湛江灣電廠脫硫酸性廢水排放對海洋葉綠素影響研究

梁春林,陳春亮,孫省利,張際標

(1.廣東海洋大學 信息學院,廣東 湛江 524088;2.廣東海洋大學 海洋資源與環境監測中心,廣東 湛江 524088)

海水脫硫工藝已有40多年的發展歷程,廣泛應用于火力發電、煉鋁、煉油等工業爐窯的煙氣脫硫[1-2],其主原理是利用天然海水含有大量的可溶鹽并具有天然的酸堿緩沖能力來洗滌煙氣中的 SO2,達到凈化煙氣的目的[3]。然而,大量的SO2被海水吸收了后,經過復雜的物理和化學作用,被氧化成為穩定的,并使海水的 pH 降低[4-5]。因此,海水洗滌煙氣后排入大海是否會給海洋環境帶來二次污染,是否會對周邊海域的生態環境造成負面影響,越來越受到海洋研究者和有關管理部門的密切關注。在海水脫硫工藝實施前,必須定量分析脫硫酸性廢水排放對海洋環境的污染,預測其對海洋生態系統的影響,為煙氣海水脫硫工藝應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本文以湛江灣內東南角沿岸規劃建設的某電廠為研究對象,分析與預測其脫硫酸性廢水排放對海洋葉綠素的影響。該電廠擬規劃建設 2臺 350 MW摻燒煤氣的供熱機組,煙氣脫硫工藝擬將天然海水提升到脫硫吸收塔噴淋,沖洗煙氣后排入脫硫曝氣池,充分化學反應后溢流進入排水箱涵,再從循環水排放口排入湛江灣海域。煙氣海水脫硫工藝取、排水采用深取、淺排方案,取水口位于水深7 m處,排水口位于自由海面,脫硫酸性廢水排放流量為31.4 m3/s,pH排放限值執行不劣于三類海水水質標準(pH≥6.8)。電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水口緊靠海灣深槽和灣口,具體布設見圖1。

圖1 電廠位置Fig.1 Plant location

湛江灣位于我國大陸最南端的雷州半島,東臨南海,屬于半封閉的沉溺型港灣,素以天然深水港灣著稱,具有良好的水動力交換條件,受沿岸水影響較小。灣內主要有南三島、特呈島、東頭山島和東海島等島嶼,與外海相隔,形成掩護,風浪平靜,灣口位于南三島和東海島之間,寬約 2 km。水動力以潮汐作用為主,潮汐、潮流主要是太平洋潮波進入南海后形成,受附近海島和底摩擦影響,潮汐特征變得比較復雜,有明顯不正規半日潮特征,潮汐水道呈樹枝狀自南向北延伸至內陸。其水域面約190 km2,水深約 26～44 m,平均納潮量 6.3 億m3,最大達11.7 億m3,年平均潮差約2.17 m,最大潮差為5.45 m,年平均水溫24.l℃,年平均鹽度3.02%,年平均pH為8.0。

1.2 預測方法

海洋生態環境影響分析與預測,是對人類即將開發利用海洋資源可能導致的海洋生態響應進行分析和預測,并提出消除負面影響的技術措施和改善海洋生態環境的應對策略。研究方法可分為定性評價和定量預測兩種類型,其中以描述性的、定性的評價方法發展最為成熟,復雜的、定量的預測方法仍處研究探索階段,發展尚不成熟,方法選擇應依據研究的對象、評價的內容、預測的目的和要求進行綜合選擇。本文主要研究濱海電廠煙氣脫硫酸性廢水排放引起海水 pH變化可能對海洋葉綠素產生的影響,其預測方法適宜采用數值模擬研究。具體實施過程首先開展湛江灣海水 pH本底值的現狀調查和天然海水樣本采集;然后在實驗室模擬海水樣本的 pH變化,并定時監測海水樣本葉綠素濃度的變化,從監測結果建立葉綠素對 pH響應模型;最后應用ECOMSED海洋模式的水動力模塊和溶解示蹤物輸運模塊建立電廠煙氣脫硫酸性廢水擴散三維數值模型,模擬湛江灣海域的水動力過程和該電廠脫硫酸性廢水的時空輸移路徑,以及其引起海水pH變化的影響范圍,并依據pH模擬結果和葉綠素對pH響應模型,定量預測該電廠煙氣脫硫酸性廢水排放對海洋葉綠素的影響范圍和程度。

2 數學模型

2.1 脫硫酸性廢水擴散模型

電廠煙氣脫硫酸性廢水擴散三維數值模型基于ECOMSED海洋模式的水動力模塊和溶解示蹤物輸運模塊構建,ECOMSED海洋模式是較為成熟的淺海三維水動力學模式,基于靜力學假設和 Boussinesq近似的海洋封閉方程組,采用水平曲線正交網格和σ垂向坐標,可以應用模擬海洋和淡水系統中的水位、海流、波浪、溫度、鹽度、示蹤物以及沉積物的時空分布等,是一個集成化的海洋數值計算模式。該模式在我國沿海海域均有應用,例如苗慶生等[6]建立的象山港三維溫排水擴散數值模型,堵盤軍等[7]建立的杭州灣三維動邊界潮流模型,林建偉[8]建立的廈門灣三維動邊界潮流模型等。ECOMSED海洋模式的水動力連續方程見公式(1),雷諾平均動量方程見方程(2)、(3)和(4)狀態方程,在深度 z處的壓強見公式(5)。

