涉海电站取排水口环保设计创新

海洋(海岸)工程中，核电站、火电厂和液化天然气(LNG)接收站是同一类工程，这些工程在营运过程中需要抽取巨量的海水来降(升)温，并排放大量的温(冷)排水［1］。在相关环境影响评价中，火电厂温排水对环境影响的讨论常常被排在第一位［2～4］。实际上，核电站、火电厂和LNG接收站对海洋环境的影响除温排水外，影响最大的还有含活性氯污水(简称“余氯水”)和机械卷载作用［5，6］。目前，我国核电站一期工程多为两台百万千瓦级压水堆核电机组，它们的排水量惊人，约为324×104t/h，大多数在建核电站可能还有二期、三期工程。理论上，在较短的时间就可能将我国沿海类似浙江三门湾这样的中小型海湾的海水过滤一遍［7］，造成海水中生物大量死亡。这是因为在取排水过程中，为了避免水中生物附着在管壁，堵塞机械设备等，需在海水入口处添加氯来杀死污损生物。余氯水排放浓度一般≦0.2mg/L，是自来水中的20倍，足以杀死进入冷却循环系统中的绝大部分生物［8］。

此外，在取水过程，水体中的海洋生物，包括浮游生物、鱼卵、仔稚鱼、幼鱼和仔虾等将被动吸入水泵，或撞击在筛网上，或被水泵叶片高速撞击，最后在突然升(降)温和浓度≦0.2mg/L的余氯水浸泡中死亡［9］。由于取水过程长年进行，有可能对沿海海洋生物和渔业资源形成毁灭性打击，形成大面积无生命的死水区。例如，胶州半岛南岸的荣成、乳山和海阳拟建设三大核电站，其中乳山和海阳靠近，在核电站余氯水和机械卷载作用下，两个电站巨大的取排水量，很可能使这片海域的鱼类产卵场功能及相关生态功能彻底丧失。从以上分析可见，采取工程环保措施，消减取排水过程对海洋环境的影响十分必要。本研究针对取排水工程技术特征，以规模相对较小的上海LNG接收站工程为例，探索这类海洋工程中取排水设施和工艺的环保设计方案。本研究目的不在于设计一个具体的取排水口建筑，而是试图通过研究，给出取排水口环保设计方案的原理和依据，可为环境保护管理部门对工程管理措施的依据。

1材料与方法

计算域以工程区(图1)为中心，东西长24.8km，南北宽19.6km，计算域面积约486km2。在此计算范围内，为精细模拟码头前沿、港池区域的流场变化，工程区模拟空间步长取20m。研究取排水设施和工艺的环保设计方案，首先进行水动力流场模拟，在本研究中，水动力的模拟计算采用不规则三角形单元平面二维数学模型。二维潮流基本方程为［10］:连续方程:ht+Hux+Hvy=0。

运动方程:ut+uux+vuy+ghx－fv+guu2+v槡2C2H=0，vt+uvx+vvy+ghy+fu+gvu2+v槡2C2H=0。式中:h为水位;H为水深;u、v分别是x、y方向的流速分量;f为哥氏力系数;C为谢才系数;t为时间;g为重力加速度。

1.1冷(余氯)排水扩散模拟

冷排水对水环境影响预测采用分析水流模型与水温扩散模式相结合的方法［11］，水温扩散模式如下:HTt+HuTx+HvTy=Kx2(HT)x2+Ky2(HT)y2+M-KsT。式中:T为温度差;Kx、Ky分别是x、y方向的扩散系数;Ks为水面综合散热系数=0.02388/H(4.6-0.09T)exp(0.033T);M为冷排水源项。

余氯扩散模型采用2.1分析所用的水流模型与耗散模式相结合的方法［11］，耗散模式如下:HCt+HuCx+HvCy=Kx2(HC)x2+Ky2(HC)y2+Sm-Q。式中:C为浓度;Sm为原项(=qC0，q为排放量，C0为排放浓度);Q为耗散项(=KC，K为衰减系数;K=ln2/T1/2，半衰期T1/2取为1h)。

按工程排水量设计，工程平均用海水量为11706m3/h。出水口排水温度低于正常水温5℃;余氯排放浓度为0.2mg/L;计算中以此作为计算源强;排放位置位于本工程东南角(图4)。

1.2渔业资源调查和损失计算

由于这一工程余氯水对渔业资源影响已有分析报道［5］，本研究目的主要是工程环保设计原理的研究，为了减少篇幅，本研究渔业资源调查和损失计算将尽可能参考已有文献。补充必要的计算，调查方法和部分计算结果将参考已有的文献［5］。

