一種沿海lng接收站冷排水和余氯的海洋環境影響預測方法
【專利摘要】一種沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋環境影響預測方法。包括接收站運行工況模塊(含取水、生物滅活加氯、溫降控制、余氯控制和排水分模塊及數據庫)、海洋生物損失量計算模塊(含取水口機械卷載影響、滅活影響、余氯影響、溫降影響四個分模塊及數據庫)及運營情景動態組合模塊(含冷排水擴散、余氯擴散模塊)，它能幫助相關人員對接收站利用加氯滅活海水汽化LNG并排放冷水帶來的水溫變化量及影響范圍，排水中余氯濃度變化及影響范圍進行模擬和預測；計算特定溫差和余氯濃度增量情景下海洋生物損失量；優化出對海洋生物影響程度較低的溫降和余氯含量控制方案，有利于環境友好戰略實現，屬于環境保護及水污染防治【技術領域】。
【專利說明】一種沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋環境影響預測方 法 (一）
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋環境影響預測方法，它能幫 助相關人員構建冷排水和余氯擴散模型，對LNG(液化天然氣）接收站利用加氯滅活海水 汽化LNG并排放冷水帶來的水溫變化量及影響范圍，排水中余氯濃度變化及影響范圍進行 模擬和預測；計算并界定不同工況下特定溫差和余氯濃度增加情景下各種海洋生物的損失 量；進而優化出對海洋生物和漁業資源影響程度較低的冷排水溫降和余氯含量控制方案， 有利于LNG清潔能源利用中的環境友好戰略的實現，屬于環境保護及水污染防治技術領 域。 (二）
【背景技術】
[0002] 隨著我國經濟社會繼續快速發展，增加能源供應、特別是清潔能源供應顯得尤為 迫切。中國已經向世界做出承諾，2020年單位⑶P的碳排放比2005年降低40-45%。根據 正在編制的國家"十二五"油氣規劃，天然氣在國家一次能源消耗中的比例將由目前的4% 提高到8%左右。在充分開發利用好國內低碳能源的同時，加大天然氣引進力度，有利于更 好地實現上述目標。
[0003] LNG儲存為液態，而輸向用戶為氣態，汽化過程需要大量的熱量，充分利用海水熱 量作汽化熱源產生了大量的冷排水；為避免海洋污損生物在循環冷卻系統管道內壁附著繁 殖而導致管道水阻的增加和生物對管道內壁表面的破壞，影響運行的經濟性和使用壽命， 根據需要在循環水系統中設加氯系統。加氯處理在抑制海洋生物在管道內繁殖的同時，經 過循環系統后，未降解的余氯將隨排水口排放的冷卻水擴散至周圍水體中。余氯在海水中 有游離態和化合態兩種形態，剛排出的冷卻水中，游離態余氯占主要部分，化合態余氯所占 比例不大。由于游離態余氯氧化能力極強，極不穩定且衰減極快，因此，排放至海域內的游 離態余氯不斷地稀釋、分解和揮發，其濃度迅速降低。余氯在水中的輸移、分布主要依靠潮 流的挾帶，并非累積所致。余氯半衰期相對較短，僅1小時，排放至海水中的余氯在環境水 體中經稀釋后很快自衰。濃度場主要分布在排水口附近，影響范圍較小。其特征污染物主 要包括：溫度和余氯，對港口水環境及水生生態帶來不利影響。
[0004] 溫降帶來的海洋生態影響如下：
[0005] (1)溫降對浮游生物的影響
[0006] 浮游生物不僅是某些魚、蝦、貝類的餌料生物，同時它的數量的多寡決定了海域初 級生產力的大小，從而能影響漁業資源的潛存量。
[0007] 溫降產生的影響可參考國外有關溫升的研究，水溫升高大于6_8°C時，在夏季僅引 起浮游植物光合作用的活性減弱，這種現象并未破壞藻類的細胞，經過幾個小時（不超過 一晝夜），浮游植物的光合作用就能恢復。對浮游動物而言，水體溫升小于:TC時，多數情況 下不會對其種群有不利影響。
