青島濱海電廠溫排水對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響研究現(xiàn)狀＊

鄭 琳，張愛(ài)君，曲 亮，袁 媛

（1.國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；2.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033）

青島濱海電廠溫排水對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響研究現(xiàn)狀＊

鄭 琳1，2，張愛(ài)君1，2，曲 亮1，2，袁 媛1，2

（1.國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033；2.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033）

隨著濱海電廠的迅速發(fā)展，電廠溫排水排放對(duì)鄰近海域的生態(tài)環(huán)境影響越來(lái)越受到人們的關(guān)注。文章概括了青島電廠溫排水?dāng)?shù)值模擬現(xiàn)狀、溫排水排放對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響方面的一些研究成果，并提出了存在的問(wèn)題和今后應(yīng)關(guān)注的研究方向。

青島濱海電廠；溫排水；環(huán)境影響

近年來(lái)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(wèn)題逐漸突出。水體溫度升高會(huì)引起水中溶解氧含量降低，影響魚(yú)類和其他水生生物的生存和繁殖，還會(huì)帶來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)惡化等環(huán)境問(wèn)題。不少專家預(yù)言，海洋熱污染將成為21世紀(jì)危害最大的污染類型之一。青島市是我國(guó)重要的沿海開(kāi)放城市之一，地處黃海之濱，環(huán)抱膠州灣，擁有青島發(fā)電廠、山東黃島發(fā)電廠和在建的華電膠南發(fā)電廠3座濱海電廠。濱海電廠溫排水對(duì)受納水體生態(tài)環(huán)境造成的影響，一直是電廠建設(shè)及海洋環(huán)境保護(hù)工作需要密切關(guān)注的問(wèn)題，也是海洋管理工作者研究的一個(gè)重要內(nèi)容。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于濱海電廠溫排水對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響的研究主要集中在4個(gè)方面：一是對(duì)溫排水排放水域進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，并對(duì)海域熱環(huán)境容量、余氯衰減等進(jìn)行計(jì)算［1－3］；二是根據(jù)實(shí)際調(diào)查資料，分析電廠溫排水引起的周圍海域水質(zhì)、沉積物、生物群落、漁業(yè)資源等方面的變化［4］；三是在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，定性分析溫排水對(duì)水生生態(tài)的影響［5－6］；四是濱海電廠溫排水管理即排放標(biāo)準(zhǔn)、政策法規(guī)、余熱利用等方面的研究［7－8］。青島濱海電廠溫排水環(huán)境影響研究主要集中在數(shù)值模擬分析及其環(huán)境容量、電廠的卷載效應(yīng)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(huán)境影響研究現(xiàn)狀

1.1 數(shù)值模擬

關(guān)于電廠溫排水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的早期研究基本局限于簡(jiǎn)單情況下的分析求解或用物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，二者基本上是分開(kāi)進(jìn)行的。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，人們開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)向較為經(jīng)濟(jì)的數(shù)值模擬技術(shù)，并且致力于能同時(shí)模擬和預(yù)測(cè)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的混合模型，主要包括二維和三維兩種熱擴(kuò)散模型［9］。二維模型以平面二維淺水方程、二維溫度對(duì)流擴(kuò)散方程為基礎(chǔ)建立起來(lái)的二維溫度場(chǎng)和水動(dòng)力場(chǎng)禍合求解的溫排水模型應(yīng)用最為廣泛。溫排水二維熱擴(kuò)散的預(yù)測(cè)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(shí)，必須利用三維熱擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型進(jìn)行模擬溫排水排入受納水體后的流速場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化情況［10］。三維數(shù)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(guó)缺乏自行開(kāi)發(fā)的、國(guó)際上影響較大的三維水動(dòng)力數(shù)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(duì)模型內(nèi)在機(jī)理的了解，難以對(duì)模型提出突破性的改進(jìn)。

對(duì)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(shù)值模型對(duì)溫排水的溫升擴(kuò)散范圍進(jìn)行模擬可以得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，如遠(yuǎn)航采用平面二維ADI（alternating direction implicit）數(shù)學(xué)模型對(duì)膠州灣黃島電廠溫排水溫升范圍進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確［11］。張慧在二維潮流數(shù)值模型的基礎(chǔ)上建立熱擴(kuò)散模型，計(jì)算了黃島電廠附近海域的熱環(huán)境容量［12］。三維模擬主要是王麗霞介紹的三維熱擴(kuò)散模型，該模型在一階湍流封閉理論的基礎(chǔ)上引入計(jì)算網(wǎng)格無(wú)法分辨的次網(wǎng)格能量密度，同時(shí)考慮了熱鹽的空間變化，計(jì)算出質(zhì)量、動(dòng)量和熱量平衡方程中的湍粘性和湍擴(kuò)散系數(shù)，并將該模型成功地應(yīng)用于青島市黃島發(fā)電廠溫排水工程［13］。

