梁春林,陳春亮,孫省利,張際標(biāo)

(1.廣東海洋大學(xué) 信息學(xué)院,廣東 湛江 524088;2.廣東海洋大學(xué) 海洋資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,廣東 湛江 524088)

海水脫硫工藝已有40多年的發(fā)展歷程,廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電、煉鋁、煉油等工業(yè)爐窯的煙氣脫硫[1-2],其主原理是利用天然海水含有大量的可溶鹽并具有天然的酸堿緩沖能力來洗滌煙氣中的 SO2,達(dá)到凈化煙氣的目的[3]。然而,大量的SO2被海水吸收了后,經(jīng)過復(fù)雜的物理和化學(xué)作用,被氧化成為穩(wěn)定的,并使海水的 pH 降低[4-5]。因此,海水洗滌煙氣后排入大海是否會(huì)給海洋環(huán)境帶來二次污染,是否會(huì)對(duì)周邊海域的生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響,越來越受到海洋研究者和有關(guān)管理部門的密切關(guān)注。在海水脫硫工藝實(shí)施前,必須定量分析脫硫酸性廢水排放對(duì)海洋環(huán)境的污染,預(yù)測(cè)其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響,為煙氣海水脫硫工藝應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本文以湛江灣內(nèi)東南角沿岸規(guī)劃建設(shè)的某電廠為研究對(duì)象,分析與預(yù)測(cè)其脫硫酸性廢水排放對(duì)海洋葉綠素的影響。該電廠擬規(guī)劃建設(shè) 2臺(tái) 350 MW摻燒煤氣的供熱機(jī)組,煙氣脫硫工藝擬將天然海水提升到脫硫吸收塔噴淋,沖洗煙氣后排入脫硫曝氣池,充分化學(xué)反應(yīng)后溢流進(jìn)入排水箱涵,再從循環(huán)水排放口排入湛江灣海域。煙氣海水脫硫工藝取、排水采用深取、淺排方案,取水口位于水深7 m處,排水口位于自由海面,脫硫酸性廢水排放流量為31.4 m3/s,pH排放限值執(zhí)行不劣于三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(pH≥6.8)。電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水口緊靠海灣深槽和灣口,具體布設(shè)見圖1。

圖1 電廠位置Fig.1 Plant location

湛江灣位于我國大陸最南端的雷州半島,東臨南海,屬于半封閉的沉溺型港灣,素以天然深水港灣著稱,具有良好的水動(dòng)力交換條件,受沿岸水影響較小。灣內(nèi)主要有南三島、特呈島、東頭山島和東海島等島嶼,與外海相隔,形成掩護(hù),風(fēng)浪平靜,灣口位于南三島和東海島之間,寬約 2 km。水動(dòng)力以潮汐作用為主,潮汐、潮流主要是太平洋潮波進(jìn)入南海后形成,受附近海島和底摩擦影響,潮汐特征變得比較復(fù)雜,有明顯不正規(guī)半日潮特征,潮汐水道呈樹枝狀自南向北延伸至內(nèi)陸。其水域面約190 km2,水深約 26～44 m,平均納潮量 6.3 億m3,最大達(dá)11.7 億m3,年平均潮差約2.17 m,最大潮差為5.45 m,年平均水溫24.l℃,年平均鹽度3.02%,年平均pH為8.0。

1.2 預(yù)測(cè)方法

海洋生態(tài)環(huán)境影響分析與預(yù)測(cè),是對(duì)人類即將開發(fā)利用海洋資源可能導(dǎo)致的海洋生態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),并提出消除負(fù)面影響的技術(shù)措施和改善海洋生態(tài)環(huán)境的應(yīng)對(duì)策略。研究方法可分為定性評(píng)價(jià)和定量預(yù)測(cè)兩種類型,其中以描述性的、定性的評(píng)價(jià)方法發(fā)展最為成熟,復(fù)雜的、定量的預(yù)測(cè)方法仍處研究探索階段,發(fā)展尚不成熟,方法選擇應(yīng)依據(jù)研究的對(duì)象、評(píng)價(jià)的內(nèi)容、預(yù)測(cè)的目的和要求進(jìn)行綜合選擇。本文主要研究濱海電廠煙氣脫硫酸性廢水排放引起海水 pH變化可能對(duì)海洋葉綠素產(chǎn)生的影響,其預(yù)測(cè)方法適宜采用數(shù)值模擬研究。具體實(shí)施過程首先開展湛江灣海水 pH本底值的現(xiàn)狀調(diào)查和天然海水樣本采集;然后在實(shí)驗(yàn)室模擬海水樣本的 pH變化,并定時(shí)監(jiān)測(cè)海水樣本葉綠素濃度的變化,從監(jiān)測(cè)結(jié)果建立葉綠素對(duì) pH響應(yīng)模型;最后應(yīng)用ECOMSED海洋模式的水動(dòng)力模塊和溶解示蹤物輸運(yùn)模塊建立電廠煙氣脫硫酸性廢水?dāng)U散三維數(shù)值模型,模擬湛江灣海域的水動(dòng)力過程和該電廠脫硫酸性廢水的時(shí)空輸移路徑,以及其引起海水pH變化的影響范圍,并依據(jù)pH模擬結(jié)果和葉綠素對(duì)pH響應(yīng)模型,定量預(yù)測(cè)該電廠煙氣脫硫酸性廢水排放對(duì)海洋葉綠素的影響范圍和程度。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 脫硫酸性廢水?dāng)U散模型

