溫排水對水環(huán)境影響的研究進(jìn)展

溫排水對水環(huán)境影響的研究進(jìn)展

1熱水排放與熱污染關(guān)于加熱排水對水環(huán)境的影響，國內(nèi)外對核電站的加熱排水進(jìn)行了研究。20世紀(jì)70年代,國外學(xué)者開始研究熱水排放對水域水質(zhì)、物態(tài)及生態(tài)的影響,認(rèn)為因熱水的排放而導(dǎo)致受納水體特性的改變,經(jīng)常是趨于壞的方向。澳大利亞的LuAye和W.W.S.Charters在研究水源熱泵的文章中提出了尾水排放對水環(huán)境可能產(chǎn)生不利影響的問題,但并未做深入研究。我國對熱污染問題的研究始于1978年,江蘇望江亭電廠附近的望虞河及河網(wǎng)區(qū),魚類大量死亡,水產(chǎn)品大量減產(chǎn),隨后開始進(jìn)行水溫試驗,研究水溫變化對水環(huán)境的影響問題。目前我國在溫排水對水環(huán)境影響方面的研究已經(jīng)取得重要進(jìn)展。1.1溫排水的物理模擬及研究現(xiàn)狀水溫的變化對水的物理性質(zhì),如密度、粘滯系數(shù)、飽和水氣壓、氣體溶解度以及氣體在水中的擴散系數(shù)等都有影響。最顯著的就是溫度升高會導(dǎo)致水中溶解氧的減少。一般認(rèn)為,溫度升高會使水的粘度降低、密度減小、水中沉積物的空間位置和數(shù)量會發(fā)生變化,導(dǎo)致污泥沉積量增多。水溫增加,還會引起溶解氧飽和度減小,水體溶解氧含量下降。增溫水體的含鹽量、總硬度、氨氮、化學(xué)需氧量等水質(zhì)指標(biāo)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。在水質(zhì)影響預(yù)測方面,主要通過水質(zhì)模型進(jìn)行模擬預(yù)測,水質(zhì)模型可描述水流中污染物隨時間和空間的變化規(guī)律,包括模擬水動力狀況,為水污染防治規(guī)劃的研究提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)于溫排水對水源水質(zhì)的影響,國內(nèi)外的海洋環(huán)境學(xué)家從20世紀(jì)40年代開始就有關(guān)電廠溫排水對附近海域的影響做過很多的調(diào)查和研究,并發(fā)展了各種數(shù)值模型。美國學(xué)者先后研究了溫排水對Michigan湖和加州洛杉磯港的環(huán)境影響。1975年開始預(yù)測溫排水的溫度分布,此后熱核電廠熱污染的預(yù)測研究在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注。1979年加拿大科學(xué)家對溫排水的環(huán)境影響作了報告,1998年P(guān)alhegyi等人對核電站的溫排水進(jìn)行了物理模擬,Riou建立了一種二維模型,將計算域分成兩層,考慮了海水與空氣間的相互作用以及風(fēng)的作用,模擬計算了英國北部近岸海域的溫升分布。我國科學(xué)家關(guān)于溫排水對排放水域水質(zhì)影響的研究雖然起步較晚,但是近二十年來發(fā)展很快,主要集中在電廠溫排水研究上。早在1991年,施祖蓉等對蕭山電廠溫排水建立了二維熱污染數(shù)值模型,全面分析了浦陽江水溫的分布特性,為選擇電廠排水的工程方式提供了依據(jù)。1996年,中南電力設(shè)計院的余明輝等對預(yù)測電廠溫排水的影響給出了一個數(shù)學(xué)模型,來定量估算溫水排入受納水體中所引起的溫升范圍,與實測溫度基本吻合。1997年,徐嘯等對漳州后石電廠溫排水進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬,計算和分析了福建漳州后石電廠在不同將機容量、各種工況和潮型條件下受納水體溫度場的時空變化,從取水口溫升以及環(huán)境容量方面分析比較確定了最優(yōu)排放口及排放形式。2002年浙江省水利水電河口海岸研究設(shè)計院程杭平、韓曾萃用一、二維耦合模型進(jìn)行北侖、鎮(zhèn)淪二個火電站之間的熱污染計算,提供了一維與二維具有任意交角條件下的水動力方程聯(lián)立求解方法,分析了火電廠冷卻水熱污染在一、二維區(qū)域的影響程度以及二個以上火電廠熱污染的疊加影響。