海水抽水蓄能電站運(yùn)行中的有機(jī)污染物排放對(duì)周邊海域的環(huán)境影響

向正林 曾俏俏 蘇躍涵 李恒翔 盧耀斌 駱海萍 劉廣立

摘要：為保障海水抽水蓄能電站運(yùn)行的環(huán)境友好和生態(tài)安全，文章以大萬(wàn)山島為例，在海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析的基礎(chǔ)上，模擬擬建海水抽水蓄能電站運(yùn)行中的化學(xué)需氧量（COD）排放對(duì)周邊海域的環(huán)境影響。研究結(jié)果表明：大萬(wàn)山島周邊海域水質(zhì)較好，COD 濃度在0.2 mg/L 以下;當(dāng)海水抽水蓄能電站的 COD排放濃度不超過(guò)50 mg/L 時(shí)，周邊海域的 COD 最高濃度為2.29 mg/L， 滿足海水水質(zhì)要求，但當(dāng) COD排放濃度超過(guò)100 mg/L 時(shí)即存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn);受水溫和潮流的影響，海水抽水蓄能電站周邊海域 COD 的濃度、擴(kuò)散方向、聚集位置和影響面積隨季節(jié)變化而變化;海水抽水蓄能電站排水口周邊海域的 COD最高濃度隨排水量增大而提高，COD 最高濃度海域與排水口的距離約為1.6km。研究結(jié)果可為控制海水抽水蓄能電站的 COD排放對(duì)周邊海域的環(huán)境影響提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：海水抽水蓄能電站;有機(jī)污染物;海洋環(huán)境;化學(xué)需氧量;海水水質(zhì)

中圖分類號(hào)： X55;P76;TV743文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1005-9857（2022）04-0097-05

The Environmental Impact of Organic Pollutant Discharge fromthe Seawater Pumped Storage Power Station on Surrounding Sea Areas

XIANG Zhenglin' ，ZENG Qiaoqiao2，SU Yuehan3 ，LI Hengxiang'，

LU Yaobin3，LUO Haiping3，LIU Guangli3

（1.CSG Power Generation Company，Guangzhou 510630，China;2.Guangdong Water Conservancy &. Electric Power Survey &. Design Institute Co.Ltd.，Guangzhou 510635，China; 3.School of Environmental Science and Engineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510006，China;4.South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China）

Abstract：To ensure the environment-friendly and ecological safety of seawater pumped storage power station （SPSPS） operation， the effect of chemical oxygen demand （COD） discharged by a proposed SPSPS on the surrounding marine environment was simulated and investigated in this paper， which was based on the monitoring and analysis of seawater quality in the Dawanshan is- land as an example. The results showed that the seawater quality surrounding the Dawanshan is- land was good with the COD value less than 0.2 mg/L. When the COD concentration was less than 50 mg/L in the effluent of SPSPS， the maximum COD concentration reached 2.29 mg/L in the surrounding seawater， which could still satisfy the requirement of the seawater quality.How- ever， when the COD concentration was higher than 100 mg/L in the effluent of SPSPS， the risk of exceeding the seawater standard was high in the surrounding seawater. The discharge of COD was affected by the seawater temperature and tide， and fluctuated in terms of concentration，dif- fusion direction and gather location in the surrounding seawater according to the season change. The maximum COD concentration would increase with the water discharge increasing from the SPSPS into the surrounding seawater. The distance between the location of the maximum COD concentration in the surrounding seawater and the outfall of SPSPS was about 1.6 km. The results would provide a scientific basis for controlling the COD pollution from the discharge of SPSPS. Keywords：Seawater pumped storage power station，Organic pollutant，Marine environment， Chemical oxygen demand，Seawater quality

