一种沿海lng接收站冷排水和余氯的海洋环境影响预测方法
【专利摘要】一种沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋环境影响预测方法。包括接收站运行工况模块(含取水、生物灭活加氯、温降控制、余氯控制和排水分模块及数据库)、海洋生物损失量计算模块(含取水口机械卷载影响、灭活影响、余氯影响、温降影响四个分模块及数据库)及运营情景动态组合模块(含冷排水扩散、余氯扩散模块)，它能帮助相关人员对接收站利用加氯灭活海水汽化LNG并排放冷水带来的水温变化量及影响范围，排水中余氯浓度变化及影响范围进行模拟和预测；计算特定温差和余氯浓度增量情景下海洋生物损失量；优化出对海洋生物影响程度较低的温降和余氯含量控制方案，有利于环境友好战略实现，属于环境保护及水污染防治【技术领域】。
【专利说明】一种沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋环境影响预测方 法 (一）
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋环境影响预测方法，它能帮 助相关人员构建冷排水和余氯扩散模型，对LNG(液化天然气）接收站利用加氯灭活海水 汽化LNG并排放冷水带来的水温变化量及影响范围，排水中余氯浓度变化及影响范围进行 模拟和预测；计算并界定不同工况下特定温差和余氯浓度增加情景下各种海洋生物的损失 量；进而优化出对海洋生物和渔业资源影响程度较低的冷排水温降和余氯含量控制方案， 有利于LNG清洁能源利用中的环境友好战略的实现，属于环境保护及水污染防治技术领 域。 (二）
【背景技术】
[0002] 随着我国经济社会继续快速发展，增加能源供应、特别是清洁能源供应显得尤为 迫切。中国已经向世界做出承诺，2020年单位⑶P的碳排放比2005年降低40-45%。根据 正在编制的国家"十二五"油气规划，天然气在国家一次能源消耗中的比例将由目前的4% 提高到8%左右。在充分开发利用好国内低碳能源的同时，加大天然气引进力度，有利于更 好地实现上述目标。
[0003] LNG储存为液态，而输向用户为气态，汽化过程需要大量的热量，充分利用海水热 量作汽化热源产生了大量的冷排水；为避免海洋污损生物在循环冷却系统管道内壁附着繁 殖而导致管道水阻的增加和生物对管道内壁表面的破坏，影响运行的经济性和使用寿命， 根据需要在循环水系统中设加氯系统。加氯处理在抑制海洋生物在管道内繁殖的同时，经 过循环系统后，未降解的余氯将随排水口排放的冷却水扩散至周围水体中。余氯在海水中 有游离态和化合态两种形态，刚排出的冷却水中，游离态余氯占主要部分，化合态余氯所占 比例不大。由于游离态余氯氧化能力极强，极不稳定且衰减极快，因此，排放至海域内的游 离态余氯不断地稀释、分解和挥发，其浓度迅速降低。余氯在水中的输移、分布主要依靠潮 流的挟带，并非累积所致。余氯半衰期相对较短，仅1小时，排放至海水中的余氯在环境水 体中经稀释后很快自衰。浓度场主要分布在排水口附近，影响范围较小。其特征污染物主 要包括：温度和余氯，对港口水环境及水生生态带来不利影响。
[0004] 温降带来的海洋生态影响如下：
[0005] (1)温降对浮游生物的影响
[0006] 浮游生物不仅是某些鱼、虾、贝类的饵料生物，同时它的数量的多寡决定了海域初 级生产力的大小，从而能影响渔业资源的潜存量。
[0007] 温降产生的影响可参考国外有关温升的研究，水温升高大于6_8°C时，在夏季仅引 起浮游植物光合作用的活性减弱，这种现象并未破坏藻类的细胞，经过几个小时（不超过 一昼夜），浮游植物的光合作用就能恢复。对浮游动物而言，水体温升小于:TC时，多数情况 下不会对其种群有不利影响。
