熱廢水擴散

前言

人類所有生產與消費的活動，都需要能量。但是，根據熱力學的第二定律，所有的能量不可能百分之百的作功，其作功所剩下的能量則將逸入大氣或水圈，這就是所謂熱污染問題的背景所在。

熱污染不僅在大氣或水圈裡發生，甚至地下也會造成。在都市裡所形成的「熱島」（thermal island），即為局部的污染；火力發電廠或核能發電廠的熱廢水排放，亦將造成海洋、河川或湖泊的熱污染問題（有人認為應該說是「熱影響」較為適當）。此外，如都市地下鐵道內的溫度上升亦可能形成地面下的熱污染。

因此，熱污染是以各種型態出現，而且問題錯綜複雜。唯本文將僅就排放到沿岸海洋的熱廢水擴散問題，作一簡單的說明。此處，所謂擴散，簡單的說就是使得原來物質濃度分布不均的狀態趨於均一分布的過程。

何謂熱廢水

火力及核能發電廠、鋼鐵工廠、煉油廠以及化學工廠等所使用的冷卻水，排放到海洋、河川或湖泊等自然水域時，其溫度大都高於周圍環境的水溫，此種高溫的排水，一般稱之為熱廢水或溫排水。尤其是火力及核能發電廠，於熱能轉變為電能的過程中，發生多量的熱量損失。此種熱量的損失使得冷卻水通過冷凝器時水溫增高，而成為溫水排放到外面（見圖一）。

問題在於其排水量。一般火力發電廠的熱效率約為40％，即有60％的熱量損失；核能發電廠的熱效率則更低，約為32％，即熱量損失高達68％。因此，火力或核能發電廠都需要多量的冷卻水，同時亦放出多量的熱廢水。在火力發電廠，每100MW（即10萬瓩）的出力，每秒約有5立方公尺（即5噸）的熱廢水量；如此，若發電廠的出力為5000MW，則一天當中將有220萬噸的熱廢水排出。目前的火力發電廠，其出力大都在200萬瓩以上，而且以集中發電方式在運轉。核能電廠則由於其效率比火力發電廠低，每100MW的出力，每秒約排放熱廢水8噸；因此出力為1000萬瓩的大型核能發電廠，一天當中將排放7000萬噸的熱廢水，這是個天文數字。

其次，關於熱廢水的溫度，在夏季時，普通較周圍的海水約高7∼8℃；在冬天時則高10℃左右，甚至有時比10℃還高。在出力為10萬瓩級時，因為熱廢水的絕對量還少，水域裡熱供給與熱逸散之間尚可保持平衡，就是在10℃以上還不至於成為問題。然而，目前發電廠的發電機出力，每一基大都在100萬瓩以上，熱量的供給已超過自然的冷卻作用，水域裡的溫度乃因而格外升高，以致形成所謂熱污染。

關於熱廢水的處理方法，大致上有三種：

一、溫水直接放流到自然水域的貫流方式（once-through cooling system），二、利用冷卻塔或冷卻池將廢熱排放到大氣裡的循環方式（cyclecooling system）及三、以上兩種方式併用。其次，貫流方式的熱廢水，其放流亦有幾種方法，其中兩個主要的方法（見圖二）為水中放流及表層放流。

本文將以貫流方式為討論對象，並且大部分以表層放流為主。

熱廢水擴散的物理過程

一般而言，無論是表層放流或水中放流，原則上熱廢水均是經由以下五個基本物理過程，在自然水域內完成其散熱、降溫的目的。

一、於放流口近旁，溫水噴流藉本身所持有的動量而侵吸周圍水域，以增加稀釋作用。

二、藉熱廢水與周圍水域間溫度差所形成的浮力效果，以加強擴散。

三、環境水域內的亂流擴散。

四、環境水域內剪力流的延散作用。

五、水面的熱逸散。

為了數理上處理的方便，上述物理過程所形成的熱廢水溫度擴散場，一般分成三個不同的領域（見圖三），即所謂近旁領域（near-field region）、遠方領域（far-field region）以及此二者間的過渡領域。在排水口附近，熱廢水的水溫較高，流速也快，因此，一般都以紊亂噴流來處理。而近旁領域，簡言之就是這種噴流發達或其特性顯著的範圍。圖三並同時表示支配各領域的擴散基本因子。

