域水温影响较大。地表水源热泵系统夏季排水温度较水源水温高3℃～8℃, 而冬季排水温度较水源水温低5℃～10℃, 这一点与电厂温排水有所不同。热泵系统尾水自排放口向附近水域三维空间扩散, 其影响范围主要决定于温差和受纳水域水文地质特征。

1　温排水对受纳水域水环境安全影响的研究现状
关于温排水对水环境影响问题, 目前国内外研究较多的是电厂温排水[1～5]。20 世纪70 年代, 国外学者开始研究热水排放对水域水质、物态及生态的影响, 认为因热水的排放而导致受纳水体特性的改变, 经常是趋于坏的方向[6]。澳大利亚的L u A ye 等在研究水源热泵的文章中提出了尾水排放对水环境可能产生不利影响的问题, 但并未做深入研究[7]。
我国对热污染问题的研究始于1978 年, 江苏望江亭电厂附近的望虞河及河网区, 鱼类大量死亡, 水产品大量减产, 随后开始进行水温试验, 研究水温变化对水环境的影响问题[8]。目前我国在温排水对水环境影响方面的研究已经取得重要进展。
1. 1　温排水对受纳水体水质影响的研究现状
水温的变化对水的物理性质, 如密度、粘滞系数、饱和水气压、气体溶解度以及气体在水中的扩散系数等都有影响。最显著的就是温度升高会导致水中溶解氧的减少。一般认为, 温度升高会使水的粘度降低、密度减小、水中沉积物的空间位置和数量会发生变化, 导致污泥沉积量增多。水温增加, 还会引起溶解氧饱和度减小, 水体溶解氧含量下降。增温水体的含盐量、总硬度、氨氮、化学需氧量等水质指标也会发生相应的变化[9]。
关于温排水对水源水质的影响, 国内外的海洋环境学家从20 世纪40 年代开始就有关电厂温排水对附近海域的影响做过很多的调查和研究, 并发展了各种数值模型[10]。美国学者先后研究了温排水对M ich igan 湖和加州洛杉矶港的环境影响。1975 年开始预测温排水的温度分布, 此后热核电厂热污染的预测研究在世界范围内引起了广泛的关注。1979 年加拿大科学家对温排水的环境影响作了报告, 1998年Palhegyi 等人对核电站的温排水进行了物理模拟, R iou 建立了一种二维模型, 将计算域分成两层,考虑了海水与空气间的相互作用以及风的作用, 模拟计算了英国北部近岸海域的温升分布[11]。
我国科学家关于温排水对排放水域水质影响的研究虽然起步较晚, 但是近20 年来发展很快, 主要集中在电厂温排水研究上。早在1991年, 施祖蓉等对萧山电厂温排水建立了二维热污染数值模型, 全面分析了浦阳江水温的分布特性, 为选择电厂排水的工程方式提供了依据[12]。1996 年, 中南电力设计院的余明辉等对预测电厂温排水的影响给出了一个数学模型, 来定量估算温水排入受纳水体中所引起的温升范围, 与实测温度基本吻合[13]。1997 年, 徐啸等对漳州后石电厂温排水进行了数学模拟, 计算和分析了福建漳州后石电厂在不同装机容量、各种工况和潮型条件下受纳水体温度场的时空变化, 从取水口温升以及环境容量方面分析比较确定了最优排放口及排放形式[14]。2002 年浙江省水利水电河口海岸研究设计院程杭平、韩曾萃用一、二维耦合模型进行北仑、镇沦二个火电站之间的热污染计算, 提供了一维与二维具有任意交角条件下的水动力方程联立求解方法, 分析了火电厂冷却水热污染在一、二维区域的影响程度以及二个以上火电厂热污染的叠加影响[15]。2003年中国水利水电科学研究院李振海等进行了二维数值计算, 动量方程的对流项采用迎风格式, 扩散项采用中心差分格式, 连续方程与热输运方程采用控制体积法解出了大亚湾填海工程实施后惠州电厂温排放的流场和温升场[16]。2005 年, 武汉的杨芳丽等, 结合河道水流及温排水的运动特性, 从非正交曲线坐标系下温排水基本方程出发, 采用有限体积法及算法离散求解方程, 建立了非正交曲线坐标系下非交错网格的平面一维温排水数学模型, 该模型模拟天然河流电厂温排水运动的计算结果表明, 该模型能较好地反映河段的温排水运动情况[17]。
除火电厂外, 我国对核电厂温排水问题也有深入研究。韩康等对三亚核电厂温排水进行数值模拟,运用建立在对流扩散理论基础之上的输运扩散模型模拟了被动扩散过程, 给出了三亚电厂温排水各个方案的温升场特征值[18]。郝瑞霞等运用三维数值模拟方法对泉州湾某核电厂温排水进行了研究, 对排水口近区垂向温度分布计算结果与物理模型试验值进行的比较分析表明, 排水口附近区域有明显的热水分层现象, 实测温度分布与物理模型试验结果获得了良好的一致性[19]。
