電廠溫排水對(duì)環(huán)境的影響

楊麗平 王宇婕 梁煌 王昱杭 崔雨雪 陳亞非

摘? ?要：我國部分電廠出于生產(chǎn)工藝需要，會(huì)產(chǎn)生大量廢熱以溫排水的形式排入環(huán)境中，其對(duì)河流、湖泊的危害有兩個(gè)方面，一是溫排水與河流、湖泊混合后導(dǎo)致的增溫對(duì)河流、湖泊的生態(tài)影響，二是直流冷卻系統(tǒng)排水口中的藥劑殘余、高溫對(duì)水生生物的危害。試驗(yàn)研究表明：銅綠微囊藻在40℃高溫條件下處理10min后的死亡率為52%。

關(guān)鍵詞：電廠? 溫排水? 熱污染

中圖分類號(hào)：X24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（c）-0124-04

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活用電和工業(yè)用電的需求日益增長。目前，我國電力工業(yè)仍以火力發(fā)電為主，核電廠建設(shè)也越來越多，2017年火電、核電發(fā)電總裝機(jī)容量為114186萬kW，大型火電機(jī)組的供電效率一般為40%左右，核電不到35%，平均每日約有735269億kJ的廢熱排放到環(huán)境中，其中主要以電廠冷卻水（溫排水）的形式排出。在我國除了核電廠，其他電廠還沒有相應(yīng)的冷卻水排放標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過對(duì)四類不同的水體進(jìn)行了生態(tài)效應(yīng)分析，旨在提倡促進(jìn)溫排水的再利用，降低溫排水對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，促進(jìn)相關(guān)政策法規(guī)的出臺(tái)，加強(qiáng)對(duì)電廠周圍生態(tài)環(huán)境的保護(hù)管理。

1? 研究對(duì)象與方法

本文對(duì)對(duì)長江中下游干流、湘江、耒水、岱海湖四類具有流量差異的不同水體進(jìn)行調(diào)查分析。通過收集各地河流、湖泊的觀測數(shù)據(jù)，包括河流流量、水溫，溫排水流量、水溫等，通過熱力學(xué)方程并考慮蒸發(fā)、流域流量變化等影響后，對(duì)電廠附近流域溫度分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算和分析。并且通過分析不同水溫下各種水生生物、微生物的種類、數(shù)量分布情況，研究水溫與水生生物、微生物的種類、數(shù)量、死亡率之間的關(guān)系，深入研究電廠熱污染對(duì)生物和生態(tài)環(huán)境的影響。

2? 溫排水對(duì)水體溫度的影響

2.1 長江

長江下游（江蘇段）平均每隔20km左右就有一個(gè)發(fā)電廠，如長江口的感潮河段處的電廠數(shù)量便有18座之多（徐世凱，2007）。

以天生港電廠為例，其取排水總流量Q2為46m3/s，天生港電廠附近自然水體溫度T1為11.1℃。其溫排水溫度T2約為21.1℃。根據(jù)徐六涇（二）斷面的水文信息，其流域的月平均流量Q1為41900m3/s，利用熱平衡方程計(jì)算其月平均溫升如下：

混合后水溫由下式確定：

（1）

升高溫度為：

（2）

得出混合后溫度為11.11℃，與初始溫度11.1℃相差僅為0.01℃。長江中下游地區(qū)雖然大型電廠密集，但因?yàn)殚L江徑流大，溫排水的總體影響幾乎可以忽略不計(jì)。

2.2 湘江（株洲-湘潭段）

統(tǒng)計(jì)分析2013、2017—2018年部分月份湖南湘潭發(fā)電有限責(zé)任公司和大唐華銀株洲電廠的溫排水疊加升溫，其造成湘江2017年9月底至10月中旬的周平均溫升達(dá)1.2℃，不符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）要求人為造成的環(huán)境水溫變化應(yīng)限制在：周平均最大溫升≤1℃;周平均最大溫降≤2℃的規(guī)定。

2.3 耒水

大唐集團(tuán)耒陽電廠一、二期機(jī)組冷卻水取自耒水，耗水量為31.6m3/s。目前來看耒水經(jīng)過耒陽電廠取水后升溫普遍高于1℃，夏季流量較少的日子還會(huì)有高于2℃的明顯溫升，表中流量、水溫?cái)?shù)據(jù)均來自永興縣人民政府門戶網(wǎng)站。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年7月份有14d河流溫升超過2℃。

2.4 岱海湖

岱海電廠一、二期工程都直接或間接的將岱海湖湖水作為其冷卻池，導(dǎo)致湖水溫度升高，造成其全年蒸發(fā)量增多（程玉琴等，2017）。岱海湖水體熱污染的主要來源是岱海電廠，岱海電廠每日抽取岱海湖的湖水用于生產(chǎn)冷卻，后將冷卻環(huán)節(jié)中升溫后的湖水排入湖里，此過程每年可使岱海湖湖水經(jīng)岱海電廠循環(huán)2次，10年湖水溫度升高近2℃。

