摘 要：电力建设飞速发展，出现了同一大水域电厂群的局面，为使电力建设更有序的健康发展，应突破原有单一电厂为着眼点的思维模式，正视电厂群温排水在水域中热影响的累积效应，并以此观点研发新的水质预报模型和水域环境热容量的评估模式和热容量修复措施，建立大水域“火、核电厂水环境管理信息系统”，引导水域中电厂建设的梯级开发，共建规划科学、发展协调的电力。
关键词：电厂群、温排水、累积影响、环境热容量、评估与修复
1.突破单一电厂思维模式，重视电厂群温排水的累积影响
这里所说的大水域系指电厂群集聚的江、河、湖、海中的大范围水域。火、核电厂汽轮机循环冷却水即以此水域为冷却水源并排放温排水于此。虽然循环冷却水携带的废热品位低下（45℃以下），但循环冷却水量巨大，其含余热量十分可观。如1000MW火电汽轮机组，其温排水所赋存的热量约1.2×106～1.9×106kJ/s；按年运行5 000h计，其热量约折合标准煤70～114万t/a［1］。如此大量余热（电厂冷却水携带的余热量约占电厂燃煤热量的50%）弃置于自然水域，必使受纳水域遭受较大热影响；此外，排水中的余氯及核电厂随之排出的低放射性废水，还将污染受纳水域的生态环境。此外，取、排水建筑物及其大流量的水流运动破坏了厂址附近水域泥沙的冲淤平衡，改变着原有床面的底质结构；泥沙对水中低放射性物质及其他污物的吸附等作用，尚可引起长期的环境影响。因此，火、核电厂规划厂址时均需对厂址的冷却水排、取水域做可行性调查和研究，以确认该厂址能否满足机组对冷却水量和水质（温度）的要求，并对水环境影响做出综合评价。这种有关火、核电厂循环冷却水的工程研究在我国己有近50余年的历史，其研究的基本内容、程式及常规手段业已定型。但随着国家经济建设的飞速发展，近年来火、核电厂建设规模、数量突飞猛进，在同一大水域上共建数座大型（数百万级）电厂的现象已不鲜见。以往，同一水域间距甚远的电厂建设局面，即水域热容量相对富裕的局面逐渐被打破，数千米的范围可能出现两个以上电厂，甚至规划建设的电厂与己建设电厂出现了扎堆的尴尬局面。例如：长江下游的镇江与扬州段，在短短的两三公里范围内就密布着三家电厂，电厂用来冷却的水就把大量的热量源源不断地注入长江。长江水利委员会水资源保护局的数据表明：江苏省长江江段总长度300多公里，但流域内大大小小的火电厂就有150多家，越来越密集的火电厂甚至使得局部地区出现了温水带［2］。上海黄浦江、长江口水域电厂众多，因取水水温难以保障，逼迫吴泾电厂启用冷却塔先期降温，再将降低大部分温度的循环冷却水排至黄浦江。再如秦山核电及周围的火电群落……。这种局面的发展无疑是对以往单个电厂循环冷却水工程研究模式的挑战。
正视上述问题，必然要审视以往电厂冷却水工程研究的局限性，即仅针对待建的单个电厂的取水能力及热环境影响做研究和评价，或至多附加上该电厂直接邻近的一、二个电厂做着眼于该电厂取水水温及其周围温升环境的预报，且仅针对该电厂的需求提出优化对策，难于顾及其对周围已建电厂可能造成的不利影响。但是，大型火电厂温排水影响的空间效应并不会在几个毗邻电厂的区域内消散；大水域中的电厂建设也不会停滞于现今。电厂群在大水域中的良好“生存”环境有赖于彼此间的“互利互惠”。因此，从“累积效应”的观念，即“由己存在的过去的行为，现在的及可合理预见将来一系列开发行为所导致的作用于环境的持续影响”的观点［3］出发，应将侧重于较为狭窄时、空框架的单一电厂的传统冷却水工程研究扩展到整个大水域的规模上去。将被动的、单个电厂的取排水工程项目研究与评价推向主动的、大水域电厂群、多排取水口的超前规划性研究与评价上去。从以往专注该电厂温排水对水环境直接影响的预测与相应对策研究拓延到重视多个（已有的和规划中的）电厂温排水热量及其它污物在大水域中的累积效应及其对水环境显现的迭加影响。树立大水域统筹规划理念，科学评估水域整体承载能力，梯级开发水域资源，保护水域环境。
