海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)研究＊

李運(yùn)平，尹建華，張 琦

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

1 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋是生命的搖籃和資源的寶庫，是全球生命支持系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。隨著沿海社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和淡水資源危機(jī)的不斷加劇，海水冷卻技術(shù)已成為緩解沿海地區(qū)淡水資源緊缺局面的有效途徑之一［1－3］。海水冷卻技術(shù)按工藝可分為海水直流冷卻和海水循環(huán)冷卻兩種。海水直流冷卻歷史悠久、技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用于沿海電力、石化等高耗水行業(yè)。近年來，海水循環(huán)冷卻作為一種環(huán)保型節(jié)水新技術(shù)逐漸受到重視并迅速發(fā)展，目前我國已基本掌握海水循環(huán)冷卻防腐、阻垢、防生物附著和海水冷卻塔關(guān)鍵技術(shù)，成功實(shí)施了千噸級(jí)、萬噸級(jí)和十萬噸級(jí)工程示范，產(chǎn)業(yè)化推廣不斷深入。

隨著沿海地區(qū)海水冷卻工程的興建，海水冷卻工程科學(xué)用海問題日益引起業(yè)界的高度關(guān)注，而國內(nèi)外相關(guān)研究大多集中在海水冷卻溫排水和余氯對(duì)海洋環(huán)境影響方面［4－6］，尚無對(duì)海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)的系統(tǒng)研究。為此，全面開展海水冷卻工程科學(xué)用海研究，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，為海水冷卻工程項(xiàng)目用海評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對(duì)于合理開發(fā)利用海洋，保障沿海地區(qū)海洋資源、環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 海水冷卻工程科學(xué)用海內(nèi)涵

海水冷卻工程科學(xué)用海是指在符合海域自然屬性、有效節(jié)約淡水資源、滿足冷卻用戶正常生產(chǎn)需求的前提下，確保冷卻工程用海與海洋環(huán)境、海洋資源以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

3 海水冷卻工程科學(xué)用海指標(biāo)體系設(shè)置原則

3.1 全面性與代表性原則

海水冷卻工程科學(xué)用海指標(biāo)體系是一個(gè)多種因素綜合作用的有機(jī)整體，應(yīng)從不同角度全面反映科學(xué)用海的主要特征和狀況。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合海水冷卻工程科學(xué)用海的重要環(huán)節(jié)和過程，在指標(biāo)選取上注重代表性和典型性，避免指標(biāo)的重疊或交叉，使指標(biāo)體系簡(jiǎn)潔、易用。

3.2 系統(tǒng)性與層次性原則

海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及自然條件、海洋環(huán)境與資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、用海效益等眾多方面和不同因素，因此指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)影響因素之間的特性和相互關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)完整、層次分明的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3.3 科學(xué)性與實(shí)用性原則

評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)置應(yīng)客觀反映海水冷卻工程科學(xué)用海的實(shí)際狀況，既要科學(xué)規(guī)范、內(nèi)涵明確，又要實(shí)用、可靠，使指標(biāo)數(shù)據(jù)具有良好的可獲性和準(zhǔn)確性，便于量化處理，確保評(píng)價(jià)方法科學(xué)合理、計(jì)算模型易于掌握。

4 海水冷卻工程科學(xué)用海指標(biāo)體系與系統(tǒng)分析

4.1 海水冷卻工程科學(xué)用海指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究通過深入分析海水冷卻工程科學(xué)用海的特性和關(guān)鍵影響因素，提出并建立海水冷卻工程科學(xué)用海指標(biāo)體系，包括自然條件適宜性、海洋環(huán)境影響度、社會(huì)發(fā)展協(xié)調(diào)性和工程用海效益4個(gè)子系統(tǒng) (表1)，旨在實(shí)現(xiàn)海水冷卻工程用海與自然條件、海洋環(huán)境、社會(huì)發(fā)展以及自身效益的和諧統(tǒng)一與可持續(xù)發(fā)展。

表1 海水冷卻工程科學(xué)用海指標(biāo)體系

4.2 海水冷卻工程科學(xué)用海系統(tǒng)分析

4.2.1 自然條件適宜性

自然條件是海水冷卻工程用海的基礎(chǔ)，良好適宜的自然條件是保證海水冷卻工程安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的基本前提，因此海水冷卻工程選址論證須充分考察海域自然條件對(duì)工程用海的適宜性，包括海洋水文、取水水質(zhì)和工程地質(zhì)3個(gè)指標(biāo)。海水冷卻工程用海適宜的自然條件是海水溫度低、海水交換能力強(qiáng)、取水水質(zhì)好和無不良海洋地質(zhì)災(zāi)害。

