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。
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
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
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。
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。
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
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
(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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