2.电厂温排水的热影响是大水域环境热容量评估的基础
电厂群循环冷却水排放对水域的影响是多方面、长时效的，最为重要的影响是温排水的热影响。温排水对局部受纳水域的水质产生影响，主要表现在水温、溶解氧等指标的变化；对水生生物产生影响，主要表现在改变藻类、鱼类等的生活条件方面；对水域富营养化程度产生影响，主要表现在水温升高可能加剧水中富营养化藻种的生长、溶解氧下降（太湖、滇池近期的蓝藻危害正是因气温至使水温升高而爆发的）。冷却水废热对水环境的影响较大时，会发生严重的热污染。装机容量大的电站，有时还会引起大范围水域内生物的消失。例如，美国佛罗里达州的比斯坎湾，一座核电站排放的温排水使附近水域水温增加了8℃，造成1.5km海域内生物消失［4］。
大量研究还表明:热污染不仅伤害水生生物，而且降低水的密度和粘度，并能加速水体中粒状物沉降速率，进而影响河流中悬浮物沉降速率及河流携带淤泥的能力，在一定程度上，河流水体的增温，也或多或少影响两岸的植被，故应引起高度关注。
温排水对水域生态环境热影响的潜在性、累积性，看起来似乎不及一般常说的化学物质水污染危害大。但应看到，热污染的危害更多和更主要的是从根本上、整体上改变着水体理化特性，进而严重影响水生态系统的结构和功能。一些化学物质或重金属的毒副作用也会因水温升高而加剧。
因此，电厂温排水余热对水域生态环境的热影响，特别是负面热影响无疑是大水域环境热容量评估的着眼点和基础。
3.大水域环境热容量研究应有多学科、多部门的协同努力
如何有效地减轻电厂温排水的不利热影响，充分利用水域冷却资源，提高水域对更高容量机组排放热量的受纳能力和恢复水域的自净能力，应该从两个方面来考虑。其一是电厂群内部对废热、废水的先期处理，极尽可能地减少其废热、废物排放量；其二是从整个大水域来考虑电厂建设的总体部局；建立梯级开发的原则、程序以及研究多电厂排、取水布置的最优导向。从大水域整体环境目标出发，强化电厂间以及电厂与其他开发项目间的协同作用和加和作用，重视这些项目对水域生态环境的累积效应和累积影响。
以上研究路线应依托相关的政策法规和技术标准平台。例如环境热容量的大小直接受限于电厂汽轮机组循环冷却水取水温度的极值规定及水环境的温升标准；而水环境温升标准及水域对各种污染物或低放射性污物容量的大小直接关系到水域生态环境的水质标准等。
汽轮机组循环冷却水取水温度的极值规定涉及汽轮机行业标准及电力生产运行规范的制定，与水域中温排放“混合区”温升标准少有关系。而温排放混合区空间范围的规定涉及水环境功能区划、水流条件、温度对当地重点保护的水生物生存条件的影响程度以及排热工程技术经济条件分析等诸多因素。不可能简单地、‘一刀切’式地硬性规定，而应因地、因时地，合理地规定排放混合区温度限定及其相应的空间尺度。即便有几类水域之分，也还不可以不分地域、不分水生物物种情况而硬行规定同一的混合区大小。
因此，大水域环境容量研究具有政策性、整体性、综合性、区域性、动态性以及信息密集性强的特征，它是自然、工程、技术、经济、社会相结合的综合体。需要多学科协同努力，多部门齐抓共管。