(1)海洋水文條件:表征工程海域水文動(dòng)力條件對(duì)海水冷卻工程的適宜性和影響程度，包括水溫和海水交換能力。水溫低則冷卻效果好，對(duì)海水冷卻工程有利。海水交換能力強(qiáng)，有利于海水冷卻工程溫排水、殘余藥劑等污染物的稀釋和擴(kuò)散。

(2)取水水質(zhì)條件:表征工程海域取水水質(zhì)條件對(duì)海水冷卻工程的適宜性和影響程度，取水水質(zhì)越好，則海水冷卻水處理難度越小，越有利于海水冷卻工程的正常穩(wěn)定運(yùn)行。海水冷卻工程關(guān)鍵的取水水質(zhì)指標(biāo)為濁度和異養(yǎng)菌總數(shù)。

(3)工程地質(zhì)條件:表征區(qū)域地質(zhì)環(huán)境對(duì)海水冷卻工程建設(shè)的適宜性和影響程度，包括場(chǎng)地類別和地震烈度兩個(gè)指標(biāo)。場(chǎng)地類別是根據(jù)工程場(chǎng)地覆蓋層厚度和場(chǎng)地土剛度等因素，按有關(guān)規(guī)定對(duì)建設(shè)場(chǎng)地所作的分類，用以反映不同場(chǎng)地條件對(duì)地震的綜合放大效應(yīng)，通常分為4類。地震烈度是指地震引起的地面震動(dòng)及其影響的強(qiáng)弱程度，分為十二級(jí)。

4.2.2 海洋環(huán)境影響度

海洋環(huán)境與人類的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，與海水冷卻工程用海相互影響、相互制約。海水冷卻工程在滿足正常生產(chǎn)需求的前提下，應(yīng)盡量消除或降低對(duì)海洋環(huán)境的污染和破壞。本研究提出用海洋環(huán)境影響度表征海水冷卻工程對(duì)海洋環(huán)境的影響程度，包括海水水質(zhì)影響、海洋沉積物影響和海洋生態(tài)環(huán)境影響3個(gè)指標(biāo)。

(1)海水水質(zhì)影響:表征海水冷卻工程排放水對(duì)海水水質(zhì)環(huán)境的污染程度，包括4℃溫升影響、藥劑影響和鹽度影響3個(gè)指標(biāo)。海水冷卻工程排水的特征污染物主要是溫升、殘余藥劑和濃鹽水 (循環(huán)冷卻)，這些污染物對(duì)海水水質(zhì)會(huì)造成不良影響，并進(jìn)而影響海洋生態(tài)環(huán)境。

(2)海洋沉積物影響:表征海水冷卻工程排放水對(duì)海水沉積物環(huán)境的污染程度，包括有機(jī)碳和硫化物兩個(gè)指標(biāo)，分別表征海水冷卻工程排放的有機(jī)藥劑以及含硫化合物對(duì)海洋沉積物的影響程度。

(3)海洋生態(tài)環(huán)境影響:表征海水冷卻工程對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響程度，包括浮游植物、浮游動(dòng)物和底棲生物3個(gè)指標(biāo)。浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級(jí)生產(chǎn)者，不僅為浮游動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、軟體動(dòng)物和仔稚魚提供食物和必需的營養(yǎng)成分，還可指示海洋水質(zhì)的好壞及全球氣候的變化。浮游動(dòng)物在海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，既是消費(fèi)者 (掠食者)，又是生產(chǎn)者，并對(duì)物質(zhì)循環(huán)和垂直流動(dòng)起重要作用，其種類組成、分布與海洋環(huán)境密切相關(guān)。底棲生物是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，底棲生物的棲息地相對(duì)穩(wěn)定，活動(dòng)空間范圍較小，對(duì)海域環(huán)境變化反應(yīng)敏感度較高，其種類組成、數(shù)量分布及其生態(tài)群落多樣性等將直接反映該海域生態(tài)環(huán)境狀況，常被作為評(píng)價(jià)海洋環(huán)境影響的重要指標(biāo)之一。

