地表水源热泵系统温排水对柳江水环境的影响分析.pdf

广西水利水电 G U A N G X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 2 ( 5 ) 水环境 地表水源热泵系统温排水对柳江水环境的影响分析 朱雪梅， 廖文凯 ( 柳州市水文水资源局 ， 广西柳州 5 4 5 0 0 1 ) 【 摘要 为研究地表水源热泵系统温排水对水坏境的影响， 结合柳铁中心医院 1 住院楼实例 ， 以柳州市区柳江河段 水体为分析对象 ， 采用热污染水温二维模型， 预测以柳江水作为冷热源的水源热泵系统温排水的影响范围， 分析评 价温排水对柳江水环境及水生物所造成的影响。 关键词】 地表水源热泵； 温排水； 柳江水环境 ； 影响； 分析 【 中图分类号】 T U 8 3 1 3 6 ； X8 2 6 【 文献标识码 B 【 文章编号 1 0 0 3 1 5 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 4 1 0 3 1 概 况 柳州市作为柳江流域的最大城市， 以其丰富的 地表水资源和适宜的水文气象条件， 被专家确定为 非常适合应用水源热泵技术的城市。 目前 ， 柳州市 已建成应用得较好的水 源热泵工程项 目有 文昌综 合楼水源热泵空调系统、 广西工学院鹿山学院地源 热泵系统“ 三联供 ” ( 供暖 、 供冷 、 供生活热水 ) 、 广西 生态工程职业技术学 院地源热水供应系统 、 市委党 校迁建项 目太 阳能建筑一体化工程、 名人大酒店太 阳能热水工程等； 在建或拟建的水源热泵工程项 目 有河东综合楼水源热泵空调系统 、 刘三姐文化娱乐 中心空调系统、 水上运动基地V I P 楼空调系统、 柳铁 中心医院 1 住 院楼空调系统等。 本文以拟采用“ 水源热泵技术” 的在建的柳州市 柳铁中心医院1 院楼为例， 采用热污染水温二维模 型， 预测以柳江水作为冷热源的水源热泵系统温排水 的影响范围， 并分析温排水对柳江水生物的热污染。 2工程 实例 【 】 在建 的柳 州市柳铁 中心 医院 l 住 院楼位 于柳 州市飞鹅路利民区1 4 号， 靠近西堤路， 毗邻柳江， 距 离竹鹅溪泵站约 3 0 0 m。总用地 1 5 2 4 5 IT I ， 建筑 面 积4 3 0 9 9 2 1 m ， 定编床位6 1 0 张， 开放床位 8 0 0 张， 是一所集医疗 、 教学、 科研 、 预防、 保健 、 康复、 急救 为一体的国家三级甲等综合医院。柳州市柳铁中 心医院1 住院楼建筑空调使用面积3 2 0 6 0 IT I ， 冷负 荷约为3 7 1 9 k W， 热负荷2 8 8 0 k W， 生活热水热负 荷为5 8 0 k W。系统设计采用水源热泵系统， 共采用 4 台水源热泵机组 ， 冷热源均取 自柳江水。 2 1 工程项 目取、 退水方案 夏季制冷 时 ， 取水流量 为0 1 9 7 r n 3 s ， 取水规模 为 7 1 0 m h ， 最大 日取水量为 1 3 6 3 2 万 m ， d ( 按机组 日平均运行2 4 h ， 运转系数取0 8 计) 。冬季制热 时 ， 取水流量为 0 1 4 I T I s ， 取水规模为 5 0 4 i n h ， 日最 大取水总量为9 6 7 6 8 万n l 。退水路线和取水路线基本 致， 退水点位于取托 下游5 0 m处。 2 2 工程项 目退水组成及退水总量 本项 目的退水 主要是水 源热泵空调系统温排 水、 冷排水以及住院部生活热水用水排水。 柳铁 中心医院1 住院楼住院部设计床位 8 0 0 位， 按每床位生活热水需求量 1 8 0 L d 计算， 日最大 热 水 用 量 为 1 4 4 m 。 d， 即生 活 热 水 退 水 为 0 0 0 2 m 3 s 。住 院部生活 热水用水退水排 入市政排水 管 道 ， 不直接排人柳江。 夏季 日最大退水量为 0 1 9 7 0 0 0 2 = 0 1 9 5 IT I s 日最大退水总量为 1 3 4 7 8 4 万 m ； 冬季 日最大退水 量为0 1 4 i n s ， 日最大退水总量为 9 6 7 6 8 万 IT I 。 2 3 工程项 目所在水功能区及退水达标情况 项 目退水 口位于柳 江柳 州市饮用水源 区范 围 内， 水质 目标 一 类 。