溫排水對海域水環(huán)境價值量的影響計算——以象山港國華寧海電廠為例

費(fèi)岳軍，趙江艷，陳昞睿

（1.國家海洋局東海預(yù)報中心，上海 200081；2.海洋赤潮災(zāi)害立體監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用國家海洋局重點實驗室，上海 200080）

我國沿海岸線建設(shè)的火力發(fā)電廠、核電廠一般采用海水來進(jìn)行冷卻，由電廠排入海域且其溫度比周圍海水溫度高的海水即為溫排水[1]。海域中排入大量溫排水后，將使受納水體溫度升高，擾亂水體原有的溫度分布狀況，出現(xiàn)質(zhì)量、能量的遞變和重新分配，對水域的水質(zhì)和生態(tài)都將產(chǎn)生影響。因此，電廠溫排水對海域環(huán)境的影響已經(jīng)引起了人們普遍關(guān)注。

濱海電廠溫排水熱污染擴(kuò)散范圍數(shù)值模擬研究、熱污染引起的海域環(huán)境容量變化及生態(tài)補(bǔ)償技術(shù)研究已成為濱海電廠溫排水污染影響研究的重要科學(xué)問題。以往濱海電廠建設(shè)項目的生態(tài)補(bǔ)償實踐，多數(shù)情況僅僅統(tǒng)計漁業(yè)捕獲物和生物資源受損情況，通過收益還原法、凈價格法計算海洋水產(chǎn)資源耗減價值[2]，很少考慮電廠在經(jīng)濟(jì)活動過程中由水環(huán)境提供服務(wù)而形成的環(huán)境成本，也就是海域水環(huán)境由于容納溫排水而使其功能下降的價值。而若要系統(tǒng)考慮電廠溫排水對海域生態(tài)環(huán)境之影響，必須將水環(huán)境資源的價值損失貨幣化，使之納入整個補(bǔ)償政策的成本效益分析之中[3-4]。故此，進(jìn)行海域水環(huán)境價值量的損失評估是亟待解決的新問題。

海洋水環(huán)境價值量的損失是生態(tài)損害的一種綜合表現(xiàn)。一方面，對于污染損害事件中直接排放污染物，表現(xiàn)為由于直接排放的污染物而導(dǎo)致海域水動力、地形地貌等水體環(huán)境的改變，進(jìn)而影響原有水體所能提供的服務(wù)功能；另一方面，污染損害事件中由直接排放污染物導(dǎo)致水體其它環(huán)境指標(biāo)因子發(fā)生變化，增加了海域的污染負(fù)荷，必然導(dǎo)致該海域需要通過消減區(qū)域的污染物排放量，以保證海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康，而導(dǎo)致區(qū)域環(huán)境成本的增加[5]。而對于濱海電廠溫排水而言，水體中的溫升（ΔT）是溫排水海域水環(huán)境的主要特征污染因子，COD、氮、磷等其他水質(zhì)指標(biāo)可作為次生污染因子考慮[6]。由此，濱海電廠溫排水帶來的水環(huán)境價值量的損失可由溫升產(chǎn)生的直接損失和水質(zhì)指標(biāo)變化產(chǎn)生的間接損失兩部分構(gòu)成。

本文將以浙江象山港國華寧海電廠為案例，通過數(shù)值模型計算溫排水溫升擴(kuò)散范圍，提出熱污染所致海域溫升總量的概念，在此基礎(chǔ)上計算濱海電廠溫排水直接及間接海域水環(huán)境價值量，對濱海電廠溫排水對鄰近海域環(huán)境的影響作出評估。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

象山港位于浙江省北部沿海，北面緊靠杭州灣，南鄰三門灣，東側(cè)為舟山群島，東口外有六橫等眾多島嶼為屏障，是一個狹長的、亞熱帶半封閉型海灣。地理坐標(biāo) 29°24’-29°48’N，121°23’-122°03’E，縱深 60 km，口門寬約20 km，水深7～8 m；中部窄而深，20 m深槽主要位于中部。港內(nèi)建有2個電廠，為國華寧?；痣姀S和烏沙山火電廠。

國華寧海浙能發(fā)電廠位于象山港底部，一期工程由4×600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組組成，二期為2臺1 000 MW超臨界燃煤抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組組成，采用二次循環(huán)模式進(jìn)行冷卻。溫排水排放規(guī)模為夏季80 m3/s，冬季40 m3/s。其海水交換周期較長，海水溫升、水質(zhì)的影響將更為顯著。且其2009年年底投產(chǎn)的二期工程采用先進(jìn)的二次循環(huán)模式進(jìn)行冷卻，工藝先進(jìn)，也是在建及擬建濱海電廠采取的主流工藝，較具代表性。故綜合上述因素，本文選取國華寧海電廠為研究對象（圖1）。

