海水抽水蓄能電站運行中的有機污染物排放對周邊海域的環(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行的環(huán)境友好和生態(tài)安全，文章以大萬山島為例，在海水水質(zhì)監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上，模擬擬建海水抽水蓄能電站運行中的化學(xué)需氧量（COD）排放對周邊海域的環(huán)境影響。研究結(jié)果表明：大萬山島周邊海域水質(zhì)較好，COD 濃度在0.2 mg/L 以下;當海水抽水蓄能電站的 COD排放濃度不超過50 mg/L 時，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 COD排放濃度超過100 mg/L 時即存在超標風(fēng)險;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;有機污染物;海洋環(huán)境;化學(xué)需氧量;海水水質(zhì)

中圖分類號： X55;P76;TV743文獻標志碼： A文章編號：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

我國海域遼闊，海洋資源豐富，其中海島及其周邊海域蘊藏的自然資源在我國經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(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世紀海上絲綢之路”建設(shè)乃至我國未來的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。隨著海上風(fēng)能、潮汐能和太陽能等新能源的開發(fā)，配套建設(shè)海水抽水蓄能電站不僅可以滿足遠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)，而且對于沿海和海島地區(qū)構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟和清潔的能源供應(yīng)體系具有重要作用，符合我國能源發(fā)展戰(zhàn)略。

與陸地相比，海島的面積狹小、地理環(huán)境獨特且生態(tài)系統(tǒng)脆弱[4]。隨著海島開發(fā)利用活動的增多，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題凸顯，已經(jīng)對海島生態(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)成嚴重威脅，不僅制約海島地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，而且影響海島地區(qū)的社會穩(wěn)定[5-7]。因此，在海水抽水蓄能電站的建設(shè)和運行中必須考慮其對周邊海域環(huán)境的影響[8-10]。

目前國內(nèi)外廣泛通過海水水動力過程分析海洋污染物的遷移和擴散，并預(yù)測海水水質(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、可視性強和操作界面友好等優(yōu)點[15-18]。例如：采用 MIKE模型對渤海灣海水水質(zhì)的模擬結(jié)果表明，填海工程對渤海灣海洋環(huán)境影響較大，使渤海灣納潮量降低9%，導(dǎo)致污染物向灣外擴散的能力降低[19];對上海市金山區(qū)排海污水納污海域海水水質(zhì)的模擬結(jié)果表明，污水的緊急排放對海域造成嚴重污染[20];對曹妃甸工業(yè)區(qū)的渤海二維污染物遷移轉(zhuǎn)化的模擬結(jié)果表明，當有機污染物排放滿環(huán)境容量后，4 mg/L濃度場（CODMn ）的覆蓋面積可達4.42 km2[21]。此外，在石油泄漏事件中應(yīng)用 MIKE 模型預(yù)測浮油軌跡和面積也取得較好效果[22]。本研究基于 MIKE 21模型，研究珠海市大萬山島擬建海水抽水蓄能電站運行中的有機污染物排放對周邊海域的環(huán)境影響及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期防控電站對海洋環(huán)境的污染，為電站運行的環(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月在大萬山島擬建海水抽水蓄能電站排水口周邊海域設(shè)立7個監(jiān)測站位，對海水的水溫、鹽度、懸浮物濃度和化學(xué)需氧量（COD）濃度進行取樣測定，樣品分析參照《海洋監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（HY/T 147-2013）要求。各站位的主要環(huán)境指標如表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（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），模擬計算海水抽水蓄能電站排水對周邊海域環(huán)境造成的影響。

1.2數(shù)值模型

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

根據(jù)我國南海海域在不同季節(jié)的水溫，在實驗室條件下設(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 時的 COD降解系數(shù)。

由于目前缺乏大萬山島海域 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）模擬計算。我國南海海域春季、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排放濃度對海水水質(zhì)的影響

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

當 COD排放濃度為10 mg/L時，海水擴散和凈化作用使 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，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 COD排放濃度提高至50 mg/L時，S1站位的 COD濃度為2.29mg/L，未超過二類海水水質(zhì)標準（3.00mg/L），其他站位的 COD濃度較接近背景濃度，表明此時 COD還未被完全降解，影響面積將繼續(xù)擴大。當 COD排放濃度提高至100mg/L時，S1站位的 COD濃度為5.12 mg/L， 超過二類海水水質(zhì)標準。因此，建議電站排水前對污水進行預(yù)處理，使 COD排放濃度不高于100mg/L。

當 COD 排放濃度分別為50 mg/L 和100mg/L時，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方向順岸擴散，最高濃度出現(xiàn)在排水口附近。當 COD 排放濃度為50mg/L時，S1站位的 COD最高濃度超過2.50mg/L， 最大影響面積約為0.07 km2;當 COD排放濃度為100 mg/L時，S1站位的 COD最高濃度超過5.50 mg/L， 最大影響面積約為2.63km2。由于 COD 沿 SE方向擴散，S2～S6站位的 COD濃度較低。

2.2COD排放季節(jié)對海水水質(zhì)的影響

春季的海水水溫為28.4℃，當 COD 排放濃度為100mg/L時，由于海水的擴散和凈化作用，COD 濃度迅速下降。經(jīng)過8h的擴散和凈化后，COD最高濃度超過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10.50mg/L;污水排放后 COD 大范圍沿 NW 方向擴散，最大影響面積約為19.50km2。

2.3排水量對 COD擴散的影響

在 COD排放濃度為100mg/L的條件下，電站排水量對 COD擴散的影響如圖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 擴散主要受潮流影響，同一段時間的潮流方向不變，COD最高濃度海域與排水口的相對位置也不變。

3結(jié)語

針對海水抽水蓄能電站運行中 COD排放對周邊海域的環(huán)境影響，本研究以大萬山島為例，通過監(jiān)測現(xiàn)有海水水質(zhì)建立 COD遷移轉(zhuǎn)化模型并進行模擬計算，主要得到3點結(jié)論。

（1）當 COD排放濃度為50mg/L時，周邊海域的 COD濃度為2.29 mg/L;當 COD排放濃度達到100 mg/L 時，周邊海域的 COD 最高濃度為5.12mg/L，無法滿足當?shù)貙Ｋ|(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3.50mg/L，影響面積約為6.40km2;夏季 COD主要沿 SE方向擴散，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。

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