海水冷卻工程科學用海評價研究＊

李運平，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世紀是海洋的世紀，海洋是生命的搖籃和資源的寶庫，是全球生命支持系統的一個重要組成部分。隨著沿海社會經濟的快速發展和淡水資源危機的不斷加劇，海水冷卻技術已成為緩解沿海地區淡水資源緊缺局面的有效途徑之一［1－3］。海水冷卻技術按工藝可分為海水直流冷卻和海水循環冷卻兩種。海水直流冷卻歷史悠久、技術成熟，已廣泛應用于沿海電力、石化等高耗水行業。近年來，海水循環冷卻作為一種環保型節水新技術逐漸受到重視并迅速發展，目前我國已基本掌握海水循環冷卻防腐、阻垢、防生物附著和海水冷卻塔關鍵技術，成功實施了千噸級、萬噸級和十萬噸級工程示范，產業化推廣不斷深入。

隨著沿海地區海水冷卻工程的興建，海水冷卻工程科學用海問題日益引起業界的高度關注，而國內外相關研究大多集中在海水冷卻溫排水和余氯對海洋環境影響方面［4－6］，尚無對海水冷卻工程科學用海評價的系統研究。為此，全面開展海水冷卻工程科學用海研究，建立評價指標體系和評價方法，為海水冷卻工程項目用海評價提供理論依據和技術支撐，對于合理開發利用海洋，保障沿海地區海洋資源、環境與社會經濟的協調可持續發展具有重要意義。

2 海水冷卻工程科學用海內涵

海水冷卻工程科學用海是指在符合海域自然屬性、有效節約淡水資源、滿足冷卻用戶正常生產需求的前提下，確保冷卻工程用海與海洋環境、海洋資源以及社會經濟協調、可持續發展。

3 海水冷卻工程科學用海指標體系設置原則

3.1 全面性與代表性原則

海水冷卻工程科學用海指標體系是一個多種因素綜合作用的有機整體，應從不同角度全面反映科學用海的主要特征和狀況。同時，應結合海水冷卻工程科學用海的重要環節和過程，在指標選取上注重代表性和典型性，避免指標的重疊或交叉，使指標體系簡潔、易用。

3.2 系統性與層次性原則

海水冷卻工程科學用海評價是一個復雜的系統工程，涉及自然條件、海洋環境與資源、社會經濟、用海效益等眾多方面和不同因素，因此指標體系的設計應根據影響因素之間的特性和相互關系，構建系統完整、層次分明的評價指標體系。

3.3 科學性與實用性原則

評價指標的設置應客觀反映海水冷卻工程科學用海的實際狀況，既要科學規范、內涵明確，又要實用、可靠，使指標數據具有良好的可獲性和準確性，便于量化處理，確保評價方法科學合理、計算模型易于掌握。

4 海水冷卻工程科學用海指標體系與系統分析

4.1 海水冷卻工程科學用海指標體系構建

本研究通過深入分析海水冷卻工程科學用海的特性和關鍵影響因素，提出并建立海水冷卻工程科學用海指標體系，包括自然條件適宜性、海洋環境影響度、社會發展協調性和工程用海效益4個子系統 (表1)，旨在實現海水冷卻工程用海與自然條件、海洋環境、社會發展以及自身效益的和諧統一與可持續發展。

表1 海水冷卻工程科學用海指標體系

4.2 海水冷卻工程科學用海系統分析

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，良好適宜的自然條件是保證海水冷卻工程安全、經濟、穩定運行的基本前提，因此海水冷卻工程選址論證須充分考察海域自然條件對工程用海的適宜性，包括海洋水文、取水水質和工程地質3個指標。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、取水水質好和無不良海洋地質災害。

(1)海洋水文條件:表征工程海域水文動力條件對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，對海水冷卻工程有利。海水交換能力強，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散。

(2)取水水質條件:表征工程海域取水水質條件對海水冷卻工程的適宜性和影響程度，取水水質越好，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定運行。海水冷卻工程關鍵的取水水質指標為濁度和異養菌總數。

(3)工程地質條件:表征區域地質環境對海水冷卻工程建設的適宜性和影響程度，包括場地類別和地震烈度兩個指標。場地類別是根據工程場地覆蓋層厚度和場地土剛度等因素，按有關規定對建設場地所作的分類，用以反映不同場地條件對地震的綜合放大效應，通常分為4類。地震烈度是指地震引起的地面震動及其影響的強弱程度，分為十二級。