0引言

我國(guó)海域遼闊，海洋資源豐富，其中海島及其周邊海域蘊(yùn)藏的自然資源在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮重要支撐作用。海島作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其特殊的地理位置和資源環(huán)境關(guān)系到“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)乃至我國(guó)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。隨著海上風(fēng)能、潮汐能和太陽(yáng)能等新能源的開(kāi)發(fā)，配套建設(shè)海水抽水蓄能電站不僅可以滿足遠(yuǎn)離能源基地和能源條件匱乏的海島用電需求和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，而且對(duì)于沿海和海島地區(qū)構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和清潔的能源供應(yīng)體系具有重要作用，符合我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略。

與陸地相比，海島的面積狹小、地理環(huán)境獨(dú)特且生態(tài)系統(tǒng)脆弱[4]。隨著海島開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)的增多，海島岸線蝕退、植被退化、水土流失、生物多樣性降低以及周邊海域污染等問(wèn)題凸顯，已經(jīng)對(duì)海島生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和服務(wù)功能的可持續(xù)性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，不僅制約海島地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且影響海島地區(qū)的社會(huì)穩(wěn)定[5-7]。因此，在海水抽水蓄能電站的建設(shè)和運(yùn)行中必須考慮其對(duì)周邊海域環(huán)境的影響[8-10]。

目前國(guó)內(nèi)外廣泛通過(guò)海水水動(dòng)力過(guò)程分析海洋污染物的遷移和擴(kuò)散，并預(yù)測(cè)海水水質(zhì)隨污染物的輸入而產(chǎn)生的變化[11-14]。目前在水質(zhì)預(yù)測(cè)方面已有多種數(shù)學(xué)模型，其中 MIKE模型具有靈活處理復(fù)雜地形、可視性強(qiáng)和操作界面友好等優(yōu)點(diǎn)[15-18]。例如：采用 MIKE模型對(duì)渤海灣海水水質(zhì)的模擬結(jié)果表明，填海工程對(duì)渤海灣海洋環(huán)境影響較大，使渤海灣納潮量降低9%，導(dǎo)致污染物向?yàn)惩鈹U(kuò)散的能力降低[19];對(duì)上海市金山區(qū)排海污水納污海域海水水質(zhì)的模擬結(jié)果表明，污水的緊急排放對(duì)海域造成嚴(yán)重污染[20];對(duì)曹妃甸工業(yè)區(qū)的渤海二維污染物遷移轉(zhuǎn)化的模擬結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)污染物排放滿環(huán)境容量后，4 mg/L濃度場(chǎng)（CODMn ）的覆蓋面積可達(dá)4.42 km2[21]。此外，在石油泄漏事件中應(yīng)用 MIKE 模型預(yù)測(cè)浮油軌跡和面積也取得較好效果[22]。本研究基于 MIKE 21模型，研究珠海市大萬(wàn)山島擬建海水抽水蓄能電站運(yùn)行中的有機(jī)污染物排放對(duì)周邊海域的環(huán)境影響及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期防控電站對(duì)海洋環(huán)境的污染，為電站運(yùn)行的環(huán)境友好和生態(tài)安全提供技術(shù)支撐。

1參數(shù)與模型

1.1海水水質(zhì)

2019年9月在大萬(wàn)山島擬建海水抽水蓄能電站排水口周邊海域設(shè)立7個(gè)監(jiān)測(cè)站位，對(duì)海水的水溫、鹽度、懸浮物濃度和化學(xué)需氧量（COD）濃度進(jìn)行取樣測(cè)定，樣品分析參照《海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（HY/T 147-2013）要求。各站位的主要環(huán)境指標(biāo)如表1所示。

各站位 COD 的平均濃度為0.10mg/L， 因此在模擬參數(shù)時(shí)設(shè)置 COD背景濃度為0.10 mg/L。參考上海市金山區(qū)排海污水的模擬方法[20]，考慮電站排水的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（如混入生活污水），設(shè)置 COD 排放濃度梯度即梯度1（10mg/L）、梯度2（20mg/L）、梯度3（50 mg/L）、梯度4（100 mg/L）和梯度5（200mg/L），模擬計(jì)算海水抽水蓄能電站排水對(duì)周邊海域環(huán)境造成的影響。