本工程项 目水 源热泵夏季 冷却水 出口水温高于取水水温 5 7， 冬季水源热 泵冷却水出口水温低于取水水温3 6 5 c I= 。根据国 家 地面水环境质量标准) ( G B 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中规定： 【 收稿 E t 期1 2 0 1 2 - 0 5 0 9 【 修回 日期】 2 0 1 2 0 9 0 5 【 1 乍 者简介1 朱雪梅( 1 9 8 0 一 ) ， 女， 广西武宣人， 柳州市水文水资源局工程师， 学士， 主要从事水文情报预报工作。 41 朱雪梅 ， 廖文凯： 地表水源热泵系统温排水对柳江水环境的影响分析 中华人 民共和国领域内江 、 河 、 湖泊 、 水库等具有适 用功能的地面水水域， 人为造成的环境水温变化应 限制 在夏季周平均最 大温升 l ， 冬季周平均最 大温降2 。因此 ， 项 目退水点水温不达标， 需进 行影响范围的预测。本文仅对温排水的影响范围 进行预测 。 3 温排水影响范围预测2 】 3 1 热污染水温二维模型 热废水与城市 生活污水及工业废水一样在 和 河流中的迁移运动主要受对流和喘流扩散迁移， 遵 守 F i c k 扩散定律 ： 百a T 署)= 杀( )+ 百+ I x y z J= 【 J+ O v( M )+ 鲁 ( 誓)砌 ( 1 ) 柳州市柳铁中心医院 l 住院楼水源热泵排水 为稳定连续排放方式， 柳江属宽浅的天然河流， 忽 略横向流速和垂直流速， 假设垂向很快混合均匀， 则上式可 以简化为 ： u O T = 嘶 ( ) ( 2 ) 在河流中某点以连续稳定、 连续排放的条件 下， 其特定边界条件为： X = O ， ， ) ，) = ； = ， ， y ) = 0 o 则以岸边排放 ， 但污染物未达到对岸的情况下 式 ( 2 ) 的解为 ： c = 唧 ( 一 X ) T k Q pT p p (_ 蕞)】 (3) 由于是岸边排放， 则混合区最大长度在靠岸水 边( y = 0 ) ， 同时因热污染混合区长度不大， 可以省略 温度衰减项， 则式( 3 ) 化简为： 。 1可 丽 f 混合区最大宽度在最大长度的中点， 即在 处 ， 则污染带最大宽度为 ： 厂 - I log啷 QpTp 河流混合区等温线在岸边排放条件下呈半椭 圆形状 ， 则其所包围的面积计算公式为： W J C b Yb A b = 丁 4 2 ( 6 ) 上述系列式 中： 戈 ， Y ， r直角坐标 ， 分别表示河流纵向、 横 向、 垂直距离 ， m； Q。 热废水流量 ， m s ； 热废水水温 ， o C ； 河水背景水温 ， c I = ； x ， y )河流污染混合区内任意点水温， ； 河流平均流速， m s ； H 河流平均水深 m) ； E 河流横 向散系数 ， ( 由泰勒公式 ： E x = ( 0 0 5 8 h + O 0 0 6 5 B) 求得 ， 其 中I 为 预测柳江河段水力坡降= 0 1 6 e ) 。 3 2 模型参数设置 背景水温 ： 采用4 9 月平均水温最高的8 月 份极值 2 8 _ 4进行预测 ； 排水温度 ： 3 5 4 c I = ， 即以最大负荷温升 7 时的工况进行预测 ； 排水量Q。 ： 按0 2 In s 预测。 3 3 温排水影响范围预测结果 采用热污染水温二维模型预测， 当温排水在 4 9 月月平均最小来水量9 0 保证率流量 3 5 3 r fl s 时 ， 影 响长度约 5 0 5 m， 影 响宽度约 4 8 3 m， 影 响水 面积约9 5 9 i n ； 当柳江出现最枯月来水量 9 0 保证 率流量 1 5 9 m 3 s 时， 影响长度约 1 0 5 m， 影响宽度约 1 O 1 m， 影响水面积约4 1 8 m 。即使在9 月份出现历 年极值月最小流量 9 1 1 m s 时， 最大影响长度也仅 为 1 9 6 m， 最大影 响宽度仅为 1 8 7 m， 最大影 响水面 积仅为 1 4 3 9 m 。根据以上预测结果绘制断面来水 量与影响范围的关系( 见图1 ) ， 从图1 可以看出： 断 面来水量与影响范 围成反 比， 当河流断面来水量较 大时， 水流速度加快， 水体的混合较充分， 交替更新 较快， 相应的影响范围较小； 反之 ， 当河流断面来水 量较小时， 水流速度减慢， 水体的交替更新也相对 较慢 ， 相应的影响范围较大。 