2003年中國水利水電科學(xué)研究院李振海等進(jìn)行了二維數(shù)值計算,動量方程的對流項采用迎風(fēng)格式,擴散項采用中心差分格式,連續(xù)方程與熱輸運方程采用控制體積法解出了大亞灣填海工程實施后惠州電廠溫排放的流場和溫升場。2005年,武漢的楊芳麗、謝作濤等,結(jié)合河道水流及溫排水的運動特性,從非正交曲線坐標(biāo)系下溫排水基本方程出發(fā),采用有限體積法及算法離散求解方程,建立了非正交曲線坐標(biāo)系下非交錯網(wǎng)格的平面一維溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型,該模型模擬天然河流電廠溫排水運動的計算結(jié)果合理的反映了河段的電廠溫排水運動。除火電廠外,我國對核電廠溫排水問題也有深入研究。韓康等對三亞核電廠溫排水進(jìn)行數(shù)值模擬,運用建立在對流擴散理論基礎(chǔ)之上的輸運擴散模型模擬了被動擴散過程,給出了三亞電廠溫排水各個方案的溫升場特征值。郝瑞霞等運用三維數(shù)值模擬方法對泉州灣某核電廠溫排水進(jìn)行了研究,對排水口近區(qū)垂向溫度分布計算結(jié)果與物理模型試驗值進(jìn)行的比較分析表明,排水口附近區(qū)域有明顯的熱水分層現(xiàn)象,實測溫度分布與物理模型試驗結(jié)果獲得了良好的一致性。數(shù)值模擬是研究水流流動、污染擴散問題的重要技術(shù)和方法,通過此類技術(shù)并借助于地理信息系統(tǒng)、計算機圖形圖像學(xué)、以及科學(xué)可視化等理論和技術(shù)來實現(xiàn)模擬過程。目前采用較多的模擬軟件,是FLUENT,COMSOL等。利用這些軟件對水源熱泵尾水排放到水域以后的擴散情況進(jìn)行模擬計算,可以分析溫排水對水源水溫的影響,進(jìn)一步分析對水源水質(zhì)的影響程度。國外學(xué)者在溫排水的熱污染預(yù)測模型上做了大量的研究,并取得了一定的成果[22,23,24,25,26,27,28,29]。1.2破壞生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性即使是很小的溫度變化,但如果它影響到生態(tài)系統(tǒng)的大部分,或者持續(xù)的時間比較長,也會使生態(tài)系統(tǒng)的物種組成發(fā)生變化,一個生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力如何,可以耐受的水溫有多高與水體的環(huán)境容量有關(guān)。關(guān)于溫排水對水生生物的影響,主要體現(xiàn)在以下兩個方面:(1)水溫對魚類生長的影響魚類生活在水中,對水溫的變化敏感,不同的種類對水溫敏感程度不一樣。而且,魚類是變溫動物,自身調(diào)節(jié)能力較弱,因此,溫度的急劇變化會對其產(chǎn)生強烈影響,甚至導(dǎo)致魚類死亡。但溫排水的影響主要還是表現(xiàn)為對魚類生長繁殖的抑制作用。不同魚類適應(yīng)的水溫也不同,如熱帶魚適于15～32℃,溫帶魚適于10～22℃,寒帶魚適于2～10℃的范圍。又如鱒魚雖在24℃的水中生活,但其繁殖溫度則要低于14℃。一般水生生物能夠生活的水溫上限是33～35℃。水溫升高后水中的溶解氧減少,魚類的生命活動受到影響[35,36,37,38,39,40]。底棲動物屬于變溫生物,其體溫和水溫相等或相近。底棲動物長期棲息在底層,活動位置相對固定,遷移能力弱,在靠近排放口位置這類動物會受到較大沖擊,而在其它位置,因為底層處于弱增溫區(qū),受到影響很小。一些熱電廠溫排水對底棲動物影響的研究表明,高溫?zé)崤欧艜p少底棲動物的多樣性,但是在水溫不高于30℃的情況下適當(dāng)升溫卻對節(jié)肢動物的種類和數(shù)量增加有利。水生動物學(xué)相關(guān)資料顯示,河蟹在37℃時就會活動異常,到40℃時就會死亡。(2)熱排水對魚類生長的影響浮游植物的數(shù)量和種類組成是衡量一個水體水質(zhì)狀況的重要指標(biāo)之一。溫升對會使浮游藻類的種群組成發(fā)生變化,藍(lán)、綠藻種類增多,硅藻種類比例下降。同時,增溫會影響藻類生物量的消漲。