1.2數(shù)值模型

采用 MIKE21模型進(jìn)行模擬計(jì)算，渦黏系數(shù)取0.28，曼寧系數(shù)取70 m1/3/s。前期的潮位驗(yàn)證結(jié)果表明，本研究建立的二維水動(dòng)力水質(zhì)模型滿足預(yù)測(cè)要求[23-25]。除特別說(shuō)明外，海水抽水蓄能電站的下水庫(kù)流量通常取12.3 m3/s， COD 的擴(kuò)散系數(shù)取0.05m2/s。

根據(jù)我國(guó)南海海域在不同季節(jié)的水溫，在實(shí)驗(yàn)室條件下設(shè)置不同的水溫梯度（16℃、21℃、22℃和26℃）以確定 COD 降解系數(shù)，并根據(jù)阿倫尼烏斯（Arhenius）方程得出 COD 降解系數(shù)與水溫的關(guān)系[26]，計(jì)算公式為：

lnkT =-3210/T+7.9 （1）

式中： T 表示水溫;kT表示水溫為 T 時(shí)的 COD降解系數(shù)。

由于目前缺乏大萬(wàn)山島海域 COD 降解系數(shù)與水溫關(guān)系的數(shù)據(jù)，本研究根據(jù)式（1）模擬計(jì)算。我國(guó)南海海域春季、夏季、秋季和冬季的水溫分別為28.4℃、29.3℃、28.9℃和26.7℃，由式（1）可得出4個(gè)季節(jié)的 COD 降解系數(shù)分別為0.0642 d-1、0.0663d-1、0.0653d-1和0.0604d-1。

2結(jié)果與討論

2.1COD排放濃度對(duì)海水水質(zhì)的影響

以春季為例，海水抽水蓄能電站上水庫(kù)的排放時(shí)間按8h計(jì)算，在不同 COD排放濃度梯度下分析各監(jiān)測(cè)站位 COD 濃度的變化，模擬結(jié)果如表2所示。

當(dāng) COD排放濃度為10 mg/L時(shí)，海水?dāng)U散和凈化作用使 COD濃度快速下降，8 h后 S1站位的 COD濃度為0.52 mg/L， 其他站位的 COD濃度達(dá)到背景濃度;這是由于 S1站位距排水口較近，COD 還未被完全降解，而其他站位距排水口較遠(yuǎn)，低濃度 COD 的影響較小。

隨著 COD排放濃度的提高，COD濃度有所提高。當(dāng) COD排放濃度提高至50 mg/L時(shí)，S1站位的 COD濃度為2.29mg/L，未超過(guò)二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（3.00mg/L），其他站位的 COD濃度較接近背景濃度，表明此時(shí) COD還未被完全降解，影響面積將繼續(xù)擴(kuò)大。當(dāng) COD排放濃度提高至100mg/L時(shí)，S1站位的 COD濃度為5.12 mg/L， 超過(guò)二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，建議電站排水前對(duì)污水進(jìn)行預(yù)處理，使 COD排放濃度不高于100mg/L。

當(dāng) COD 排放濃度分別為50 mg/L 和100mg/L時(shí)，模擬排放8 h后周邊海域的影響面積，結(jié)果表明 COD污水排放后受潮流影響沿 SE方向順岸擴(kuò)散，最高濃度出現(xiàn)在排水口附近。當(dāng) COD 排放濃度為50mg/L時(shí)，S1站位的 COD最高濃度超過(guò)2.50mg/L， 最大影響面積約為0.07 km2;當(dāng) COD排放濃度為100 mg/L時(shí)，S1站位的 COD最高濃度超過(guò)5.50 mg/L， 最大影響面積約為2.63km2。由于 COD 沿 SE方向擴(kuò)散，S2～S6站位的 COD濃度較低。

2.2COD排放季節(jié)對(duì)海水水質(zhì)的影響

春季的海水水溫為28.4℃，當(dāng) COD 排放濃度為100mg/L時(shí)，由于海水的擴(kuò)散和凈化作用，COD 濃度迅速下降。經(jīng)過(guò)8h的擴(kuò)散和凈化后，COD最高濃度超過(guò)3.50 mg/L， 出現(xiàn)在距排水口1.67 km 的 NW 方向，影響面積約為6.40km2。

