青島濱海電廠溫排水對海洋生態環境影響研究現狀＊

鄭 琳，張愛君，曲 亮，袁 媛

（1.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033；2.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033）

青島濱海電廠溫排水對海洋生態環境影響研究現狀＊

鄭 琳1，2，張愛君1，2，曲 亮1，2，袁 媛1，2

（1.國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術重點實驗室 青島 266033；2.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033）

隨著濱海電廠的迅速發展，電廠溫排水排放對鄰近海域的生態環境影響越來越受到人們的關注。文章概括了青島電廠溫排水數值模擬現狀、溫排水排放對海洋生態環境影響方面的一些研究成果，并提出了存在的問題和今后應關注的研究方向。

青島濱海電廠；溫排水；環境影響

近年來隨著沿海核電站、火電站的興建，大量冷卻水排入近岸海域，使得海洋熱污染問題逐漸突出。水體溫度升高會引起水中溶解氧含量降低，影響魚類和其他水生生物的生存和繁殖，還會帶來水體富營養化和水質惡化等環境問題。不少專家預言，海洋熱污染將成為21世紀危害最大的污染類型之一。青島市是我國重要的沿海開放城市之一，地處黃海之濱，環抱膠州灣，擁有青島發電廠、山東黃島發電廠和在建的華電膠南發電廠3座濱海電廠。濱海電廠溫排水對受納水體生態環境造成的影響，一直是電廠建設及海洋環境保護工作需要密切關注的問題，也是海洋管理工作者研究的一個重要內容。

目前，國內外關于濱海電廠溫排水對海洋生態環境影響的研究主要集中在4個方面：一是對溫排水排放水域進行數值模擬與分析，并對海域熱環境容量、余氯衰減等進行計算［1－3］；二是根據實際調查資料，分析電廠溫排水引起的周圍海域水質、沉積物、生物群落、漁業資源等方面的變化［4］；三是在數值模擬的基礎上，定性分析溫排水對水生生態的影響［5－6］；四是濱海電廠溫排水管理即排放標準、政策法規、余熱利用等方面的研究［7－8］。青島濱海電廠溫排水環境影響研究主要集中在數值模擬分析及其環境容量、電廠的卷載效應等方面的研究，并取得了一些研究成果。

1 青島濱海電廠溫排水環境影響研究現狀

1.1 數值模擬

關于電廠溫排水流場和溫度場的早期研究基本局限于簡單情況下的分析求解或用物理模型進行實驗研究，二者基本上是分開進行的。隨著計算機的發展和應用，人們開始把注意力轉向較為經濟的數值模擬技術，并且致力于能同時模擬和預測流場和溫度場的混合模型，主要包括二維和三維兩種熱擴散模型［9］。二維模型以平面二維淺水方程、二維溫度對流擴散方程為基礎建立起來的二維溫度場和水動力場禍合求解的溫排水模型應用最為廣泛。溫排水二維熱擴散的預測模型存在一定的局限性，它不能夠模擬溫升的垂直分布狀況，所以在溫排水量比較大、受納水體較深時，必須利用三維熱擴散預測模型進行模擬溫排水排入受納水體后的流速場和溫度場變化情況［10］。三維數值模型有：POM（普林斯頓海洋模型）、ECOM（estuary coastland ocean model）、荷蘭的DELFT模型等。我國缺乏自行開發的、國際上影響較大的三維水動力數值模型，一般使用較多的是POM和ECOM，但是一般的使用者缺乏對模型內在機理的了解，難以對模型提出突破性的改進。

對于青島近岸海域尤其是膠州灣海域，由于水深較淺，采用二維數值模型對溫排水的溫升擴散范圍進行模擬可以得到較為準確的預測結果，如遠航采用平面二維ADI（alternating direction implicit）數學模型對膠州灣黃島電廠溫排水溫升范圍進行了模擬預測，預測結果較準確［11］。張慧在二維潮流數值模型的基礎上建立熱擴散模型，計算了黃島電廠附近海域的熱環境容量［12］。三維模擬主要是王麗霞介紹的三維熱擴散模型，該模型在一階湍流封閉理論的基礎上引入計算網格無法分辨的次網格能量密度，同時考慮了熱鹽的空間變化，計算出質量、動量和熱量平衡方程中的湍粘性和湍擴散系數，并將該模型成功地應用于青島市黃島發電廠溫排水工程［13］。

1.2 電廠的卷載效應對海洋生態的影響

電廠的卷載效應是指電廠取排水過程中對于水中能通過過濾網系統而進入冷凝器的小型浮游生物、卵、大型生物及魚類幼體所造成的損害，它主要包括系統內的瞬時高溫沖擊、機械損傷、在一些電廠還應包括為防止管道堵塞而人為投放殺蟲劑的化學因素的危害。