圖四是利用紅外線航空照相，拍得實際從核能發電廠放流出來的熱廢水整個擴散情況（表層放流的場合），圖中較白部分表示水溫較高之處。然後根據圖四，而描繪出等溫線分布圖（見圖五）。

熱廢水擴散的型態

此處將僅討論表層放流的場合。雖然熱廢水擴散隨著流況及環境條件的改變急遽變化，但1977年，葛林（T. Green）等人根據龐大的紅外線航空照相資料（在美國威斯康辛州的密西根湖岸攝得），仍歸納出四種型態（見圖六）：正規型、不規則型、前鋒型及蜿蜒型。該四種型態占所有資料的90％以上。請注意，這四種型態是由同一電廠在不同時間放流熱廢水所形成的。

在正規型，熱羽（由於發電廠排放熱廢水的擴散形狀頗似羽毛，一般稱之為熱羽，thermal plume）的寬度很有規則地增加，無論是沿中心軸或垂直中心軸的水平斷面內的水溫分布，其變化均非常平滑。一般，形狀和理論模式的結果非常相似；換言之，理論模式一般只能適用於這種類型。

不規則型則通常發生在波浪相當高時；此時，波浪的動量及碎波所造成的紊亂作用，較之其他因素重要。這種型態與蜿蜒型的熱羽幾乎平行分布於海岸線，而且局限於海岸附近（圖四或圖五亦顯示出這種現象）。

前鋒型通常發生在比較平靜而無風浪的天氣，主要特徵為自排水口輻射出一系列的同心熱鋒線，故熱鋒附近的水溫分布，其溫度梯度頗大。這些熱鋒一般出現在放流口寬度10∼20倍的距離內，而且一旦形成後均極為穩定。

蜿蜒型則當海岸流相當急但波浪並不太高時發生，其主要特徵在於有波狀的邊緣，與海流的邊緣現象極為類似。

對於熱廢水的問題，除了在核能電廠建廠運轉後，須經常調查其擴散的情況外，通常還需要在建廠之前，預測建廠後熱廢水擴散的狀況。由圖六可以窺知，熱廢水的擴散極為複雜，正確的預測是相當不容易的。

熱廢水的擴散範圍

在探討熱廢水的熱污染或熱影響的對策時，首先必須考慮的課題就是熱廢水的擴散範圍，以及如何去預測其最大的影響範圍。

關於擴散範圍，其定義見仁見智，莫衷一是。不過，一般以高於環境水溫1℃的範圍為準（也有人以0.5℃為準的）。通常以相對溫度與擴散面積（或擴散面積與熱廢水放流量之比）間的關係表示擴散範圍變化的情形。此處的所謂相對溫度乃是指「熱廢水水溫與環境水溫之差」與「排水口水溫與環境水溫之差」的比值。圖七為其一例。

但是，由圖七也可以看出，熱廢水的擴散範圍在各種情況下都不相同，單是以高於環境水溫1℃的面積作為標準，似乎不夠正確。因此，例如日本的中央電力研究所就建議，以在各種情況下，高於環境水溫1℃的水溫分布的包絡線（可利用基本方程式作數值計算而得）所圍成的範圍作為熱廢水的擴散範圍（見圖八）。以包絡線方式所決定的擴散範圍當然較單一狀況下者為大。

結語

以上僅就熱廢水的擴散作簡單說明，事實上，有關熱廢水的問題牽涉甚廣，需要物理、化學、生物和工程各方面通力合作及探討研究，始能作合理的解決。其中最基本的條件，就是對熱廢水水理特性，尤其是擴散特性的了解。

此外，值得一提的是，就發電效率的觀點，處理熱廢水的排放問題時，同時必須考慮避免熱廢水再回流到進水口，即所謂再循環現象的發生。

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