[0008] (2)溫降對魚類的影響分析
[0009] 魚類在不同的發育階段往往對溫度條件有不同的要求，繁殖和發育時期的要求特 別嚴格，許多海洋動物非到一定的水溫是不會產卵的。有的時候海洋動物能在某一海區生 活，但由于不能滿足繁殖和發育所要求的條件（包括適宜溫度及持續的時間），則這些動物 在這一海區就不能完成繁殖和發育，因而有所謂生殖區和不育區之別。
[0010] 一方面，如果水溫低于適溫范圍，將會抑制魚類的新陳代謝和生長發育，如果超過 其忍受限度，還將會導致死亡。另一方面，魚類能感受到環境水溫的微弱變化，對低于適溫 范圍的低溫水體，具有回避反應，這使許多魚類進行遠距離的適溫回游，這種回避現象排除 了冬季幼魚和成魚受到冷威脅的可能性。此外，水溫的變化會影響魚類的產卵，影響漁期的 遲早、漁場的變動，影響漁獲量。
[0011] 在夏季，適當的溫度降低，對魚類的生物是有利的，而在冬季的溫降，對魚類的生 長是不利的。溫降大于環境4-5°C的區域，漁獲物減少較明顯。在溫降為4-5°C的區域，冬季 漁獲量將變低，而夏季則將有所恢復；在溫降為2-3°C的區域，冬季將出現低漁獲量，但夏、 春季出現高漁獲量：而溫降低于2°C的區域的影響將不明顯。對于大多數暖水性魚類來說， 溫降I °C基本上在其適溫范圍內，一般不會對魚類的生長造成影響。
[0012] ⑶溫降對蝦類的影響
[0013] 根據有關研究成果，中國對蝦蝦仔的適應溫度為20_32°C。在夏、秋季節期間，接收 站冷排水引起的溫降對蝦類不會有明顯的不利影響，蝦類都能正常生長繁殖；在冬、春季低 溫季節，溫降達：TC以上時，蝦類幼體的生長可能會受到抑制，其存活率可能會降低，蝦類的 成年個體多數會回避低溫區，從而影響溫降場內的對蝦捕獲量。
[0014] 蝦類耐冷性將隨著馴化溫度不同而不同。因此，隨著蝦類對馴化溫度（冷排水造 成的溫降影響）的不斷適應，其耐冷性也將會有所下降，冷排水溫降對蝦類資源的影響也 將有所減輕。對于廣溫性對蝦類來說，溫降l°c仍在其適溫范圍內，基本不會對蝦類的生長 造成影響。
[0015] (4)對貝類養殖的影響
[0016] 根據調查，多數貝類的適溫范圍為15-30°C左右。在適溫范圍內，溫度降低將可能 影響貝類的生長發育。在適溫范圍內，若遇到溫度突然劇變，使貝類一時無法適應亦會導致 其滯育或死亡。因此，在夏季高溫季節，冷海水排放對貝類的影響相對較小，甚至可能會促 進貝類的生長發育，但在溫度較低季節，冷海水排放將對貝類產生較大的影響，可能導致貝 類滯育或死亡。
[0017] (5)冷排水對海洋生物的影響趨勢分析
[0018] 冷海水排入海域后，在水動力條件的作用下，經過擴散稀釋的散熱過程，冷海水水 團的溫度迅速升高，與此同時，排放口附近一定范圍內的海洋環境水體水溫則有不同程度 的下降。研究表明，海水溫度改變影響海洋生物的新陳代謝，影響其呼吸、代謝速率，生長、 繁殖等功能。各種海洋生物都有一定的正常生長溫度范圍及最佳溫度范圍，它們對溫度的 突然變化的忍受能力很有限，而海洋生物對溫度的耐受幅度比陸地或淡水生物小得多。另 夕卜，大多數海洋生物的生命最適溫度是接近最大耐受溫度界限（溫度上限）；而安全因素在 溫度下限這一側的耐受能力比在上限一側大。也就是說，低溫對生命的破壞作用在某些方 面不如高溫的大。
[0019] 當環境水體水溫下降超過海洋生物生長的適宜溫度范圍時，將可能導致海洋生物 生長受到抑制或死亡；如果環境水體水溫下降但仍在海洋生物生長的適溫范圍內，則基本 不會影響海洋生物的生長和繁殖，在某些條件下，還可能促進海洋生物的生長和繁殖。環境 水溫越接近生物種最適水溫，溫降引起的種群豐度改變越小，越接近極限水溫，則微小溫降 也可能造成較大的后果。因此，冬季冷效應對水生生物影響將比其它季節來得明顯。
