电厂温排水中余氯扩散规律及其对海洋环境的影响研究_吴琼

电厂温排水中余氯扩散规律及其对海洋环境的影响研究吴琼，陈韦丽（珠江水利科学研究院，广东广州510611）摘要：利用有限差分方法，对珠江河口黄茅海水域潮流场进行了数值模拟，考虑余氯在水体中的化学反应，利用前人的研究成果和经验选取余氯衰减系数，建立余氯的二维输运和扩散模型，并将此模型应用于珠海高栏港经济区2×390MW 热电联产项目温排水研究，预测了温排水中余氯的浓度分布及影响范围，为电厂冷却水排放口附近水域的海洋环境保护提供科学依据。

关键词：温排水；余氯；有限差分；数值模拟；海洋环境中图分类号:X8文献标识码:A 文章编号:1674-4829(2012)01-0018-040引言电厂运行时需大量的冷却水供冷却塔和冷凝器冷却发电机组，为防止冷凝器附着生物形成绝热层，影响冷却效果甚至堵塞冷却系统，需定时向循环冷却水中加入一定量的物质，以清除管道中附着的藻类微生物。

最常采用的是投放氯气（Cl 2），从而使冷却水中含有余氯。

电厂含有余氯的冷却水排入邻近水域，将会对受纳水体的生态环境造成影响，该问题引起了国内外学者的极大关注[1-2]。

BROOK 等[1]在70年代就针对氯化和非氯化的温排水对浮游植物的影响进行了对比研究，发现当电厂进行氯处理时，浮游植物的光合作用、呼吸作用受到了抑制，而停止氯处理时则无影响；SHAMS E D 等[3]研究了在不同温度和光强条件下自然海水中余氯随时间的变化；张穗等[4]曾对大亚湾核电站冷却水排水口及邻近海域海水中余氯的污染状况进行了调查，并选择若干养殖经济动物进行了余氯毒性胁迫实验。

近年来，鉴于水源的需要，广东省大型发电厂厂址位于河口、滨海地区是电力建设发展的必然趋势。

在潮汐河口，受径流、潮流的共同影响，流态较为复杂，因此温排水在河口地区的扩散规律也相对复杂。

本文以珠海高栏港区2×390MW 热电联产项目温排水问题为例，利用二维水动力模型对温排水中余氯受纳水域黄茅海潮流场进行了模拟，并以该数值模拟的潮流场作为余氯输运模拟的水动力条件，利用余氯二维对流扩散模型预测了受纳水域余氯的浓度分布和影响范围，在此基础上分析其对排水口附近水域水环境造成的影响。

收稿日期：2011-11-15作者简介：吴琼（1982-），女，安徽安庆人，硕士研究生，工程师，主要从事水环境研究工作.Research on Diffusion Rule of Residual Chlorine in Warm Water from Power Plant and Influence onMarine EnvironmentWUQiong,CHEN Wei-li(Pearl River Hydraulic Research Institute,Guangzhou 510611,China )Abstract ：The tidal current field of Huangmaohai estuary has been simulated using Finite Difference Method.Considering the chemical reaction of residual chlorine in water,choosing the attenuation coefficient from the achievements and the experiences of past generations,the two -dimensional transportation and diffusion Model of Residual Chlorine was built,which was applied to the study of warm water from the power plant （2×390MW ）in Gaolan harbour district in Zhuhai.The concentration distribution and the range of influence of residual chlorine in warm water have been simulated,and the results were provided as the scientific foundation to the protection of ocean environment near the discharge outlet of warm water from the power plant.Key words ：Warm water;Residual chlorine;Finite difference;Numerical simulation;Ocean environment第25卷第1期2012年2月环境科技Environmental Science and TechnologyVol．25No ．1Feb ．2012第25卷第1期图1余氯在海水中的衰减t /min2．01．51．00．5ρ（余氯）/（m g ·L -1）050100150200250游离余氯（天然海水）化合余氯（天然海水）游离余氯（加氯处理过的海水）1潮流数值模拟1.1二维潮流数学模型本研究采用的贴体正交曲线坐标系下二维水流连续方程和运动方程的表达式如下：式中：u ，v 分别为ε，η方向流速分量；E ε，E η为紊动粘性系数；C ε，C η为Lami 系数：，；h 为水位，m ；q 为单元汇入汇出流量，m 3/s ；H 为水深，m ；g 为重力加速度，m/s 2；f 为柯氏力系数。

1.2二维物质输移扩散模型物质输移扩散方程：式中：C 为浓度垂线平均值，kg/m 3；u ，v 分别为ε，η方向垂线平均流速，m/s ；H 为水深；q 为单元汇入汇出流量，m 3/s ；C 0为浓度源，kg/m 3；k 为衰减系数。