4.2.2 海洋環境影響度

海洋環境與人類的生產和生活息息相關，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需求的前提下，應盡量消除或降低對海洋環境的污染和破壞。本研究提出用海洋環境影響度表征海水冷卻工程對海洋環境的影響程度，包括海水水質影響、海洋沉積物影響和海洋生態環境影響3個指標。

(1)海水水質影響:表征海水冷卻工程排放水對海水水質環境的污染程度，包括4℃溫升影響、藥劑影響和鹽度影響3個指標。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 (循環冷卻)，這些污染物對海水水質會造成不良影響，并進而影響海洋生態環境。

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

(3)海洋生態環境影響:表征海水冷卻工程對海洋生態環境的影響程度，包括浮游植物、浮游動物和底棲生物3個指標。浮游植物是海洋生態系統中最主要的初級生產者，不僅為浮游動物、甲殼動物、軟體動物和仔稚魚提供食物和必需的營養成分，還可指示海洋水質的好壞及全球氣候的變化。浮游動物在海洋生態系統中扮演著重要角色，既是消費者 (掠食者)，又是生產者，并對物質循環和垂直流動起重要作用，其種類組成、分布與海洋環境密切相關。底棲生物是海洋生態系統的重要組成部分，底棲生物的棲息地相對穩定，活動空間范圍較小，對海域環境變化反應敏感度較高，其種類組成、數量分布及其生態群落多樣性等將直接反映該海域生態環境狀況，常被作為評價海洋環境影響的重要指標之一。

4.2.3 社會發展協調性

社會發展是海水冷卻工程用海的內在動力和歸宿，海水冷卻工程用海應與社會發展和諧統一。社會發展協調性表征海水冷卻工程用海與當地社會發展的協調程度，包括法規政策符合性和周邊用海活動協調性兩個指標。

(1)法規政策符合性。法規政策符合性是指海水冷卻工程用海與國家涉海法律法規、政策規劃的符合程度，包括海洋功能區劃符合性和涉海規劃符合性兩個指標。我國《海域使用管理法》明確規定國家實行海洋功能區劃制度，海洋功能區劃是指導科學用海的規范性文件。海水冷卻工程用海首先必須符合國家和地方海洋功能區劃要求，不得影響海洋功能區劃主導功能的發揮。同時，也要符合區域涉海規劃的要求，促進區域海洋經濟和社會發展。

(2)周邊用海活動協調性。周邊用海活動協調性是指海水冷卻工程用海應與周邊其他用海活動相協調，盡量減少或避免相關利益沖突，實現區域用海活動的和諧有序，包括海洋權屬協調性和生產作業協調性兩個指標。海洋權屬協調性是指海水利用工程用海與周邊其他用海活動在宗海圖、用海類型、用海面積、用海期限等海洋權屬方面不存在沖突。生產作業協調性是指海水冷卻工程用海不得妨礙周邊其他用海活動正常的生產作業，如海水冷卻溫排水不得對周邊海水養殖區或生態保護區產生不良的影響。

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冷卻水，從而節約淡水資源、緩解沿海地區日益嚴重的水資源危機，其用海效益突出表現在海水利用效率和節水效益兩個指標。

(1)海水利用效率。海水利用效率是指產生相同的用海效益所耗費海水量的多少，包括海水濃縮倍數和排放水再利用兩個指標。海水濃縮倍數反映了在冷卻系統中海水循環利用的程度，即海水利用效率的高低。在海水循環冷卻系統中，海水經換熱設備完成一次冷卻后，再經冷卻塔冷卻并循環使用。海水在循環利用的過程中由于蒸發而產生濃縮，海水濃縮倍數越大，則海水利用效率越高，海水循環冷卻的濃縮倍數一般控制在1.5～2.0之間。在海水直流冷卻系統中，海水經換熱設備完成一次性冷卻后即直接排海，其濃縮倍數可視為1(即不濃縮)。由此可見，海水循環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經濟的發展理念，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水、發展海水養殖等，以及利用海水循環冷卻排放的濃鹽水發展鹽化工等綜合利用技術。