大水域电厂群环境容量研究应包含两大方面：一是大水域环境热容量评估，它含有电厂群温排水环境影响的预报和水域环境热容量评价两个内容；二是大水域环境热容量的修复，它含有污源减排和提升水域热排放管理水平两部分。在排污源减排和严格的、可实施的排热控制管理条例规范下，水域热环境容量的修复方可有效实施。
4.污源减排是修复大水域环境容量的关键--电厂循环水余热的综合利用
在温排水入注受纳水域前尽可能取出部分或大部分余热，使温排水降低温度后再排入水域，将极大地降低电厂温排水对水域环境的热影响，其余热的有效利用是对电厂温排水这一“未利用能”的再开发；不仅如此，它对电厂冷却水工程研究和设计的难度，对热污染防治难题的解决都极具意义。
我国电厂循环冷却水余热利用问题早有提出，但多属个例，其中多集中于北方地区利用废温水进行水产养殖、农作物截培；还有用于港口、工业取水口融冰缓冰的一些个案。利用形式比较单一、利用率低下，属于低水平利用。为此，要较为全面地考察该余热利用的国内、外现状，系统地、多学科地探索余热利用的途径。较高级层次的余热利用以采用“热泵”、“热管”这类高技术手段从循环水低品位热源中提取热量的途径为最佳［5］。火、核电厂温排水这一低温热源有着一般水热源少有的优势，如：流量基本稳定、水温较高（对河水、地下水而言）、相对清洁的水质等，是极为理想的水热源。电厂又拥有驱动热泵机组的有用能：电能、热能等。循环水余热部分回收后，不仅可用于轻工业生产、建筑供热，还可返回电厂热力系统的回热环节，提高整个系统的热效率。
国家环保总局环境工程评估中心曾于06年2月在北京召开了《电厂温排水环境影响专题研讨会》，其会议纪要明确“不能把电厂温排水与污水完全等同看待……。电厂温排水因其含有大量的热潜能，属量大质低的能源。国家提倡循环经济和节约型社会，有关单位应该加快温排水利用的创新研究，积极开展技术攻关”［6］。以高技术手段为龙头，因地制宜、因时制宜地开展电厂温排水余热综合利用事业正符合这一精神，且在节能、环保和温排水资源化，以及和谐电力建设上意义重大。
5.大水域环境容量的评估
大水域环境容量评估区别于传统电厂单一工程项目环境评价，表现在空间的广大（大水域）；时间的延续（早期己建电厂、现己筹备电厂以及远期规划电厂之长时期）；评价的内容（与大水域整体环境目标一致，强化厂际间的协同作用和加和作用，重点评价电厂群对整体水域的累积效应和累积影响）和评价的终极目标(大水域电厂群的梯级开发和水环境的协调发展)均己不同于传统单一项目。
环境容量的综合评估与以下标准体系紧密相关：
① 机组取水水温行业标准；
② 大水域水生态环境容量指标体系；
5.1.确立与评价相关的标准和指标
如上所述，机组取水水温行业标准的制定，涉及汽轮机行业标准及电力生产运行规范，直接关系到电厂热机对水域热环境容量的要求，即直接关系到电厂群在该水域可实现的热机的极限装机容量的量度，也间接显示了该水域环境热容量的大小。在现今大型机组和引进机组为主导机型的建设形势下，有关部门应修订或完善这一行业标准。
大水域水生态环境容量指标体系中的水质温度标准，与各地区水生物物种及习性、当地水文气象条件、水域功能区划以及人文、经济发展水平有关。温度及水流条件变化对水生物生态环境的影响是生态水力学重点研究的课题之一。因此，该项所议的有关标准的制定应是电厂冷却水科研工作者、生态水力学工作者以及水生动、植物研究者积极参与，重点关注的课题。