盛連喜等開展了青島電廠卷載效應對浮游生物、對蝦仔蝦、梭幼魚的損傷和危害的研究，結果表明：青島電廠的卷載效應主要是冷卻水系統內的機械應力和高溫沖擊的作用結果，電廠進出口水溫溫升多不超過10℃，所以卷載效應以機械應力為主。卷載致死率和生物的密度、體長及形態特征有關。卷載生物受沖擊時間越長，增溫幅度越大，對生物的致死率越高。同時電廠二次濾網孔徑以及系統內水的流速等也對卷載效應的危害有影響。青島電廠卷載效應對梭幼魚的致死率為63.4%～78.7%，對仔蝦的致死率約為28%～67%，蝦類比魚類更容易受到機械應力的損傷。浮游藻類受損率為11.98%～27.08%，浮游動物的受損率為31%～90%，受損傷最重的類群是橈足類和無節幼蟲。受損傷后恢復最快的是原生動物，最慢的是橈足類［14－15］。

1.3 余氯對海洋生態的影響

電廠運行過程中，冷卻系統會出現水生生物附著生長，這一現象也稱為生物污損。主要分為兩類：一類是貽貝、藤壺和水媳蟲等大型生物引起的管道系統和排水渠的阻塞；另一類是由細菌和真菌等微生物生長形成的生物膜，兩類生物污損相互聯系，影響冷卻效果甚至堵塞冷卻系統。因此，電廠定時向循環冷卻水中加入一定量的物質以清除管道中附著的藻類微生物，最常用的是投放氯氣，從而造成冷卻水中含有余氯。

余氯對水生生物的影響較大，主要破壞水生生物從水中獲取溶解氧的能力，從而對受納水體的生態環境造成影響。張燕等人利用有限元分步雜交方法對膠州灣潮流場進行了模擬，確立了余氯衰減系數為0.69，建立了膠州灣余氯的二維輸運－擴散模型，對青島市黃島電廠三期溫排水工程中余氯濃度分布及影響范圍進行了預測，結果表明較高濃度的余氯（≥0.03mg/L）分布在排水口附近約100m以內的范圍，距離排水口160m以外的水域，余氯濃度≤0.01mg/L［16］。溫排水中的余氯對浮游植物光合作用和呼吸作用有抑制，初級生產力下降。Matlice和Zitlel根據大量的研究［17］，推導出對于海洋生物以及淡水生物，余氯濃度的安全閾限為0.02mg/L，低于此限值對水生生物沒有毒性作用，為海洋生態環境保護提供了一定的依據。

2 溫升對海洋生態影響的研究現狀

溫度是影響水生生物生長、發育、繁殖的重要因子之一，直接關系著水生生物數量的變動。從20世紀開始，國內外專家就已開展了一些關于水溫升高對浮游生物、底棲動物、魚類等的影響研究，電廠溫排水使受納水體增溫后，會對水生生物的數量、種類組成和群落結構等方面產生一定的影響。

在增溫水體中：在春季溫度場弱增溫區（△T≤3℃）水生生物生物量最高，是自然水溫區生物量的1.3倍；而冬季的浮游動物生物量是自然水溫區生物量的2.4倍。從水生生物的種類來看，當水體適度增溫時（△T≤3℃），群落中的種類數明顯增加，其中浮游植物的種類數平均增加50%，浮游動物種類數平均增加76%，底棲動物的種類數可增加40%。尤其是在水溫較低的春秋季節、冬季表現得更加明顯。但在水體強增溫時（△T＞3℃），水生生物群落中種類開始減少，尤其是在夏季自然水溫較高時在強增溫區內，亦即水溫超過35℃時，浮游動物的種類和數量都會減少［4］。長久的溫升會使群落中的種類組成發生相應的變化：一些耐溫性或喜溫性的種類，如藍藻、綠藻、裸藻、原生動物、輪蟲、軟體動物和寡毛類的種類數在群落中所占的比例開始增加；而群落中一些喜低溫的種類相對減少，其中表現比較明顯的有硅藻、金藻、橈足類以及一些水棲昆蟲等。在夏季，溫排水的熱效應的影響較大，會使某些藻類暫時消失，使海區浮游植物基本的種類組成發生改變。溫排水引起的增溫也會引起群落中種類和數量的變化，熱污染水域海洋植物與正常水體環境植物對比時，發現冷卻水改變了底棲海藻的群落結構，大量種群消失，而刺松藻等個別海藻的生物量卻提高了［18］。溫排水對水生生物還產生溫度脅迫效應即當水體溫度升高或降低時，水生生物不能適應外界熱效應和冷沖擊的溫度變化而受到損害。

目前對青島電廠溫排水對海洋生物種群、數量和生物群落的影響研究較少，而濱海電廠溫排水排放量正在逐年增加，因此，需要盡快開展濱海電廠溫排水對膠州灣內生物群落組成、結構和生態演替影響研究。

3 今后需要開展的工作

3.1 溫排水管理研究

目前我國尚沒有針對溫排水制定相關的水溫環境控制標準，也沒有制定溫排水排放的規范，現行的水質評價體系中部分涉及水溫的規定，但也十分籠統。因此，在確定取排水口位置、溫排水排放強度的環境可行性等方面缺少依據。研究和制定適應火、核電廠溫排放的水溫控制和規定，完善我國的溫排水管理體系已是當務之急。隨著國家經濟建設的飛速發展，近年來在同一大水域上共建數座大型（數百萬級）電廠的現象已不鮮見。開展溫排水排放的整體規劃研究，以大水域統籌規劃為基礎，科學評估水域整體承載能力，合理布局同一流域內取、排水口的位置已經成為我國溫排水管理研究中亟須開展的新方向。