[0008] (2)温降对鱼类的影响分析
[0009] 鱼类在不同的发育阶段往往对温度条件有不同的要求，繁殖和发育时期的要求特 别严格，许多海洋动物非到一定的水温是不会产卵的。有的时候海洋动物能在某一海区生 活，但由于不能满足繁殖和发育所要求的条件（包括适宜温度及持续的时间），则这些动物 在这一海区就不能完成繁殖和发育，因而有所谓生殖区和不育区之别。
[0010] 一方面，如果水温低于适温范围，将会抑制鱼类的新陈代谢和生长发育，如果超过 其忍受限度，还将会导致死亡。另一方面，鱼类能感受到环境水温的微弱变化，对低于适温 范围的低温水体，具有回避反应，这使许多鱼类进行远距离的适温回游，这种回避现象排除 了冬季幼鱼和成鱼受到冷威胁的可能性。此外，水温的变化会影响鱼类的产卵，影响渔期的 迟早、渔场的变动，影响渔获量。
[0011] 在夏季，适当的温度降低，对鱼类的生物是有利的，而在冬季的温降，对鱼类的生 长是不利的。温降大于环境4-5°C的区域，渔获物减少较明显。在温降为4-5°C的区域，冬季 渔获量将变低，而夏季则将有所恢复；在温降为2-3°C的区域，冬季将出现低渔获量，但夏、 春季出现高渔获量：而温降低于2°C的区域的影响将不明显。对于大多数暖水性鱼类来说， 温降I °C基本上在其适温范围内，一般不会对鱼类的生长造成影响。
[0012] ⑶温降对虾类的影响
[0013] 根据有关研究成果，中国对虾虾仔的适应温度为20_32°C。在夏、秋季节期间，接收 站冷排水引起的温降对虾类不会有明显的不利影响，虾类都能正常生长繁殖；在冬、春季低 温季节，温降达：TC以上时，虾类幼体的生长可能会受到抑制，其存活率可能会降低，虾类的 成年个体多数会回避低温区，从而影响温降场内的对虾捕获量。
[0014] 虾类耐冷性将随着驯化温度不同而不同。因此，随着虾类对驯化温度（冷排水造 成的温降影响）的不断适应，其耐冷性也将会有所下降，冷排水温降对虾类资源的影响也 将有所减轻。对于广温性对虾类来说，温降l°c仍在其适温范围内，基本不会对虾类的生长 造成影响。
[0015] (4)对贝类养殖的影响
[0016] 根据调查，多数贝类的适温范围为15-30°C左右。在适温范围内，温度降低将可能 影响贝类的生长发育。在适温范围内，若遇到温度突然剧变，使贝类一时无法适应亦会导致 其滞育或死亡。因此，在夏季高温季节，冷海水排放对贝类的影响相对较小，甚至可能会促 进贝类的生长发育，但在温度较低季节，冷海水排放将对贝类产生较大的影响，可能导致贝 类滞育或死亡。
[0017] (5)冷排水对海洋生物的影响趋势分析
[0018] 冷海水排入海域后，在水动力条件的作用下，经过扩散稀释的散热过程，冷海水水 团的温度迅速升高，与此同时，排放口附近一定范围内的海洋环境水体水温则有不同程度 的下降。研究表明，海水温度改变影响海洋生物的新陈代谢，影响其呼吸、代谢速率，生长、 繁殖等功能。各种海洋生物都有一定的正常生长温度范围及最佳温度范围，它们对温度的 突然变化的忍受能力很有限，而海洋生物对温度的耐受幅度比陆地或淡水生物小得多。另 夕卜，大多数海洋生物的生命最适温度是接近最大耐受温度界限（温度上限）；而安全因素在 温度下限这一侧的耐受能力比在上限一侧大。也就是说，低温对生命的破坏作用在某些方 面不如高温的大。