目前的水质评价体系中对水温的规定却十分笼统，基本无可操作性。例如“地面水环境质量标准”［7］中关于水温的规定，对五类水域均为“人为造成的环境水温变化应限制在： 夏季周平均最大温升≤1 冬季周平均最大温降≤2”。这些规定根本没有涉及到温升影响区的空间尺度问题。电厂温排水排出后，在排放口附近总会存在超过4℃的水区。因此，可操作的温水排放标准应对排放口“混合区”的大小做出具体的、与当地各种条件相容的“范围”规定。这里所说的“混合区”是指排放口附近水域中不满足升、降温标准的水域空间，即从环境管理角度认可的可超标的水域空间，也可定义为达到温度管理规定的排放口附近所需的降温空间范围。
环保总局《电厂温排水环境影响专题研讨会》会议纪要强调“考虑到经济发展与环境保护双赢，并满足环评审批要求，建议应尽快对相关法规、标准的有关内容进行修订或给予解释”。
随着法规、标准日趋完善，对电厂温排水排放的约束会日趋严格，水域热环境容量的合理评估和修复则越显重要。
5.2电厂温排水环境影响预测
传统预报模型难于精准地考虑电厂群中各电厂温排放之间的热量“叠加效应” 及“加和作用” ，对大水体热量的“累积效应”缺乏预测能力，因而对电厂群所在大水域热容量的评估乏力。
现有数值预报模型主要是较成熟的一维、二维数值模型，包含水动力学模拟方程和水质模拟方程。一般工程应用多为远区模式的二维模型，配合物理模型虽可基本完成电厂取排水工程布置论证及其环境影响的预报，但仍不能模拟温排水排污口近区射流卷吸效应和浮力效应，准确地描述水域水深方向的承载能力，可能低估水域上层的污染程度。目前近区较小范围的三维模拟与远区大范围的二维模拟相结合的分区模型也有应用，但近、远区的分割以及相应的扩散系数的自动处理仍很困难。三维模型在开发或试用阶段，工程研究中的应用尚不十分成熟。如对大范围、域内地形标高变化悬殊的模拟对象，全场三维模拟求解处理复杂且计算量十分庞大；对浅水型的广阔远区实施三维精细模拟也欠妥当。此外，模型中不少水动力学参数、各种水质因子选取的合理性以及整个模型的检验更有赖于大量的物理模型试验和相关参量的实验。对电厂群而言，多源、汇，多参量的水质预报模型的开发尤显紧迫。
建立新的数值预报模型，即研制面向工程的大水域、多排、取水口的温排水及污物（随温排水一起排放）的输移扩散全场水质（以温度为主参数并含低放射性核素、余氯及其它主要生态参数）数值预报模型。对内陆水库、河道（环境容量小、生态因子多）以及河口、近岸海域（盐度、水质及水生态复杂）不同环境特点的水域，针对性地建立近、远区结合的全场扩散模型。对一般视为“浅水型”水域的模拟对象，这类模型应是近区三维、远区平面二维相耦合的模型；对非“浅水型”水域，这类模型应是真三维模型或准三维模型。但无论何种，模型均应能精细地模拟近区射流卷吸掺混特性；盐度或温度异重分层流特性以及多排放源、汇间的加和、协同作用造成的累积效应；能准确模拟远区散热及各环境、生态因子对流扩散的水动力稀释效应以及其自身衰变过程。总之，模型应能较好地反映环境，预报各种因子随时间演化的过程及其定量描述等。
完善数值模拟模式及确定其基础参数（系数）；检验或验证数值模型的精度等都有赖于物理模型试验及相关的实验。为此，数、物模有应以下方面的配合：
1) 近区的数值模拟应与冷却水机理性试验相结合来深入研究各种温排水排放方式中近区紊动射流掺混及对流扩散规律，以修正对其进行数值描述的模型及其基本参数，并以试验结果检验数值模拟的精度。
2) 模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键，通过现场观测以及机理性研究来获取，物理模型试验和实验研究则是其重要的手段。