4.2.3 社會(huì)發(fā)展協(xié)調(diào)性

社會(huì)發(fā)展是海水冷卻工程用海的內(nèi)在動(dòng)力和歸宿，海水冷卻工程用海應(yīng)與社會(huì)發(fā)展和諧統(tǒng)一。社會(huì)發(fā)展協(xié)調(diào)性表征海水冷卻工程用海與當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展的協(xié)調(diào)程度，包括法規(guī)政策符合性和周邊用?；顒?dòng)協(xié)調(diào)性兩個(gè)指標(biāo)。

(1)法規(guī)政策符合性。法規(guī)政策符合性是指海水冷卻工程用海與國家涉海法律法規(guī)、政策規(guī)劃的符合程度，包括海洋功能區(qū)劃符合性和涉海規(guī)劃符合性兩個(gè)指標(biāo)。我國《海域使用管理法》明確規(guī)定國家實(shí)行海洋功能區(qū)劃制度，海洋功能區(qū)劃是指導(dǎo)科學(xué)用海的規(guī)范性文件。海水冷卻工程用海首先必須符合國家和地方海洋功能區(qū)劃要求，不得影響海洋功能區(qū)劃主導(dǎo)功能的發(fā)揮。同時(shí)，也要符合區(qū)域涉海規(guī)劃的要求，促進(jìn)區(qū)域海洋經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。

(2)周邊用?；顒?dòng)協(xié)調(diào)性。周邊用?；顒?dòng)協(xié)調(diào)性是指海水冷卻工程用海應(yīng)與周邊其他用?；顒?dòng)相協(xié)調(diào)，盡量減少或避免相關(guān)利益沖突，實(shí)現(xiàn)區(qū)域用海活動(dòng)的和諧有序，包括海洋權(quán)屬協(xié)調(diào)性和生產(chǎn)作業(yè)協(xié)調(diào)性兩個(gè)指標(biāo)。海洋權(quán)屬協(xié)調(diào)性是指海水利用工程用海與周邊其他用?；顒?dòng)在宗海圖、用海類型、用海面積、用海期限等海洋權(quán)屬方面不存在沖突。生產(chǎn)作業(yè)協(xié)調(diào)性是指海水冷卻工程用海不得妨礙周邊其他用?；顒?dòng)正常的生產(chǎn)作業(yè)，如海水冷卻溫排水不得對(duì)周邊海水養(yǎng)殖區(qū)或生態(tài)保護(hù)區(qū)產(chǎn)生不良的影響。

4.2.4 工程用海效益

海水冷卻工程以海水替代淡水作為工業(yè)冷卻水，從而節(jié)約淡水資源、緩解沿海地區(qū)日益嚴(yán)重的水資源危機(jī)，其用海效益突出表現(xiàn)在海水利用效率和節(jié)水效益兩個(gè)指標(biāo)。

(1)海水利用效率。海水利用效率是指產(chǎn)生相同的用海效益所耗費(fèi)海水量的多少，包括海水濃縮倍數(shù)和排放水再利用兩個(gè)指標(biāo)。海水濃縮倍數(shù)反映了在冷卻系統(tǒng)中海水循環(huán)利用的程度，即海水利用效率的高低。在海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，海水經(jīng)換熱設(shè)備完成一次冷卻后，再經(jīng)冷卻塔冷卻并循環(huán)使用。海水在循環(huán)利用的過程中由于蒸發(fā)而產(chǎn)生濃縮，海水濃縮倍數(shù)越大，則海水利用效率越高，海水循環(huán)冷卻的濃縮倍數(shù)一般控制在1.5～2.0之間。在海水直流冷卻系統(tǒng)中，海水經(jīng)換熱設(shè)備完成一次性冷卻后即直接排海，其濃縮倍數(shù)可視為1(即不濃縮)。由此可見，海水循環(huán)冷卻的海水利用效率高于海水直流冷卻。排放水再利用是指遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念，將海水冷卻工程排放水回收再利用，以減少污染物排放，提高資源利用效率。目前，排放水再利用主要包括利用海水直流冷卻溫排水作為反滲透海水淡化裝置進(jìn)水、發(fā)展海水養(yǎng)殖等，以及利用海水循環(huán)冷卻排放的濃鹽水發(fā)展鹽化工等綜合利用技術(shù)。

