第8章热污染与防治

8.4 温室效应
一、温室效应与温室气体
大气层对于太阳短波辐射吸收很少，地表接收大 量的太阳短波辐射而升温，并以长波形式向外辐射 能量。地面长波辐射绝大部分被大气中的水蒸气和 二氧化碳吸收。大气被加热后也以长波向外辐射能 量，其中很大一部分辐射能又返回地表，使地面温 度不会下降太快，地表年均气温保持在15℃左右。 这种类似于农业上的温室保温作用称为“温室效 应”。若无自然温室效应，来自太阳的能量会很快 从地表释放出去，地球温度也将降至-18℃左右，所 以适度的温室效应创造了适宜生物生存的地球热环 境。
(四)增强温室效应
水温升高会加快水体的蒸发速度，使大气 中的水蒸气和二氧化碳含量增加，从而增强 温室效应，引起地表和大气下层温度上升， 影响大气循环，甚至导致气候异常。
二、水体热污染的防治
太阳能、核能和风能等新能源动力工程也 会产生热污染。因此彻底消除热污染是不可 能的，热污染的综合防治的目标应是如何减 少热污染，将其控制在环境可承受的范围内， 以及如何对其进行资源化利用。
城市中植被面积减少，不透水面积增大，导致储 水能力降低，蒸发(蒸腾)强度减小，从而蒸发消耗 的潜热少，地表吸收的热量大都用于下垫面增温。 同时由于城市构筑物增加，下垫面粗糙度增大，阻 碍空气流通，风速减小，也不利于热量扩散。
(二)城市大气成分的变化
城市地区能源消耗量大，且以矿物燃料为 主，燃烧过程排放大量的C02、C0、S02、N0x 和CH4等有毒有害气体和颗粒物，致使城市上 空大气组成改变，降低了城市空气的透明度， 使其吸收太阳辐射和地表长波辐射的能力增 强，造成大气逆辐射增强，加剧了温室效应， 从而强化了城市热岛效应。
(2)城市热岛效应在夏季加剧城区高温天 气，不仅降低人们的工作效率，还会引起中 暑和死亡人数的增加。研究表明，环境温度 与人体的生理活动密切相关，当温度高于 28℃时，人会有不舒适感；温度再高就易导 致烦躁、中暑和精神紊乱等；气温高于34℃ 并加以热浪侵袭还可引发一系列疾病特别是 心脏病、脑血管和呼吸系统疾病，使死亡率 显著增加。
(一)热污染的类型
根据污染对象的不同，可将热污染分为 水体热污染和大气热污染。
热污染的分类
各行业冷却水排放量对照
（2）热污染的成因
环境热污染主要是由人类活动造成的，人 类活动对热环境的改变主要通过直接向环境 释放热量、改变大气的组成、改变地表形态 来实现。
热污染的成因
8.2 水体热污染
一、水体热污染的影响 (一)威胁水生生物生存
水体升温通常会引起水中溶解氧含量降低，水生生物的新 陈代谢加快，在0－40℃内温度每升高10℃，水生生物的生 化反应速率会增加1倍；微生物分解有机物的能力随温度升 高而增强，从而提高了其生化需氧量，导致水体缺氧更加严 重；水体升温还可提高有毒物质的毒性以及水生生物对有害 物质的富集能力，并改变鱼类的进食习性和繁殖状况等。热 效力综合作用很容易引起鱼类和其他水生生物的死亡。
城市大气中主要污染物的相对浓度
(三)人为热的释放
人为热是指人类活动以及生物新陈代谢所 产生的热量。工业生产、家庭炉灶、采暖制 冷、机动车辆和人群代谢等使城市地区增加 了许多额外的热量收入，从而改变了城市地 区的热量平衡，是热岛效应形成的重要原因 之一。在冬季和高纬度地区的城市人为热的 排放量甚至超过太阳的净辐射量o
太阳辐射通量分配状况图