式中,U、V分別為x、y方向流速,W為垂向流速,ρ0為海水參考密度,ρ為海水現場密度,g為重力加速度,P為壓強,科氏參數f通過β平面假設(f=f0+βy)引入,q為源(匯)單位面積的流量,源時 q取正值,匯時 q取負值,U*、V*為x、y方向的流速,Patm為大氣壓,AM為湍流動量混合的水平渦度擴散系數,KM為湍流動量混合的垂向渦度擴散系數。

電廠煙氣脫硫酸性廢水擴散 pH連續方程見公式(6),式中C為海水pH,CS為電廠煙氣脫硫酸性廢水pH,AH為溫鹽湍流混合的水平渦度擴散系數,KH為溫鹽湍流混合的垂向渦度擴散系數。

2.2 葉綠素對pH響應模型

海水葉綠素對 pH的響應模型基于實驗模擬建立,通過實驗室模擬海水樣本的pH變化,并長期、定時監測海水樣本葉綠素濃度變化,再從監測結果擬合葉綠素濃度對pH響應的數學模式求得。模擬試驗海水樣品采集于電廠附近海域,具體位置見圖 1,采集時間為2013年4月12日。試驗時,取約75 L海水樣品分別注入 6個敞口大玻璃缸,曝露于無太陽直曬的見光空氣環境,并利用鹽酸(AR)、氫氧化鈉(AR)和pH計對各缸海水樣品的pH進行測調,擬測調各缸初始pH 為6.7,7.0,7.3,7.6,7.9,8.2,實際調試的pH 分別為6.71,7.05,7.27,7.62,7.91,8.17。其中,為保證實驗過程不因營養鹽匱乏而引起葉綠素的額外變化,實驗中按 30 mol/L NaNO3、4 mol/L K2HPO3、20 mol/L Na2SiO3的比例添加到每個實驗缸中,以確保實驗過程營養鹽的充足供應。試驗環境溫度變化區間為 19～26℃,相對濕度變化區間為78%～95%,每天中午12:00時采集葉綠素樣品,采用分光光度法(紫外可見分光光度計)測定其濃度。持續8 d的連續監測,記錄葉綠素濃度對pH響應監測結果,把所有測得的葉綠素濃度數據進行匯總,并對pH作圖,具體結果如圖2所示。

圖2 葉綠素濃度對pH的響應模式Fig.2 Respond model of Chlorophyll to pH

由圖2可知,葉綠素濃度受pH影響較大,比較適宜葉綠素合成的pH區間為7.5～8.5,pH過高或過低均不利于葉綠素的合成。在所監測的 pH(6.7～8.8)范圍內,葉綠素濃度(y)隨pH(x)變化的趨勢可以用二次多項式函數表達,具體見公式(7),擬合相關系數R2= 0.715。

3 計算結果與分析

3.1 水動力數值計算

數值計算范圍經緯度坐標為20°0′12″～21°10′52″N 和 110°18′36″～110°36′0″E,電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水口坐標分別為(21°04′20.56″N,110°29′28.00″E)和 (21°04′24.45″N,110°29′51.75″E),海流觀測站 C1、C2、C3 坐標分別為(21°4′30″N,110°28′24″E)、(21°5′6″N,110°33′24″E)、(21°08′18″N,110°25′06″E),具體見圖 1。計算空間網格步長Δx=100 m,Δy=80 m;開邊界水位采用M2、S2、N2、K1、P1和 O1等 6個主要分潮調和常數計算;電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水流量均為31.4 m/s;海水水溫、鹽度取年平均值,分別為 24.l℃和 3.02%;灣內海水pH季節變化不明顯,初始值為8.02;水深數據取自中華人民共和國海事局出版的海圖資料,利用內插方法計算網格點水深。

水動力模型輸出對應時段(2011年 8月 24日10:00時～2011年8月26日12:00時)的模擬結果(流速、流向)與3個野外調查站觀測資料進行對比分析,具體見圖3。

由海流對比圖 3可知,各海流觀測點計算所得的流速、流向與觀測資料基本吻合,計算誤差較小,水動力模擬結果基本能反映湛江灣海域的漲、落潮流變化過程。電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水后,湛江灣海域大潮漲潮、落潮過程流場模擬結果見圖4。

數值計算結果顯示,湛江灣海域潮汐特征為不規則半日潮,大潮漲潮過程流速介于0.8 ～0.9 m/s之間,落潮過程流速在 1.1～1.2 m/s之間,落潮流速比漲潮流速大,表層流速比底層流速大,流向主要受到地形的限制。漲潮潮流自外海由灣口沿西北方向進入湛江灣,進入灣口后,主潮流折向西,沿南三島西航道西進,至石頭角航道與南三島航道的交匯處再轉向西北,落潮流向與漲潮流向相反,潮流基本沿灣內深槽往復流動。綜上所述,水動力數值計算結果與野外海流觀測資料相一致,其結果可以作為電廠脫硫酸性廢水擴散三維數值模擬的基礎。

