温排水对海域水环境价值量的影响计算——以象山港国华宁海电厂为例

费岳军，赵江艳，陈昞睿

（1.国家海洋局东海预报中心，上海 200081；2.海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室，上海 200080）

我国沿海岸线建设的火力发电厂、核电厂一般采用海水来进行冷却，由电厂排入海域且其温度比周围海水温度高的海水即为温排水[1]。海域中排入大量温排水后，将使受纳水体温度升高，扰乱水体原有的温度分布状况，出现质量、能量的递变和重新分配，对水域的水质和生态都将产生影响。因此，电厂温排水对海域环境的影响已经引起了人们普遍关注。

滨海电厂温排水热污染扩散范围数值模拟研究、热污染引起的海域环境容量变化及生态补偿技术研究已成为滨海电厂温排水污染影响研究的重要科学问题。以往滨海电厂建设项目的生态补偿实践，多数情况仅仅统计渔业捕获物和生物资源受损情况，通过收益还原法、净价格法计算海洋水产资源耗减价值[2]，很少考虑电厂在经济活动过程中由水环境提供服务而形成的环境成本，也就是海域水环境由于容纳温排水而使其功能下降的价值。而若要系统考虑电厂温排水对海域生态环境之影响，必须将水环境资源的价值损失货币化，使之纳入整个补偿政策的成本效益分析之中[3-4]。故此，进行海域水环境价值量的损失评估是亟待解决的新问题。

海洋水环境价值量的损失是生态损害的一种综合表现。一方面，对于污染损害事件中直接排放污染物，表现为由于直接排放的污染物而导致海域水动力、地形地貌等水体环境的改变，进而影响原有水体所能提供的服务功能；另一方面，污染损害事件中由直接排放污染物导致水体其它环境指标因子发生变化，增加了海域的污染负荷，必然导致该海域需要通过消减区域的污染物排放量，以保证海洋生态系统的健康，而导致区域环境成本的增加[5]。而对于滨海电厂温排水而言，水体中的温升（ΔT）是温排水海域水环境的主要特征污染因子，COD、氮、磷等其他水质指标可作为次生污染因子考虑[6]。由此，滨海电厂温排水带来的水环境价值量的损失可由温升产生的直接损失和水质指标变化产生的间接损失两部分构成。

本文将以浙江象山港国华宁海电厂为案例，通过数值模型计算温排水温升扩散范围，提出热污染所致海域温升总量的概念，在此基础上计算滨海电厂温排水直接及间接海域水环境价值量，对滨海电厂温排水对邻近海域环境的影响作出评估。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

象山港位于浙江省北部沿海，北面紧靠杭州湾，南邻三门湾，东侧为舟山群岛，东口外有六横等众多岛屿为屏障，是一个狭长的、亚热带半封闭型海湾。地理坐标 29°24’-29°48’N，121°23’-122°03’E，纵深 60 km，口门宽约20 km，水深7～8 m；中部窄而深，20 m深槽主要位于中部。港内建有2个电厂，为国华宁海火电厂和乌沙山火电厂。

国华宁海浙能发电厂位于象山港底部，一期工程由4×600 MW燃煤发电机组组成，二期为2台1 000 MW超临界燃煤抽凝式汽轮发电机组组成，采用二次循环模式进行冷却。温排水排放规模为夏季80 m3/s，冬季40 m3/s。其海水交换周期较长，海水温升、水质的影响将更为显著。且其2009年年底投产的二期工程采用先进的二次循环模式进行冷却，工艺先进，也是在建及拟建滨海电厂采取的主流工艺，较具代表性。故综合上述因素，本文选取国华宁海电厂为研究对象（图1）。

1.2 温排海域水质概况

图1 象山港国华宁海电厂位置示意图Fig.1 Schematic position of Guohua and Wushashan power plant in Xiangshan harbor

利用宁波海洋环境监测中心站2004-2010年对电厂前沿海域海洋环境跟踪监测数据，对国华宁海电厂温排水对水质的影响进行比对分析，确定国华宁海电厂前沿海域温排水对水质的影响程度。每年度监测分夏、冬两季进行，每季开展大、小潮监测，监测内容包括水文、水温、化学及生态，其中水质站位6个。监测站位图如图2。

监测结果表明，国华宁海电厂附近海域水质主要污染因子为营养盐，水体呈富营养化，除无机氮、磷酸盐超二类标准外，其余指标均符合二类海水水质标准。海域水质因子各项指标均在一定范围内波动，变化值不大。表明若控制一定量的排放水平，电厂温排水对邻近海域的水质不会造成明显污染，可不作为水环境价值量的主要贡献因子考虑。为较为系统地开展温排水邻近海域水环境价值量的理论研究和定量分析，根据跟踪监测评价结果，选取COD、无机氮、磷酸盐等3项指标并统计其平均浓度的变化情况。

