湖水源熱泵系統冷排水對浮游植物影響試驗研究

周 健,黃向陽,2,劉 杰

(1.重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400030;2.長江大學 城市建設學院,湖北 荊州434023)

在國家大力倡導節能減排的大背景下,地表水源熱泵作為新興節能環保技術,得到了強勁的推動。地表水源熱泵系統夏季排水溫度較水源水溫高3～8℃,而冬季排水溫度較水源水溫低3～7℃[1-2]。地表水源熱泵系統取水量較大,涉及水域廣,社會關注程度較高,無論其尾水對水環境影響程度如何,都必須通過科學研究得到一個確切的結論。相對于江河來說,湖泊受到的影響顯然更大,因為湖泊容量相對較小,并且缺乏流動性,生態系統比較脆弱,尾水排放對其水溫變化影響更大。而湖泊浮游植物的數量及種類與湖泊富營養化進程密切相關,因此,系統研究湖水源熱泵尾水排放對湖泊浮游植物的影響是十分必要和緊迫的。通過研究可以為水源熱泵尾水污染評價提供支撐,并且為進一步的尾水污染防治及湖泊生態修復研究提供依據[3]。

有關地表水源熱泵系統尾水排放對水環境安全的影響問題,國內有少量報導[4-6],但缺乏系統研究。水溫對水質及水生生物的影響國外研究也較少[7-8],而電廠溫排水對水環境的影響在國內外研究中較多[9-14]。電廠全年排出的都是熱水,而地表水源熱泵系統冬季排水溫度較水源水溫低,這一點與電廠溫排水有所不同。在地表水源熱泵系統設計中普遍認為尾水對水環境影響較小,因此未加以重視。國內外也極少有這一方面的系統研究,尤其冬季冷排水對水環境可能造成的影響研究更是空白。

該研究根據熱平衡相似原理,建立物理試驗模型,模擬湖水源熱泵系統冬季冷水排放,并用2種不同湖泊水質作平行試驗,以自然水溫作參比。通過對試驗水體藻類數量、種群分布,以及葉綠素a含量的監測與對比,研究水源熱泵系統冬季冷水排放對淺水型湖泊浮游植物生長的影響程度。

1 材料與方法

1.1 試驗模型設計原則

在物理模型試驗裝置的設計上,主要考慮水流運動的相似性和水面散熱能力的相似性,因此模型必須滿足重力相似、粘滯力相似和熱平衡相似。即模擬裝置與湖泊原型相比,雷諾數相等、密度弗氏數相等。如果設平面尺寸比例為L r,由于水深必須滿足最小值要求,所以水深比例Z r＜L r,根據相似準則,此時冷排水出流速度Vr=Zr1/2,流量Qr=LrZr1.5。

1.2 試驗裝置

試驗主要模擬淺水湖泊,為簡化模型,原型湖泊取長寬高的平均值分別為350 m、150 m、5m,模型長度比例為300∶1,深度比例10∶1,則冷排水流速比例為3.16,流量比例約為10 000∶1。

試驗分2組進行,試驗裝置見圖1,每組由3個長方體模擬水池組成,試驗水池尺寸為：L×B×H=0.58 m×0.51 m×0.50 m,每個水池有效容積145升,3個水池分別裝滿水,其中1個作為參比水池,另2個水池并聯在一起且底部用UPVC50給水管連通,目的是增大容量并且連通管有過渡作用,使得2個水池有一定的溫度梯度。

模擬試驗用到的主要儀器設備是 RO-1HP型激光冷水機組和LDO-101型溶解氧測定儀。冷水機組技術參數見表1。

表1 試驗用冷水機組技術參數

圖1 試驗裝置流程圖

1.3 試驗水質

試驗用水采用市區某湖泊與水庫水混合配制而成,根據三峽庫區重慶段湖泊水庫水質現狀,第1組試驗用水水質模擬中富營養化湖泊水質,

第2組試驗用水模擬接近重慶地區一般湖庫水質均值。2組試驗初始水質如表2所示。

表2 試驗初始水質

1.4 試驗方法

試驗經過 1周調試以后正式啟動,第1組從2008年12月12日開始,第2組從12月19日開始。根據地表水源熱泵工程運行特點,設定冷水機出水溫度5.0℃～6.0℃(視氣溫情況調整),冷排水采用水面上方射流排放方式,每天冷水機運行時間約為6～8 h,視氣溫和水溫情況調整。定期檢測各個單元的藻類分布情況以及葉綠素a含量。通過模擬試驗的方法,研究冷排水對湖泊局部水域浮游植物(藻類)的影響程度。藻類測定采用顯微鏡計數測量法,葉綠素a的測定采用丙酮提取分光光度法[15]。

