曝氣誘導(dǎo)內(nèi)波破壞水庫(kù)水溫分層的過(guò)程與效果

孫 昕，卞 晶，解 岳，葉麗麗，馬 蘭

（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

曝氣誘導(dǎo)內(nèi)波破壞水庫(kù)水溫分層的過(guò)程與效果

孫 昕*，卞 晶，解 岳，葉麗麗，馬 蘭

（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

針對(duì)傳統(tǒng)的水庫(kù)破壞分層技術(shù)的低效率、高能耗等普遍問(wèn)題，研制了能模擬基于自然對(duì)流而形成水溫分層的中試模型水庫(kù)，研究了曝氣誘導(dǎo)形成內(nèi)波混合破壞水溫分層的可行性，過(guò)程和效果.揚(yáng)水曝氣產(chǎn)生的周期性出流能作為擾動(dòng)源，在分層水環(huán)境中誘導(dǎo)形成內(nèi)波.內(nèi)波頻率及波幅與曝氣量有關(guān).在曝氣量0.07～0.28m3/（m2·h），躍溫層溫度梯度0.29～0.48℃/m的中試條件下，內(nèi)波破壞分層過(guò)程主要以減小表層和底層水溫差別、驅(qū)使躍溫層下潛、等溫層變薄為特征，破壞分層的速度與曝氣量正相關(guān)、與溫度梯度負(fù)相關(guān).內(nèi)波通過(guò)垂向振蕩和橫向傳播，促進(jìn)不同溫度的水層之間的熱交換.相對(duì)傳統(tǒng)的循環(huán)水流混合，在溫度梯度約0.32℃/m和0.46℃/m的條件下，當(dāng)曝氣量從0.07m3/（m2·h）逐漸增加到0.28m3/（m2·h）時(shí)，內(nèi)波混合可分別將破壞分層效率提高25.0%～40.0%和41.2%～60.0%.

曝氣；內(nèi)波；破壞分層；效率；影響因素；水庫(kù)

全球大多數(shù)湖泊水庫(kù)都處于不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化威脅之中，并有明顯加劇發(fā)展的趨勢(shì)，中國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始關(guān)注湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題［1-3］.中國(guó)水庫(kù)眾多?分布廣泛，但水庫(kù)水體的內(nèi)源污染和富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展趨勢(shì)令人擔(dān)憂.

水深較大的湖泊?水庫(kù)易發(fā)生垂向溫度或密度分層的現(xiàn)象，一般自上而下水體依次分成變溫層?躍溫層和等溫層［3］.當(dāng)水溫未分層時(shí)，整個(gè)水庫(kù)中水溫和溶解氧濃度各處相同，水體處于完全混合狀態(tài).當(dāng)水溫分層時(shí)，自上而下水溫逐漸降低、密度逐漸增加，表層水溫和溶解氧濃度較高的水體向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到向上的浮阻力，尤其是在溫度梯度大的躍溫層內(nèi).躍溫層的存在阻礙了表層和底部水體的能量和物質(zhì)交換，對(duì)水體污染的形成以及污染物的傳輸具有重要影響［4］.在底部水體，溶解氧受躍溫層阻礙而得不到補(bǔ)充，而各種微生物和化學(xué)作用則會(huì)使水中的溶解氧逐漸被消耗，當(dāng)水中溶解氧濃度低于2mg/L時(shí)，底泥中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鐵、錳會(huì)釋放進(jìn)入水體，形成水庫(kù)的內(nèi)源污染［3，5-6］.當(dāng)季節(jié)更替導(dǎo)致表層與底部水溫相近時(shí)，水庫(kù)易發(fā)生“翻庫(kù)”現(xiàn)象，水質(zhì)污染嚴(yán)重的等溫層水體與中上部水體發(fā)生混合，等溫層內(nèi)的污染物將污染整個(gè)水庫(kù)水質(zhì)［7-8］.內(nèi)源污染使水體磷?氮含量增加，在夏秋季節(jié)水溫?光照合適時(shí)，會(huì)引起藻類的大量繁殖和水體富營(yíng)養(yǎng)化.水溫分層是導(dǎo)致分層水庫(kù)水質(zhì)內(nèi)源污染和富營(yíng)養(yǎng)化的重要誘因之一［1，3］.