電廠煙氣脫硫酸性廢水?dāng)U散三維數(shù)值模型基于ECOMSED海洋模式的水動(dòng)力模塊和溶解示蹤物輸運(yùn)模塊構(gòu)建,ECOMSED海洋模式是較為成熟的淺海三維水動(dòng)力學(xué)模式,基于靜力學(xué)假設(shè)和 Boussinesq近似的海洋封閉方程組,采用水平曲線正交網(wǎng)格和σ垂向坐標(biāo),可以應(yīng)用模擬海洋和淡水系統(tǒng)中的水位、海流、波浪、溫度、鹽度、示蹤物以及沉積物的時(shí)空分布等,是一個(gè)集成化的海洋數(shù)值計(jì)算模式。該模式在我國沿海海域均有應(yīng)用,例如苗慶生等[6]建立的象山港三維溫排水?dāng)U散數(shù)值模型,堵盤軍等[7]建立的杭州灣三維動(dòng)邊界潮流模型,林建偉[8]建立的廈門灣三維動(dòng)邊界潮流模型等。ECOMSED海洋模式的水動(dòng)力連續(xù)方程見公式(1),雷諾平均動(dòng)量方程見方程(2)、(3)和(4)狀態(tài)方程,在深度 z處的壓強(qiáng)見公式(5)。

式中,U、V分別為x、y方向流速,W為垂向流速,ρ0為海水參考密度,ρ為海水現(xiàn)場(chǎng)密度,g為重力加速度,P為壓強(qiáng),科氏參數(shù)f通過β平面假設(shè)(f=f0+βy)引入,q為源(匯)單位面積的流量,源時(shí) q取正值,匯時(shí) q取負(fù)值,U*、V*為x、y方向的流速,Patm為大氣壓,AM為湍流動(dòng)量混合的水平渦度擴(kuò)散系數(shù),KM為湍流動(dòng)量混合的垂向渦度擴(kuò)散系數(shù)。

電廠煙氣脫硫酸性廢水?dāng)U散 pH連續(xù)方程見公式(6),式中C為海水pH,CS為電廠煙氣脫硫酸性廢水pH,AH為溫鹽湍流混合的水平渦度擴(kuò)散系數(shù),KH為溫鹽湍流混合的垂向渦度擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 葉綠素對(duì)pH響應(yīng)模型

海水葉綠素對(duì) pH的響應(yīng)模型基于實(shí)驗(yàn)?zāi)M建立,通過實(shí)驗(yàn)室模擬海水樣本的pH變化,并長(zhǎng)期、定時(shí)監(jiān)測(cè)海水樣本葉綠素濃度變化,再從監(jiān)測(cè)結(jié)果擬合葉綠素濃度對(duì)pH響應(yīng)的數(shù)學(xué)模式求得。模擬試驗(yàn)海水樣品采集于電廠附近海域,具體位置見圖 1,采集時(shí)間為2013年4月12日。試驗(yàn)時(shí),取約75 L海水樣品分別注入 6個(gè)敞口大玻璃缸,曝露于無太陽直曬的見光空氣環(huán)境,并利用鹽酸(AR)、氫氧化鈉(AR)和pH計(jì)對(duì)各缸海水樣品的pH進(jìn)行測(cè)調(diào),擬測(cè)調(diào)各缸初始pH 為6.7,7.0,7.3,7.6,7.9,8.2,實(shí)際調(diào)試的pH 分別為6.71,7.05,7.27,7.62,7.91,8.17。其中,為保證實(shí)驗(yàn)過程不因營養(yǎng)鹽匱乏而引起葉綠素的額外變化,實(shí)驗(yàn)中按 30 mol/L NaNO3、4 mol/L K2HPO3、20 mol/L Na2SiO3的比例添加到每個(gè)實(shí)驗(yàn)缸中,以確保實(shí)驗(yàn)過程營養(yǎng)鹽的充足供應(yīng)。試驗(yàn)環(huán)境溫度變化區(qū)間為 19～26℃,相對(duì)濕度變化區(qū)間為78%～95%,每天中午12:00時(shí)采集葉綠素樣品,采用分光光度法(紫外可見分光光度計(jì))測(cè)定其濃度。持續(xù)8 d的連續(xù)監(jiān)測(cè),記錄葉綠素濃度對(duì)pH響應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,把所有測(cè)得的葉綠素濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,并對(duì)pH作圖,具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 葉綠素濃度對(duì)pH的響應(yīng)模式Fig.2 Respond model of Chlorophyll to pH