2 結果與分析

2.1 冷排水對藻類總量的影響

冷排水前模擬裝置藻類監測結果見表3,冷排水后2組試驗裝置藻類數量變化情況如圖2和圖3。盡管該試驗在冬季水溫較低情況下進行,但是從試驗期間天氣情況來看,在2008年12月10日-12月19日和2009年1月8日-1月12日陽光較為充足,另外加上風力作用,藻類生長速度很快,尤其是參比區。由圖2和圖3可知,藻類生物量隨時間變化情況,參比區藻類呈現指數增長趨勢,而其它試驗區的藻類生物量則先下降后上升,但藻類總量明顯低于參比區,并且隨時間推移相差越來越大。分析認為主要由于從2008年12月19日-12月28日,氣溫相對較低,平均氣溫在5～7℃左右,加之冷排水使水溫更低,所以當水溫低于某個值時藻類總量呈現負增長狀態。根據試驗實測水溫,在上述時間段試驗區水溫大約為4.5～6.2℃,藻類正負增長的臨界溫度應該就在這個溫度范圍之內。

從2組對比試驗還可以看出,第1組藻類總量冷排水前較第2組多,冷排水后出水區與參比區藻類總量差別也更大。這表明原水藻類總量越多,冷排水對藻類抑制作用越強。

圖2 冷排水期間第1組試驗裝置藻類數量變化曲線

圖3 冷排水期間第2組模擬裝置藻類數量變化曲線

2.2 冷排水對藻類優勢種群的影響

冷排水之前,優勢藻類及其占總藻百分比見圖4,試驗啟動后2組試驗優勢藻類及百分比均發生了一定的變化,2008年12月25日和2009年1月11日,第1組模擬裝置出水區與參比區優勢藻類及占總藻百分比見圖5和圖 6,2008年12月28日和2009年1月15日,第2組模擬裝置出水區與參比區優勢藻類及占總藻百分比見圖7和圖8。

圖4 冷排水前模擬裝置中優勢藻類種群分布

圖5 冷排水后第1組優勢藻類種群分布(12月25日)

圖6 冷排水后第1組優勢藻類種群分布(1月11日)

圖7 冷排水后第2組優勢藻類種群分布(12月28日)

圖8 冷排水后第2組優勢藻類種群分布(1月15日)

2.3 冷排水對葉綠素a的影響

2組試驗葉綠素的a監測結果如圖9和圖10所示。

圖9 冷排水對第1組裝置葉綠素a的影響

圖10 冷排水對第2組裝置葉綠素a的影響

由圖9和圖10可知,葉綠素a含量變化曲線與藻類變化曲線非常相似,各試驗單元葉綠素a含量均呈增長趨勢,參比區增速明顯大于出水區。在同組中,由于冷排水作用,出水區水溫始終低于參比區,葉綠素a含量相差較大。第1組,出水區葉綠素a濃度甚至不到參比區一半,第2組出水區也比參比區低50%～60%。表明冷排水對浮游植物總量增長有較大影響。將2組試驗橫向比較,發現在冷排水量及平均水溫接近,而試驗水質不同的情況下,葉綠素a濃度的變化量也有差異。因此,對水質本底值不同的水體,冷排水對其葉綠素a濃度的影響程度也不同,本底值越高,影響程度越大。主要原因是在冷排水作用下,浮游植物生長速率下降,而水質本底值越高,浮游植物生長速率下降越快。

3 結 論

1)冷排水受納水域的藻類生物量呈現先下降后上升趨勢,而自然狀態下藻類則呈現指數增長趨勢。冷排水受納水域藻類總量明顯低于自然生長區,并且冷排水時間越長相差越大。表明冷排水對藻類總量增長有明顯抑制作用。試驗區水體藻類正負增長的臨界溫度在4.5～6.2℃之間。

2)冷排水對冷排水受納水域的優勢藻類種群及比例有一定的影響。冷排水區衣藻比例上升幅度最大,其次是席藻,直鏈藻比例下降最多。同時,冬季自然水溫在10℃以下,當有冷排水進入使得水溫進一步降低時,綠藻會迅速成為優勢藻類,且主要以柵藻、衣藻為主。冷排水還影響了藻類的多樣性,使受納水域的藻類種群數減少。

3)冷排水顯著降低湖泊葉綠素a的含量。對水質本底值不同的湖泊,冷排水對其葉綠素a濃度的影響程度也不同,氮和磷的本底值越高,影響程度越大。

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