选取电厂运营前的2004年冬季和2005年夏季监测值为本底，以2010年为电厂运行影响计算截止年。上述3种水质指标的变化情况见表1和表2。

图2 国华宁海电厂厂址前沿水环境专题研究站位图Fig.2 Positon of monitoring stations of sea area in front of Guohua power plant

表1 夏季航次主要水质影响因子平均浓度变化表Tab.1 Average concentration of main water quality factors in summer

表2 冬季航次主要水质影响因子平均浓度变化表Tab.2 Average concentration of main water quality factors in winter

1.3 温升总量计算方法

电厂温排水持续排放至海水中，造成象山港海域整体的温升，而温升可通过海气之间的热交换和港口与外海之间的水体交换向外释放，使得温升在一定程度后达到新的平衡。采用三维FVCOM数值模式，建立象山港海域水动力数值模式，以计算温升变化。模式垂向分为均匀的9层。模式采用的网格范围包括象山港及其外部海域，水位开边界位置避开了海岛以防止边界效应。网格在象山港海域作了局部加密，在国华宁海电厂附近的网格密度加大（图3，图4），最小网格的边长约15 m。

图3 象山港海域的网格Fig.3 Refined grid in Xiangshan harbor

图4 国华宁海电厂附近的网格Fig.4 Grid of sea area nearby power plant

采用率定验证后的象山港海域FVCOM三维数值模式，分别对夏季及冬季国华宁海电厂温排水的影响进行模拟。数值试验将乌沙山电厂排放源屏蔽，仅考虑国华宁海电厂排放。夏季计算时间为2010年7月1日-2010年9月20日，共81天，根据象山港夏季特征设置南风4 m/s。温度初始场取自海洋图集夏季7月多年月平均的结果；冬季计算时间为2010年12月1日-2011年3月2日，共91 d，风速根据冬季特征设为北风5 m/s。温度初始场取自海洋图集冬季12月多年月平均的结果。盐度初始场均取25均匀场。

在模式计算期间，背景温度场随温排水排放而不断抬高，温升超过1℃或4℃的体积始终无法趋近一个相对稳定的值，而是随大小潮等因素不断大幅波动，难以用来判断温升是否达到平衡[7]。故本文提出温升总量概念，即统计象山港内单位体积的温升在总体积上的积分，以说明电厂温排水所造成温升的实际影响。将象山港内每个三维网格的体积乘以温升并累加，得到象山港内温升总量P（m3·℃）。

其中i为水平网格编号，k为垂向网格编号，vol为三维网格体积，art为水平网格面积，d为总水深，dz为垂向网格分层比例，Δt为网格内平均温升。象山港内的温升总量统计范围为图5中蓝色区域。

1.4 水环境价值量损失计算方法

1.4.1 直接水环境价值量损失计算

温升是温排水直接导致的影响，国华宁海电厂温度升高的水环境价值量损失计算，由电厂温排水口及邻近海域数值模拟来确定温升总量，以维持温升总量而进行热量输入的成本为评估价值。

直接水环境价值量损失的具体方法如下：

式中：

MT——温升造成的直接水环境价值量损失，单位为元；

C——水体比热容，取1×103cal/(kg·℃)；

ρ——调查海域水体的平均密度，取1.025×103kg/m3；

P——温升总量，单位为m3·℃；

v——煤的单价，单位为元/kg（工业煤为0.44元/kg）；

q——煤的热值（工业煤的热值粗略估算为7×106cal/kg）。

图5 象山港温升总量统计区域范围Fig.5 Statistical area of total amount of temperature rise

1.4.2 间接水环境价值量损失计算

国华宁海电厂前沿海域主要水质因子COD、无机氮、磷酸盐均在一定范围内小幅波动。根据现行有效的宁波市海洋功能区划，该海域的主要功能为渔业资源利用和养护区，水质保护目标为二类海水水质标准，故将国际上公认的可能使水体的各物理、化学性质产生较明显改变1℃升温水域作为受影响海域的水体体积，通过求取水质各因子变化总量，并参照水质污染收费标准确定计算间接水环境价值量损失。

可依据下式进行计算：

式中：

H——间接水环境价值量损失，单位为元；

V——受影响海域的水体体积（1℃升温水域），单位为立方米（m3）；

Csi——温排水影响海域第i类主要水质因子的浓度，单位为毫克每升（mg/L）；

Cii——第i类主要水质因子的背景浓度，单位为毫克每升（mg/L）；

Wi——第i类水质因子排放收费标准，单位为元/kg。

2 结果与分析

2.1 温排水温升总量预测结果

2.1.1 夏季温升分布和温升总量统计

国华电厂夏季的连续温排放的累积效应显著，1℃的温升范围在象山港内面积过半，超过2℃的温升范围集中在电厂排放口周围（图6），且主要分布在表层，涨落急时刻分别向上下游扩展。