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞受污染湖泊?水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，開(kāi)展了大量研究［1，9-16］，其中破壞水體分層是一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的原位控制技術(shù)［3］.英國(guó)Hanningfield水庫(kù)采用空氣羽流混合技術(shù)破壞分層［10］，但空氣管混合存在能耗高、工程實(shí)施困難等問(wèn)題.澳大利亞Myponga水庫(kù)［11］采用軸流泵混合技術(shù)使水體形成豎向循環(huán)混合，但其混合水體的能量沒(méi)有能被有效地傳遞到水體的橫向斷面，主要應(yīng)用于體積較小?水深較淺的水庫(kù)湖泊，在實(shí)際應(yīng)用上受到一定限制.應(yīng)用于我國(guó)山西省汾河水庫(kù)和西安市金盆水庫(kù)的揚(yáng)水曝氣器［12-13］，水質(zhì)改善效果明顯，但揚(yáng)水曝氣器的混合范圍也較為有限.縱觀各類破壞分層技術(shù)，存在的普遍問(wèn)題是高能耗，能量效率一般低于10%［3，15-16］.

水體水溫分層雖然一方面阻礙表層和底層水體的物質(zhì)和能量交換，但另一方面也具有躍溫層內(nèi)微小擾動(dòng)即可產(chǎn)生軒然內(nèi)波的流體力學(xué)特性［17-19］.內(nèi)波是發(fā)生在密度穩(wěn)定層化了的海洋內(nèi)部的波動(dòng)，是一種重力波，1902年被挪威探險(xiǎn)家Nansen首次發(fā)現(xiàn).內(nèi)波振幅比表面波大幾十倍，在更深的海洋位置，垂直振幅可高達(dá)100m，波長(zhǎng)近百米至幾萬(wàn)米，周期幾分鐘至幾十小時(shí)，它破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊流，是引起海水混合的重要原因［20-21］.內(nèi)波是能量、動(dòng)量和質(zhì)量傳遞的載體，又被稱為深水?dāng)嚢杵鳎?7-19］.

目前國(guó)內(nèi)外內(nèi)波研究基本都是關(guān)于海洋內(nèi)波觀測(cè)，湖泊水庫(kù)內(nèi)波研究較少，且主要偏重于對(duì)自然形成的內(nèi)波的觀測(cè)與規(guī)律認(rèn)識(shí).目前我國(guó)關(guān)于湖泊內(nèi)波研究極少，我國(guó)20世紀(jì)70年代末，僅中國(guó)科學(xué)院南京湖泊與地理研究所對(duì)我國(guó)第二大深水湖泊—撫仙湖進(jìn)行了內(nèi)波的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬［22］，目前國(guó)內(nèi)外尚未有內(nèi)波對(duì)湖泊水庫(kù)水溫分層的破壞過(guò)程研究及相關(guān)利用內(nèi)波的報(bào)道.

本研究根據(jù)微小擾動(dòng)即可在分層流體中產(chǎn)生具有超強(qiáng)混合效果的內(nèi)波的原理，擬通過(guò)在等溫層與躍溫層交界處設(shè)置揚(yáng)水曝氣器，主要研究利用揚(yáng)水曝氣產(chǎn)生的周期性氣水兩相流在分層水體界面誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波的可行性及所形成的內(nèi)波的特性，進(jìn)而分析內(nèi)波破壞水體分層的過(guò)程和效率［23］，旨在探求真正高效率低能耗的破壞分層新技術(shù)，經(jīng)濟(jì)高效地原位改善湖泊水庫(kù)水質(zhì).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退畮?kù)

本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)2m，寬0.6m，高1.2m的水池作為中試模型水庫(kù)（圖1），為便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，其中一面為1cm厚透明有機(jī)玻璃，另外三面為1cm厚PVC板，試驗(yàn)水深1m.