断面来水量( m 3 ， s ) 图1 断面来水量与影响范围的关系图 O O 0 0 O O 0 O 0 蚰 们 晤豫 舔 广西水利水 电 G U A NG X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I N G 2 0 1 2 ( 5 ) 4 温排 水对柳 江水 生物 的热污染 据调查 ， 柳州市柳江河段有浮游植物 3 9 属、 浮 游动物有 2 O 科 4 2 属 6 7 种 、 底栖动物有 1 9 种 1 6 属 ， 水生维罐束植物有7 种5 属。现存的主要经济鱼类 有 ： 青鱼、 鲮鱼 、 鲇鱼 、 赤眼鳟 、 鳙鱼 、 草鱼等 ， 洄游性 鱼类较少， 主要有白肌银鱼、 鳗鲡、 七丝鲚等。由于 受上游大埔 电站大坝 、 下游红花电站大坝的阻隔作 用和水库 的影 响 ， 本河段除一些产粘性 卵的鱼类 ， 如鲤鱼外 ， 已无其它鱼类产卵场。由于柳江两岸坡 陡 ， 水流湍急 ， 基本没有人工渔业养殖场 。经 向柳 州市水产畜牧局核实， 项目取排水 口下游 1 0 k m范 围内没有网箱养殖场， 无特殊的水生生物保护目 标。 4 1 对底栖生物的影响 本工程项 目温排水采用表层排放格局 ， 排放温 度不高( 最高比原水体水温升高7 ) ， 排放量不大， 日最大排放为 1 3 5 万 i n d ， 在最 大负荷及最不利工 况条件 下 ， 对受纳水体的最 大影 响范围均较小 ， 仅 为 1 4 3 9 i n 。温排水水域温升 1 以上 的水层厚度 还不到1 in ， 且项 目 排水口附近水域枯水期较深， 一 般在 8 I n 以上 。因此 ， 项 目在最大负荷及最不利工 况条件下 ， 产生 的温排水对底栖动物的栖息环境危 害很小 ， 不会造成较大范围的影响。 4 2 对鱼类的影响 项 目温排水对鱼类可能的影响是： 在高温升 区会对 白肌银鱼 、 鳗鲡 、 七丝鲚等洄游性鱼类行为 造成明显逆反影响， 在弱温升区影响不明显； 高 温升对柳江的鲤鱼等鱼类产卵生殖有一定影响， 使 胚胎发育畸形或死亡 ， 鱼类 自然资源受损， 补充群 体减少 ； 水温升高， 会降低水中的溶解氧含量 ， 温 度增加 ， 将加速有机污染物 的分解 ， 增大耗氧量 ， 同 时大多数鱼类的代谢活动随水温升高而增加( 大致 每上升 1 O ， 增加一倍) ， 从而造成氧气的供需不平 衡 ， 进而导致鱼 类可能有 亚致死作用 。用青 、 草 、 鲢 、 鲤 鱼实 验结 果表 明 ， 它们 开始致 死 的温度 在 3 7 c I = 左右 ， 回避温度约为 3 6。 根据 0 p i,I 水文站多年逐月水温统计 ， 项 目退水 口所在河段 最高月平均水温为 2 8 4 ( 8 月 ) 、 最 低 月平均水温为1 2 2 ( 1 2 月) 。即使在水温最高的 夏季， 由于来水量较大， 排放量及排放温度不高( 最 高比原水体水温升高7 ) ， 温排水影响的所有水域 内水温均低 于 3 5 4， 鱼类 回避 的高温 区域极小 。 因此 ， 温排水对本河段的鱼类影 响较小 ， 不会对该 河段鱼类构成威胁。由于出现冷热水分层现象， 因 而鱼类仍有足够的洄游通道。 4 3 对浮游生物的影响 本项 目温排水在最大负荷及最不利工况条件 下 ，温升 I E 扩散 的影 响范 围 1 4 3 9 m ， 最 大河宽 1 8 7 m， 最 大距离 1 9 6 m； 温 升 2 C 扩散 的影 响范 围 1 3 0 i n ， 最 大河宽 2 0 n q ， 最大距离 6 5 0 n l 。根据 国 内相关资料分析研究 ， 受纳水体温升2 C 就能使受 纳水体局部水域藻类生物资源种群及数量发生变 动， 因为高温升会使蓝、 绿藻大量繁殖 ， 生物量占优 势 ， 从而抑制其他饵料生物 的生长 。因此 ， 项 目温 排水在局部微小范 围， 短时期 内可能会加速藻类 的 生长速率 ， 但藻类的多样性指数下降； 同时温排水 延长了藻类生长期并使菌类活力增强 ， 使底泥中内 源营养物分解加速， 有可能在局部加重水体富营养 的作用， 对局部水质， 短时期内会有一些影响， 但柳 江水量丰富、 流速较大， 水体交换能力较强， 出现这 种水质恶化的概率几乎为零 。 