1.2 溫排海域水質(zhì)概況

圖1 象山港國華寧海電廠位置示意圖Fig.1 Schematic position of Guohua and Wushashan power plant in Xiangshan harbor

利用寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站2004-2010年對電廠前沿海域海洋環(huán)境跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)，對國華寧海電廠溫排水對水質(zhì)的影響進(jìn)行比對分析，確定國華寧海電廠前沿海域溫排水對水質(zhì)的影響程度。每年度監(jiān)測分夏、冬兩季進(jìn)行，每季開展大、小潮監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括水文、水溫、化學(xué)及生態(tài)，其中水質(zhì)站位6個。監(jiān)測站位圖如圖2。

監(jiān)測結(jié)果表明，國華寧海電廠附近海域水質(zhì)主要污染因子為營養(yǎng)鹽，水體呈富營養(yǎng)化，除無機(jī)氮、磷酸鹽超二類標(biāo)準(zhǔn)外，其余指標(biāo)均符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。海域水質(zhì)因子各項指標(biāo)均在一定范圍內(nèi)波動，變化值不大。表明若控制一定量的排放水平，電廠溫排水對鄰近海域的水質(zhì)不會造成明顯污染，可不作為水環(huán)境價值量的主要貢獻(xiàn)因子考慮。為較為系統(tǒng)地開展溫排水鄰近海域水環(huán)境價值量的理論研究和定量分析，根據(jù)跟蹤監(jiān)測評價結(jié)果，選取COD、無機(jī)氮、磷酸鹽等3項指標(biāo)并統(tǒng)計其平均濃度的變化情況。

選取電廠運(yùn)營前的2004年冬季和2005年夏季監(jiān)測值為本底，以2010年為電廠運(yùn)行影響計算截止年。上述3種水質(zhì)指標(biāo)的變化情況見表1和表2。

圖2 國華寧海電廠廠址前沿水環(huán)境專題研究站位圖Fig.2 Positon of monitoring stations of sea area in front of Guohua power plant

表1 夏季航次主要水質(zhì)影響因子平均濃度變化表Tab.1 Average concentration of main water quality factors in summer

表2 冬季航次主要水質(zhì)影響因子平均濃度變化表Tab.2 Average concentration of main water quality factors in winter

1.3 溫升總量計算方法

電廠溫排水持續(xù)排放至海水中，造成象山港海域整體的溫升，而溫升可通過海氣之間的熱交換和港口與外海之間的水體交換向外釋放，使得溫升在一定程度后達(dá)到新的平衡。采用三維FVCOM數(shù)值模式，建立象山港海域水動力數(shù)值模式，以計算溫升變化。模式垂向分為均勻的9層。模式采用的網(wǎng)格范圍包括象山港及其外部海域，水位開邊界位置避開了海島以防止邊界效應(yīng)。網(wǎng)格在象山港海域作了局部加密，在國華寧海電廠附近的網(wǎng)格密度加大（圖3，圖4），最小網(wǎng)格的邊長約15 m。

圖3 象山港海域的網(wǎng)格Fig.3 Refined grid in Xiangshan harbor

圖4 國華寧海電廠附近的網(wǎng)格Fig.4 Grid of sea area nearby power plant

采用率定驗證后的象山港海域FVCOM三維數(shù)值模式，分別對夏季及冬季國華寧海電廠溫排水的影響進(jìn)行模擬。數(shù)值試驗將烏沙山電廠排放源屏蔽，僅考慮國華寧海電廠排放。夏季計算時間為2010年7月1日-2010年9月20日，共81天，根據(jù)象山港夏季特征設(shè)置南風(fēng)4 m/s。溫度初始場取自海洋圖集夏季7月多年月平均的結(jié)果；冬季計算時間為2010年12月1日-2011年3月2日，共91 d，風(fēng)速根據(jù)冬季特征設(shè)為北風(fēng)5 m/s。溫度初始場取自海洋圖集冬季12月多年月平均的結(jié)果。鹽度初始場均取25均勻場。

在模式計算期間，背景溫度場隨溫排水排放而不斷抬高，溫升超過1℃或4℃的體積始終無法趨近一個相對穩(wěn)定的值，而是隨大小潮等因素不斷大幅波動，難以用來判斷溫升是否達(dá)到平衡[7]。故本文提出溫升總量概念，即統(tǒng)計象山港內(nèi)單位體積的溫升在總體積上的積分，以說明電廠溫排水所造成溫升的實際影響。將象山港內(nèi)每個三維網(wǎng)格的體積乘以溫升并累加，得到象山港內(nèi)溫升總量P（m3·℃）。