[0019] 当环境水体水温下降超过海洋生物生长的适宜温度范围时，将可能导致海洋生物 生长受到抑制或死亡；如果环境水体水温下降但仍在海洋生物生长的适温范围内，则基本 不会影响海洋生物的生长和繁殖，在某些条件下，还可能促进海洋生物的生长和繁殖。环境 水温越接近生物种最适水温，温降引起的种群丰度改变越小，越接近极限水温，则微小温降 也可能造成较大的后果。因此，冬季冷效应对水生生物影响将比其它季节来得明显。
[0020] 此外，一些游泳动物能够感受到环境水温的微弱变化，对超出适温范围的高温或 低温水温，具有明显的回避反应，许多游泳动物会进行远距离的适温洄游。
[0021] 余氯对海洋生物的影响分析如下：
[0022] (1)余氯对浮游植物的影响
[0023] LNG接收站冷排水中的余氯是损害浮游植物的主要因素，而冷排水的热冲击对浮 游植物的影响不大。0. 2mg/L的氯可以直接杀死冷却水中60%?80%的藻类。但GLasstone 等认为即使20%的浮游植物种群被杀死，水域的净影响也可以被忽略。Sarvanane等认为 在海滨工业海水排水口有效氯浓度控制在0. 2?0. 5mg/L时，将取水口、冷却管内、排水口 的3份水样进行室内培养，硅藻的初始浓度分别为413、352、381ind/ml，达到同一细胞密度 (617X 104?813X 104ind/mL)分别需要3、6、8d，说明浮游植物具有较强的恢复潜能，余氯 对浮游植物的损伤能得到较快恢复。此外，不同水质条件下，氯对浮游植物的影响程度不 一。当海水中总颗粒物和溶解有机碳占比例较高时，则同样浓度的氯对浮游植物的影响较 小，因为大量氯主要被前者所消耗。
[0024] (2)余氯对浮游动物的影响
[0025] 浮游动物虽是水生生态系统的重要组成部分，但目前对浮游动物受氯的影响研究 报道较少。从表可见，浮游动物对氯较敏感，较低浓度的氯即可对浮游动物产生明显的影 响；浮游动物受氯连续暴露影响的浓度低于间歇暴露的浓度。
[0026] 表1-1余氯对浮游动物的影响
【权利要求】
1. 一种沿海LNG接收站冷排水和余氯的海洋环境影响预测方法，其特征在于该方法的 具体步骤如下： 第1、收集LNG接收站的相关数据，包括规模、水文实测资料、流场等海洋水动力条件、 水深、气象条件、地理位置、渔业资源、LNG汽化用水的海水取水、生物灭活加氯及含余氯冷 水排放等，建立能自动识别特定海域潮流的准三维潮流模型及海洋生态基础数据库，其中 海洋生态基础数据库包括鱼卵仔鱼模块、幼体模块、成体模块及浮游动植物模块，建立LNG 接收站运行工况模块，包括汽化用水取水模块、生物灭活加氯模块、温降控制、余氯控制及 排水模块； 第2、基于第1步建立的潮流模型，结合实验室数据分析，有针对性地建立LNG接收站冷 排水的扩散模块，计算正常工况和非正常工况下沿海LNG接收站利用海水汽化LNG并长时 间排放冷水带来的水温变化量及影响范围；冷排水扩散模块为基于fick扩散定律的三维温 度扩散模型； 第3、基于第1步建立潮流模型，结合第2步建立的冷排水扩散模块，及实验室数据分 析，建立冷排水中余氯扩散模块，该模块采用基于fick扩散定律的三维污染物浓度扩散模 型，计算正常工况和非正常工况下沿海LNG接收站使用加氯灭活海水汽化LNG带来的排水 中余氯浓度变化及影响范围； 第4、由第1步所建立的数据库中的海洋生态基础数据库，建立海洋生物损失量计算模 块，包括取水口机械卷载影响、灭活影响、温降影响、余氯影响四个分模块及数据库，通过余 氯毒性试验和冷排水影响试验，对正常工况和非正常工况下特定排放时间、特定温差和余 氯浓度增量进行分级，计算并界定各情景下各种生物的损失量；温度降低对渔业资源产量 造成一定影响，损失量主要为鱼卵仔鱼；余氯对渔业资源损失量涵盖鱼卵仔鱼、小鱼、成鱼 及成虾，其中鱼卵仔鱼累积死亡较高，影响较大。