5 结 语 总体来说， 本项目温排水会在退水口微小范围 内对受纳水体水温造成一定 的、 短时期 的影响。在 9 0 保证率月最小流量来水情况下， 夏季最大负荷 工况影 响面积不超过 4 1 8 m ， 且在系统负荷较小时 或停止运行 间歇期 ， 约 6 h 左 右恢复到河水水温原 值状态， 对区域地表水环境影响甚微。从柳江现有 的水生生物和养殖业情况看， 项 目温排水对柳江水 生物的影响范围和影响程度也较小。但当温排水 进人受纳水体后 ， 破坏了水域的自然状态， 出现了 热量 、 能量 的重新分配和递变 ， 这必然导致水体生 态环境效应发生改变。因此， 仍需采取冷却降温、 合理布置取排水 口、 将温排水作为中水进行回用等 有效措施 ， 以减少温排水对柳江水环境的热污染 ， 缓解柳江的环境负担。 参考文献 【 1 】 吴珍兰， 林朗华 ， 梁建光 ， 等 柳州市柳铁中心医院 1 住 院楼水源热泵水资源论证报告书 R 柳州： 柳州市水文水资 源局 ， 2 0 1 2 2 】 张玉清 河流功能区水污染物容量总量控制的原理和方 法【 M 】 = I E 京： 中国环境科学出版社 ， 2 0 0 1 ( 责任编辑： 周群) ( 英文摘要下转第 4 9 页) 43 广西水利水电 G U A N G X I WA T E R R E S O U R C E S&H Y D R O P O WE R E N G I N E E R I NG 2 0 1 2 ( 5 ) Hy d r o p o we r d e v e l o p m e n t p l a n n i n g s t u d y f o r u p s t r e a m s e c t i o n o f J i a l i n j i a n g r i v e r b e t w e e n S i c h u a n - S h a n x i B o r d e r a n d G u a n g y u a n NONG J i n g ( N a n n i n g S u e y a n d De s i g n I n s t i t u t e u n d e r P e a r R i v e r Wa t e r C o m mi s s i o n ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e u p s t r e a m s e c t i o n o f J i a l l n j i a n g fi v e r f r o m t h e b o r d e r b e t w e e n S i c h u a n P r o v i n c e a n d S h a n x i P r o v i n c e t o t h e r e s e r v o i r t a i l o f S h i p a n c a s c a d e h a s a t o t a l l e n g t h o f 5 7 k m， n a t u r a l d r o p o f 4 8 5 m a n d t h e o r e t i c a l i n s t a l l a t i o n r e s e r v e o f 8 6MW Ta k i n g f u l l y c o n s i de r a t i o n o f t h e c h a r a c t e ris t i c s ，s e ns i t i v e a nd r e s t ric t i o n f a c t o r s o f t h i s r i v e r s e c t i o n，2 - c a s c a d e d e v e l o p me n t s c h e me w a s r e c o mme n d e d a f t e r c o mp a r i s o n w i t h a 4 - c a s c a d e a l t e r n a t i v e T h e r e c o m me n d e d s