其中i為水平網(wǎng)格編號，k為垂向網(wǎng)格編號，vol為三維網(wǎng)格體積，art為水平網(wǎng)格面積，d為總水深，dz為垂向網(wǎng)格分層比例，Δt為網(wǎng)格內(nèi)平均溫升。象山港內(nèi)的溫升總量統(tǒng)計范圍為圖5中藍(lán)色區(qū)域。

1.4 水環(huán)境價值量損失計算方法

1.4.1 直接水環(huán)境價值量損失計算

溫升是溫排水直接導(dǎo)致的影響，國華寧海電廠溫度升高的水環(huán)境價值量損失計算，由電廠溫排水口及鄰近海域數(shù)值模擬來確定溫升總量，以維持溫升總量而進(jìn)行熱量輸入的成本為評估價值。

直接水環(huán)境價值量損失的具體方法如下：

式中：

MT——溫升造成的直接水環(huán)境價值量損失，單位為元；

C——水體比熱容，取1×103cal/(kg·℃)；

ρ——調(diào)查海域水體的平均密度，取1.025×103kg/m3；

P——溫升總量，單位為m3·℃；

v——煤的單價，單位為元/kg（工業(yè)煤為0.44元/kg）；

q——煤的熱值（工業(yè)煤的熱值粗略估算為7×106cal/kg）。

圖5 象山港溫升總量統(tǒng)計區(qū)域范圍Fig.5 Statistical area of total amount of temperature rise

1.4.2 間接水環(huán)境價值量損失計算

國華寧海電廠前沿海域主要水質(zhì)因子COD、無機(jī)氮、磷酸鹽均在一定范圍內(nèi)小幅波動。根據(jù)現(xiàn)行有效的寧波市海洋功能區(qū)劃，該海域的主要功能為漁業(yè)資源利用和養(yǎng)護(hù)區(qū)，水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)為二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，故將國際上公認(rèn)的可能使水體的各物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較明顯改變1℃升溫水域作為受影響海域的水體體積，通過求取水質(zhì)各因子變化總量，并參照水質(zhì)污染收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)確定計算間接水環(huán)境價值量損失。

可依據(jù)下式進(jìn)行計算：

式中：

H——間接水環(huán)境價值量損失，單位為元；

V——受影響海域的水體體積（1℃升溫水域），單位為立方米（m3）；

Csi——溫排水影響海域第i類主要水質(zhì)因子的濃度，單位為毫克每升（mg/L）；

Cii——第i類主要水質(zhì)因子的背景濃度，單位為毫克每升（mg/L）；

Wi——第i類水質(zhì)因子排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，單位為元/kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫排水溫升總量預(yù)測結(jié)果

2.1.1 夏季溫升分布和溫升總量統(tǒng)計

國華電廠夏季的連續(xù)溫排放的累積效應(yīng)顯著，1℃的溫升范圍在象山港內(nèi)面積過半，超過2℃的溫升范圍集中在電廠排放口周圍（圖6），且主要分布在表層，漲落急時刻分別向上下游擴(kuò)展。

根據(jù)式（1）統(tǒng)計象山港內(nèi)夏季溫升總量P，觀察其隨時間的變化。溫升總量在模式開始幾天呈幾乎線性增長，隨著時間的推移，在模式60～80 d時已基本達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，溫升總量不再進(jìn)一步增長（圖7）。統(tǒng)計模式66～81 d時間段中的平均值，國華電廠溫排水排放導(dǎo)致的溫升總量為15.6億(m3·℃)，統(tǒng)計1℃以上溫升的體積，約3.0億(m3)。

圖6 象山港內(nèi)夏季落急（左）和漲急（右）時刻國華電廠溫排放的表層溫升分布圖Fig.6 Surface temperature rise field in summer nearby Guohuaninghai Power Plant in Xiangshan harbor(ebb fast moment:left,flood fast moment:right)

2.1.2 冬季溫升分布和溫升總量統(tǒng)計

冬季國華寧海電廠附近溫升擴(kuò)展范圍比夏季顯著減小，與其排放量較夏季減小一半有關(guān)。漲急時溫升范圍向上游擴(kuò)展，落急時向下游擴(kuò)展。由圖8可知，0.5℃左右的溫升主要分布在電廠附近，而1℃等值線增大范圍很小，說明溫排水的持續(xù)排放使得局部海域產(chǎn)生了一定的增溫，但比夏季弱。漲落急時溫升范圍仍然分別向上下游擴(kuò)展，但形態(tài)略有不同。