圖1 中試模型分層水庫(kù)示意Fig.1 Schematic diagram of pilot stratified reservoir

小型揚(yáng)水曝氣器采用透明有機(jī)玻璃制作，具體結(jié)構(gòu)描述參見(jiàn)其他文獻(xiàn)［12-13］，示意圖如圖2所示.曝氣器安裝在模型水庫(kù)底部一側(cè)，曝氣室高度6.5cm?直徑18cm，曝氣器氣體擴(kuò)散孔距庫(kù)底20cm，上升筒內(nèi)徑為5cm，上升筒出口設(shè)計(jì)為2種，分別距庫(kù)底0.45m和為0.90m.實(shí)驗(yàn)使用的空氣壓縮機(jī)電機(jī)功率為1800w，容量為28L，壓縮空氣先從儲(chǔ)氣罐進(jìn)入穩(wěn)壓閥以保持出氣量穩(wěn)定，再經(jīng)過(guò)量程為0～0.35m3/（m2·h）、精度為0.014m3/（m2·h）的轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量后，進(jìn)入曝氣器擴(kuò)散孔，將氣體輸送至曝氣室，當(dāng)未溶解的殘余氣體逐漸累積到曝氣室水封板下緣時(shí)，曝氣室內(nèi)氣體會(huì)迅速溢入中間上升筒，攜帶底部水體上升，同時(shí)曝氣室內(nèi)氣體又重新累積，如此在上升筒內(nèi)形成周期性的上升水流.

圖2 中試曝氣器示意Fig.2 Schematic diagram of pilot aerator

能夠?qū)崿F(xiàn)自然水溫分層的模型水庫(kù)的研制一直是水環(huán)境研究中的棘手問(wèn)題.目前僅有武漢大學(xué)設(shè)計(jì)加工了利用加熱棒的分層水庫(kù)模型［24］，但底部等溫層水溫受限于室溫，中試模型水溫分層結(jié)構(gòu)不同于實(shí)際的分層水庫(kù)，加熱棒也在一定程度上影響模型水庫(kù)中的水流流態(tài).

本研究，首次成功研制了能夠?qū)崿F(xiàn)自然水溫分層的中試模型水庫(kù)［25-26］.在模型水庫(kù)底部高度為0.4m范圍內(nèi)，安裝由空調(diào)冷凝管構(gòu)成的冷源系統(tǒng)和溫度傳感器.在空調(diào)的溫度控制器中設(shè)置需要冷卻達(dá)到的溫度后開(kāi)啟空調(diào)，由水下布置的溫度傳感器傳遞實(shí)時(shí)水溫信息，當(dāng)?shù)葴貙铀疁剡_(dá)到指定溫度之后，空調(diào)停止工作；當(dāng)冷凝管周圍水溫高于指定溫度時(shí)，空調(diào)開(kāi)始工作.受表面與底部水溫的差異和太陽(yáng)輻射的共同影響，水體內(nèi)可形成基于自然對(duì)流的水溫分層結(jié)構(gòu)，即自上而下依次為變溫層?躍溫層和等溫層.根據(jù)研究需要，可以通過(guò)溫度控制器將底部水溫設(shè)置成不同值，從而可以模擬與實(shí)際湖庫(kù)類似的具有不同溫度梯度的水溫分層結(jié)構(gòu).本方法形成的分層水體具有同一水平面水溫均勻，能耗低，裝置簡(jiǎn)單，水體分層區(qū)域無(wú)物體干擾等優(yōu)點(diǎn)；但夏季室溫較高，水池首次換水后需較長(zhǎng)時(shí)間才能冷卻達(dá)到指定溫度.

1.2 內(nèi)波破壞分層的研究方法

使用3臺(tái)四通道TYPEK數(shù)顯測(cè)溫儀（臺(tái)灣群特CENTER 309型）進(jìn)行準(zhǔn)確的水溫測(cè)量.CENTER 309型測(cè)溫儀以K-type熱電偶溫度感測(cè)器為傳感器（Sensor），能同時(shí)測(cè)量和顯示四個(gè)不同點(diǎn)的溫度T1?T2?T3?T4，測(cè)量范圍-200～1370℃，測(cè)量精確度±（0.3% rdg）+1℃，解析度0.1℃.將多通道測(cè)溫儀探頭在躍溫層處沿垂向每隔2cm分布一個(gè)，共4個(gè)，探頭具體位置視實(shí)際的躍溫層位置而適當(dāng)調(diào)整.每隔6s記錄1次測(cè)溫儀讀數(shù)，可獲得某一等密度層所在流體質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)的實(shí)時(shí)信息，根據(jù)同一時(shí)刻水平方向三處質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)的不同可以得出該等密度層內(nèi)波的周期，再根據(jù)水溫?水深的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可確定內(nèi)波的波幅.