2结果和讨论

2.1流场的分析

从图2和图3流场分布可见，工程区前沿潮流为往复流，本研究仅仅给出大潮期间的潮流流场图，由于大潮流场中的流速高于小潮流场中的流速。在环保设计上，主要考虑大潮的情况，大潮条件下得到的设计结论同样可以应用于小潮情况。

2.2余氯水和冷排水的扩散

比较图4和图5，可以发现余氯的影响范围要大于温降的影响范围，当潮流从排水口流向取水口时，排水的温降在取水口已经不明显，水中余氯依然存在，余氯水团包络了取水口附近水域。但是，当潮流从取水口流向排水口时，余氯水团完全脱离取水口。此时，取水口的水团是带有海洋生物和渔业资源卵，仔鱼和幼体的新鲜水，取水过程中将带来水体中生物全部死亡，使海洋环境受到伤害。形成大面积的死水。

2.3取排水工程环保设计原理假设

火电厂和核电站建设和海湾水域鱼类产卵场所的保护是任何工程都要兼顾的两个方面。在不影响火电厂和核电站冷却功能前提下，如何减少工程取排水对环境影响，这就是本研究所要探讨的问题。从工程利益而言，现有电厂的取水口和排水口通常尽可能设计成相距较远，避免排水口的温排水尚未降温，就已扩散到取水口并被吸入，增加了能量的损耗，这是电厂设计的工程要求。从生态利益考虑，取水口吸入的水最好是无海洋生物的死水，这就可以减少生物的损失。这是电厂设计的生态保护要求。

核电站排出的有害余氯水具有两重性，一方面污染海洋环境，杀死排水口附近的生物;另一方面，在一定条件下，取水口附近的余氯水可以被利用来阻止海洋生物进一步接近取水口水域，因而具有再次利用的一面。因此火电厂和核电站冷却水的取排水工艺要做到既经济又环保是可能的。其工艺设计原理是:所排出的水降温后又被重复利用，减少取用含有生物的新鲜水。工程设计要求是，只要能够满足工程要求，应最大限度利用从排水口流到取水口的水已被充分降温，无生物的死水。应保障在取水口附近有大量的余氯水存在，形成一个能够阻止海洋生物进入的取水口附近水域的余氯屏障，这样的工程设计也可以满足环保要求。从图4和图5可见，兼顾这两者的利益是有可能的。排水水团在扩散中，首先完成升温过程，完成升温过程的水已经可以被取用。

此外，我国沿海大多数海域具有往复潮流。由于往复潮流运动的结果，当潮流流向为从取水口向排水口向时，从排水口流出的余氯水团将远离取水口(图2和图3)，从而使取水口抽取的是包含海洋生物(含鱼卵仔鱼)的新鲜水，当取水口脱离余氯屏障的时间越长，所造成渔业资源和海洋生物的损失越大。所谓取排水口位置的环保设计，不但要尽可能缩小取排水口之间的距离，以建立余氯屏障。对排水口，排水管的形状也要进行重新设计。环保设计的结果，应保证在取水口附近始终维持一个余氯水团，阻止带有海洋生物和鱼卵仔鱼的水团进入这一水域。这样做的结果，可以将取排水对海洋环境的影响限定在余氯扩散到水域的有限范围，从而也终止了带有海洋生物和鱼卵仔鱼的水团不停进入取水口水域的动态过程，避免了大范围的海洋生物和鱼卵仔鱼被过滤致死。这样一来，改进取排水口设计，在取水口附近始终维持一个余氯水团，是解决带有海洋生物和鱼卵仔鱼的水团进入取水口的关键，也是取排水口环保设计方案的核心原理。

2.4工程环保设计与否渔业资源损失量比较

以上海LNG接收站工程为例，依据工程分析，工程平均用海水量为11706m3/h。假设具有游泳能力的成、幼鱼可以回避因机械卷载造成的死亡，但鱼卵、仔鱼因缺少游泳能力难以回避。依据渔业资源调查结果，工程附近水域鱼卵平均密度为4.38个/m2，仔鱼为5.65个/m2，当地水深为5m计，一年50%时间鱼卵仔鱼出现，年取水时间是8760h。则运营期每年对鱼卵造成的损失量分别11706m3/h×8760×4.38个/m2×50%÷5=2.2×108个/a。仿此可以算得仔鱼损失量为58×108尾/a。按实际长成率计算，鱼卵0.1%长成成鱼，仔鱼1%长成成鱼，鱼卵仔鱼实际形成的损失折合成成鱼尾数，鱼卵折成成鱼为2.2×105尾/a，仔鱼折成成鱼为5.8×106尾/a，以当地鱼类每尾个体长成重50g计，鱼类资源重量损失为，鱼卵折成成鱼重量:2.2×105个/a×50g×10-6=11t/a;仔鱼折成成鱼重量2.9×106个/a×50g×10-6=145t/a，合计156.00t/a。以10元/kg的价格计，每年造成的渔业资源生态损失约人民币156万元。