3.2 溫排水混合區關鍵控制參數研究

由于國內現有的熱污染控制標準體系中的混合區參數不明確、可執行性不強，所以在和國外相關標準中關于溫排水混合區的若干關鍵控制參數的規定作對比的情況下，今后需要開展：①確定溫排水排放口控制的極端高溫值（或排放口的最大溫升）；②確定溫排水混合區邊緣的溫升限值；③確定溫排水混合區的范圍。

3.3 溫排水環境影響評估技術的研究

由于缺少溫排水評價標準和技術方法，目前國內溫排水環境影響研究大多停留在定性的基礎上，隨著濱海電廠的飛速發展，溫排水對海域造成怎樣的影響，是否產生污染和損害都將是今后海洋管理工作中的重要工作內容。因此，需要建立溫排水環境影響及其生態損害技術體系：①開展溫排水監測技術研究。隨著海洋監測技術手段的不斷完善，溫排水監測應在常規監測技術基礎上結合遙感監測、在線監測技術手段開發多源監測體系，從而提供范圍更廣、精度更高、頻率更密的監測數據。②開展評估技術體系研究。確立評估技術指標尤其是針對溫排水的特殊性研究海洋生物（魚類、藻類、浮游和底棲生物等）熱影響、余氯影響指標，建立評估方法。③開展溫排水污染損害及生態補償機制研究，建立海洋生態系統補償方法。

4 結束語

濱海電廠溫排水排放對海洋生態環境造成的影響已日益引起社會關注，雖然許多專家和科研機構做過相當多的研究，但是隨著環境問題的嚴重，溫排水環境影響的研究還任重道遠。本研究僅對已有的研究成果進行了一些總結和歸納，這方面的更深入、科學的研究有待于進一步開展。

［1］ SCHREINER S P.Testing the CORMAX model using thermal plume data from four maryland power plants［J］.Environmental Modelling ＆Sonware，2002，17：321－331.

［2］SUH S W.A Hybrid near－field/far－field thermal discharge model for coastal areas［J］.Marine Pollution Bulletin，2001，43（7－12）：225－233.

［3］ 王麗霞.三維熱擴散預測模型［J］.青島海洋大學學報，1998，28（1）：29－35.

［4］ 金臘華，黃報遠.湛江電廠對周圍水域生態的影響分析［J］.生態科學，2003，22（2）：165－167.

［5］ 張穗，黃洪輝，陳浩如，等.大亞灣核電站余氯排放對鄰近海域環境的影響［J］.海洋環境科學，2000，19（2）：14－18.

［6］ 王極剛.華能丹東發電廠溫排水和灰水對近海海域水環境的影響［J］.遼寧城鄉環境科技，1998，18（6）：52－58.

［7］ 劉蘭芬，賀益英，潘荔.電廠余熱綜合利用研究評價：全國火電廠余熱利用情況調查報告［R］.北京：中國水利水電科學院電力環評中心，國電公司環保辦公室，1999.

［8］ 畢聞斌.濱海電廠溫排水管理研究［D］.青島：中國海洋大學，2008.

［9］ 楊純，傅龍泉，黃東濤.電廠溫排水受納水域傳熱與流動的數值計算［J］.上海電力學院學報，1995，11（2）：1－9.

［10］曾平，李玉成，趙文謙.帶自由表面三維非恒定紊流場的全場數值模擬［J］.水動力學研究與進展：A輯，1995（5）：501－509.

［11］ 遠航.青島電廠溫排水數值模擬研究［D］.青島：中國海洋大學，2004.

［12］ 張慧，孫英蘭，余靜.黃島電廠附近海域熱環境容量計算［J］.海洋環境科學，2009，28（4）：430－432.

［13］ 王麗霞，孫英蘭，田暉.熱擴散預測方法研究概況Ⅱ熱擴散的研究現狀［J］.海洋科學，1997（6）：16－17.

［14］ 盛連喜，王顯久，李多元，等.青島電廠卷載效應對浮游生物損傷研究［J］.東北師范大學報：自然科學版，1994（2）：83－89.

［15］ 盛連喜，侯文禮，趙國，等.電廠冷卻系統對梭幼魚和對蝦仔蝦卷載效應的初步探討［J］.環境科學學報，1994，14（1）：48－53.

［16］ 張燕，孫英蘭.電廠溫排水中余氯濃度預測［J］.海洋科學，2007，31（2）：5－8.

［17］ MATLICE J S，ZITTEL H E.Site－specific evaluation of power plant chlorination［J］.Journal Water Pollution Control Federation，1976，44（10）：2284－2308.

［18］ 金嵐.水域熱影響概論［M］.北京：高等教育出版社，1993.

2009年度海洋公益性行業科研專項資助項目（200905010－5）.