热环境中的人为热量来源包括：
①各种大功率的电器机械装置在运转工程中， 以副作用的形式向环境中释放的热能；
②放热的化学反应过程，如化工厂的化学反应 炉和核反应堆中的化学反应，太阳辐射能量实际就 是化学反应氢核聚变产生的；
③密集人群释放的辐射能量，一个成年人对外 辐射的能量相当于一个146W的发热器所散发的能量。
热环境的分类
地球上热量来源主要有两大类。
一类是天然热源即太阳，它以电磁波的方 式不断向地球辐射能量。环境的热特性不仅 与太阳辐射能量的多少有关，同时也取决于 环境中大气与地表的热交换状况。
另一类是人为热源，即人类在生产、生活 和生命过程中产生的热量。
太阳表面的有效温度为5497℃，其辐射通 量(或称太阳常数)是指地球大气圈外层空间 垂直于太阳光线束的单位面积上单位时间内 接受的太阳辐射能量的大小，其值大约为 8.15 J／(cm2·min)。
此外，城市热岛效应还会加重城市供水紧张，导致火灾多 发，为细菌病毒等的孳生蔓延提供温床，甚至威胁到一些生 物的生存并破坏整个城市的生态平衡。
四、城市热岛效应的防治
增加自然下垫面的比例，大力发展城市绿化， 营造各种“城市绿岛”是防治城市热岛效应的有 效措施。绿地所吸收的太阳辐射能量一部分用于 蒸腾耗热，一部分在光合作用中被转化为化学能 储存起来，而用于提高环境温度的热量则大大减 少，从而有效缓解城市热岛效应。研究表明，每 公顷绿地平均每天可从周围环境吸收热量81.8 MJ，相当于189台空调的制冷作用。1公顷绿地中 的园林植物每天平均可以吸收1.8tCO2。
城市热岛效应是人类在城市化进程中无意 识地对局地气候所产生的影响，是人类活动 对城市区域气候影响中最为典型的特征之一， 是在人口高度密集、工业集中的城市区域， 由人类活动排放的大量热量与其他自然条件 因素综合作用的结果。
(一)城市下垫面的影响
随着城市化进程的发展，原来的林地等自然生态 环境逐渐被水泥、金属等材料的人工地貌所取代， 使城市下垫面的热力学、动力学特征改变，表现为 城市对太阳辐射的反射率低(10％—30％)，热导率 高，热容量大，蓄热能力强。
(3)城市热岛效应可能引起暴雨、飓风和云雾等异常 天气现象，即所谓的“雨岛效应”、“雾岛效应” 和“城市风”。受热岛效应的影响，夏季经常发生 市郊降雨而远离市区却干燥的现象。城市云雾是由 工业生产和生活中排放的污染物形成的酸雾、油雾、 烟雾和光化学雾等的混合物，热岛效应阻碍了这些 物质向宇宙太空逸散，从而加重它们的危害。城区 中心空气受热上升，周围郊区冷空气向市区汇流补 充，而城区上升的空气在向四周扩散的过程中又在 郊区沉降下来，从而形成城市热岛环流，不利于污 染物向外迁移扩散，会加剧城市大气污染。
不同水温对鱼的繁殖影响
(二)加剧水体富营养化
热污染甚至可使河湖港汊水体严重缺氧， 引起厌氧菌大量繁殖，有机物腐严重，使水 体发生黑臭。研究表明，水温超过30℃时， 硅藻大量死亡，而绿藻、蓝藻迅速生长繁殖 并占绝对优势。温排水还会促进底泥中营养 物质的释放，导致水体的离子总量，特别是N、 P含量增高，加剧水体富营养化。
热岛环流模式与尘盖
(4)城市热岛效应可能造成局部地区水灾。城市产生的上 升热气流与潮湿的海陆气流相遇，会在局部地区上空形成乱 积云，而后降下暴雨，每小时降水量可达100 mm以上，从而 在某些地区引发洪水，造成山体滑坡和道路塌陷等。