3.2 pH數值計算

湛江灣水動力環境主要受潮汐作用,河流和沿岸水對其影響很小。依據水動力數值計算結果,聯合電廠煙氣脫硫酸性廢水擴散pH連續方程,求得脫硫酸性廢水擴散范圍及pH變化分布,數值計算結果見表1和圖5,其中表層、中層和底層分別表示水深值的10%、50%和80%。

由圖 5和表 1 可知,電廠脫硫酸性廢水排放引起海水 pH變化的空間影響范圍隨潮流流向呈帶狀分布,影響范圍窄而長,但排放口位于湛江灣口強流區,脫硫酸性廢水與海水的酸堿中和作用也相對較強,pH呈顯著變化(pH≤7.8)的影響范圍僅局限在廢水排放口附近。其中,大潮與小潮相比,大潮流速較大,與海水的混合比小潮充分,引起海水pH變化(pH≤7.9)的各層次面積都較小潮大;但由于采用自由表面排水方案,引起pH顯著變化(pH≤7.4)的表層面積較小潮小,在中層和底層,大潮與小潮的影響面積基本相等。同時,電廠脫硫酸性廢水排放引起表層海水pH變化率最大,中層海水pH變化率次之,底層海水pH變化率最小,pH≤6.8的區域主要集中在表層。綜上所述,電廠脫硫酸性廢水排放引起海水pH變化的程度與影響范圍均取決于附近海域潮流流速的大小,潮流流速大,pH變化的空間影響范圍大,但pH變化率較小;潮流流速小,pH變化的空間影響范圍小,但pH變化率較大。

圖3 海流實測與計算值比較Fig.3 Comparison of actual measurement and calculated values of tide

圖4 大潮漲、落潮過程流場Fig.4 Flow distribution chart of rising and falling tide

表1 大潮、小潮pH變化范圍Tab.1 Affecting area of pH changes of spring and neap tide

3.3 葉綠素影響預測

依據pH數值計算結果和葉綠素濃度對pH響應方程公式(7),可求得電廠脫硫酸性廢水排放引起湛江灣海域葉綠素濃度變化的極端影響范圍,具體見表2。其中,湛江灣海域面積約190 km2,海水pH本底值為8.02;全潮(包括大潮和小潮)極端影響范圍是指同一網格點按照最低pH計算;設y為自然條件下海水葉綠素濃度,Δy為電廠脫硫酸性廢水排放引起海水葉綠素濃度變化值,葉綠素濃度變化率 δ＝100×Δy /y。

由表 2可知,電廠脫硫酸性廢水排放對湛江灣海域葉綠素濃度存在明顯的影響,其中導致葉綠素濃度下降超過1.0%的全潮極端影響面積為16.10 km2,而引起葉綠素濃度增加超過1.0%的全潮極端影響面積為2.18 km2,分別占湛江灣海域面積的8.47%和1.15%。同時,依據葉綠素濃度對pH響應模式,具體見圖2,當海水pH=7.9時,葉綠素濃度對pH響應曲線存在極大值點,即pH對海水葉綠素濃度的正、負影響并存。可見,電廠脫硫酸性廢水排放對葉綠素濃度的影響由海水pH本底值和酸性廢水pH排放限值共同決定,當海水pH本底值大于 7.9時,酸性廢水排放對葉綠素濃度的增加呈積極作用;當海水pH本底值小于7.9時,酸性廢水排放對葉綠素濃度的增加呈消極作用;但是葉綠素濃度的變化率直接受酸性廢水 pH排放限值控制。

表2 全潮葉綠素極端影響范圍Tab.2 Affecting area of chlorophyll

圖5 大潮、小潮pH等值線Fig.5 The contours of pH of spring and neap tide

4 結束語

海水資源豐富,綜合開發利用海水資源服務社會、經濟可持續發展一直是研究的熱點[9]。而電廠脫硫酸性廢水直排入海既改變了海水的化學特性,又可能影響海洋生態系統健康,相對于物理模型而言,數值模擬具有更高的經濟效益和易用價值[10]。本文以湛江灣內規劃建設的某電廠為例,基于海洋水動力模型,聯合水質模型和葉綠素濃度對pH的響應模式預測電廠脫硫酸性廢水排放引起海水 pH的變化分布及其對湛江灣葉綠素濃度的影響。預測結果表明,電廠脫硫酸性廢水排放導致湛江灣葉綠素濃度下降超過1.0%的全潮極端影響面積為16.10 km2,而引起葉綠素濃度增加超過1.0%的全潮極端影響面積為 2.18 km2,分別占湛江灣海域面積的 8.47%和1.15%,負面影響大于正面影響。該預測模型以廣泛應用的ECOMSED海洋模式為基礎,更有實驗室監測數據為依據,體現出預測模型建模的科學性和可靠性,對海洋經濟發展、海洋環境治理等有著重要的意義。

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