水源熱泵系統尾水排放對湖泊富營養(yǎng)化的影響

許志良，黃向陽，吳姍姍 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023）

在國家 “十一五”規(guī)劃大力倡導節(jié)能減排的背景下，地表水源熱泵作為新興節(jié)能環(huán)保技術，得到了強勁的支持和發(fā)展。重慶市作為長江上游最大城市，擁有極為豐富的地表水資源以及得天獨厚的水文氣象條件，在發(fā)展地表水源熱泵上得到了國家大力支持。重慶市在開展地表水源熱泵高效應用關鍵技術研究的同時，也加強了地表水源熱泵示范工程的建設。地表水源熱泵系統取水量較大，涉及水域廣，社會關注程度較高，無論其尾水對水環(huán)境影響程度如何，都必須通過科學研究得到一個確切的結論。湖水源熱泵尾水排放對水環(huán)境的影響研究是尾水污染研究的重要部分，可以為水源熱泵在長江上游地區(qū)乃至全國推廣應用提供支撐，并且為水源熱泵尾水污染防治及生態(tài)修復研究提供依據。

與地表水源熱泵尾水污染類似的研究是電廠溫排水，電廠溫排水熱污染問題目前國內外研究較多[1－6]，而對于水源熱泵尾水污染問題則研究較少，且主要以理論分析為主[7－8]。本研究以湖水源熱泵國家級示范工程——重慶市開縣人民醫(yī)院湖水源熱泵工程為例，通過近一年對其尾水受納湖泊水環(huán)境的監(jiān)測，探討了湖水源熱泵系統尾水排放對湖泊水環(huán)境的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

2008年開縣人民醫(yī)院湖水源熱泵中央空調項目被列為可再生能源建筑應用示范工程。開縣人民醫(yī)院綜合樓水源熱泵中央空調面積約為24427.80m2，設計冷負荷為2912.70kW，熱負荷為1117.20kW。人工湖的表面積約33000m2，水深常年保持在5.0～7.5m，總水量約30×104m3。工程設計取水量為700m3／h，尾水排水管管徑為375mm，排放方式采用單口出流表面排放[9－10]。

在水源熱泵系統開始運行以前，湖泊部分水質指標如表1所示。

工程自2008年5月開始運行，從水源熱泵運行5a期間機房湖水側進出水平均溫度、流量等的運行記錄來看，夏季最大進出水溫差為5.2℃，最熱月平均進出水溫差約3.8℃；冬季最大進出水溫差2.9℃，最冷月平均進出水溫差約1.8℃。

表1 水源熱泵系統運行前湖泊部分水質指標

1.2 監(jiān)測點與監(jiān)測方法

根據現場對湖泊水溫的監(jiān)測結果，大致確定氣溫和水溫最不利情況下尾水對湖泊水溫的影響范圍，然后根據這一范圍來選擇采樣點，詳見圖1。3個采樣點分別位于取水口附近，湖泊中部，尾水排放口附近 （約20m）?？紤]到湖泊深度比較小，采樣時只采取了表層水樣 （水面下0.3m）。采樣時間大約在上午10點左右，采樣頻次一般為15～30d1次，特殊情況 （如水源熱泵系統未運行期間）頻次減小。每次各采樣點分別采集1000～1500ml水樣，低溫保存帶回實驗室分析[11]。

圖1 水質監(jiān)測采樣點布置示意圖

2 結果與分析

2.1 尾水排放對近水域水溫、溶解氧的影響

2012年6月14日和2013年3月18日水源熱泵系統運行時，分別對排放口附近區(qū)域的水溫和溶解氧進行了現場監(jiān)測，結果見表2和圖2～3。

2012年6月14日測定水溫及溶解氧時，同一時間氣溫為29.8℃，機房水源側進水30.6℃，出水32.7℃。由表2可知，由于當天氣溫不高，排放口的水溫僅略高于氣溫，因而尾水對湖水水溫短期影響較小，溫升最大未超過0.5℃，且影響最遠不到20m區(qū)域。但是進水側水溫達到30.6℃，而同一時間系統取水處 （水面下4m）水溫僅為26℃，表明系統長期運行對湖泊水溫的影響比較明顯。從溶解氧來看，除了溫排水入湖口水流紊流劇烈溶解氧稍高外，排放口附近水域表層溶解氧略低于湖泊其他區(qū)域，而底層溶解氧由于深度不同不具可比性。