[0020] 此外，一些游泳動物能夠感受到環境水溫的微弱變化，對超出適溫范圍的高溫或 低溫水溫，具有明顯的回避反應，許多游泳動物會進行遠距離的適溫洄游。
[0021] 余氯對海洋生物的影響分析如下：
[0022] (1)余氯對浮游植物的影響
[0023] LNG接收站冷排水中的余氯是損害浮游植物的主要因素，而冷排水的熱沖擊對浮 游植物的影響不大。0. 2mg/L的氯可以直接殺死冷卻水中60%?80%的藻類。但GLasstone 等認為即使20%的浮游植物種群被殺死，水域的凈影響也可以被忽略。Sarvanane等認為 在海濱工業海水排水口有效氯濃度控制在0. 2?0. 5mg/L時，將取水口、冷卻管內、排水口 的3份水樣進行室內培養，硅藻的初始濃度分別為413、352、381ind/ml，達到同一細胞密度 (617X 104?813X 104ind/mL)分別需要3、6、8d，說明浮游植物具有較強的恢復潛能，余氯 對浮游植物的損傷能得到較快恢復。此外，不同水質條件下，氯對浮游植物的影響程度不 一。當海水中總顆粒物和溶解有機碳占比例較高時，則同樣濃度的氯對浮游植物的影響較 小，因為大量氯主要被前者所消耗。
[0024] (2)余氯對浮游動物的影響
[0025] 浮游動物雖是水生生態系統的重要組成部分，但目前對浮游動物受氯的影響研究 報道較少。從表可見，浮游動物對氯較敏感，較低濃度的氯即可對浮游動物產生明顯的影 響；浮游動物受氯連續暴露影響的濃度低于間歇暴露的濃度。
[0026] 表1-1余氯對浮游動物的影響
【權利要求】
1. 一種沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋環境影響預測方法，其特征在于該方法的 具體步驟如下： 第1、收集LNG接收站的相關數據，包括規模、水文實測資料、流場等海洋水動力條件、 水深、氣象條件、地理位置、漁業資源、LNG汽化用水的海水取水、生物滅活加氯及含余氯冷 水排放等，建立能自動識別特定海域潮流的準三維潮流模型及海洋生態基礎數據庫，其中 海洋生態基礎數據庫包括魚卵仔魚模塊、幼體模塊、成體模塊及浮游動植物模塊，建立LNG 接收站運行工況模塊，包括汽化用水取水模塊、生物滅活加氯模塊、溫降控制、余氯控制及 排水模塊； 第2、基于第1步建立的潮流模型，結合實驗室數據分析，有針對性地建立LNG接收站冷 排水的擴散模塊，計算正常工況和非正常工況下沿海LNG接收站利用海水汽化LNG并長時 間排放冷水帶來的水溫變化量及影響范圍；冷排水擴散模塊為基于fick擴散定律的三維溫 度擴散模型； 第3、基于第1步建立潮流模型，結合第2步建立的冷排水擴散模塊，及實驗室數據分 析，建立冷排水中余氯擴散模塊，該模塊采用基于fick擴散定律的三維污染物濃度擴散模 型，計算正常工況和非正常工況下沿海LNG接收站使用加氯滅活海水汽化LNG帶來的排水 中余氯濃度變化及影響范圍； 第4、由第1步所建立的數據庫中的海洋生態基礎數據庫，建立海洋生物損失量計算模 塊，包括取水口機械卷載影響、滅活影響、溫降影響、余氯影響四個分模塊及數據庫，通過余 氯毒性試驗和冷排水影響試驗，對正常工況和非正常工況下特定排放時間、特定溫差和余 氯濃度增量進行分級，計算并界定各情景下各種生物的損失量；溫度降低對漁業資源產量 造成一定影響，損失量主要為魚卵仔魚；余氯對漁業資源損失量涵蓋魚卵仔魚、小魚、成魚 及成蝦，其中魚卵仔魚累積死亡較高，影響較大。