周 健,黃向陽(yáng),2,劉 杰

(1.重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400030;2.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州434023)

在國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下,地表水源熱泵作為新興節(jié)能環(huán)保技術(shù),得到了強(qiáng)勁的推動(dòng)。地表水源熱泵系統(tǒng)夏季排水溫度較水源水溫高3～8℃,而冬季排水溫度較水源水溫低3～7℃[1-2]。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。相對(duì)于江河來(lái)說(shuō),湖泊受到的影響顯然更大,因?yàn)楹慈萘肯鄬?duì)較小,并且缺乏流動(dòng)性,生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱,尾水排放對(duì)其水溫變化影響更大。而湖泊浮游植物的數(shù)量及種類(lèi)與湖泊富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程密切相關(guān),因此,系統(tǒng)研究湖水源熱泵尾水排放對(duì)湖泊浮游植物的影響是十分必要和緊迫的。通過(guò)研究可以為水源熱泵尾水污染評(píng)價(jià)提供支撐,并且為進(jìn)一步的尾水污染防治及湖泊生態(tài)修復(fù)研究提供依據(jù)[3]。

有關(guān)地表水源熱泵系統(tǒng)尾水排放對(duì)水環(huán)境安全的影響問(wèn)題,國(guó)內(nèi)有少量報(bào)導(dǎo)[4-6],但缺乏系統(tǒng)研究。水溫對(duì)水質(zhì)及水生生物的影響國(guó)外研究也較少[7-8],而電廠(chǎng)溫排水對(duì)水環(huán)境的影響在國(guó)內(nèi)外研究中較多[9-14]。電廠(chǎng)全年排出的都是熱水,而地表水源熱泵系統(tǒng)冬季排水溫度較水源水溫低,這一點(diǎn)與電廠(chǎng)溫排水有所不同。在地表水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍認(rèn)為尾水對(duì)水環(huán)境影響較小,因此未加以重視。國(guó)內(nèi)外也極少有這一方面的系統(tǒng)研究,尤其冬季冷排水對(duì)水環(huán)境可能造成的影響研究更是空白。

該研究根據(jù)熱平衡相似原理,建立物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?模擬湖水源熱泵系統(tǒng)冬季冷水排放,并用2種不同湖泊水質(zhì)作平行試驗(yàn),以自然水溫作參比。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)水體藻類(lèi)數(shù)量、種群分布,以及葉綠素a含量的監(jiān)測(cè)與對(duì)比,研究水源熱泵系統(tǒng)冬季冷水排放對(duì)淺水型湖泊浮游植物生長(zhǎng)的影響程度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)原則

在物理模型試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)上,主要考慮水流運(yùn)動(dòng)的相似性和水面散熱能力的相似性,因此模型必須滿(mǎn)足重力相似、粘滯力相似和熱平衡相似。即模擬裝置與湖泊原型相比,雷諾數(shù)相等、密度弗氏數(shù)相等。如果設(shè)平面尺寸比例為L(zhǎng) r,由于水深必須滿(mǎn)足最小值要求,所以水深比例Z r＜L r,根據(jù)相似準(zhǔn)則,此時(shí)冷排水出流速度Vr=Zr1/2,流量Qr=LrZr1.5。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要模擬淺水湖泊,為簡(jiǎn)化模型,原型湖泊取長(zhǎng)寬高的平均值分別為350 m、150 m、5m,模型長(zhǎng)度比例為300∶1,深度比例10∶1,則冷排水流速比例為3.16,流量比例約為10 000∶1。

試驗(yàn)分2組進(jìn)行,試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1,每組由3個(gè)長(zhǎng)方體模擬水池組成,試驗(yàn)水池尺寸為：L×B×H=0.58 m×0.51 m×0.50 m,每個(gè)水池有效容積145升,3個(gè)水池分別裝滿(mǎn)水,其中1個(gè)作為參比水池,另2個(gè)水池并聯(lián)在一起且底部用UPVC50給水管連通,目的是增大容量并且連通管有過(guò)渡作用,使得2個(gè)水池有一定的溫度梯度。

模擬試驗(yàn)用到的主要儀器設(shè)備是 RO-1HP型激光冷水機(jī)組和LDO-101型溶解氧測(cè)定儀。冷水機(jī)組技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用冷水機(jī)組技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)裝置流程圖

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水采用市區(qū)某湖泊與水庫(kù)水混合配制而成,根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)重慶段湖泊水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀,第1組試驗(yàn)用水水質(zhì)模擬中富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水質(zhì),

第2組試驗(yàn)用水模擬接近重慶地區(qū)一般湖庫(kù)水質(zhì)均值。2組試驗(yàn)初始水質(zhì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)初始水質(zhì)

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)經(jīng)過(guò) 1周調(diào)試以后正式啟動(dòng),第1組從2008年12月12日開(kāi)始,第2組從12月19日開(kāi)始。根據(jù)地表水源熱泵工程運(yùn)行特點(diǎn),設(shè)定冷水機(jī)出水溫度5.0℃～6.0℃(視氣溫情況調(diào)整),冷排水采用水面上方射流排放方式,每天冷水機(jī)運(yùn)行時(shí)間約為6～8 h,視氣溫和水溫情況調(diào)整。定期檢測(cè)各個(gè)單元的藻類(lèi)分布情況以及葉綠素a含量。通過(guò)模擬試驗(yàn)的方法,研究冷排水對(duì)湖泊局部水域浮游植物(藻類(lèi))的影響程度。藻類(lèi)測(cè)定采用顯微鏡計(jì)數(shù)測(cè)量法,葉綠素a的測(cè)定采用丙酮提取分光光度法[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷排水對(duì)藻類(lèi)總量的影響