1.2 電廠的卷載效應(yīng)對(duì)海洋生態(tài)的影響

電廠的卷載效應(yīng)是指電廠取排水過(guò)程中對(duì)于水中能通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)系統(tǒng)而進(jìn)入冷凝器的小型浮游生物、卵、大型生物及魚(yú)類幼體所造成的損害，它主要包括系統(tǒng)內(nèi)的瞬時(shí)高溫沖擊、機(jī)械損傷、在一些電廠還應(yīng)包括為防止管道堵塞而人為投放殺蟲(chóng)劑的化學(xué)因素的危害。

盛連喜等開(kāi)展了青島電廠卷載效應(yīng)對(duì)浮游生物、對(duì)蝦仔蝦、梭幼魚(yú)的損傷和危害的研究，結(jié)果表明：青島電廠的卷載效應(yīng)主要是冷卻水系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力和高溫沖擊的作用結(jié)果，電廠進(jìn)出口水溫溫升多不超過(guò)10℃，所以卷載效應(yīng)以機(jī)械應(yīng)力為主。卷載致死率和生物的密度、體長(zhǎng)及形態(tài)特征有關(guān)。卷載生物受沖擊時(shí)間越長(zhǎng)，增溫幅度越大，對(duì)生物的致死率越高。同時(shí)電廠二次濾網(wǎng)孔徑以及系統(tǒng)內(nèi)水的流速等也對(duì)卷載效應(yīng)的危害有影響。青島電廠卷載效應(yīng)對(duì)梭幼魚(yú)的致死率為63.4%～78.7%，對(duì)仔蝦的致死率約為28%～67%，蝦類比魚(yú)類更容易受到機(jī)械應(yīng)力的損傷。浮游藻類受損率為11.98%～27.08%，浮游動(dòng)物的受損率為31%～90%，受損傷最重的類群是橈足類和無(wú)節(jié)幼蟲(chóng)。受損傷后恢復(fù)最快的是原生動(dòng)物，最慢的是橈足類［14－15］。

1.3 余氯對(duì)海洋生態(tài)的影響

電廠運(yùn)行過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)水生生物附著生長(zhǎng)，這一現(xiàn)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(chóng)等大型生物引起的管道系統(tǒng)和排水渠的阻塞；另一類是由細(xì)菌和真菌等微生物生長(zhǎng)形成的生物膜，兩類生物污損相互聯(lián)系，影響冷卻效果甚至堵塞冷卻系統(tǒng)。因此，電廠定時(shí)向循環(huán)冷卻水中加入一定量的物質(zhì)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(duì)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(duì)受納水體的生態(tài)環(huán)境造成影響。張燕等人利用有限元分步雜交方法對(duì)膠州灣潮流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，確立了余氯衰減系數(shù)為0.69，建立了膠州灣余氯的二維輸運(yùn)－擴(kuò)散模型，對(duì)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(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)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(nèi)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(duì)浮游植物光合作用和呼吸作用有抑制，初級(jí)生產(chǎn)力下降。Matlice和Zitlel根據(jù)大量的研究［17］，推導(dǎo)出對(duì)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(duì)水生生物沒(méi)有毒性作用，為海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了一定的依據(jù)。

2 溫升對(duì)海洋生態(tài)影響的研究現(xiàn)狀

溫度是影響水生生物生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖的重要因子之一，直接關(guān)系著水生生物數(shù)量的變動(dòng)。從20世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外專家就已開(kāi)展了一些關(guān)于水溫升高對(duì)浮游生物、底棲動(dòng)物、魚(yú)類等的影響研究，電廠溫排水使受納水體增溫后，會(huì)對(duì)水生生物的數(shù)量、種類組成和群落結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生一定的影響。

在增溫水體中：在春季溫度場(chǎng)弱增溫區(qū)（△T≤3℃）水生生物生物量最高，是自然水溫區(qū)生物量的1.3倍；而冬季的浮游動(dòng)物生物量是自然水溫區(qū)生物量的2.4倍。從水生生物的種類來(lái)看，當(dāng)水體適度增溫時(shí)（△T≤3℃），群落中的種類數(shù)明顯增加，其中浮游植物的種類數(shù)平均增加50%，浮游動(dòng)物種類數(shù)平均增加76%，底棲動(dòng)物的種類數(shù)可增加40%。尤其是在水溫較低的春秋季節(jié)、冬季表現(xiàn)得更加明顯。但在水體強(qiáng)增溫時(shí)（△T＞3℃），水生生物群落中種類開(kāi)始減少，尤其是在夏季自然水溫較高時(shí)在強(qiáng)增溫區(qū)內(nèi)，亦即水溫超過(guò)35℃時(shí)，浮游動(dòng)物的種類和數(shù)量都會(huì)減少［4］。長(zhǎng)久的溫升會(huì)使群落中的種類組成發(fā)生相應(yīng)的變化：一些耐溫性或喜溫性的種類，如藍(lán)藻、綠藻、裸藻、原生動(dòng)物、輪蟲(chóng)、軟體動(dòng)物和寡毛類的種類數(shù)在群落中所占的比例開(kāi)始增加；而群落中一些喜低溫的種類相對(duì)減少，其中表現(xiàn)比較明顯的有硅藻、金藻、橈足類以及一些水棲昆蟲(chóng)等。在夏季，溫排水的熱效應(yīng)的影響較大，會(huì)使某些藻類暫時(shí)消失，使海區(qū)浮游植物基本的種類組成發(fā)生改變。溫排水引起的增溫也會(huì)引起群落中種類和數(shù)量的變化，熱污染水域海洋植物與正常水體環(huán)境植物對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷卻水改變了底棲海藻的群落結(jié)構(gòu)，大量種群消失，而刺松藻等個(gè)別海藻的生物量卻提高了［18］。溫排水對(duì)水生生物還產(chǎn)生溫度脅迫效應(yīng)即當(dāng)水體溫度升高或降低時(shí)，水生生物不能適應(yīng)外界熱效應(yīng)和冷沖擊的溫度變化而受到損害。