数值模拟是研究水流流动、污染扩散问题的重要技术和方法, 通过此类技术并借助于地理信息系统、计算机图形图像学、以及科学可视化等理论和技术来实现模拟过程。目前采用较多的模拟软件, 是FLU EN T , COM SOL等。利用这些软件对水源热泵尾水排放到水域以后的扩散情况进行模拟计算, 可以分析温排水对水源水温的影响, 进一步分析对水源水质的影响程度。
1. 2　温排水对水生生物影响的研究现状
水生生态系统的自净能力以及可以耐受的水温与水体的环境容量有关。关于温排水对水生生物的影响, 主要是两个大类, 一是水生动物及鱼类的影响方面。不同的鱼类对水温敏感程度不一样。鱼类是变温动物, 自身调节能力较弱, 因此, 温度的急剧变化会对其产生强烈影响, 甚至导致鱼类死亡。但温排水的影响主要还是表现为对水生动物的生长繁殖的抑制作用。不同鱼类对水温的适应性也不同, 如热带鱼适于15℃～32℃, 温带鱼适于10℃～22℃, 寒带鱼适于2℃～10℃的范围。一般水生生物能够生活的水温上限是33℃～35℃。水温升高后水中的溶解氧减少, 鱼类的生命活动受影响。底栖动物也属于变温生物, 其体温和水温相等或相近。底栖动物长期栖息在底层, 活动位置相对固定, 迁移能力弱, 在靠近排放口位置这类动物会受到较大冲击, 而在其它位置, 因为底层处于弱增温区, 受到影响很小。一些热电厂温排水对底栖动物影响的研究[20～23]表明, 高温热排放会减少底栖动物的多样性, 但是在水温不高于30℃的情况下适当升温却对节肢动物的种类和数量增加有利。水生动物学相关资料显示, 河蟹在37℃时就会活动异常, 到40℃时就会死亡。二是对浮游植物生长的影响方面。浮游植物的数量和种类组成是衡量一个水体水质状况的重要指标之一。温升会使浮游藻类的种群组成发生变化, 蓝、绿藻种类增多, 硅藻种类比例下降。同时, 增温会影响藻类生物量的消涨。蓝、绿藻大量繁殖还会抑制其它水生植物生长。
目前国内外关于这方面的研究主要是温排水对排放水域水生物数量及种类的减少程度, 和温升范围对排放水域生态的影响。其中较多的是对鱼类、底栖动物和藻类的研究, 而对水体中小型动物、微生物的研究很少见。
国外研究温排水对水生生物的影响可以追溯到20 世纪40 年代, 美国研究了一些电厂温排水对鱼类的热影响[24～25] , 美国学者B rett J R [26]认为, 在任何时候, 任何地方水体温度都不能达到34℃, 这是某些水生生物的最高温度极限。美国在制定淡水评价标准时限定: 最大持久温度, 它要适合于将生产力保持在理想水平 水温要能保证生物短期暴露于上限和下限水温时能存活 水温应该满足鱼类正常繁殖和洄游活动所要求的限定水温范围, 保证水生生物的多样性需要, 尤其在生物种类多样性减少会破坏生态平衡的地方, 或是重要食物源会发生变化的地方 在河流上游的冷水源减少时将对下游的水温产生不良影响的地方。
国内研究主要集中在电厂温排水对鱼类及浮游藻类生长繁殖影响的研究上。主要有以下一些研究成果。谢允田等[27]在1997年深入研究了热排水对浮游藻类季节变化的影响, 结果表明, 在春、秋、冬三季, 增温对浮游藻类的种数、密度和生物量均起促进作用, 在夏季则对种数、生物量则起抑制作用。高温引起蓝、绿藻数量增加和硅藻明显减少。胡德良等[20]在研究了热排水对湘江大型底栖无脊椎动物的影响后认为, 电厂温排水对动物的影响有利有弊,有利的是在水温较低的季节, 中、弱增温区内的底栖动物丰度和生物多样性指数都高于自然水体。不利影响主要是高增温区会减少底栖动物栖息地 在7～9月高温季节, 增温会使底栖动物丰度和生物多样性指数下降。李巍[28]研究了电厂温排水对陡河水库浮游生物的影响, 得出的结论是温度对浮游生物的生长繁殖有一定影响, 具体为: 水温升高, 促进繁殖, 缩短生长时间, 世代时间变短, 表现为随水温升高浮游生物的数量与生物量非同比增加的趋势, 高温区的生物体积明显小于低温区, 说明水体中浮游生物的生长不充分。
1. 3　温排水对水体富营养化进程影响的研究现状