夏季的海水水溫為29.3℃，污水排放后 COD 主要沿 SE方向擴(kuò)散，COD最高濃度為5.50mg/L， 出現(xiàn)在距排水口0.83km 的 NW 方向，影響面積約為3.10km2。

秋季的海水水溫為28.9℃，污水排放后 COD被快速擴(kuò)散和降解，COD最高濃度約為3.50mg/L， 主要集中在排水口周邊海域，最大影響面積約為4.30km2;除排水口周邊出現(xiàn)小面積高濃度海域外，大部分海域的 COD濃度為0.50～0.75mg/L。

冬季的海水水溫為26.7℃，水溫降低導(dǎo)致降解系數(shù)減小，COD在排水口周邊海域聚集，最高濃度超過(guò)10.50mg/L;污水排放后 COD 大范圍沿 NW 方向擴(kuò)散，最大影響面積約為19.50km2。

2.3排水量對(duì) COD擴(kuò)散的影響

在 COD排放濃度為100mg/L的條件下，電站排水量對(duì) COD擴(kuò)散的影響如圖1所示。

由圖1可以看出，排水口周邊海域的 COD 最高濃度隨排水量增大而提高，然而 COD 最高濃度海域與排水口的距離一直保持在1.6 km 左右。這是由于 COD 擴(kuò)散主要受潮流影響，同一段時(shí)間的潮流方向不變，COD最高濃度海域與排水口的相對(duì)位置也不變。

3結(jié)語(yǔ)

針對(duì)海水抽水蓄能電站運(yùn)行中 COD排放對(duì)周邊海域的環(huán)境影響，本研究以大萬(wàn)山島為例，通過(guò)監(jiān)測(cè)現(xiàn)有海水水質(zhì)建立 COD遷移轉(zhuǎn)化模型并進(jìn)行模擬計(jì)算，主要得到3點(diǎn)結(jié)論。

（1）當(dāng) COD排放濃度為50mg/L時(shí)，周邊海域的 COD濃度為2.29 mg/L;當(dāng) COD排放濃度達(dá)到100 mg/L 時(shí)，周邊海域的 COD 最高濃度為5.12mg/L，無(wú)法滿足當(dāng)?shù)貙?duì)海水水質(zhì)的要求。因此，建議將海水抽水蓄能電站的 COD排放濃度控制在100mg/L以下。

（2）春季 COD最高濃度超過(guò)3.50mg/L，影響面積約為6.40km2;夏季 COD主要沿 SE方向擴(kuò)散，最高濃度為5.50 mg/L， 影響面積約為3.10km2;秋季 COD最高濃度約為3.50mg/L，主要集中在排水口周邊海域，最大影響面積約為4.30km2;冬季 COD在排水口周邊海域聚集，最高濃度超過(guò)10.50mg/L，最大影響面積約為19.50km2。

（3）排水口周邊海域的 COD最高濃度隨排水量增大而提高，COD最高濃度海域與排水口的距離保持在1.6km 左右。

參考文獻(xiàn)

[1]方平，王玉梅，孫昭寧，等.我國(guó)海洋資源現(xiàn)狀與管理對(duì)策[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理，2010，27（3）：32-34.

[2]劉刻福.貫徹落實(shí)“十八大”精神圍繞建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)目標(biāo)認(rèn)真履職攻堅(jiān)克難做好東海區(qū)海洋工作[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理，2012，29（12）：28-29.

[3]白燕.淺論海洋文化在建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略中的作用[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理，2014，31（2）：46-49.

[4] CHIY，ZHANGZ，XIEZ，etal.How humanactivitiesinfluencetheislandecosystem throughdamagingthenaturalecosystem andsup- porting the socialecosystem？[J]. JournalofCleanerProduction，2020，248：119203.