目前對(duì)青島電廠溫排水對(duì)海洋生物種群、數(shù)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(kāi)展濱海電廠溫排水對(duì)膠州灣內(nèi)生物群落組成、結(jié)構(gòu)和生態(tài)演替影響研究。

3 今后需要開(kāi)展的工作

3.1 溫排水管理研究

目前我國(guó)尚沒(méi)有針對(duì)溫排水制定相關(guān)的水溫環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有制定溫排水排放的規(guī)范，現(xiàn)行的水質(zhì)評(píng)價(jià)體系中部分涉及水溫的規(guī)定，但也十分籠統(tǒng)。因此，在確定取排水口位置、溫排水排放強(qiáng)度的環(huán)境可行性等方面缺少依據(jù)。研究和制定適應(yīng)火、核電廠溫排放的水溫控制和規(guī)定，完善我國(guó)的溫排水管理體系已是當(dāng)務(wù)之急。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，近年來(lái)在同一大水域上共建數(shù)座大型（數(shù)百萬(wàn)級(jí)）電廠的現(xiàn)象已不鮮見(jiàn)。開(kāi)展溫排水排放的整體規(guī)劃研究，以大水域統(tǒng)籌規(guī)劃為基礎(chǔ)，科學(xué)評(píng)估水域整體承載能力，合理布局同一流域內(nèi)取、排水口的位置已經(jīng)成為我國(guó)溫排水管理研究中亟須開(kāi)展的新方向。

3.2 溫排水混合區(qū)關(guān)鍵控制參數(shù)研究

由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的熱污染控制標(biāo)準(zhǔn)體系中的混合區(qū)參數(shù)不明確、可執(zhí)行性不強(qiáng)，所以在和國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于溫排水混合區(qū)的若干關(guān)鍵控制參數(shù)的規(guī)定作對(duì)比的情況下，今后需要開(kāi)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(qū)邊緣的溫升限值；③確定溫排水混合區(qū)的范圍。

3.3 溫排水環(huán)境影響評(píng)估技術(shù)的研究

由于缺少溫排水評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方法，目前國(guó)內(nèi)溫排水環(huán)境影響研究大多停留在定性的基礎(chǔ)上，隨著濱海電廠的飛速發(fā)展，溫排水對(duì)海域造成怎樣的影響，是否產(chǎn)生污染和損害都將是今后海洋管理工作中的重要工作內(nèi)容。因此，需要建立溫排水環(huán)境影響及其生態(tài)損害技術(shù)體系：①開(kāi)展溫排水監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。隨著海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的不斷完善，溫排水監(jiān)測(cè)應(yīng)在常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)手段開(kāi)發(fā)多源監(jiān)測(cè)體系，從而提供范圍更廣、精度更高、頻率更密的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。②開(kāi)展評(píng)估技術(shù)體系研究。確立評(píng)估技術(shù)指標(biāo)尤其是針對(duì)溫排水的特殊性研究海洋生物（魚(yú)類、藻類、浮游和底棲生物等）熱影響、余氯影響指標(biāo)，建立評(píng)估方法。③開(kāi)展溫排水污染損害及生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究，建立海洋生態(tài)系統(tǒng)補(bǔ)償方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

濱海電廠溫排水排放對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成的影響已日益引起社會(huì)關(guān)注，雖然許多專家和科研機(jī)構(gòu)做過(guò)相當(dāng)多的研究，但是隨著環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重，溫排水環(huán)境影響的研究還任重道遠(yuǎn)。本研究?jī)H對(duì)已有的研究成果進(jìn)行了一些總結(jié)和歸納，這方面的更深入、科學(xué)的研究有待于進(jìn)一步開(kāi)展。

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2009年度海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（200905010－5）.