3? 溫排水對(duì)生物及生態(tài)環(huán)境的影響

3.1 對(duì)浮游生物的影響

水體溫度超過30℃，浮游動(dòng)物群落將從復(fù)雜向簡單演化（金瓊貝，1991）。枝角類的活動(dòng)能力在15℃時(shí)比30℃高2倍。鉤蝦等甲殼類生物對(duì)水體溫度變化極為敏感（勒·特·馬特維耶娃等，1985）。在高溫的夏季，湘江、耒水溫排水很大程度上會(huì)造成枝角類、甲殼類等耐熱性差的生物生命力下降或死亡。

熱污染使植物種群的發(fā)生演替變化。Briand等在研究混合藻類的河流時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度20℃時(shí)硅藻占優(yōu)勢;30℃時(shí)綠藻占優(yōu)勢;35℃～40℃時(shí)藍(lán)藻占優(yōu)勢（貢丹丹等，2016）。在2013年8月中旬左右湘江溫升持續(xù)在2℃以上，且水溫已經(jīng)超過了33℃，此時(shí)有藍(lán)藻向綠藻演替、硅藻減少的趨勢，耒水夏季亦可產(chǎn)生同類情況。藍(lán)藻的異常增殖會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生不良影響。因?yàn)楣柙搴途G藻的餌料價(jià)值高于藍(lán)藻（勒·特·馬特維耶娃等，1985），另一方面，大量藍(lán)藻爆發(fā)導(dǎo)致水華，且部分藍(lán)藻分泌藻毒素，如微囊藻產(chǎn)生肝毒素，調(diào)查顯示原發(fā)性肝癌和大腸癌的發(fā)生率與飲水中微量的微囊藻毒素的存在有很大的相關(guān)性（方愛紅等，2008）。

3.2 對(duì)底棲動(dòng)物的影響

長期生活在水底底質(zhì)表面或底質(zhì)的淺層中的底棲生物的活動(dòng)性差，生活范圍相對(duì)比較固定，所以它們對(duì)于排放帶來的熱沖擊很難規(guī)避，易受到電廠溫排水的不利影響（魏新渝等，2018）。除此之外，溫排還會(huì)造成冷沖擊——在長期排放冷卻水后，忽然停止排放將對(duì)增溫區(qū)內(nèi)的底棲動(dòng)物造成不同程度的傷害（胡德良等，2001）。夏季湘江、耒水的自然水溫普遍在30℃左右，此時(shí)再向水體中排放溫排水可能會(huì)造成水體中底棲動(dòng)物的大量死亡，從而會(huì)對(duì)以底棲動(dòng)物為食的一些魚類也造成不良影響。比如，鯉魚和鯽魚的食物組成中有一部分就是底棲動(dòng)物。

3.3 對(duì)魚類的影響

草魚、鰱魚的規(guī)避反應(yīng)溫度在30℃左右（姜禮燔，1989）。韓京成等人進(jìn)行了水溫對(duì)鯽魚生理影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鯽魚攝食量將在水溫大于25℃時(shí)下降，在30℃時(shí)將對(duì)鯽魚肝組織和心臟組織產(chǎn)生迫害（韓京成，2010）。夏季湘江、耒水溫排水導(dǎo)致水溫升高接近草、鯉、鰱等魚類適溫范圍上限，而事實(shí)上即使處于適溫范圍內(nèi)的極值溫度不會(huì)導(dǎo)致其死亡，但對(duì)生物種群的生長、生殖亦會(huì)產(chǎn)生有害影響（勒·特·馬特維耶娃，1985）。岱海湖電廠的溫排水導(dǎo)致湖水溫度升高促進(jìn)致病細(xì)菌大量繁殖，導(dǎo)致魚類患病死亡，而給當(dāng)?shù)貪O業(yè)造成重大打擊——發(fā)展到2016年，整個(gè)水域漁業(yè)幾乎絕收。

3.4 溫排水對(duì)湖泊的影響

湖泊與河流等水體不同，屬于半封閉或半封閉生態(tài)系統(tǒng)，流動(dòng)性較差，除了會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生的影響外，還會(huì)導(dǎo)致水量蒸發(fā)，減小湖體面積，熱污染對(duì)湖泊的危害較河流等流動(dòng)性強(qiáng)的水體更大。

2016年5月下旬，岱海湖監(jiān)測面積為57.2km2，相比于1973年的150.74km2縮減了93.54km2，40多年間縮減率約62%（陳海英等，2018）。其中，造成岱海湖湖體縮小的重要因素是工業(yè)用水量的增加，而岱海電廠是岱海湖周邊最大的工業(yè)用水戶。2015年，張楠計(jì)算出電廠溫排水引起的岱海湖年附加蒸發(fā)量、損失量約為678.2萬m3/a（張楠等，2015）。