[5] WANGS，LIUJ，LIJ，etal.Environmentalmagneticparametercharacteristicsasindicatorsofheavymetalpollutioninthesur- facesedimentsoftheZhoushan Islandsin theEastChinaSea[J]. MarinePollution Bulletin，2020，150：110642.

[6] WATSON EB，POWELLE，MAHER N P， etal.Indicatorsofnutrientpollution in Long Island， New York， estuarine envi- ronments[J]. Marine Environmental Research， 2018， 134：109-120.

[7] CRITCHELLK， HAMANN M，WILDERMANN N，etal.Pre-dictingtheexposureofcoastalspecies to plasticpollution in a complexisland archipelago[J]. EnvironmentalPollution， 2019，252：982-991.

[8]蔡文恬.海洋環(huán)境污染的原因及對(duì)策[J].科技傳播，2012， 4（22）：97-98.

[9]張靜.深圳灣水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)及環(huán)境容量研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

[10] WU Y，ZHANG T，CHEN K，etal.A risk assessmentframe-work of seawater pumped hydro storage project in China under three typical public-private partnership managementmodes[J].JournalofEnergyStorage，2020，32：101753.

[11]杜鑫，吳鋼，許東.基于 ARMA模型的地表水水質(zhì)預(yù)測(cè)方法研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（32）：221-224.

[12] XIANG Y，F(xiàn)U ZM，MENGY，etal.Analysisofwaveclippingefectsofplain reservoir artificialislands based on MIKE 21 SW model[J]. Water Science and Enginering， 2019， 12（3）：179-187.

[13] XU M J，YU L，ZHAO Y W，etal.The simulation ofshallowreservoireutrophication based on MIKE 21： a case study of douhe reservoir in North China[J]. Procedia EnvironmentalSciences，2012，13：1975-1988.

[14] HOQUE M A， PERRIE W，SOLOMON S M. Evaluation oftwo spectralwavemodelsforwave hindcasting in the Mack-enzieDelta[J]. AppliedOcean Research，2017，62：169-180.

[15]郭鳳清，屈寒飛，曾輝，等.基于 MIKE21FM模型的蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)數(shù)值模擬[J].水電能源科學(xué)，2013，31（5）：34-37.

[16]徐帥，張凱，趙仕沛.基于 MIKE 21FM模型的地表水影響預(yù)測(cè)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（S1）：386-390.

[17]劉晨輝，劉思飔，李丹，等.基于 MIKE 21模型的長(zhǎng)江中環(huán)排污口水質(zhì)影響分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2020（1）：72-76，82.

[18]于蕾.珠海市大萬(wàn)山島漁民轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)問(wèn)題研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[19]賈晗.圍填海對(duì)渤海灣和珠江口水動(dòng)力及水質(zhì)影響數(shù)值模擬研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2018.

[20]國(guó)峰，張海平，李陽(yáng)，等.金山污水排海對(duì)納污海域水質(zhì)影響的數(shù)學(xué)模擬[J].海洋學(xué)研究，2007（4）：81-85.

[21]朱靜.近岸海域水污染物輸移規(guī)律及環(huán)境容量研究[D].南京：河海大學(xué)，2007.

[22] VETHAMONYP，SUDHEESH K，BABU M T，etal.Trajec-toryofanoilspillofGoa，easternArabianSea： fieldobserva- tionsand simulations[J]. EnvironmentalPollution， 2007， 148（2）：438-444.

[23]張利.基于 MIKE 21FM模型的跨河電纜塔基水動(dòng)力模擬研究[J].中國(guó)防汛抗旱，2018，28（12）：74-77.

[24]許婷. MIKE21HD計(jì)算原理及應(yīng)用實(shí)例[J].港工技術(shù)，2010，47（5）：1-5.

[25]梁云，殷峻暹，祝雪萍. MIKE 21水動(dòng)力學(xué)模型在洪澤湖水位模擬中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2013（1）：135-137.

[26]陳松，廖文卓，許愛(ài)玉，等.廈門(mén)市排海污水 COD 的降解動(dòng)力學(xué)[J].海洋學(xué)報(bào)（中文版），1991（3）：401-406.