c h e me i s f e a s i b l e i n r e s p e c t s o f t e c h n i q u e ，c o s t a n d e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n，i n c l u d i n g u p s t r e a m B a mi a o g o u h y d r o p o we r s t a t i o n wi t h n o r ma l p o o l l e v e l o f 5 2 0 m a n d d o w n s t r e a m F e i x i a n g u a n h y d r o p o w e r s t a t i o n wi t h NP L o f 4 9 1 5 m Ke y wo r d s ： U p s t r e a m s e c t i o n o f J i a l i n j i a n g ri v e r ； h y d r o p o w e r d e v e l o p m e n t p l a n n i n g ； d e v e l o p me n t s c h e m e ； B a m i a o - g o u ； F e i x i a n g u a n ； h y d r o p o w e r s t a t i o n ( 上接第 4 3 页) Ana l y s i s o f s ur f a c e wa t e r he a t pu mp s y s t e m wa r m d r a i na g e o n 1 n Ll u K l Z HU Xu e me i L I AO W e n k a i ( H y d r o l o g y a n d Wa t e r R e s o u r c e s B u r e a u o f L i u z h o u C i t y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T a k i n g N o 1 i n p a t i e n t b u i l d i n g o f L i u t i e C e n t r a l Ho s p i t a l a s e x a mp l e ，w i t h t h e L i u j i a n g fi v e r s e c t i o n w i t h i n d o w n t o w n a r e a o f L i u z h o u C i t y a s a n a l y s i s o b j e c t i v e ，2 D t h e rma l p o l l u t i o n w a t e r t e m p e r a t u r e mo d e l w a s u s e d t o e s t i ma t e t h e s c o p e o f L i u j i a n g af f e c t e d b y w a r I n d r a i n a g e fr o m h e a t p u mp s y s t e m w i t h ri v e r w a t e r a s w a t e r s o u r c e T h e a u t h o r s a l s o e v a l u a t e t h e i m p a c t o f w a rm d r a i n a g e o n w a t e r e n v i r o n me n t a n d a q u a t i c s o f L i u j i a n g R i v e r Ke y wo r d s ： S u r f a c e w a t e r h e a t p u m p ； w a r lT l d r a i n a g e ； L i u j i a n g R i v e r w a t e r e n v i r o n me n t ； i mp a c t ； a n a l y s i s 4 9