破壞分層的過(guò)程通過(guò)測(cè)量水溫垂向剖面的時(shí)間變化進(jìn)行研究，3個(gè)測(cè)量位置分別距離曝氣器50，100，150cm處（圖1），測(cè)量的時(shí)間間隔為6s.在實(shí)際湖泊水庫(kù)中，一般以水面和水底水溫之差不高于3℃作為水體完全混合的標(biāo)準(zhǔn)；在本研究中，因空間尺度較小，以模型水庫(kù)水面和水底溫度之差不高于1℃作為水體分層完全被破壞的標(biāo)準(zhǔn).

1.3 中試設(shè)計(jì)與條件

為研究?jī)?nèi)波破壞水體分層過(guò)程，固定等溫層水溫為與實(shí)際湖庫(kù)等溫層水溫相同的5℃，在室溫21.5～23.5℃的條件下，將曝氣器出口置于等溫層頂部，分別采用曝氣量0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h），研究不同曝氣量條件下內(nèi)波形成的可能性以及內(nèi)波破壞水體分層的過(guò)程與特性.為對(duì)比內(nèi)波形成與否對(duì)破壞水體分層效率的影響，將曝氣器出口置于水面之下10cm處，進(jìn)行類似中試.

為了研究不同溫度梯度條件下內(nèi)波形成的可能性以及內(nèi)波破壞水體分層的過(guò)程與特性，固定等溫層水溫為10℃，在室溫19.5～21.6℃的條件下，采用曝氣量0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h），進(jìn)行兩種曝氣器出口位置的對(duì)比中試研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 模型水庫(kù)水溫分層

采用冷卻底部水體的方法，能夠在模型水庫(kù)內(nèi)形成基于自然對(duì)流的較為穩(wěn)定的水溫分層；但水溫分層情況取決于水體表面與大氣的熱交換特性，不同室溫及底部水溫條件下的垂向水溫結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.分層水體中，當(dāng)水溫剖面中某一段的垂直溫度梯度大于深水溫度躍層臨界值（0.2℃/m）時(shí)，確定該段為躍溫層［27-28］.根據(jù)此躍溫層判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)參加統(tǒng)計(jì)的溫度剖面資料逐層進(jìn)行躍溫層判斷，連續(xù)滿足臨界值的合并為一個(gè)躍溫段.

圖3 不同等溫層水溫下的水溫結(jié)構(gòu)Fig.3 Thermal structures under different hypolimnion temperatures

水溫分層水平采用躍溫層平均溫度梯度（θ）表征，即θ=（TT-Tb）/D （℃/m），TT和Tb分別為躍溫層上端和下端水溫，D為躍溫層厚度［24］.溫度梯度大，水溫垂向變化劇烈，水溫分層強(qiáng).由圖3可見(jiàn)，在本實(shí)驗(yàn)?zāi)M水庫(kù)中躍溫層高度一般為距離池底46～66cm處.在等溫層水溫為5℃?室溫21.20～23.50℃的條件下，躍溫層溫度梯度約為0.43～0.49℃/m；在等溫層水溫為10℃?室溫19.30～21.60℃的條件下，躍溫層溫度梯度約為0.29～0.34℃/m.

圖4為2009年秋季西安金盆水庫(kù)水溫分層實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［7］，.金盆水庫(kù)平均水深約90m，為典型的分層型水庫(kù)，夏秋兩季水溫分層最為明顯.根據(jù)圖4，變溫層約位于水深40m范圍內(nèi)，等溫層約位于水深60m以下，中間則為溫度梯度較大的躍溫層，等溫層?躍溫層?變溫層的厚度比約為4：2：3.對(duì)照?qǐng)D3和圖4，本試驗(yàn)中形成的模型水庫(kù)，不僅水溫分層結(jié)構(gòu)與實(shí)際水庫(kù)的類似，而且等溫層?躍溫層?變溫層的厚度比和實(shí)際水庫(kù)的比值也較為相符，這充分說(shuō)明采用本方法制備分層水體，可模擬實(shí)際的分層水庫(kù).