如：水面散热系数是热扩散模型中极重要的计算参数，现行水面综合散热系数适用于淡水、正气温和正水气温差场合，海域和负气温差条件下的综合散热系数则有待进一步的实验研究。
再如，对排水中所含主要低放核素及主要污染物的水动力稀释及自衰减的模拟仍亟待改进，要采用数值模拟和实验相结合的方法来确定有关的特征量或系数。应做好数值模型预报与物理模型预报的相关分析研究，以便更好地体现大水域环境容量评估中最具显著特色的累积效应。
5.3.大水域环境热容量评估及电厂群梯级开发
5.3.1火、核电厂水环境管理信息系统
大水域环境热容量评估是在完全掌握该水域各种有关水环境资源信息基础上，经电厂群温排水环境影响预测获得的预报数据，交由评估体系，依据水环境监测数据库、评价指标数据库、专家知识库…的数据做出分析和判断。
火、核电厂水环境研究中数据种类繁多、数据量庞大，随时间引起变化的因素众多。高效准确地处理这些数据并从中提取可靠的信息，进而为管理决策层服务，则必须建立起可将环境数据、环境信息、水质预报、环境容量评估以及专家决策一体化的 “火、核电厂水环境管理信息系统”。
近年来随着管理科学、信息科学、计算机技术与通信技术高速发展及其相互交融，管理信息系统（MIS）的产生和发展有了强劲的基础。
建立起信息化的模型，在此基础上组建现代火、核电厂水环境管理信息系统是把电厂循环冷却水排放环境影响预测与环境容量评价提到先进水准的必由之路，也是大水域电厂群建设及运行高效管理的必由之路。
5.3.2电厂群梯级开发
“梯级开发”系借用水电站建设中的术语，但此时的“梯级”一词含义则不尽相同。对火、核电厂建设而言， “梯级”意为建设时域上的先后；地域上的优选；地方经济发展需求的轻重缓急；燃料配给的便利程度……。
梯级开发旨在有计划、有步骤地规划水域中火、核电厂的建设，合理利用大水域资源。着眼于大水域整体环境的电厂建设规划，可避免各个地方自行其事、急功近利，不顾大局的短期行为。便于联合调度、集中控制以提高自然资源的利用率。
梯级开发研究是一个典型的系统工程性研究，涉及国家发展计划、地方经济规划、政策法规、自然资源……。“火、核电厂水环境管理信息系统” 可以从自然资源使用优化的高度上指导梯级开发，是水域开发决策层做出开发判断可以依赖的工具之一。
6.结语
2006年11月由国家电监会主办的《和谐电力论坛》倡议书［8］第一条：共建规划科学、发展协调的电力。尊重和坚持电力发展的客观规律，科学确定电力发展目标和发展速度，实现电力与国民经济之间、电力生产各环节之间的协调发展。
大水域电厂群环境容量评估与修复以及大水域火、核电厂梯级开发等议题正建立在《和谐电力》上述倡导的“ 共建规划科学、发展协调的电力”的科学发展观上。
参考文献
1. 贺益英，关于火、核电厂循环冷却水余热利用问题，中国水利水电科学院学报，2004年，第4期.
2. 央视国际，记者调查:热污染侵扰长江水， 2007年06月13日.
3. 美国环境质量委员会（CEQ）规程，1997年.
4. 金岚等编著，水域热影响概论，高教出版社，1993年.
5. 刘兰芬，贺益英，潘荔，火电厂余热综合利用研究评价---全国火电厂余热利用情况调查报告， 中国水利水电科学院电力环评中心，国家电力公司环保办公室，1999年；
6. 国家环保总局环境评估中心，《电厂温排水环境影响专题研讨会》纪要，2006年2月.
7. 国家电力监管委员会，《和谐电力论坛》，“共建和谐电力倡议书”，2006年11月.