由圖2可知,葉綠素濃度受pH影響較大,比較適宜葉綠素合成的pH區(qū)間為7.5～8.5,pH過高或過低均不利于葉綠素的合成。在所監(jiān)測(cè)的 pH(6.7～8.8)范圍內(nèi),葉綠素濃度(y)隨pH(x)變化的趨勢(shì)可以用二次多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá),具體見公式(7),擬合相關(guān)系數(shù)R2= 0.715。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算

數(shù)值計(jì)算范圍經(jīng)緯度坐標(biāo)為20°0′12″～21°10′52″N 和 110°18′36″～110°36′0″E,電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水口坐標(biāo)分別為(21°04′20.56″N,110°29′28.00″E)和 (21°04′24.45″N,110°29′51.75″E),海流觀測(cè)站 C1、C2、C3 坐標(biāo)分別為(21°4′30″N,110°28′24″E)、(21°5′6″N,110°33′24″E)、(21°08′18″N,110°25′06″E),具體見圖 1。計(jì)算空間網(wǎng)格步長(zhǎng)Δx=100 m,Δy=80 m;開邊界水位采用M2、S2、N2、K1、P1和 O1等 6個(gè)主要分潮調(diào)和常數(shù)計(jì)算;電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水流量均為31.4 m/s;海水水溫、鹽度取年平均值,分別為 24.l℃和 3.02%;灣內(nèi)海水pH季節(jié)變化不明顯,初始值為8.02;水深數(shù)據(jù)取自中華人民共和國海事局出版的海圖資料,利用內(nèi)插方法計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)水深。

水動(dòng)力模型輸出對(duì)應(yīng)時(shí)段(2011年 8月 24日10:00時(shí)～2011年8月26日12:00時(shí))的模擬結(jié)果(流速、流向)與3個(gè)野外調(diào)查站觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析,具體見圖3。

由海流對(duì)比圖 3可知,各海流觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算所得的流速、流向與觀測(cè)資料基本吻合,計(jì)算誤差較小,水動(dòng)力模擬結(jié)果基本能反映湛江灣海域的漲、落潮流變化過程。電廠煙氣海水脫硫工藝取、排水后,湛江灣海域大潮漲潮、落潮過程流場(chǎng)模擬結(jié)果見圖4。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,湛江灣海域潮汐特征為不規(guī)則半日潮,大潮漲潮過程流速介于0.8 ～0.9 m/s之間,落潮過程流速在 1.1～1.2 m/s之間,落潮流速比漲潮流速大,表層流速比底層流速大,流向主要受到地形的限制。漲潮潮流自外海由灣口沿西北方向進(jìn)入湛江灣,進(jìn)入灣口后,主潮流折向西,沿南三島西航道西進(jìn),至石頭角航道與南三島航道的交匯處再轉(zhuǎn)向西北,落潮流向與漲潮流向相反,潮流基本沿灣內(nèi)深槽往復(fù)流動(dòng)。綜上所述,水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與野外海流觀測(cè)資料相一致,其結(jié)果可以作為電廠脫硫酸性廢水?dāng)U散三維數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。

3.2 pH數(shù)值計(jì)算

湛江灣水動(dòng)力環(huán)境主要受潮汐作用,河流和沿岸水對(duì)其影響很小。依據(jù)水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果,聯(lián)合電廠煙氣脫硫酸性廢水?dāng)U散pH連續(xù)方程,求得脫硫酸性廢水?dāng)U散范圍及pH變化分布,數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表1和圖5,其中表層、中層和底層分別表示水深值的10%、50%和80%。