圖4 實(shí)測(cè)金盆水庫(kù)的水溫結(jié)構(gòu)Fig.4 Measured thermal structure of Jinpen Reservoir

2.2 曝氣誘導(dǎo)內(nèi)波的形成

分別固定曝氣器出口于庫(kù)底之上45cm和90cm處，當(dāng)曝氣量分別為0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h）時(shí)，揚(yáng)水曝氣器的氣彈形成周期T均分別為89.2，58.0，43.1，35.1，29.8，25.5，20.8s；但只有當(dāng)曝氣器出口位于庫(kù)底之上45cm時(shí)才能形成內(nèi)波.

圖5a和圖5b表示在等溫層水溫為5℃?曝氣量為0.17m3/（m2·h）時(shí)，距離曝氣器水平方向50cm處波形圖.在水溫結(jié)構(gòu)類似的條件下，當(dāng)曝氣器出口位于等溫層頂部（即出口高度45cm）時(shí)，曝氣可以誘導(dǎo)形成內(nèi)波（圖5a）；而當(dāng)曝氣器出口位于水面之下10cm時(shí)，溫度的時(shí)間變化很小，曝氣不能誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波（圖5b），驗(yàn)證了在兩不同密度交界處的適度外部擾動(dòng)能形成內(nèi)波的已有結(jié)論.進(jìn)一步分析不同曝氣量條件下的波形圖，發(fā)現(xiàn)當(dāng)曝氣量過(guò)大或過(guò)小時(shí)，內(nèi)波周期較小，而當(dāng)曝氣量為0.14～0.21m3/（m2·h）時(shí)，內(nèi)波周期較大，在此條件下可形成較規(guī)則的內(nèi)波.

圖5 部分內(nèi)波實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Partial experimental results of internal waves

圖5c表示等溫層水溫為10℃?曝氣量為0.17m3/（m2·h）?曝氣器出口高度為45cm?距離曝氣器50cm時(shí)的波形圖.對(duì)比圖5a和圖5c，說(shuō)明躍溫層溫度梯度對(duì)形成的內(nèi)波特性有一定影響，內(nèi)波波幅與溫度梯度成正比.

2.3 內(nèi)波破壞水體分層的過(guò)程及影響因素

2.3.1 破壞分層的過(guò)程 圖6（a）～6（d）表示垂向水溫剖面隨曝氣時(shí)間的變化結(jié)果，其中曝氣量均為0.14m3/（m2·h），測(cè)量點(diǎn)均位于曝氣器水平方向50cm處，等溫層水溫分別為5℃［圖6（a）～6（b）］和10℃［圖6（c）～6（d）］，曝氣器出口高度分別為45cm［圖6（a）?6（c）］和90cm［圖6（b）?6（d）］.在上述各種條件下，隨著曝氣的進(jìn)行，水體水溫分層結(jié)構(gòu)均被逐步破壞，表層水溫和等溫層水溫分別逐漸降低和升高，變溫層厚度逐漸增加，躍溫層逐漸下潛，等溫層厚度逐漸變薄，直至表層和底部水溫之差低于1℃，即水體分層被完全破壞.以等溫層水溫為5℃，曝氣器出口高度為45cm，曝氣量為0.14m3/（m2·h）為例［圖6（a）］，當(dāng)曝氣時(shí)間分別為60，120，150min時(shí)，表層水溫分別降低至13，12， 11℃，等溫層水溫分別升高至7，10，11℃，躍溫層底部分別下潛至距離庫(kù)底15，5，0cm處，不難看出，曝氣150min后，水體完全混合.以圖6（a）中曝氣時(shí)間為初始（即0min），60min和120min為參考對(duì)象，經(jīng)過(guò)計(jì)算溫度梯度分別為0.410，0.245，0.130℃/cm.圖6（b）中，初始，60，120，180min時(shí)溫度梯度分別為0.486，0.406，0.338， 0.125℃/cm；圖6（c）中初始，60min和120min時(shí)溫度梯度分別為0.270，0.205，0.108℃/cm；圖6（d）中，初始，60，120，180min時(shí)溫度梯度分別為0.301，0.245，0.194，0.110℃/cm.根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨曝氣過(guò)程的進(jìn)行，借助內(nèi)波的強(qiáng)大混合作用，水體水溫分層結(jié)構(gòu)均被逐步破壞.

