水源熱泵系統(tǒng)尾水排放對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的影響

許志良，黃向陽(yáng)，吳姍姍 （長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

在國(guó)家 “十一五”規(guī)劃大力倡導(dǎo)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(shù)，得到了強(qiáng)勁的支持和發(fā)展。重慶市作為長(zhǎng)江上游最大城市，擁有極為豐富的地表水資源以及得天獨(dú)厚的水文氣象條件，在發(fā)展地表水源熱泵上得到了國(guó)家大力支持。重慶市在開展地表水源熱泵高效應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究的同時(shí)，也加強(qiáng)了地表水源熱泵示范工程的建設(shè)。地表水源熱泵系統(tǒng)取水量較大，涉及水域廣，社會(huì)關(guān)注程度較高，無(wú)論其尾水對(duì)水環(huán)境影響程度如何，都必須通過(guò)科學(xué)研究得到一個(gè)確切的結(jié)論。湖水源熱泵尾水排放對(duì)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(zhǎng)江上游地區(qū)乃至全國(guó)推廣應(yīng)用提供支撐，并且為水源熱泵尾水污染防治及生態(tài)修復(fù)研究提供依據(jù)。

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(wèn)題目前國(guó)內(nèi)外研究較多[1－6]，而對(duì)于水源熱泵尾水污染問(wèn)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(guó)家級(jí)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(guò)近一年對(duì)其尾水受納湖泊水環(huán)境的監(jiān)測(cè)，探討了湖水源熱泵系統(tǒng)尾水排放對(duì)湖泊水環(huán)境的影響。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

2008年開縣人民醫(yī)院湖水源熱泵中央空調(diào)項(xiàng)目被列為可再生能源建筑應(yīng)用示范工程。開縣人民醫(yī)院綜合樓水源熱泵中央空調(diào)面積約為24427.80m2，設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為2912.70kW，熱負(fù)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(shè)計(jì)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(tǒng)開始運(yùn)行以前，湖泊部分水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

工程自2008年5月開始運(yùn)行，從水源熱泵運(yùn)行5a期間機(jī)房湖水側(cè)進(jìn)出水平均溫度、流量等的運(yùn)行記錄來(lái)看，夏季最大進(jìn)出水溫差為5.2℃，最熱月平均進(jìn)出水溫差約3.8℃；冬季最大進(jìn)出水溫差2.9℃，最冷月平均進(jìn)出水溫差約1.8℃。

表1 水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行前湖泊部分水質(zhì)指標(biāo)

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)湖泊水溫的監(jiān)測(cè)結(jié)果，大致確定氣溫和水溫最不利情況下尾水對(duì)湖泊水溫的影響范圍，然后根據(jù)這一范圍來(lái)選擇采樣點(diǎn)，詳見圖1。3個(gè)采樣點(diǎn)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(shí)只采取了表層水樣 （水面下0.3m）。采樣時(shí)間大約在上午10點(diǎn)左右，采樣頻次一般為15～30d1次，特殊情況 （如水源熱泵系統(tǒng)未運(yùn)行期間）頻次減小。每次各采樣點(diǎn)分別采集1000～1500ml水樣，低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析[11]。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)布置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 尾水排放對(duì)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(tǒng)運(yùn)行時(shí)，分別對(duì)排放口附近區(qū)域的水溫和溶解氧進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，結(jié)果見表2和圖2～3。

2012年6月14日測(cè)定水溫及溶解氧時(shí)，同一時(shí)間氣溫為29.8℃，機(jī)房水源側(cè)進(jìn)水30.6℃，出水32.7℃。由表2可知，由于當(dāng)天氣溫不高，排放口的水溫僅略高于氣溫，因而尾水對(duì)湖水水溫短期影響較小，溫升最大未超過(guò)0.5℃，且影響最遠(yuǎn)不到20m區(qū)域。但是進(jìn)水側(cè)水溫達(dá)到30.6℃，而同一時(shí)間系統(tǒng)取水處 （水面下4m）水溫僅為26℃，表明系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)湖泊水溫的影響比較明顯。從溶解氧來(lái)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(dāng)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下，冷排水對(duì)排放口附近水域沿流動(dòng)方向影響距離大約20～25m，而垂直與流動(dòng)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(jīng)與更遠(yuǎn)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(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖2 冷排水時(shí)距排放口5～40m水溫變化曲線

圖3 冷排水時(shí)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(nèi)水溫呈現(xiàn)逐步升高趨勢(shì)，溶解氧變化規(guī)律與水溫基本相同。總體來(lái)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(zhǎng)的冷水帶，不斷向水平和垂直2個(gè)方向擴(kuò)散，2種水混合后，冷排水?dāng)U散帶的水溫、溶解氧都會(huì)逐漸升高，直到與湖泊相同。