水体的富营养化程度是通过数学模型来评价的, 其中的一个重要评价因子就是水温。一般认为,水温升高, 水中溶解氧减少, 而氨氮、总磷等营养盐含量相应增加, 会促进藻类生长繁殖, 水体在一定程度上处于缺氧状态, 厌氧菌繁殖加快了有机物的分解速度, 藻类生长速度也相应加快, 从而明显加快水体富营养化进程。
温排水对水体富营养化进程的影响程度取决于水温影响范围及持续时间。国内外在这方面的研究并不多见。国外在20 世纪60 年代。就开始对湖泊富营养化进行研究, 并且在70 年代建立了评价模型, 1998 年将水文气象因素纳入到评价因子中, 其中包括水温。Robert A rfi[29]通过对西非Selingue 水库的研究, 发现水文气象因子对水库藻类生物量和富营养化程度有重要影响。70 年代开始, 日本学者Takamura[30]等在霞浦湖中进行了水温与微囊藻最大光合作用速率的研究, 指出温度对富营养化有重要作用。当水温升高, 水体缺氧时, 沉积物更易向水体释放磷[31] , 导致水体富营养化加剧。
水温对湖泊富营养化和藻类生长的影响国内也有一些研究, 主要集中在静态实验和数值模拟两个方面。中国水利水电科学研究院的陈凯麒等[32]采用生态动力学模型预测温排水对陡河水库富营养化影响, 结果表明电厂温排水可以对湖泊富营养化的发展起到一定的影响作用, 但其影响总体讲是局部和有限的。电厂温排水只有具备了足够大的温升影响面积和足够长的影响时间的情况下, 才能对湖泊富营养化的加速发展起到较为明显的作用。
尽管水源热泵系统排放的尾水温度不如热电厂排水高, 但由于是连续直接排放, 因此对水体富营养化程度可能会有一定影响。同济大学张文宇[33]研究了上海世博园大型地表水源热泵对黄浦江水环境的影响, 结果表明, 水温的升高或降低, 可能导致水生生态系统紊乱, 主要表现在大幅度提高或降低水温能直接伤害许多水生生物, 水温的突然变化比逐步变化更有害, 此外水温变化还会破坏生态平衡的温度环境条件, 加速某些细菌的繁殖。
2　低温排放水对受纳水域水环境影响的研究现状
水源热泵系统在冬季排放的尾水将会使排放口附近水域水温降低, 对水环境有多大影响目前国内外很少有报道。但是, 由于水温是水质的一个重要参数, 也是水生生物生长的一个重要影响因素, 所以,温度的降低同样可能对水环境造成一定程度影响。国内有过关于水库深层低温水下泄问题的一些研究。比如张博庭等[34～35]分析了高坝大库下泄低温水的影响, 认为低温水对下游水质, 水生生物以及农作物等均会产生不同程度的影响: 水温变冷, 致使鱼类区系组成发生变化, 下泄低温水还会降低鱼类新陈代谢的能力, 使鱼生长缓慢 饵料生物生长缓慢,将直接影响鱼类的生长、育肥和越冬。此外, 低温水下泄造成鱼类产卵场地被迫向下游迁移。建坝前存在的一些产卵场所部分会消失, 部分规模变小。另外, 低温水灌溉往往会限制地温的提高, 导致农作物减产现象较为普遍。
低温排水较热排水的影响具有更多不确定性,目前相关研究极少。其影响可以从以下两个方面考虑, 一是水温降低后排放口附近水域水质指标的变化情况, 包括溶解氧, 营养盐类等。二是水生生物多样性及密度的变化, 包括浮游动物密度及多样性的变化和浮游植物生长情况。
3　结论与建议
从以上研究成果分析认为: 地表水源热泵尾水排放会引起局部水温变化, 且温排水将影响水生生物的生长繁殖和加快水体富营养化进程。并且可以推测其影响大小主要取决于进出水的温差和排放量, 也与水源的水文地质特征密切相关。考虑到国家目前对节能减排的重视程度, 对地表水源热泵尾水污染的深入系统研究显得尤为重要和紧迫。针对水源热泵系统尾水排放, 可能引发的水环境问题, 应当尽快研究地表水源热泵尾水排放对不同类型受纳水体排放口水环境安全的影响开发排放口布置和原位控制等水源热泵系统尾水污染控制关键技术 并建立地表水源热泵系统尾水污染综合评价指标体系和综合评估方法。为我国地表水源热泵系统推广应用提供必要的技术支撑, 对减少水环境污染起到重要作用, 并为进一步研究受纳水体的污染防治和生态修复奠定基础。
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作者简介: 黄向阳(19772) , 男(汉族) , 湖北大冶人, 硕士研究生, 研究方向: 给水排水, 主要从事水污染控制的研究。