統(tǒng)計象山港內(nèi)的溫升總量，觀察其隨時間的變化（圖9）。溫升總量在模式開始幾天呈幾乎線性增長，電廠溫排水不斷向水體注入溫升。隨著時間的推移，溫排水對水體的增溫與水體向大氣和港外的散熱逐漸找到新的平衡，在模式70～90 d時已基本達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，溫升總量不再進(jìn)一步增長。統(tǒng)計模式76～91 d時間段中的平均值，國華電廠溫排放的溫升總量達(dá)到6.0億（m3·℃），溫升總量平衡后，統(tǒng)計1℃以上溫升的體積，約1 000萬(m3)，比夏季少很多，可見排放量縮減一半將大幅減少1℃溫升的擴(kuò)展范圍。

圖7 夏季溫升總量隨時間變化Fig.7 The total amount of temperature rise changed with time in summer

圖8 象山港內(nèi)冬季落急（左）和漲急（右）時刻國華電廠溫排放的表層溫升分布圖Fig.8 Surface temperature rise field in winter nearby Guohuaninghai power plant in Xiangshan harbor(ebb fast moment:left,flood fast moment:right)

2.2 海域水環(huán)境價值量損失計算結(jié)果

2.2.1 直接水環(huán)境價值量損失區(qū)間

根據(jù)式（2）可分別計算出象山港國華寧海電廠夏季、冬季電廠溫排水導(dǎo)致的溫升價值損失區(qū)間值，見表3。

圖9 冬季溫升總量隨時間變化Fig.9 The total amount of temperature rise changed with time in winter

表3 夏、冬兩季溫升價值損失估算Tab.3 Monetary evaluation of temperature rise in summer and winter

2.2.2 間接水環(huán)境價值量損失區(qū)間

采用《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行水質(zhì)因子排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的計算，見表4。

表4 主要水質(zhì)因子排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)(元/kg)Tab.4 Charge standard of main water quality factors(unit:yuan/kg)

根據(jù)式（3），分別求取主要水質(zhì)因子COD、無機(jī)氮、磷酸鹽的水環(huán)境價值量損失，計算出象山港國華寧海電廠夏季、冬季電廠溫排水導(dǎo)致的間接水環(huán)境價值量損失區(qū)間值，見表5。

表5 夏、冬兩季間接水環(huán)境價值量損失估算Tab.5 Indirect monetary evaluation of environmental capacity in summer and winter

根據(jù)計算結(jié)果可知，國華寧海電廠溫排水排放造成的間接水環(huán)境價值量損失夏季為96 188元，冬季為530元。相較直接水環(huán)境價值量損失值，其間接環(huán)水環(huán)境價值量損失可以忽略。

3 結(jié)語

本文以位于浙江省寧波象山港底部的國華寧海電廠作為研究模型，基于三維溫排水輸運(yùn)模型FVCOM基于三維高分辨率精細(xì)化水動力模型系統(tǒng)，細(xì)致刻畫出溫排水的溫升擴(kuò)散范圍，并在此基礎(chǔ)上提出熱污染所致海域溫升總量的概念，計算國華寧海電廠溫排水造成的象山港內(nèi)的溫升總量，開展濱海電廠溫排水對鄰近海域水環(huán)境價值量損失研究。濱海電廠溫排水導(dǎo)致水環(huán)境價值量損失，由特征污染因子——溫升而引發(fā)的直接價值量損失，以及次生污染因子——水質(zhì)主要指標(biāo)變化而產(chǎn)生的間接價值量損失兩部分組成。直接價值量損失以維持溫升總量而進(jìn)行熱量輸入的成本為評估價值，間接價值量損失以水質(zhì)主要因子變化總量并參照水質(zhì)污染收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)確定其值。通過計算，國華寧海電廠水環(huán)境價值量損失區(qū)間為38 657 461～100 508 571元，以熱污染排放形成的直接水環(huán)境價值量損失為主。

由于濱海電廠溫排水海域水質(zhì)污染治理的虛擬性，為計算方便，用維持溫升總量而進(jìn)行熱量輸入的成本，來替代溫排水熱污染的恢復(fù)成本的方法仍有待探討。水環(huán)境價值量損失值計算時只考慮恢復(fù)費(fèi)用，而未包括海域環(huán)境質(zhì)量復(fù)原后所形成的增加效益。本文用每個三維網(wǎng)格的體積乘以溫升并累加得到溫排海域溫升總量的概念，以及從溫升引發(fā)的直接價值量損失及水質(zhì)指標(biāo)變化產(chǎn)生的間接價值量損失兩方面定量求取的國華寧海電廠溫排水海域水環(huán)境價值量損失區(qū)間，均帶有探索性質(zhì)，尚需更深的理論研究和實踐應(yīng)用。

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