2.2 尾水排放對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的影響

圖4 氨氮監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 總氮監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 總磷監(jiān)測(cè)結(jié)果

從2012年5月到2013年4月水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，對(duì)湖泊氮、磷取樣監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4～6所示。由圖4～6可知，各采樣點(diǎn)測(cè)得的總氮和總磷都是呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，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(shí)溫排水的擾動(dòng)作用也加快了沉積物中氮磷的釋放，所以導(dǎo)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(shí)過(guò)低水溫對(duì)大多數(shù)水生動(dòng)植物有負(fù)面影響，冷排水的擾動(dòng)作用同樣加快沉積物中氮磷的釋放，導(dǎo)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(duì)藻類的影響

從2012年5月到2012年3月，對(duì)湖泊藻類取樣檢測(cè)結(jié)果如圖7。由圖7可知，藻類數(shù)量變化與水溫變化有直接關(guān)系，排放口附近水域的藻類數(shù)量在5月～6月時(shí)比其他區(qū)域大約多出10%；而在7月～8月，當(dāng)溫排水水溫大于33℃時(shí)，比其他區(qū)域則要少5%～10%，表明過(guò)高的水溫會(huì)抑制某些藻類生長(zhǎng)；到9月份又比其他區(qū)域多出15%～20%。10月～11月系統(tǒng)沒有運(yùn)行時(shí)，各點(diǎn)藻類數(shù)量比較接近。進(jìn)入冬季冷排水以后，在水溫較低時(shí) （1月），排放口附近水域的藻類數(shù)量比其他區(qū)域藻類數(shù)量少了大約5%，3月份以后，排放口附近水域的藻類數(shù)量則明顯比其他區(qū)域多。藻類總量最大值出現(xiàn)在8月份，主要是藍(lán)、綠藻數(shù)量很大，因?yàn)樵撛碌钠骄疁卦?0℃左右，很適合藻類生長(zhǎng)繁殖。另一個(gè)峰值出現(xiàn)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(jié)果。

圖7 湖泊藻類總量變化曲線

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

較高的水溫會(huì)使藍(lán)藻大量繁殖而其他一些藻類 （比如硅藻）無(wú)法生存，結(jié)果藻類數(shù)量上升但是種群數(shù)減少，同樣，低溫也降低了藻類多樣性。

圖8 夏季優(yōu)勢(shì)藻類

2.4 尾水排放對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程的影響

在開縣人民醫(yī)院水源熱泵系統(tǒng)開始運(yùn)行以前，根據(jù)藻類生物量和水質(zhì)指標(biāo)狀況可知湖泊已經(jīng)到達(dá)富營(yíng)養(yǎng)化水平。根據(jù)同一時(shí)間監(jiān)測(cè)到的湖泊葉綠素 （chla）含量、TN、TP、CODMn、透明度 （SD）（表3），按照綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[12]，可以計(jì)算出各采樣點(diǎn)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明，1＃、2＃、3＃采樣點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分別為50.63、51.12和53.43，都處于輕度富營(yíng)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(gè)位置。單個(gè)指標(biāo)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(guān)系的。

由表3可知，湖泊氮磷比約為17～18，因此，磷是藻類生長(zhǎng)的限制因子，湖泊水中磷的來(lái)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(shí)際上，藻類光合作用產(chǎn)生大量二氧化碳，導(dǎo)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(zhǎng)率，使得適溫藻類大量繁殖，水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程加速。

從夏季湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，水溫在30℃以下時(shí)，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(shù)量的上升，這些都是富營(yíng)養(yǎng)化加速的有利條件。

從冬季湖泊水環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，盡管排放口附近水域水溫降低抑制了部分藻類的生長(zhǎng)，但是由于溫差較小，再加上冷排水的攪動(dòng)作用，加強(qiáng)了沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放，促進(jìn)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，因而冷排水對(duì)于該水域富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程影響是雙方面的。

表3 各營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值

3 結(jié)論

（1）夏季監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：湖水源熱泵系統(tǒng)溫排水對(duì)湖泊水溫的長(zhǎng)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(shí)，溫升使得排放口附近氨氮、總氮、總磷以及藻類數(shù)量的上升，加速了湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，但當(dāng)溫排水水溫大于33℃時(shí)，排放口附近水域藻類數(shù)量反而減少。

（2）冷排水溫差較小時(shí)，系統(tǒng)排水對(duì)湖泊水溫影響較小。冷排水抑制了藍(lán)藻和其他一些藻類的生長(zhǎng)，對(duì)湖泊富營(yíng)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(dòng)作用加速了湖泊沉積物中營(yíng)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(lái)對(duì)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程又有促進(jìn)作用。

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