(2)節水效益。節水效益是指海水冷卻工程節約的淡水資源量及其價值，包括工程冷卻水量和淡水資源稀缺程度兩個指標。工程冷卻水量表征節約淡水資源量的多少，工程冷卻水量越大，則相應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水效益的相對多少，淡水資源越缺乏的地區，則海水冷卻工程產生的節水效益相對越大。國際上通常采用人均水資源量來表征一個地區淡水資源稀缺程度，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。

5 海水冷卻工程科學用海評價方法

所謂評價是指人們參照一定標準對評價客體的價值高低或優劣進行評判比較的一種認知過程，同時也是一種決策過程。海水冷卻工程科學用海評價是一個復雜的系統，涉及多個指標、多種因素，因此本研究運用層次分析法對海水冷卻工程科學用海進行綜合評價。

層次分析法［7－8］是由美國著名數學家、運籌學家薩迪于20世紀70年代中期提出，具有實用、簡潔的特點，是一種定性與定量相結合的多目標綜合決策方法，適于海水冷卻工程科學用海評價。層次分析法的基本原理是將待評價的復雜問題分解成若干組成因素，并將各因素按支配關系分組，形成遞階層次結構模型;再由專家或決策者對所列指標通過重要程度的兩兩比較逐層進行判斷評分，利用計算判斷矩陣的特征向量確定下層指標對上層指標的貢獻程度或權重，從而得到最基層指標對于總體目標的重要性權重排序。

5.1 建立層次結構模型

通過系統分析海水冷卻工程科學用海關鍵影響因素，明確因素的內在邏輯關系，建立遞階層次結構模型。

5.2 構建判斷矩陣

根據層次結構模型，構造判斷矩陣A。判斷矩陣A表示同一層次中各個因素對于上一層某個因素的重要程度，由專家按照1～9標度法對同一層元素重要性程度進行兩兩比較并賦值(表2)。

表2 標度含義

5.3 計算最大特征根和特征向量

計算判斷矩陣A的最大特征值對應的特征向量，將特征向量歸一化，然后利用方根法計算特征向量，即權重。

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，對任意的i，j=1，2，…，n;αi為特征矩陣的橫向量。

對 α = (α1，α2，…，αn)T向量進行歸一化處理，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個分量，對任意的i=1，2，…，n。

5.4 一致性檢驗

由于客觀事物的復雜性以及專家認識的局限性，專家所作的比較判斷矩陣與客觀事實可能不相符，因此需要對矩陣A進行一致性檢驗。

一致性檢驗的指標為:

一致性指標:

一致性比率:

式中:RI為隨機一致性指標均值 (表3)。

表3 隨機一致性指標RI值

通常以CR作為檢驗一致性的判別式，若CR＜0.1，則認為判斷矩陣A具有滿意的一致性，所得特征向量即為指標權重。

6 結束語

為適應海水冷卻工程用海日益增長的形勢和科學用海評價的需要，本研究通過系統分析關鍵影響因素，建立了海水冷卻工程科學用海評價指標體系和評價方法，對海水冷卻工程科學用海評價進行了有益探索，這將有利于保護海洋資源和生態環境，促進沿海地區社會經濟的可持續發展。但應該看到，鑒于認識水平和技術手段的限制，該指標體系和評價方法還有待完善，需要在實踐中進一步檢驗并不斷豐富和發展。

［1］侯純揚.海水冷卻技術［J］.海洋技術，2002，21(4):33－40.

［2］侯純揚，武杰，趙楠，等.海水直流冷卻水系統金屬腐蝕、污損生物附著及其對策［J］.海洋技術，2002，21(4):41 －45.

［3］侯純揚，武杰，趙楠，等.海水循環冷卻系統腐蝕、污垢和菌藻控制技術研究［J］.海洋技術，2002，21(4):47－50.

［4］MATTEUCCI G，MAGAGNINI M，ARMENI M，et al.Ecological assessment of a marine coastal area affected by a power plant water discharge(Brindisi，Adriatic Sea)［J］.The Open Environmental＆ Biological Monitoring Journal，2011(4):45 －56.

［5］林昭進，詹海剛.大亞灣核電站溫排水對鄰近水域魚卵、仔魚的影響［J］. 熱帶海洋，2000，19(1):44－50.

［6］曾江寧.電廠溫排水對亞熱帶海域生態影響的研究［D］.杭州:浙江大學，2008.

［7］王蓮芬，許樹柏.層次分析法引論［M］.北京:中國人民大學出版社，1990.

［8］周德群.系統工程概論［M］.北京:清華大學出版社，2006.