由圖2可以看出，在當時運行狀態(tài)下，冷排水對排放口附近水域沿流動方向影響距離大約20～25m，而垂直與流動方向以及深度方向上，溫度梯度則更大，水溫很快接近湖泊自然水溫。在排放口附近15m處，0.5m深水溫已經與更遠處同一深度水溫非常接近，表明冷排水在15m距離的影響深度大約為0.5m。

表2 2012年6月14日水溫及溶解氧現場監(jiān)測結果

圖2 冷排水時距排放口5～40m水溫變化曲線

圖3 冷排水時排放口附近溶解氧沿程變化曲線

由圖3可知，受冷排水影響，排放口附近小范圍水域內水溫呈現逐步升高趨勢，溶解氧變化規(guī)律與水溫基本相同?？傮w來看溶解氧差異不大，由于冷排水水溫、溶解氧都較湖水要低，排入湖泊以后沿水流方向形成狹長的冷水帶，不斷向水平和垂直2個方向擴散，2種水混合后，冷排水擴散帶的水溫、溶解氧都會逐漸升高，直到與湖泊相同。

2.2 尾水排放對氮、磷等營養(yǎng)鹽的影響

圖4 氨氮監(jiān)測結果

圖5 總氮監(jiān)測結果

圖6 總磷監(jiān)測結果

從2012年5月到2013年4月水源熱泵系統運行期間，對湖泊氮、磷取樣監(jiān)測結果如圖4～6所示。由圖4～6可知，各采樣點測得的總氮和總磷都是呈現先下降后上升趨勢，總磷更為明顯。排放口附近水域總氮和總磷基本都高于其他區(qū)域，夏季差別不明顯，冬季冷排水情況下差別稍大。分析原因，在夏季溫排水作用下，溶解氧降低，同時溫排水的擾動作用也加快了沉積物中氮磷的釋放，所以導致了其含量的升高。而在冬季冷排水作用下，排放口附近水域溶解氧比其他水域要低，同時過低水溫對大多數水生動植物有負面影響，冷排水的擾動作用同樣加快沉積物中氮磷的釋放，導致該區(qū)域總氮、總磷較其他位置稍高。排放口附近的氨氮始終高于其他區(qū)域也是上述原因造成的。

2.3 尾水排放對藻類的影響

從2012年5月到2012年3月，對湖泊藻類取樣檢測結果如圖7。由圖7可知，藻類數量變化與水溫變化有直接關系，排放口附近水域的藻類數量在5月～6月時比其他區(qū)域大約多出10%；而在7月～8月，當溫排水水溫大于33℃時，比其他區(qū)域則要少5%～10%，表明過高的水溫會抑制某些藻類生長；到9月份又比其他區(qū)域多出15%～20%。10月～11月系統沒有運行時，各點藻類數量比較接近。進入冬季冷排水以后，在水溫較低時 （1月），排放口附近水域的藻類數量比其他區(qū)域藻類數量少了大約5%，3月份以后，排放口附近水域的藻類數量則明顯比其他區(qū)域多。藻類總量最大值出現在8月份，主要是藍、綠藻數量很大，因為該月的平均水溫在30℃左右，很適合藻類生長繁殖。另一個峰值出現在1月份，主要是硅藻大量繁殖造成的，其原因可能是外源的污染，加上水文氣象條件綜合影響使得硅藻爆發(fā)的結果。