藍(lán)、綠藻大量繁殖還會抑制其它水生植物生長[45,46,47,48,49,50,51,52]。目前國內(nèi)外關(guān)于溫排水對水生生物影響的研究主要集中在兩方面,一是溫排水對排放水域水生物數(shù)量及種類的減少程度,二是溫升范圍對排放水域生態(tài)的影響。其中較多的是對魚類、底棲動物和藻類的研究[53,54,55,56,57,58],而對水體中小型動物、微生物的研究很少見。國外研究溫排水對水生生物的影響可以追溯到20世紀(jì)四十年代,美國研究了一些電廠溫排水對魚類的熱影響,50年代以后,日本在開展人工排熱影響的觀測試驗和預(yù)測研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了一些與魚類生存各階段相關(guān)的試驗及驗證研究。1968年美國建議排入江水的溫度在混合后不得超出3度,推薦最大溫升為0.8～2.8度,主要取決于水體的性質(zhì)、河口的性質(zhì)季節(jié)的變化情況。美國學(xué)者Brett.J.R認(rèn)為,在任何時候,任何地方水體溫度都不能達(dá)到34℃,這是某些水生生物的最高溫度極限。美國在制定淡水評價標(biāo)準(zhǔn)時限定;最大持久溫度,它要適合于將生產(chǎn)力保持在理想水平;水溫要能保證生物短期暴露于上限和下限水溫時能存活;水溫應(yīng)該滿足魚類正常繁殖和洄游活動所要求的限定水溫范圍,保證水生生物的多樣性需要,尤其在生物種類多樣性減少會造成某些生物有害生長的地方,或是重要食物源會發(fā)生變化的地方;在河流上游的冷水源減少時將對下游的水溫產(chǎn)生不良影響的地方,下游水溫應(yīng)能滿足水生物生長的要求。國內(nèi)研究主要集中在電廠溫排水對魚類及浮游藻類生長繁殖影響的研究上。主要有以下一些研究成果。謝允田等在1997年深入研究了熱排水對浮游藻類季節(jié)變化的影響,結(jié)果表明,在春、秋、冬三季,增溫對浮游藻類的種數(shù)、密度和生物量均起促進(jìn)作用,在夏季則對種數(shù)、生物量則起抑制作用。高溫引起藍(lán)、綠藻數(shù)量增加和硅藻明顯減少。胡德良等在研究了熱排水對湘江大型底棲無脊椎動物的影響后認(rèn)為,電廠溫排水對動物的影響有利有弊,有利的是在水溫較低的季節(jié),中、弱增溫區(qū)內(nèi)的底棲動物豐度和生物多樣性指數(shù)都高于自然水體。不利影響主要是高增溫區(qū)會減少底棲動物棲息地;在7—9月高溫季節(jié),增溫會使底棲動物豐度和生物多樣性指數(shù)下降。李巍等研究了電廠溫排水對陡河水庫浮游生物的影響,得出結(jié)論是:溫度對浮游生物的繁殖影響為:水溫升高,促進(jìn)繁殖,縮短生長時間,世代時間變短,表現(xiàn)為隨水溫升高浮游生物的數(shù)量與生物量非同比增加的趨勢,高溫區(qū)的生物體積明顯小于低溫區(qū),說明水體中浮游生物的生長不充分。1.3水溫對湖泊富營養(yǎng)化的影響水體的富營養(yǎng)化程度是通過數(shù)學(xué)模型來評價的,其中的一個重要評價因子就是水溫。一般認(rèn)為,水溫升高,水中溶解氧減少,而氨氮,總磷等營養(yǎng)鹽含量相應(yīng)增加,會促進(jìn)藻類生長繁殖,水體在一定程度上處于缺氧狀態(tài),厭氧菌繁殖加快了有機物的分解速度,藻類生長速度也相應(yīng)加快,從而明顯加快水體富營養(yǎng)化進(jìn)程。溫排水對水體富營養(yǎng)化進(jìn)程的影響程度取決于水溫影響范圍及持續(xù)時間。國內(nèi)外在這方面的研究并不多見。國外在二十世紀(jì)六十年代。就開始對湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)行研究,并且在七十年代建立了評價模型,1998年將水文氣象因素納入到評價因子中,其中包括水溫。RobertArfi通過對西非Selingue水庫的研究,發(fā)現(xiàn)水文氣象因子對水庫藻類生物量和富營養(yǎng)化狀況有很重要影響。70年代開始,日本學(xué)者Takamura等在霞浦湖種進(jìn)行了水溫與微囊藻最大光合作用速率的研究,指出溫度對富營養(yǎng)化有重要作用。當(dāng)水溫升高,水體缺氧時,沉積物更易向水體釋放磷,導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化加劇。