余氯影響帶來的漁業資源的損失量包括 受影響海域成魚成蝦的損失量、魚卵仔魚損失量及幼魚損失量；魚卵仔魚損失量為該海域 現存的魚卵仔魚與死亡率的乘積；現存成魚及現存成蝦的損失量采用漁業資源直接損失量 計，漁業資源直接損失量為漁業資源尾數密度與影響面積、海水深度、個體漁業資源規格重 量的乘積；現存幼魚的損失量（現存幼魚損失根據其不同成長階段的長成率與漁業資源直 接損失量相乘，折算為成體的損失量）； 第5、將第1?4步各模塊的計算成果按照相應的情景進行組合和疊加計算，重點考慮 累積影響，給出不同潮流場、不同工況、不同溫降和不同余氯濃度增量下，沿海LNG接收站 汽化LNG用水對海洋環境的影響程度及范圍，及其相應可能造成的生物損失量清單；運營 情景動態組合模塊主要分為不同工況（正常工況及非正常工況）冷排水擴散模塊、余氯擴 散模塊、生物滅活加氯模塊以及潮流場（大潮期漲急落急、小潮期漲急落急），生物損失量 應考慮LNG汽化用水取水口的機械卷載效應、滅活影響、溫降影響及余氯影響帶來的生物 損失量以及長時間排放冷排水帶來的累積影響，避免余氯濃度和水溫降低對生物損失量的 重復計算，取影響較大的值計算。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，第2步冷排水擴散模塊按照環境保護相關 法規、標準、推薦的排放溫降設計方案，設定不同的冷排水溫度變化情景，并根據冷排水不 易擴散熱量的特點，采用基于fick擴散定律的三維溫度擴散模型，確定冷排水在水體中的 水平擴散系數和垂直擴散參數，通過數值模擬方法計算其隨海流運動的三維擴散溫度及影 響范圍，無需核定表面溫度交換系數以及界定溫度場的邊界條件，從而顯著節省了計算工 作量，大幅提高了計算效率；通過設置計算范圍并布置高分辨率網格，提高了計算精度，采 用該模型對連續長時間（48h)排放條件下的不同冷排水溫度變化情景的影響進行預測計 算，計算結果以不同溫降值的最大影響距離和包絡面積等溫降地理分布特征值表示。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征還在于，第3步余氯擴散模塊在三維潮流場計算 的基礎上，采用基于fick擴散定律的三維污染物濃度擴散模型，結合排水量和余氯排放濃 度，考慮余氯衰減，確定余氯在水體中的水平擴散系數和垂直擴散參數，通過數值模擬方法 模擬余氯在海水中的三維濃度場，定量說明余氯排放對水質的影響程度和影響范圍，計算 結果以余氯濃度及其對應的最大擴散距離、包絡面積等參數表示。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征還在于，第4、5步海洋生物損失量計算模塊不僅 關注了溫降、余氯毒理效應帶來的海洋漁業資源損失量，還計算取水過程的機械卷載及滅 活對海洋生物資源造成的損失量。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征還在于，第4、5步海洋生物損失量通過動態調整 運行工況、溫差和余氯增量等級，計算各情景下溫度、余氯的累積影響面積及程度，以及綜 合考慮各方面因素的總的海洋生物資源損失量，進而優化出對海洋生物和漁業資源影響程 度較低的冷排水溫降和余氯含量控制方案，有利于LNG清潔能源利用中的環境友好戰略的 實現。
【文檔編號】A01K61/00GK104322402SQ201410447215
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】喬冰, 吳宣, 劉曉峰, 李春潮, 俞沅 申請人:交通運輸部水運科學研究所