上述分析说明，一个取水量为1.2×104t/h的LNG接收站，如果取排水口不进行环保设计，将造成每年156万元渔业资源生态损失。对于取水量为324×104t/h的核电站，同样的鱼卵仔鱼密度下，对渔业资源造成的损失可达亿元以上。但是，如果能在取水口附近建立余氯屏障，相当于实现无生命死水的循坏利用，使得上述由于机械卷载形成的物损降至最小。以上仅仅计算了机械卷载损失减少的部分，实际上，从图5可见，在取排水工程不进行环保设计条件下，余氯水水团处于飘移之中，因而增大了余氯水形成的渔业资源损失。若经过环保设计，将余氯水扩散范围锁定在取水口附近，可以减少鱼类资源生态损失重量的一半左右。由此可见，在取排水工程进行环保设计条件下，鱼类资源生态损失仅为无环保设计的1/5。

3讨论

3.1取排水工程环保设计技术现状

目前，国外对核电站排水提出较严格的环保要求［11～15］。对电站工程而言，我国目前对现有取排水口工程环保设计技术和环保设计标准等环保要求还不规范。例如，作者从网上了解到辽宁红沿河核电站、连云港田湾核电站和广东岭澳核电站建设环境评价中，均较少涉及巨量取排水对海洋生态系统的影响预测分析内容。据作者所知，正在编制中的山东乳山核电站、海阳核电站和即墨核电站海洋环境影响报告也没有重视这一问题。可见，目前我国核电站巨量取排水对生态系统和渔场的影响尚未受到各方足够重视。在我国核电站大规模兴建之前，及时制定相关法规，对于及时保护沿海渔场和海洋生态环境具有重要的意义。

3.2取排水工程环保设计主要原理

依据本研究数值模拟的结果，上海LNG工程冷排水水团在扩散中，首先完成升温过程。此时余氯成分尚在，通过2.3分析说明，在满足工程取水要求的前提下，在取水口附近水域建立余氯屏障是可能的。这一结果同样可以推论到核电站海洋取排水工程设计中。也就是说，对于任何核电站、火电厂和LNG接收站工程，首先需要通过数值模拟，分析排水水团降(升)温过程和余氯消散过程。当排水水团降(生)温过程先于余氯消散过程完成，直接调整合适的取排水口相对位置即可。当排水水团降(升)温过程后于余氯消散过程完成，工程排水降温需要附加工程措施。在我国沿海，大多数海洋工程前沿都有往复的潮流，往复流是我国海洋工程所面临最常见的流态。对于往复流条件下工程的环保设计，为了设法在取水口附近水域建立余氯屏障，需要将排水管延伸到取水口周围适当距离，在满足降(升)温过程的条件下，成环形排列，由人工的方法建立余氯屏障。在取水口建立余氯屏障的具体设计，还要根据项目附近的潮流特点具体设计。

3.3取排水口工程环保设计技术方案的应用

以上分析可知，海洋渔业和海洋生态方面的收益与企业收益是互为矛盾的，因此，在现有的经济和法规环境下，取排水工程环保设计的推广有相当的难度。但从切实保护海洋生态环境和渔业资源的利益出发，国家应制定技术标准、法律法规和行政措施等对这一生态环境技术进行研究、补充和推广。

本研究仅仅叙述取排水口工程环保设计技术基本原理。由于我国沿海水域的地形、地貌、潮汐和水流等条件各不相同，设计条件的千变万化，个别设计结果不可能套用在整个工程实践中。取排水环保设计技术方案推广，要点并不在于设计一个具体的取排水口建筑，因为那是企业设计部门的事。建议在本研究结果基础上，进一步规范设计要求和评价设计效果是下一步需要解决的问题，只有这样，环境保护管理部门可以提出合理的环保技术方案和要求，推广3.2所述的取排水环保设计技术方案。而实际建造取排水口，相关的设计应留给设计部门依据具体情况解决。