圖7 湖泊藻類總量變化曲線

除了數量上的變化以外，檢測還發(fā)現各季節(jié)優(yōu)勢藻類也有所不同。夏季優(yōu)勢藻類為鐮型纖維藻 （綠藻門）和小尖頭藻 （藍藻門），冬季優(yōu)勢藻主要有直鏈硅藻、柵藻等。同一時間各采樣點優(yōu)勢藻類是相同的，只是數量有差別，這也表明水源熱泵系統尾水對藻類主要是數量和多樣性方面的影響，而對優(yōu)勢藻類更替沒有影響。夏季觀察到的優(yōu)勢藻類為鐮型纖維藻和小尖頭藻 （圖8）。

較高的水溫會使藍藻大量繁殖而其他一些藻類 （比如硅藻）無法生存，結果藻類數量上升但是種群數減少，同樣，低溫也降低了藻類多樣性。

圖8 夏季優(yōu)勢藻類

2.4 尾水排放對湖泊富營養(yǎng)化進程的影響

在開縣人民醫(yī)院水源熱泵系統開始運行以前，根據藻類生物量和水質指標狀況可知湖泊已經到達富營養(yǎng)化水平。根據同一時間監(jiān)測到的湖泊葉綠素 （chla）含量、TN、TP、CODMn、透明度 （SD）（表3），按照綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法[12]，可以計算出各采樣點的營養(yǎng)狀態(tài)指數。

計算結果表明，1＃、2＃、3＃采樣點營養(yǎng)狀態(tài)指數分別為50.63、51.12和53.43，都處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài)范圍，但是排放口附近位置還是略高于另外2個位置。單個指標的差別主要是在葉綠素含量和CODMn上，這與尾水排放是有一定關系的。

由表3可知，湖泊氮磷比約為17～18，因此，磷是藻類生長的限制因子，湖泊水中磷的來源主要是喂魚的餌料、洗滌廢水、生活污水和底泥磷的釋放，而磷的減少則主要是磷的吸附沉淀和魚類的收獲。實際上，藻類光合作用產生大量二氧化碳，導致湖泊pH偏高，也使得沉積物的磷得以釋放，這樣就更加速了藻類的繁殖。而水溫則決定了不同藻類的生長率，使得適溫藻類大量繁殖，水體富營養(yǎng)化進程加速。

從夏季湖泊水環(huán)境監(jiān)測結果來看，水溫在30℃以下時，溫排水造成的溫升使得排放口附近氨氮、總氮、總磷以及藻類數量的上升，這些都是富營養(yǎng)化加速的有利條件。

從冬季湖泊水環(huán)境監(jiān)測結果來看，盡管排放口附近水域水溫降低抑制了部分藻類的生長，但是由于溫差較小，再加上冷排水的攪動作用，加強了沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放，促進湖泊富營養(yǎng)化，因而冷排水對于該水域富營養(yǎng)化進程影響是雙方面的。

表3 各營養(yǎng)狀態(tài)指標監(jiān)測值

3 結論

（1）夏季監(jiān)測結果表明：湖水源熱泵系統溫排水對湖泊水溫的長期影響顯著，但短期影響范圍和溫升都比較小。尾水排放口附近水域表層溶解氧低于湖泊其他位置；溫排水水溫在30℃以下時，溫升使得排放口附近氨氮、總氮、總磷以及藻類數量的上升，加速了湖泊的富營養(yǎng)化進程，但當溫排水水溫大于33℃時，排放口附近水域藻類數量反而減少。

（2）冷排水溫差較小時，系統排水對湖泊水溫影響較小。冷排水抑制了藍藻和其他一些藻類的生長，對湖泊富營養(yǎng)化有一定緩解作用；但是由于溫差較小，而且冷排水的攪動作用加速了湖泊沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放，使得排放口附近水域氨氮、總氮、總磷含量比其他水域更高，因而冷排水從另外一方面來對湖泊富營養(yǎng)化進程又有促進作用。

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