水源热泵系统尾水排放对湖泊富营养化的影响

许志良，黄向阳，吴姗姗 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023）

在国家 “十一五”规划大力倡导节能减排的背景下，地表水源热泵作为新兴节能环保技术，得到了强劲的支持和发展。重庆市作为长江上游最大城市，拥有极为丰富的地表水资源以及得天独厚的水文气象条件，在发展地表水源热泵上得到了国家大力支持。重庆市在开展地表水源热泵高效应用关键技术研究的同时，也加强了地表水源热泵示范工程的建设。地表水源热泵系统取水量较大，涉及水域广，社会关注程度较高，无论其尾水对水环境影响程度如何，都必须通过科学研究得到一个确切的结论。湖水源热泵尾水排放对水环境的影响研究是尾水污染研究的重要部分，可以为水源热泵在长江上游地区乃至全国推广应用提供支撑，并且为水源热泵尾水污染防治及生态修复研究提供依据。

与地表水源热泵尾水污染类似的研究是电厂温排水，电厂温排水热污染问题目前国内外研究较多[1－6]，而对于水源热泵尾水污染问题则研究较少，且主要以理论分析为主[7－8]。本研究以湖水源热泵国家级示范工程——重庆市开县人民医院湖水源热泵工程为例，通过近一年对其尾水受纳湖泊水环境的监测，探讨了湖水源热泵系统尾水排放对湖泊水环境的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

2008年开县人民医院湖水源热泵中央空调项目被列为可再生能源建筑应用示范工程。开县人民医院综合楼水源热泵中央空调面积约为24427.80m2，设计冷负荷为2912.70kW，热负荷为1117.20kW。人工湖的表面积约33000m2，水深常年保持在5.0～7.5m，总水量约30×104m3。工程设计取水量为700m3／h，尾水排水管管径为375mm，排放方式采用单口出流表面排放[9－10]。

在水源热泵系统开始运行以前，湖泊部分水质指标如表1所示。

工程自2008年5月开始运行，从水源热泵运行5a期间机房湖水侧进出水平均温度、流量等的运行记录来看，夏季最大进出水温差为5.2℃，最热月平均进出水温差约3.8℃；冬季最大进出水温差2.9℃，最冷月平均进出水温差约1.8℃。

表1 水源热泵系统运行前湖泊部分水质指标

1.2 监测点与监测方法

根据现场对湖泊水温的监测结果，大致确定气温和水温最不利情况下尾水对湖泊水温的影响范围，然后根据这一范围来选择采样点，详见图1。3个采样点分别位于取水口附近，湖泊中部，尾水排放口附近 （约20m）。考虑到湖泊深度比较小，采样时只采取了表层水样 （水面下0.3m）。采样时间大约在上午10点左右，采样频次一般为15～30d1次，特殊情况 （如水源热泵系统未运行期间）频次减小。每次各采样点分别采集1000～1500ml水样，低温保存带回实验室分析[11]。

图1 水质监测采样点布置示意图

2 结果与分析

2.1 尾水排放对近水域水温、溶解氧的影响

2012年6月14日和2013年3月18日水源热泵系统运行时，分别对排放口附近区域的水温和溶解氧进行了现场监测，结果见表2和图2～3。

2012年6月14日测定水温及溶解氧时，同一时间气温为29.8℃，机房水源侧进水30.6℃，出水32.7℃。由表2可知，由于当天气温不高，排放口的水温仅略高于气温，因而尾水对湖水水温短期影响较小，温升最大未超过0.5℃，且影响最远不到20m区域。但是进水侧水温达到30.6℃，而同一时间系统取水处 （水面下4m）水温仅为26℃，表明系统长期运行对湖泊水温的影响比较明显。从溶解氧来看，除了温排水入湖口水流紊流剧烈溶解氧稍高外，排放口附近水域表层溶解氧略低于湖泊其他区域，而底层溶解氧由于深度不同不具可比性。

由图2可以看出，在当时运行状态下，冷排水对排放口附近水域沿流动方向影响距离大约20～25m，而垂直与流动方向以及深度方向上，温度梯度则更大，水温很快接近湖泊自然水温。在排放口附近15m处，0.5m深水温已经与更远处同一深度水温非常接近，表明冷排水在15m距离的影响深度大约为0.5m。

表2 2012年6月14日水温及溶解氧现场监测结果

图2 冷排水时距排放口5～40m水温变化曲线

图3 冷排水时排放口附近溶解氧沿程变化曲线

由图3可知，受冷排水影响，排放口附近小范围水域内水温呈现逐步升高趋势，溶解氧变化规律与水温基本相同。总体来看溶解氧差异不大，由于冷排水水温、溶解氧都较湖水要低，排入湖泊以后沿水流方向形成狭长的冷水带，不断向水平和垂直2个方向扩散，2种水混合后，冷排水扩散带的水温、溶解氧都会逐渐升高，直到与湖泊相同。

