杨丽平 王宇婕 梁煌 王昱杭 崔雨雪 陈亚非
摘 要：我国部分电厂出于生产工艺需要，会产生大量废热以温排水的形式排入环境中，其对河流、湖泊的危害有两个方面，一是温排水与河流、湖泊混合后导致的增温对河流、湖泊的生态影响，二是直流冷却系统排水口中的药剂残余、高温对水生生物的危害。试验研究表明：铜绿微囊藻在40℃高温条件下处理10min后的死亡率为52%。
关键词：电厂 温排水 热污染
中图分类号：X24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0124-04
随着我国经济的飞速发展，人民生活用电和工业用电的需求日益增长。目前，我国电力工业仍以火力发电为主，核电厂建设也越来越多，2017年火电、核电发电总装机容量为114186万kW，大型火电机组的供电效率一般为40%左右，核电不到35%，平均每日约有735269亿kJ的废热排放到环境中，其中主要以电厂冷却水（温排水）的形式排出。在我国除了核电厂，其他电厂还没有相应的冷却水排放标准。
本文通过对四类不同的水体进行了生态效应分析，旨在提倡促进温排水的再利用，降低温排水对生态环境的负面影响，促进相关政策法规的出台，加强对电厂周围生态环境的保护管理。
1 研究对象与方法
本文对对长江中下游干流、湘江、耒水、岱海湖四类具有流量差异的不同水体进行调查分析。通過收集各地河流、湖泊的观测数据，包括河流流量、水温，温排水流量、水温等，通过热力学方程并考虑蒸发、流域流量变化等影响后，对电厂附近流域温度分布规律进行计算和分析。并且通过分析不同水温下各种水生生物、微生物的种类、数量分布情况，研究水温与水生生物、微生物的种类、数量、死亡率之间的关系，深入研究电厂热污染对生物和生态环境的影响。
2 温排水对水体温度的影响
2.1 长江
长江下游（江苏段）平均每隔20km左右就有一个发电厂，如长江口的感潮河段处的电厂数量便有18座之多（徐世凯，2007）。
以天生港电厂为例，其取排水总流量Q2为46m3/s，天生港电厂附近自然水体温度T1为11.1℃。其温排水温度T2约为21.1℃。根据徐六泾（二）断面的水文信息，其流域的月平均流量Q1为41900m3/s，利用热平衡方程计算其月平均温升如下：
混合后水温由下式确定：
（1）
升高温度为：
（2）
得出混合后温度为11.11℃，与初始温度11.1℃相差仅为0.01℃。长江中下游地区虽然大型电厂密集，但因为长江径流大，温排水的总体影响几乎可以忽略不计。
2.2 湘江（株洲-湘潭段）
统计分析2013、2017—2018年部分月份湖南湘潭发电有限责任公司和大唐华银株洲电厂的温排水叠加升温，其造成湘江2017年9月底至10月中旬的周平均温升达1.2℃，不符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）要求人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温升≤1℃;周平均最大温降≤2℃的规定。
2.3 耒水
大唐集团耒阳电厂一、二期机组冷却水取自耒水，耗水量为31.6m3/s。目前来看耒水经过耒阳电厂取水后升温普遍高于1℃，夏季流量较少的日子还会有高于2℃的明显温升，表中流量、水温数据均来自永兴县人民政府门户网站。据统计，2018年7月份有14d河流温升超过2℃。
2.4 岱海湖
岱海电厂一、二期工程都直接或间接的将岱海湖湖水作为其冷却池，导致湖水温度升高，造成其全年蒸发量增多（程玉琴等，2017）。岱海湖水体热污染的主要来源是岱海电厂，岱海电厂每日抽取岱海湖的湖水用于生产冷却，后将冷却环节中升温后的湖水排入湖里，此过程每年可使岱海湖湖水经岱海电厂循环2次，10年湖水温度升高近2℃。
3 温排水对生物及生态环境的影响
3.1 对浮游生物的影响
水体温度超过30℃，浮游动物群落将从复杂向简单演化（金琼贝，1991）。枝角类的活动能力在15℃时比30℃高2倍。钩虾等甲壳类生物对水体温度变化极为敏感（勒·特·马特维耶娃等，1985）。在高温的夏季，湘江、耒水温排水很大程度上会造成枝角类、甲壳类等耐热性差的生物生命力下降或死亡。
热污染使植物种群的发生演替变化。Briand等在研究混合藻类的河流时发现，温度20℃时硅藻占优势;30℃时绿藻占优势;35℃～40℃时蓝藻占优势（贡丹丹等，2016）。在2013年8月中旬左右湘江温升持续在2℃以上，且水温已经超过了33℃，此时有蓝藻向绿藻演替、硅藻减少的趋势，耒水夏季亦可产生同类情况。蓝藻的异常增殖会对水生生物产生不良影响。因为硅藻和绿藻的饵料价值高于蓝藻（勒·特·马特维耶娃等，1985），另一方面，大量蓝藻爆发导致水华，且部分蓝藻分泌藻毒素，如微囊藻产生肝毒素，调查显示原发性肝癌和大肠癌的发生率与饮水中微量的微囊藻毒素的存在有很大的相关性（方爱红等，2008）。
3.2 对底栖动物的影响