(5)城市热岛效应会导致气候、物候失常。日本大城市近 年出现樱花早开、红叶迟红、气候亚热带化等现象都是热岛 所致。
(一)减少废热入水
水体热污染的主要污染源是电力工业排放 的冷却水，要实现水域热污染的综合治理， 首先要控制冷却水进入水体的质和量。同时 应合理选择取水、排水的位置，并对取、排 水方式进行合理设计，如采用多口排放或远 距离排放等，减轻废热对受纳水体的影响。
(二)废热综合利用
排入水体的废热均为可再利用的二次能源。 将冷却水引入养殖场用于鱼、虾或贝类的养 殖。通过热回收管道系统将废热输送到田间 土壤或直接利用废热水进行灌溉可在温室中 种植蔬菜或花卉等。将废热水引入污水处理 系统中调节水温(20－30℃)可加速微生物酶 促反应，提高其降解有机物的能力，从而提 高污水处理效果。也可将冷却水引人水田以 调节水温，或排人港口或航道以防止结冰。
(三)加强管理
制定水温排放标准，同时将热污染纳入建 设项目的环境影响评价中。同时各地方部门 需加强对受纳水体的管理，例如禁止在河岸 或海滨开垦土地、破坏植被，通过植树造林 避免土壤侵蚀等对水体热污染的综合防治也 具有重要意义。
8.3 热岛效应
一、城市热岛效应
如果我们同时测定一个城市距地一定高度位置处 的温度数据，然后绘制在城市地图上，就可以得到 一个城市近地面等温线图。从图上可以看出，在建 筑物最为密集的市中心区，闭合等温线温度最高， 然后逐渐向外降低，郊区温度最低，就像突出海面 的岛屿，高温的城市处于低温郊区的包围之中，这 种现象被形象地称为“城市热岛效应”，其强度以 城区平均气温和郊区平均气温之差表示。
第8章 热污染与防治
8.1 概述
环境热学是环境物理学的一个分支，是研 究热环境及其对人体的影响，以及人类活动 对热环境的影响的学科。热环境又称环境热 特性，是指提供给人类生产、生活及生命活 动的生存空间的温度环境，主要指自然环境、 城市环境和建筑环境的热特性。
太阳能量辐射创造了人类生存空间的大的 热环境，而各种能源提供的能量则对人类生 存的小的热环境作进一步的调整，使之更适 宜于人类的生存。热环境除太阳辐射的直接 影响外，还受许多因素如相对湿度和风速等 的影响，是一个反映温度、湿度和风速等条 件的综合性指标。热环境可以分为自然热环 境和人工热环境。
4)高耸人云的建筑物造成地表风速小且通风 不良，城市的平均风速比郊区小25％，城郊 之间热量交换弱，城市白天蓄热多，夜晚散 热慢，加剧城市热岛效应。
城市热岛效应形成模式图
三、城市热岛效应的影响
城市热岛效应给人类带来的影响总体来说 是利少弊多。其主要影响表现为：
(1)城市热岛效应使得城区冬季缩短，霜雪 减少，有时甚至出现城外降雪城内雨的现象， 从而可以降低城区冬季采暖耗能。相反，热 岛效应导致夏季持续高温又会增加城市耗能。
二、热污染
工农业生产和人类生活中排放出的废热造成的环 境热化，损害环境质量，进而又影响人类生产、生 活的一种增温效应。热污染发生在城市、工厂、点 火电站、原子能电站等人口稠密和能源消耗大的地 区。 随着社会生产力的发展，能源消耗迅速增加， 在能源转化和消费过程中不仅产生直接危害人类的 污染物，而且还产生了对人体无直接危害的C02、水 蒸气和热废水等。这些成分排入环境后引起坏境增 温效应，达到损害环境质量的程度，便成为热污染。