冷排水前模擬裝置藻類(lèi)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3,冷排水后2組試驗(yàn)裝置藻類(lèi)數(shù)量變化情況如圖2和圖3。盡管該試驗(yàn)在冬季水溫較低情況下進(jìn)行,但是從試驗(yàn)期間天氣情況來(lái)看,在2008年12月10日-12月19日和2009年1月8日-1月12日陽(yáng)光較為充足,另外加上風(fēng)力作用,藻類(lèi)生長(zhǎng)速度很快,尤其是參比區(qū)。由圖2和圖3可知,藻類(lèi)生物量隨時(shí)間變化情況,參比區(qū)藻類(lèi)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì),而其它試驗(yàn)區(qū)的藻類(lèi)生物量則先下降后上升,但藻類(lèi)總量明顯低于參比區(qū),并且隨時(shí)間推移相差越來(lái)越大。分析認(rèn)為主要由于從2008年12月19日-12月28日,氣溫相對(duì)較低,平均氣溫在5～7℃左右,加之冷排水使水溫更低,所以當(dāng)水溫低于某個(gè)值時(shí)藻類(lèi)總量呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)水溫,在上述時(shí)間段試驗(yàn)區(qū)水溫大約為4.5～6.2℃,藻類(lèi)正負(fù)增長(zhǎng)的臨界溫度應(yīng)該就在這個(gè)溫度范圍之內(nèi)。

從2組對(duì)比試驗(yàn)還可以看出,第1組藻類(lèi)總量冷排水前較第2組多,冷排水后出水區(qū)與參比區(qū)藻類(lèi)總量差別也更大。這表明原水藻類(lèi)總量越多,冷排水對(duì)藻類(lèi)抑制作用越強(qiáng)。

圖2 冷排水期間第1組試驗(yàn)裝置藻類(lèi)數(shù)量變化曲線(xiàn)

圖3 冷排水期間第2組模擬裝置藻類(lèi)數(shù)量變化曲線(xiàn)

2.2 冷排水對(duì)藻類(lèi)優(yōu)勢(shì)種群的影響

冷排水之前,優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)及其占總藻百分比見(jiàn)圖4,試驗(yàn)啟動(dòng)后2組試驗(yàn)優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)及百分比均發(fā)生了一定的變化,2008年12月25日和2009年1月11日,第1組模擬裝置出水區(qū)與參比區(qū)優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)及占總藻百分比見(jiàn)圖5和圖 6,2008年12月28日和2009年1月15日,第2組模擬裝置出水區(qū)與參比區(qū)優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)及占總藻百分比見(jiàn)圖7和圖8。

圖4 冷排水前模擬裝置中優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)種群分布

圖5 冷排水后第1組優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)種群分布(12月25日)

圖6 冷排水后第1組優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)種群分布(1月11日)

圖7 冷排水后第2組優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)種群分布(12月28日)

圖8 冷排水后第2組優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)種群分布(1月15日)

2.3 冷排水對(duì)葉綠素a的影響

2組試驗(yàn)葉綠素的a監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 冷排水對(duì)第1組裝置葉綠素a的影響

圖10 冷排水對(duì)第2組裝置葉綠素a的影響

由圖9和圖10可知,葉綠素a含量變化曲線(xiàn)與藻類(lèi)變化曲線(xiàn)非常相似,各試驗(yàn)單元葉綠素a含量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),參比區(qū)增速明顯大于出水區(qū)。在同組中,由于冷排水作用,出水區(qū)水溫始終低于參比區(qū),葉綠素a含量相差較大。第1組,出水區(qū)葉綠素a濃度甚至不到參比區(qū)一半,第2組出水區(qū)也比參比區(qū)低50%～60%。表明冷排水對(duì)浮游植物總量增長(zhǎng)有較大影響。將2組試驗(yàn)橫向比較,發(fā)現(xiàn)在冷排水量及平均水溫接近,而試驗(yàn)水質(zhì)不同的情況下,葉綠素a濃度的變化量也有差異。因此,對(duì)水質(zhì)本底值不同的水體,冷排水對(duì)其葉綠素a濃度的影響程度也不同,本底值越高,影響程度越大。主要原因是在冷排水作用下,浮游植物生長(zhǎng)速率下降,而水質(zhì)本底值越高,浮游植物生長(zhǎng)速率下降越快。

3 結(jié) 論

1)冷排水受納水域的藻類(lèi)生物量呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì),而自然狀態(tài)下藻類(lèi)則呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。冷排水受納水域藻類(lèi)總量明顯低于自然生長(zhǎng)區(qū),并且冷排水時(shí)間越長(zhǎng)相差越大。表明冷排水對(duì)藻類(lèi)總量增長(zhǎng)有明顯抑制作用。試驗(yàn)區(qū)水體藻類(lèi)正負(fù)增長(zhǎng)的臨界溫度在4.5～6.2℃之間。

2)冷排水對(duì)冷排水受納水域的優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)種群及比例有一定的影響。冷排水區(qū)衣藻比例上升幅度最大,其次是席藻,直鏈藻比例下降最多。同時(shí),冬季自然水溫在10℃以下,當(dāng)有冷排水進(jìn)入使得水溫進(jìn)一步降低時(shí),綠藻會(huì)迅速成為優(yōu)勢(shì)藻類(lèi),且主要以柵藻、衣藻為主。冷排水還影響了藻類(lèi)的多樣性,使受納水域的藻類(lèi)種群數(shù)減少。

3)冷排水顯著降低湖泊葉綠素a的含量。對(duì)水質(zhì)本底值不同的湖泊,冷排水對(duì)其葉綠素a濃度的影響程度也不同,氮和磷的本底值越高,影響程度越大。

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