由圖 5和表 1 可知,電廠脫硫酸性廢水排放引起海水 pH變化的空間影響范圍隨潮流流向呈帶狀分布,影響范圍窄而長(zhǎng),但排放口位于湛江灣口強(qiáng)流區(qū),脫硫酸性廢水與海水的酸堿中和作用也相對(duì)較強(qiáng),pH呈顯著變化(pH≤7.8)的影響范圍僅局限在廢水排放口附近。其中,大潮與小潮相比,大潮流速較大,與海水的混合比小潮充分,引起海水pH變化(pH≤7.9)的各層次面積都較小潮大;但由于采用自由表面排水方案,引起pH顯著變化(pH≤7.4)的表層面積較小潮小,在中層和底層,大潮與小潮的影響面積基本相等。同時(shí),電廠脫硫酸性廢水排放引起表層海水pH變化率最大,中層海水pH變化率次之,底層海水pH變化率最小,pH≤6.8的區(qū)域主要集中在表層。綜上所述,電廠脫硫酸性廢水排放引起海水pH變化的程度與影響范圍均取決于附近海域潮流流速的大小,潮流流速大,pH變化的空間影響范圍大,但pH變化率較小;潮流流速小,pH變化的空間影響范圍小,但pH變化率較大。

圖3 海流實(shí)測(cè)與計(jì)算值比較Fig.3 Comparison of actual measurement and calculated values of tide

圖4 大潮漲、落潮過程流場(chǎng)Fig.4 Flow distribution chart of rising and falling tide

表1 大潮、小潮pH變化范圍Tab.1 Affecting area of pH changes of spring and neap tide

3.3 葉綠素影響預(yù)測(cè)

依據(jù)pH數(shù)值計(jì)算結(jié)果和葉綠素濃度對(duì)pH響應(yīng)方程公式(7),可求得電廠脫硫酸性廢水排放引起湛江灣海域葉綠素濃度變化的極端影響范圍,具體見表2。其中,湛江灣海域面積約190 km2,海水pH本底值為8.02;全潮(包括大潮和小潮)極端影響范圍是指同一網(wǎng)格點(diǎn)按照最低pH計(jì)算;設(shè)y為自然條件下海水葉綠素濃度,Δy為電廠脫硫酸性廢水排放引起海水葉綠素濃度變化值,葉綠素濃度變化率 δ＝100×Δy /y。

由表 2可知,電廠脫硫酸性廢水排放對(duì)湛江灣海域葉綠素濃度存在明顯的影響,其中導(dǎo)致葉綠素濃度下降超過1.0%的全潮極端影響面積為16.10 km2,而引起葉綠素濃度增加超過1.0%的全潮極端影響面積為2.18 km2,分別占湛江灣海域面積的8.47%和1.15%。同時(shí),依據(jù)葉綠素濃度對(duì)pH響應(yīng)模式,具體見圖2,當(dāng)海水pH=7.9時(shí),葉綠素濃度對(duì)pH響應(yīng)曲線存在極大值點(diǎn),即pH對(duì)海水葉綠素濃度的正、負(fù)影響并存?？梢?電廠脫硫酸性廢水排放對(duì)葉綠素濃度的影響由海水pH本底值和酸性廢水pH排放限值共同決定,當(dāng)海水pH本底值大于 7.9時(shí),酸性廢水排放對(duì)葉綠素濃度的增加呈積極作用;當(dāng)海水pH本底值小于7.9時(shí),酸性廢水排放對(duì)葉綠素濃度的增加呈消極作用;但是葉綠素濃度的變化率直接受酸性廢水 pH排放限值控制。

表2 全潮葉綠素極端影響范圍Tab.2 Affecting area of chlorophyll

圖5 大潮、小潮pH等值線Fig.5 The contours of pH of spring and neap tide

4 結(jié)束語

海水資源豐富,綜合開發(fā)利用海水資源服務(wù)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展一直是研究的熱點(diǎn)[9]。而電廠脫硫酸性廢水直排入海既改變了海水的化學(xué)特性,又可能影響海洋生態(tài)系統(tǒng)健康,相對(duì)于物理模型而言,數(shù)值模擬具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和易用價(jià)值[10]。本文以湛江灣內(nèi)規(guī)劃建設(shè)的某電廠為例,基于海洋水動(dòng)力模型,聯(lián)合水質(zhì)模型和葉綠素濃度對(duì)pH的響應(yīng)模式預(yù)測(cè)電廠脫硫酸性廢水排放引起海水 pH的變化分布及其對(duì)湛江灣葉綠素濃度的影響。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,電廠脫硫酸性廢水排放導(dǎo)致湛江灣葉綠素濃度下降超過1.0%的全潮極端影響面積為16.10 km2,而引起葉綠素濃度增加超過1.0%的全潮極端影響面積為 2.18 km2,分別占湛江灣海域面積的 8.47%和1.15%,負(fù)面影響大于正面影響。該預(yù)測(cè)模型以廣泛應(yīng)用的ECOMSED海洋模式為基礎(chǔ),更有實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),體現(xiàn)出預(yù)測(cè)模型建模的科學(xué)性和可靠性,對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋環(huán)境治理等有著重要的意義。

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