长期生活在水底底质表面或底质的浅层中的底栖生物的活动性差，生活范围相对比较固定，所以它们对于排放带来的热冲击很难规避，易受到电厂温排水的不利影响（魏新渝等，2018）。除此之外，温排还会造成冷冲击——在长期排放冷却水后，忽然停止排放将对增温区内的底栖动物造成不同程度的伤害（胡德良等，2001）。夏季湘江、耒水的自然水温普遍在30℃左右，此时再向水体中排放温排水可能会造成水体中底栖动物的大量死亡，从而会对以底栖动物为食的一些鱼类也造成不良影响。比如，鲤鱼和鲫鱼的食物组成中有一部分就是底栖动物。
3.3 对鱼类的影响
草鱼、鲢鱼的规避反应温度在30℃左右（姜礼燔，1989）。韩京成等人进行了水温对鲫鱼生理影响的相关实验，实验结果表明，鲫鱼摄食量将在水温大于25℃时下降，在30℃时将对鲫鱼肝组织和心脏组织产生迫害（韩京成，2010）。夏季湘江、耒水温排水导致水温升高接近草、鲤、鲢等鱼类适温范围上限，而事实上即使处于适温范围内的极值温度不会导致其死亡，但对生物种群的生长、生殖亦会产生有害影响（勒·特·马特维耶娃，1985）。岱海湖电厂的温排水导致湖水温度升高促进致病细菌大量繁殖，导致鱼类患病死亡，而给当地渔业造成重大打击——发展到2016年，整个水域渔业几乎绝收。
3.4 温排水对湖泊的影响
湖泊与河流等水体不同，属于半封闭或半封闭生态系统，流动性较差，除了会对水生生物产生的影响外，还会导致水量蒸发，减小湖体面积，热污染对湖泊的危害较河流等流动性强的水体更大。
2016年5月下旬，岱海湖监测面积为57.2km2，相比于1973年的150.74km2缩减了93.54km2，40多年间缩减率约62%（陈海英等，2018）。其中，造成岱海湖湖体缩小的重要因素是工业用水量的增加，而岱海电厂是岱海湖周边最大的工业用水户。2015年，张楠计算出电厂温排水引起的岱海湖年附加蒸发量、损失量约为678.2万m3/a（张楠等，2015）。
3.5 电厂直流冷却系统对生物的影响
大多数沿河、湖电厂采用直流冷却系统，一方面在进水时加入药剂使水中微生物、泥沙及悬浮物在沉淀池沉淀，避免设备堵塞，此过程由于药剂的加入会造成冷却水中水生生物的大量死亡，其中浮游植物受到损害的主要原因就是电厂温排水中的残余的氯含量，另一方面冷却水经过直流冷却系统从出水口排出，排出温度通常在40℃左右，水生生物對温度的适应性大多不如陆地生物，大多数生物在40℃左右，酶系统会受到一定损害，如果较长时间处于高温下，将会致死。
以湘江、耒水中均含有的铜绿微囊藻进行了模拟电厂温排水温度对藻类的影响实验。在25℃、30℃、35℃下处理铜绿微囊藻（1×107cells·ml-1）24h，并将在30℃处理24h后的铜绿微囊藻继续在40℃下处理10min（大唐华银株洲电厂与湖南湘潭发电有限责任公司距离湘江排放口大约1.5km，温排水流速约为2.5m/s，水生生物受40℃温度影响时间为10min左右），测定计算藻细胞的数量。采用中性红染色法测定在40℃下处理10min后的藻细胞的活细胞数量，计算其死亡率。3次重复。如图1，在25℃时的藻细胞密度最高，而随着温度的升高密度逐渐下降，说明温度升高对铜绿微囊藻的生长有一定的抑制作用。将30℃处理后的藻细胞在40℃下继续培养10min，采用中性红染色法用血细胞计数法对其进行活细胞计数，得其死亡率为52%。
通过图2深圳西部电厂海水脱硫出口曝气池，可看到，池壁上几乎无生物生长，与自然条件下的绿色覆盖完全不同，由此也可以看出温升对生物造成的巨大损害。
4 结果与建议
我国电厂产生大量废热排入环境中对生态环境存在一定程度的不良影响。废热随着冷却水排入环境中，形成温排水，对河流、湖泊存在两种方式的危害，一是混合后导致的增温对河流、湖泊的生态影响，二是直流冷却系统取水口，排水口中的药剂，高温对水生生物的危害。
（1）对于径流量较大的河流生态影响较小，但对于湖泊、水库这类水体的危害更大。
（2）水体在枯水期和夏季较干旱时，温排水进一步升高水温可能造成该局部地区范围内的浮游动物种类和数量减少，物种多样性下降，使群落物种组成改变。
（3）直流冷却系统取水口，排水口中的药剂，高温造成水体生物量减少，导致浮游生物密度降低。
（4）缩小了鱼类的生活范围，并对其生长、栖息、繁殖等活动影响明显。
（5）导致湖泊蒸发量增大，湖泊面积减小，严重危害生态环境，威胁人类生存与发展。
因此我国在流域水资源开发时要注意协调流域周边生产、生态与生活用水，特别要对流域生态水资源建设加以重视（刘永叶等，2015）。火、核电厂温排水的余热量巨大，如何高效利用是未来发展的一个重要方向。针对我国目前温排水情况提出以下建议：
（1）建议尽快建立和完善温排水相关法规标准，并且应根据不同流域、湖泊等水体的生态环境，对其水体中生存的关键种进行温度的热影响研究，为不同流域、湖泊等水体的温度基准的制定奠定基础。
（2）结合热电冷联供技术，用于厂区工人生活区，节约能源。
（3）联合相关环境生态工程类学科建立余热利用综合系统
（4）开展余热利用，利用温排水进行冬季水产养殖，温室蔬菜种植。
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