水溫對湖泊富營養(yǎng)化和藻類生長的影響國內(nèi)也有一些研究,主要集中在靜態(tài)實驗和數(shù)值模擬兩個方面。中國水利水電科學(xué)研究院的李平衡、陳凱麒等采用生態(tài)動力學(xué)模型預(yù)測溫排水對陡河水庫富營養(yǎng)化影響,結(jié)果表明電廠溫排水可以對湖泊富營養(yǎng)化的發(fā)展起到一定的影響作用,但其影響總體講是局部和有限的.電廠溫排水只有具備了足夠大的溫升影響面積和足夠長的影響時間的情況下,才能對湖泊富營養(yǎng)化的加速發(fā)展起到較為明顯的作用。方禎、黃錦輝等研究了溫排水對鴨河口水庫富營養(yǎng)化影響后,發(fā)現(xiàn)水溫升高會加速水體上層和底泥中有機生物降解,提高水中細(xì)菌和魚類呼吸率,即需氧量愈大,可能導(dǎo)致魚類即其它生物死亡,厭氧菌大量繁殖和水質(zhì)惡化現(xiàn)象,同時,藻類生長加快,種群發(fā)生變化,多樣性指數(shù)下降,并且由于水庫外源型氮磷的不斷輸入,給水庫藻類生長提供豐富的營養(yǎng),從而加速了水庫的富營養(yǎng)化進(jìn)程。陳宇煒對太湖梅梁灣藻類的研究以及萬蕾對蘇州河道水體浮游植物消長規(guī)律的研究中均發(fā)現(xiàn),水溫與總藻類生物量呈顯著的相關(guān)關(guān)系。Tilinan等人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),許多硅藻種類是磷的優(yōu)良競爭者,在低溫(<15℃)下顯示其最大的資源競爭優(yōu)勢;而許多藍(lán)藻種類是氮的優(yōu)良竟?fàn)幷?在較高的水溫(>20℃)下表現(xiàn)出最大的競爭潛能。低溫則對浮游藻類生長不利,是浮游藻類生長發(fā)育的主要限制因子。可見,溫度和營養(yǎng)是影響湖泊中浮游植物種類組成和生物量季節(jié)變化的重要因素。有研究表明,溫度甚至還可以影響浮游植物個體的大小。盡管水源熱泵系統(tǒng)排放的尾水溫度不如熱電廠排水高,但由于是連續(xù)直接排放,因此對水體富營養(yǎng)化程度可能會有一定影響。同濟大學(xué)張文宇研究了上海世博園大型地表水源熱泵對黃浦江水環(huán)境的影響,結(jié)果表明,水溫的升高或降低,可能導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)紊亂,主要表現(xiàn)在大幅度提高或降低水溫能直接傷害許多水生生物,水溫的突然變化比逐步變化更有害,此外水溫變化還會破壞生態(tài)平衡的溫度環(huán)境條件,加速某些細(xì)菌的繁殖。2對層低溫水下泄的影響水源熱泵系統(tǒng)在冬季排放的尾水將會使排放口附近水域水溫降低,對水環(huán)境有多大影響目前國內(nèi)外很少有報道。但是,由于水溫是水質(zhì)的一個重要參數(shù),也是水生生物生長的一個重要影響因素,所以,溫度的降低同樣可能對水環(huán)境造成一定程度影響。國內(nèi)有過關(guān)于水庫深層低溫水下泄問題的一些研究。比如張博庭等分析了高壩大庫下泄低溫水的影響,認(rèn)為低溫水對下游水質(zhì),水生生物以及農(nóng)作物等均會產(chǎn)生不同程度的影響:水溫變冷,致使魚類區(qū)系組成發(fā)生變化,下泄低溫水還會降低魚類新陳代謝的能力,使魚生長緩慢;餌料生物生長緩慢,將直接影響魚類的生長、育肥和越冬。再有,低溫水下泄造成魚類產(chǎn)卵場地被迫向下游遷移。建壩前存在的一些產(chǎn)卵場所部分會消失,部分規(guī)模變小。另外,低溫水灌溉往往會限制地溫的提高,導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)現(xiàn)象較為普遍。低溫排水較熱排水影響可能較小,但是它的影響也是不容忽視的,特別在水源熱泵系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用以后。其影響可以從以下兩個方面考慮,一是,水溫降低后排放口附近水域水質(zhì)指標(biāo)的變化情況,包括溶解氧,營養(yǎng)鹽類等。二是水生生物多樣性及密度的變化,包括浮游動物種類變化和浮游植物生長情況。3持續(xù)加