2.2 尾水排放对氮、磷等营养盐的影响

图4 氨氮监测结果

图5 总氮监测结果

图6 总磷监测结果

从2012年5月到2013年4月水源热泵系统运行期间，对湖泊氮、磷取样监测结果如图4～6所示。由图4～6可知，各采样点测得的总氮和总磷都是呈现先下降后上升趋势，总磷更为明显。排放口附近水域总氮和总磷基本都高于其他区域，夏季差别不明显，冬季冷排水情况下差别稍大。分析原因，在夏季温排水作用下，溶解氧降低，同时温排水的扰动作用也加快了沉积物中氮磷的释放，所以导致了其含量的升高。而在冬季冷排水作用下，排放口附近水域溶解氧比其他水域要低，同时过低水温对大多数水生动植物有负面影响，冷排水的扰动作用同样加快沉积物中氮磷的释放，导致该区域总氮、总磷较其他位置稍高。排放口附近的氨氮始终高于其他区域也是上述原因造成的。

2.3 尾水排放对藻类的影响

从2012年5月到2012年3月，对湖泊藻类取样检测结果如图7。由图7可知，藻类数量变化与水温变化有直接关系，排放口附近水域的藻类数量在5月～6月时比其他区域大约多出10%；而在7月～8月，当温排水水温大于33℃时，比其他区域则要少5%～10%，表明过高的水温会抑制某些藻类生长；到9月份又比其他区域多出15%～20%。10月～11月系统没有运行时，各点藻类数量比较接近。进入冬季冷排水以后，在水温较低时 （1月），排放口附近水域的藻类数量比其他区域藻类数量少了大约5%，3月份以后，排放口附近水域的藻类数量则明显比其他区域多。藻类总量最大值出现在8月份，主要是蓝、绿藻数量很大，因为该月的平均水温在30℃左右，很适合藻类生长繁殖。另一个峰值出现在1月份，主要是硅藻大量繁殖造成的，其原因可能是外源的污染，加上水文气象条件综合影响使得硅藻爆发的结果。

图7 湖泊藻类总量变化曲线

除了数量上的变化以外，检测还发现各季节优势藻类也有所不同。夏季优势藻类为镰型纤维藻 （绿藻门）和小尖头藻 （蓝藻门），冬季优势藻主要有直链硅藻、栅藻等。同一时间各采样点优势藻类是相同的，只是数量有差别，这也表明水源热泵系统尾水对藻类主要是数量和多样性方面的影响，而对优势藻类更替没有影响。夏季观察到的优势藻类为镰型纤维藻和小尖头藻 （图8）。

较高的水温会使蓝藻大量繁殖而其他一些藻类 （比如硅藻）无法生存，结果藻类数量上升但是种群数减少，同样，低温也降低了藻类多样性。

图8 夏季优势藻类

2.4 尾水排放对湖泊富营养化进程的影响

在开县人民医院水源热泵系统开始运行以前，根据藻类生物量和水质指标状况可知湖泊已经到达富营养化水平。根据同一时间监测到的湖泊叶绿素 （chla）含量、TN、TP、CODMn、透明度 （SD）（表3），按照综合营养状态指数法[12]，可以计算出各采样点的营养状态指数。

计算结果表明，1＃、2＃、3＃采样点营养状态指数分别为50.63、51.12和53.43，都处于轻度富营养状态范围，但是排放口附近位置还是略高于另外2个位置。单个指标的差别主要是在叶绿素含量和CODMn上，这与尾水排放是有一定关系的。

由表3可知，湖泊氮磷比约为17～18，因此，磷是藻类生长的限制因子，湖泊水中磷的来源主要是喂鱼的饵料、洗涤废水、生活污水和底泥磷的释放，而磷的减少则主要是磷的吸附沉淀和鱼类的收获。实际上，藻类光合作用产生大量二氧化碳，导致湖泊pH偏高，也使得沉积物的磷得以释放，这样就更加速了藻类的繁殖。而水温则决定了不同藻类的生长率，使得适温藻类大量繁殖，水体富营养化进程加速。

从夏季湖泊水环境监测结果来看，水温在30℃以下时，温排水造成的温升使得排放口附近氨氮、总氮、总磷以及藻类数量的上升，这些都是富营养化加速的有利条件。

从冬季湖泊水环境监测结果来看，尽管排放口附近水域水温降低抑制了部分藻类的生长，但是由于温差较小，再加上冷排水的搅动作用，加强了沉积物中营养盐的释放，促进湖泊富营养化，因而冷排水对于该水域富营养化进程影响是双方面的。

表3 各营养状态指标监测值

3 结论

（1）夏季监测结果表明：湖水源热泵系统温排水对湖泊水温的长期影响显著，但短期影响范围和温升都比较小。尾水排放口附近水域表层溶解氧低于湖泊其他位置；温排水水温在30℃以下时，温升使得排放口附近氨氮、总氮、总磷以及藻类数量的上升，加速了湖泊的富营养化进程，但当温排水水温大于33℃时，排放口附近水域藻类数量反而减少。

（2）冷排水温差较小时，系统排水对湖泊水温影响较小。冷排水抑制了蓝藻和其他一些藻类的生长，对湖泊富营养化有一定缓解作用；但是由于温差较小，而且冷排水的搅动作用加速了湖泊沉积物中营养盐的释放，使得排放口附近水域氨氮、总氮、总磷含量比其他水域更高，因而冷排水从另外一方面来对湖泊富营养化进程又有促进作用。

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