分層流體中的內(nèi)波屬于周期振蕩波［18］，在內(nèi)波的傳播過(guò)程中，一方面，內(nèi)波通過(guò)垂向振蕩使不同水深處的水團(tuán)發(fā)生垂向的往復(fù)輸移，水團(tuán)與周圍水體由于水溫差別而發(fā)生局部傳熱和混合；另一方面，由波而生的水流也引起水團(tuán)的橫向輸移，引起不同位置處水團(tuán)的局部混合.內(nèi)波破壞水體分層首先從躍溫層與等溫層界面處開(kāi)始，通過(guò)界面處形成的波動(dòng)以及由此產(chǎn)生的水流上下波動(dòng)和水平輸移，共同促使分層界面消失，等溫層頂部水溫升高，然后使溫度梯度較大的躍溫層逐漸下潛，等溫層厚度逐漸變薄，變溫層厚度逐漸增加，當(dāng)表層和底部水溫之差低于1℃時(shí)，水溫分層即被完全破壞.

2.3.2 破壞分層過(guò)程的影響因素 對(duì)比圖6（a）與6（b）；水溫分層結(jié)構(gòu)被破壞的過(guò)程快慢不一，主要受內(nèi)波的存在與否?溫度梯度和曝氣量等因素影響.由圖6（a）和圖6（b）可見(jiàn)，在相同等溫層水溫和曝氣量條件下，當(dāng)曝氣器出口高度（H）為90cm，即不能曝氣誘導(dǎo)形成內(nèi)波的條件下，當(dāng)曝氣60、120min時(shí)，表層水溫降低和等溫層水溫的升高幅度均分別低于曝氣器出口高度45cm即有內(nèi)波的條件下的對(duì)應(yīng)值，等溫層厚度也遠(yuǎn)大于有內(nèi)波時(shí)的對(duì)應(yīng)值，而且需要240min才能達(dá)到水體完全混合的狀態(tài)，比有內(nèi)波時(shí)需要的時(shí)間延長(zhǎng)60%.當(dāng)?shù)葴貙铀疁貫?0℃，躍溫層溫度梯度較低時(shí)，結(jié)果也類似［圖6（c）和6（d）］.這充分說(shuō)明，內(nèi)波能強(qiáng)化水體混合，大大提高破壞分層的效率.相對(duì)內(nèi)波而言，躍溫層溫度梯度對(duì)破壞分層過(guò)程的快慢的影響較?。蹐D6（c）和6（d）］.

圖6 破壞分層過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of destratification process

圖6（e）和圖6（f）為在等溫層溫度為5℃，距離曝氣器水平方向50cm處，曝氣60min時(shí)的垂向水溫剖面，其中曝氣器出口高度分別為45cm［圖6（e）］和90cm［圖6（f）］.在曝氣器出口高度為45cm的條件下［圖6（e）］，當(dāng)曝氣量從0.07m3/（m2·h）逐漸增加到0.24m3/（m2·h）時(shí)，表層水溫逐漸降低，等溫層水溫逐漸升高，躍溫層逐漸下潛，即隨著曝氣量越大，躍溫層下降得越快，破壞分層的速度越快，水體完全混合所需的時(shí)間越短.主要原因是，當(dāng)曝氣器出口高度為45cm時(shí)，曝氣可以誘導(dǎo)形成內(nèi)波，內(nèi)波在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)因水體阻力而使其能量逐漸消耗；在水溫分層結(jié)構(gòu)和曝氣時(shí)間等其他因素相同的情況下，隨著曝氣量的增加，氣彈周期縮短，水體獲得的外部能量增加，形成更多的內(nèi)波，當(dāng)內(nèi)波破碎時(shí)，會(huì)有更多的有效能量用于混合水體，從而加速破壞分層的進(jìn)程.圖6（f）也說(shuō)明增加曝氣量可以加快破壞分層的過(guò)程，但此時(shí)主要是曝氣產(chǎn)生的循環(huán)水流導(dǎo)致水體混合.