(2)節(jié)水效益。節(jié)水效益是指海水冷卻工程節(jié)約的淡水資源量及其價(jià)值，包括工程冷卻水量和淡水資源稀缺程度兩個(gè)指標(biāo)。工程冷卻水量表征節(jié)約淡水資源量的多少，工程冷卻水量越大，則相應(yīng)替代的淡水資源量越多。淡水資源稀缺程度反映了海水冷卻工程節(jié)水效益的相對(duì)多少，淡水資源越缺乏的地區(qū)，則海水冷卻工程產(chǎn)生的節(jié)水效益相對(duì)越大。國際上通常采用人均水資源量來表征一個(gè)地區(qū)淡水資源稀缺程度，可分為不缺水、輕度缺水、中度缺水、重度缺水和極度缺水五級(jí)。

5 海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)方法

所謂評(píng)價(jià)是指人們參照一定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)客體的價(jià)值高低或優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)判比較的一種認(rèn)知過程，同時(shí)也是一種決策過程。海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及多個(gè)指標(biāo)、多種因素，因此本研究運(yùn)用層次分析法對(duì)海水冷卻工程科學(xué)用海進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

層次分析法［7－8］是由美國著名數(shù)學(xué)家、運(yùn)籌學(xué)家薩迪于20世紀(jì)70年代中期提出，具有實(shí)用、簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)綜合決策方法，適于海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)。層次分析法的基本原理是將待評(píng)價(jià)的復(fù)雜問題分解成若干組成因素，并將各因素按支配關(guān)系分組，形成遞階層次結(jié)構(gòu)模型;再由專家或決策者對(duì)所列指標(biāo)通過重要程度的兩兩比較逐層進(jìn)行判斷評(píng)分，利用計(jì)算判斷矩陣的特征向量確定下層指標(biāo)對(duì)上層指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度或權(quán)重，從而得到最基層指標(biāo)對(duì)于總體目標(biāo)的重要性權(quán)重排序。

5.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

通過系統(tǒng)分析海水冷卻工程科學(xué)用海關(guān)鍵影響因素，明確因素的內(nèi)在邏輯關(guān)系，建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

5.2 構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)造判斷矩陣A。判斷矩陣A表示同一層次中各個(gè)因素對(duì)于上一層某個(gè)因素的重要程度，由專家按照1～9標(biāo)度法對(duì)同一層元素重要性程度進(jìn)行兩兩比較并賦值(表2)。

表2 標(biāo)度含義

5.3 計(jì)算最大特征根和特征向量

計(jì)算判斷矩陣A的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，將特征向量歸一化，然后利用方根法計(jì)算特征向量，即權(quán)重。

方根法求解特征向量:

將判斷矩陣每一行相乘并開n次方根得:

式中:bij為判斷矩陣A中元素的值，對(duì)任意的i，j=1，2，…，n;αi為特征矩陣的橫向量。

對(duì) α = (α1，α2，…，αn)T向量進(jìn)行歸一化處理，即

則向量W=(w1，w2，…，wn)T，即為所求得的特征向量。

計(jì)算判斷矩陣的最大特征值:

式中:A為判斷矩陣;(AW)i為矩陣AW的第i個(gè)分量，對(duì)任意的i=1，2，…，n。

5.4 一致性檢驗(yàn)

由于客觀事物的復(fù)雜性以及專家認(rèn)識(shí)的局限性，專家所作的比較判斷矩陣與客觀事實(shí)可能不相符，因此需要對(duì)矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

一致性檢驗(yàn)的指標(biāo)為:

一致性指標(biāo):

一致性比率:

式中:RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)均值 (表3)。

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

通常以CR作為檢驗(yàn)一致性的判別式，若CR＜0.1，則認(rèn)為判斷矩陣A具有滿意的一致性，所得特征向量即為指標(biāo)權(quán)重。

6 結(jié)束語

為適應(yīng)海水冷卻工程用海日益增長的形勢(shì)和科學(xué)用海評(píng)價(jià)的需要，本研究通過系統(tǒng)分析關(guān)鍵影響因素，建立了海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，對(duì)海水冷卻工程科學(xué)用海評(píng)價(jià)進(jìn)行了有益探索，這將有利于保護(hù)海洋資源和生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)沿海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。但應(yīng)該看到，鑒于認(rèn)識(shí)水平和技術(shù)手段的限制，該指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法還有待完善，需要在實(shí)踐中進(jìn)一步檢驗(yàn)并不斷豐富和發(fā)展。

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