3.5 電廠直流冷卻系統(tǒng)對(duì)生物的影響

大多數(shù)沿河、湖電廠采用直流冷卻系統(tǒng)，一方面在進(jìn)水時(shí)加入藥劑使水中微生物、泥沙及懸浮物在沉淀池沉淀，避免設(shè)備堵塞，此過程由于藥劑的加入會(huì)造成冷卻水中水生生物的大量死亡，其中浮游植物受到損害的主要原因就是電廠溫排水中的殘余的氯含量，另一方面冷卻水經(jīng)過直流冷卻系統(tǒng)從出水口排出，排出溫度通常在40℃左右，水生生物對(duì)溫度的適應(yīng)性大多不如陸地生物，大多數(shù)生物在40℃左右，酶系統(tǒng)會(huì)受到一定損害，如果較長時(shí)間處于高溫下，將會(huì)致死。

以湘江、耒水中均含有的銅綠微囊藻進(jìn)行了模擬電廠溫排水溫度對(duì)藻類的影響實(shí)驗(yàn)。在25℃、30℃、35℃下處理銅綠微囊藻（1×107cells·ml-1）24h，并將在30℃處理24h后的銅綠微囊藻繼續(xù)在40℃下處理10min（大唐華銀株洲電廠與湖南湘潭發(fā)電有限責(zé)任公司距離湘江排放口大約1.5km，溫排水流速約為2.5m/s，水生生物受40℃溫度影響時(shí)間為10min左右），測定計(jì)算藻細(xì)胞的數(shù)量。采用中性紅染色法測定在40℃下處理10min后的藻細(xì)胞的活細(xì)胞數(shù)量，計(jì)算其死亡率。3次重復(fù)。如圖1，在25℃時(shí)的藻細(xì)胞密度最高，而隨著溫度的升高密度逐漸下降，說明溫度升高對(duì)銅綠微囊藻的生長有一定的抑制作用。將30℃處理后的藻細(xì)胞在40℃下繼續(xù)培養(yǎng)10min，采用中性紅染色法用血細(xì)胞計(jì)數(shù)法對(duì)其進(jìn)行活細(xì)胞計(jì)數(shù)，得其死亡率為52%。

通過圖2深圳西部電廠海水脫硫出口曝氣池，可看到，池壁上幾乎無生物生長，與自然條件下的綠色覆蓋完全不同，由此也可以看出溫升對(duì)生物造成的巨大損害。

4? 結(jié)果與建議

我國電廠產(chǎn)生大量廢熱排入環(huán)境中對(duì)生態(tài)環(huán)境存在一定程度的不良影響。廢熱隨著冷卻水排入環(huán)境中，形成溫排水，對(duì)河流、湖泊存在兩種方式的危害，一是混合后導(dǎo)致的增溫對(duì)河流、湖泊的生態(tài)影響，二是直流冷卻系統(tǒng)取水口，排水口中的藥劑，高溫對(duì)水生生物的危害。

（1）對(duì)于徑流量較大的河流生態(tài)影響較小，但對(duì)于湖泊、水庫這類水體的危害更大。

（2）水體在枯水期和夏季較干旱時(shí)，溫排水進(jìn)一步升高水溫可能造成該局部地區(qū)范圍內(nèi)的浮游動(dòng)物種類和數(shù)量減少，物種多樣性下降，使群落物種組成改變。

（3）直流冷卻系統(tǒng)取水口，排水口中的藥劑，高溫造成水體生物量減少，導(dǎo)致浮游生物密度降低。

（4）縮小了魚類的生活范圍，并對(duì)其生長、棲息、繁殖等活動(dòng)影響明顯。

（5）導(dǎo)致湖泊蒸發(fā)量增大，湖泊面積減小，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境，威脅人類生存與發(fā)展。

因此我國在流域水資源開發(fā)時(shí)要注意協(xié)調(diào)流域周邊生產(chǎn)、生態(tài)與生活用水，特別要對(duì)流域生態(tài)水資源建設(shè)加以重視（劉永葉等，2015）。火、核電廠溫排水的余熱量巨大，如何高效利用是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。針對(duì)我國目前溫排水情況提出以下建議：

（1）建議盡快建立和完善溫排水相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，并且應(yīng)根據(jù)不同流域、湖泊等水體的生態(tài)環(huán)境，對(duì)其水體中生存的關(guān)鍵種進(jìn)行溫度的熱影響研究，為不同流域、湖泊等水體的溫度基準(zhǔn)的制定奠定基礎(chǔ)。

（2）結(jié)合熱電冷聯(lián)供技術(shù)，用于廠區(qū)工人生活區(qū)，節(jié)約能源。

（3）聯(lián)合相關(guān)環(huán)境生態(tài)工程類學(xué)科建立余熱利用綜合系統(tǒng)

（4）開展余熱利用，利用溫排水進(jìn)行冬季水產(chǎn)養(yǎng)殖，溫室蔬菜種植。

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