根据式（1）统计象山港内夏季温升总量P，观察其随时间的变化。温升总量在模式开始几天呈几乎线性增长，随着时间的推移，在模式60～80 d时已基本达到稳定的平衡状态，温升总量不再进一步增长（图7）。统计模式66～81 d时间段中的平均值，国华电厂温排水排放导致的温升总量为15.6亿(m3·℃)，统计1℃以上温升的体积，约3.0亿(m3)。

图6 象山港内夏季落急（左）和涨急（右）时刻国华电厂温排放的表层温升分布图Fig.6 Surface temperature rise field in summer nearby Guohuaninghai Power Plant in Xiangshan harbor(ebb fast moment:left,flood fast moment:right)

2.1.2 冬季温升分布和温升总量统计

冬季国华宁海电厂附近温升扩展范围比夏季显著减小，与其排放量较夏季减小一半有关。涨急时温升范围向上游扩展，落急时向下游扩展。由图8可知，0.5℃左右的温升主要分布在电厂附近，而1℃等值线增大范围很小，说明温排水的持续排放使得局部海域产生了一定的增温，但比夏季弱。涨落急时温升范围仍然分别向上下游扩展，但形态略有不同。

统计象山港内的温升总量，观察其随时间的变化（图9）。温升总量在模式开始几天呈几乎线性增长，电厂温排水不断向水体注入温升。随着时间的推移，温排水对水体的增温与水体向大气和港外的散热逐渐找到新的平衡，在模式70～90 d时已基本达到稳定的平衡状态，温升总量不再进一步增长。统计模式76～91 d时间段中的平均值，国华电厂温排放的温升总量达到6.0亿（m3·℃），温升总量平衡后，统计1℃以上温升的体积，约1 000万(m3)，比夏季少很多，可见排放量缩减一半将大幅减少1℃温升的扩展范围。

图7 夏季温升总量随时间变化Fig.7 The total amount of temperature rise changed with time in summer

图8 象山港内冬季落急（左）和涨急（右）时刻国华电厂温排放的表层温升分布图Fig.8 Surface temperature rise field in winter nearby Guohuaninghai power plant in Xiangshan harbor(ebb fast moment:left,flood fast moment:right)

2.2 海域水环境价值量损失计算结果

2.2.1 直接水环境价值量损失区间

根据式（2）可分别计算出象山港国华宁海电厂夏季、冬季电厂温排水导致的温升价值损失区间值，见表3。

图9 冬季温升总量随时间变化Fig.9 The total amount of temperature rise changed with time in winter

表3 夏、冬两季温升价值损失估算Tab.3 Monetary evaluation of temperature rise in summer and winter

2.2.2 间接水环境价值量损失区间

采用《排污费征收标准管理办法》中相关规定进行水质因子排放收费标准的计算，见表4。

表4 主要水质因子排放收费标准(元/kg)Tab.4 Charge standard of main water quality factors(unit:yuan/kg)

根据式（3），分别求取主要水质因子COD、无机氮、磷酸盐的水环境价值量损失，计算出象山港国华宁海电厂夏季、冬季电厂温排水导致的间接水环境价值量损失区间值，见表5。

表5 夏、冬两季间接水环境价值量损失估算Tab.5 Indirect monetary evaluation of environmental capacity in summer and winter

根据计算结果可知，国华宁海电厂温排水排放造成的间接水环境价值量损失夏季为96 188元，冬季为530元。相较直接水环境价值量损失值，其间接环水环境价值量损失可以忽略。

3 结语

本文以位于浙江省宁波象山港底部的国华宁海电厂作为研究模型，基于三维温排水输运模型FVCOM基于三维高分辨率精细化水动力模型系统，细致刻画出温排水的温升扩散范围，并在此基础上提出热污染所致海域温升总量的概念，计算国华宁海电厂温排水造成的象山港内的温升总量，开展滨海电厂温排水对邻近海域水环境价值量损失研究。滨海电厂温排水导致水环境价值量损失，由特征污染因子——温升而引发的直接价值量损失，以及次生污染因子——水质主要指标变化而产生的间接价值量损失两部分组成。直接价值量损失以维持温升总量而进行热量输入的成本为评估价值，间接价值量损失以水质主要因子变化总量并参照水质污染收费标准确定其值。通过计算，国华宁海电厂水环境价值量损失区间为38 657 461～100 508 571元，以热污染排放形成的直接水环境价值量损失为主。

由于滨海电厂温排水海域水质污染治理的虚拟性，为计算方便，用维持温升总量而进行热量输入的成本，来替代温排水热污染的恢复成本的方法仍有待探讨。水环境价值量损失值计算时只考虑恢复费用，而未包括海域环境质量复原后所形成的增加效益。本文用每个三维网格的体积乘以温升并累加得到温排海域温升总量的概念，以及从温升引发的直接价值量损失及水质指标变化产生的间接价值量损失两方面定量求取的国华宁海电厂温排水海域水环境价值量损失区间，均带有探索性质，尚需更深的理论研究和实践应用。

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