1.3计算方法和网格布置采用正交曲线网格模拟研究区域，同时借助ADI 法离散基本方程。

基本方程组离散格式的求解采用追赶法进行。

区域的离散采用泊松方程生成网格，即生成网格的方程和控制函数是在正交曲线坐标系ε，η下（取势流中的势函数和流函数生成坐标系，二者必然正交）推导而得。

模型计算区域东西宽约105km ，南北长约80km ，其网格节点数为768×610，河口区最大网格尺寸约为1000m ×500m ，冷却水排放口附近水域最小网格尺寸约30m ×10m 。

1.4有关参数的确定余氯通常是指游离性余氯（HClO -，ClO -）与化合性余氯（NH 2Cl ，NHCl 2，NCl 3）的总和。

含氯的冷却水排入海域后，余氯的浓度除因物理因素，如海水对流扩散的稀释作用而减少外，还和其它因素有关，如与海水中还原性物质发生氧化还原反应及次氯酸光解等，这种化学和光解作用均可使余氯浓度在水环境中随时间减少。

游离性余氯性质不稳定，衰减快，而化合性余氯较稳定，衰减慢。

根据以往研究成果和经验确定余氯扩散和衰减系数。

（1）扩散系数扩散系数采用经验公式：式中：N 为底摩擦系数，g 为重力加速度，u ，v 分别为ε，η方向垂线平均流速，m/s ，。

（2）衰减系数张穗等[4]通过对大亚湾核电站冷却水排放口邻近海域进行调查，研究了余氯在海水中的衰减规律，其衰减曲线见图1。

根据以往研究成果，余氯的半衰期为1h 。

本研究按照余氯的一级衰减模型计算得余氯的衰减系数为0.69。

1.5污染源强的确定排水口处余氯源强为质量浓度0.05mg/L ，排水流量为14.42m 3/s ，出于偏安全考虑，本研究认为余氯的排放方式为连续性排放。

计算水文条件选择“92.7”中水组合和“92.11”枯水组合，分别代表夏季和冬季。

1.6余氯浓度预测结果为分析余氯浓度的最大影响范围，根据计算结果并统计包络线特征值见表1，绘制冬季和夏季余氯浓度包络线图见图2和图3。

（1）夏季余氯浓度包络线分析从表1和图2、图3可以看出，夏季余氯质量浓度大于0.03mg/L 的最大影响面积约0.23km 2，垂岸方向的最大影响距离约为1.65km ，顺岸方向的最大影响距离约为0.21km ；余氯质量浓度大于0.02mg/L 的最大影响面积约0.52km 2，垂岸方向的最大影响距离约为2.76km ，顺岸方向的最大影响距离约为0.28km ；余氯质量浓度大于0.005mg/L 的最大影响ρ（余氯）/（mg ·L -1）≥0.03≥0.02≥0.01≥0.005夏季（92.7中水组合）1.652.764.397.480.210.280.350.420.230.521.292.61包络面积/km 2垂岸最大距离/km顺岸最大距离/km1.562.654.046.96包络面积/km 2垂岸最大距离/km顺岸最大距离/km0.180.230.290.350.180.441.032.43冬季（92.11枯水组合）表1氯浓度包络线特征值统计吴琼等电厂温排水中余氯扩散规律及其对海洋环境的影响研究==ξ19环境科技2012年2月图例单位：mg ·L -1———0.03———0.03———0.02———0.01———0.005港池、航道岸线本工程取排水口图3“92.11”枯水余氯浓度分布包络线面积约2.61km 2，垂岸方向的最大影响距离约为7.48km ，顺岸方向的最大影响距离约为0.42km 。

（2）冬季余氯浓度包络线分析冬季余氯质量浓度大于0.03mg/L 的最大影响面积约0.18km 2，垂岸方向的最大影响距离约为1.56km ，顺岸方向的最大影响距离约为0.18km ；余氯质量浓度大于0.02mg/L 的最大影响面积约0.44km 2，垂岸方向的最大影响距离约为2.65km ，顺岸方向的最大影响距离约为0.23km ；余氯质量浓度大于0.005mg/L 的最大影响面积约2.43km 2，垂岸方向的最大影响距离约为6.96km ，顺岸方向的最大影响距离约为0.35km 。

2余氯对水生生物的影响浮游植物是海洋生态系统的基础生产者。

研究结果表明，电厂温排水中的余氯是损害浮游植物的主要因素，而温排水的热冲击对浮游植物的影响不大。

进行氯化的冷却水，其排放口邻近水域浮游植物光合作用和呼吸作用受到抑制，初级生产力下降[5]。

海滨电厂余氯排放对水生生物的影响分析结果表明，浮游植物具有较强的恢复潜能，余氯对浮游植物造成的损伤能较快恢复，但恢复后的浮游植物种类组成将会发生变化。

电厂取水口、冷却管内和排水口水样的藻类培养试验表明，透明海链藻培养初期所占比例与其他浮游植物接近，但在冷却塔内和排水口水样的培养后期却成为优势种[6]。