余氯影响带来的渔业资源的损失量包括 受影响海域成鱼成虾的损失量、鱼卵仔鱼损失量及幼鱼损失量；鱼卵仔鱼损失量为该海域 现存的鱼卵仔鱼与死亡率的乘积；现存成鱼及现存成虾的损失量采用渔业资源直接损失量 计，渔业资源直接损失量为渔业资源尾数密度与影响面积、海水深度、个体渔业资源规格重 量的乘积；现存幼鱼的损失量（现存幼鱼损失根据其不同成长阶段的长成率与渔业资源直 接损失量相乘，折算为成体的损失量）； 第5、将第1?4步各模块的计算成果按照相应的情景进行组合和叠加计算，重点考虑 累积影响，给出不同潮流场、不同工况、不同温降和不同余氯浓度增量下，沿海LNG接收站 汽化LNG用水对海洋环境的影响程度及范围，及其相应可能造成的生物损失量清单；运营 情景动态组合模块主要分为不同工况（正常工况及非正常工况）冷排水扩散模块、余氯扩 散模块、生物灭活加氯模块以及潮流场（大潮期涨急落急、小潮期涨急落急），生物损失量 应考虑LNG汽化用水取水口的机械卷载效应、灭活影响、温降影响及余氯影响带来的生物 损失量以及长时间排放冷排水带来的累积影响，避免余氯浓度和水温降低对生物损失量的 重复计算，取影响较大的值计算。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第2步冷排水扩散模块按照环境保护相关 法规、标准、推荐的排放温降设计方案，设定不同的冷排水温度变化情景，并根据冷排水不 易扩散热量的特点，采用基于fick扩散定律的三维温度扩散模型，确定冷排水在水体中的 水平扩散系数和垂直扩散参数，通过数值模拟方法计算其随海流运动的三维扩散温度及影 响范围，无需核定表面温度交换系数以及界定温度场的边界条件，从而显著节省了计算工 作量，大幅提高了计算效率；通过设置计算范围并布置高分辨率网格，提高了计算精度，采 用该模型对连续长时间（48h)排放条件下的不同冷排水温度变化情景的影响进行预测计 算，计算结果以不同温降值的最大影响距离和包络面积等温降地理分布特征值表示。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第3步余氯扩散模块在三维潮流场计算 的基础上，采用基于fick扩散定律的三维污染物浓度扩散模型，结合排水量和余氯排放浓 度，考虑余氯衰减，确定余氯在水体中的水平扩散系数和垂直扩散参数，通过数值模拟方法 模拟余氯在海水中的三维浓度场，定量说明余氯排放对水质的影响程度和影响范围，计算 结果以余氯浓度及其对应的最大扩散距离、包络面积等参数表示。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第4、5步海洋生物损失量计算模块不仅 关注了温降、余氯毒理效应带来的海洋渔业资源损失量，还计算取水过程的机械卷载及灭 活对海洋生物资源造成的损失量。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，第4、5步海洋生物损失量通过动态调整 运行工况、温差和余氯增量等级，计算各情景下温度、余氯的累积影响面积及程度，以及综 合考虑各方面因素的总的海洋生物资源损失量，进而优化出对海洋生物和渔业资源影响程 度较低的冷排水温降和余氯含量控制方案，有利于LNG清洁能源利用中的环境友好战略的 实现。
【文档编号】A01K61/00GK104322402SQ201410447215
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】乔冰, 吴宣, 刘晓峰, 李春潮, 俞沅 申请人:交通运输部水运科学研究所