圖6（g）和圖6（h）為距離曝氣器水平方向50，100，150cm處的垂向水溫剖面，其中曝氣量為0.14m3/（m2·h）?曝氣時(shí)間為60min，但曝氣器出口高度不同.在存在內(nèi)波［圖6（g）］和不存在內(nèi)波［圖6（h）］的條件下，在模型水庫(kù)水體中，破壞水溫分層的效果都較為均勻，與距離曝氣器的遠(yuǎn)近關(guān)系不大，這也為內(nèi)波混合技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中提供了有力可靠的技術(shù)依據(jù).

2.4 內(nèi)波強(qiáng)化破壞分層的效果

當(dāng)揚(yáng)水曝氣器出口位于等溫層頂部?距離庫(kù)底45cm時(shí)，可以通過(guò)曝氣誘導(dǎo)形成較為規(guī)則的內(nèi)波，主要依靠?jī)?nèi)波作用及部分軸向水流混合作用來(lái)破壞水體分層；而當(dāng)曝氣器出口位于水面之下10cm時(shí)，不能通過(guò)曝氣誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波，主要依靠軸向水流混合作用來(lái)破壞水體分層.圖7（a）和圖7（b）表示不同等溫層水溫條件下，有內(nèi)波（曝氣器出口高度45cm）和無(wú)內(nèi)波（曝氣器出口高度90cm）時(shí)破壞水體分層所需的時(shí)間，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示曝氣量（Q，m3/（m2·h））和破壞分層所需的時(shí)間（t，h）.

在等溫層水溫5℃的條件下，當(dāng)曝氣量分別為0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2.h）時(shí)，內(nèi)波破壞分層所需的時(shí)間分別為5.0，3.5，2.5，2.0，1.9，1.5，1.0h；當(dāng)不能形成內(nèi)波時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別約延長(zhǎng)3.5，2.5，1.5，1.5，1.5，1.5，1.5h.而在等溫層水溫10℃的條件下，當(dāng)曝氣量分別為0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h）時(shí)，內(nèi)波破壞分層所需時(shí)間分別為4.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.5，1.0h；當(dāng)不能形成內(nèi)波時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別約延長(zhǎng)3.0，2.0，1.5，1.5，1.0，0.5，0.5h.

圖7 有無(wú)內(nèi)波時(shí)破壞分層所需的時(shí)間Fig.7 Time required for complete destratification with and without internal waves

有無(wú)內(nèi)波條件下的破壞分層所需時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果表明，在水溫分層結(jié)構(gòu)等其他條件相同的情況下，有內(nèi)波產(chǎn)生時(shí)破壞分層時(shí)間比無(wú)內(nèi)波作用時(shí)大大縮短，強(qiáng)化破壞分層效果明顯.在等溫層水溫5℃的條件下，當(dāng)曝氣量從0.07m3/（m2·h）逐漸增加到0.28m3/（m2·h）時(shí)，內(nèi)波混合使破壞分層的效率提高41.2%～60.0%；在等溫層水溫10℃的條件下，內(nèi)波混合使破壞分層的效率也相應(yīng)提高25.0%～40.0%.

3 結(jié)論

3.1 采用冷卻底部水體的方法在模型水庫(kù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際水庫(kù)類似的基于自然對(duì)流的水溫分層結(jié)構(gòu)，解決了分層水環(huán)境的物理模擬試驗(yàn)難題.

3.2 當(dāng)揚(yáng)水曝氣器出口位于等溫層與躍溫層之間時(shí)，曝氣器周期性出流會(huì)擾動(dòng)分層水體，并在一定曝氣量范圍內(nèi)誘導(dǎo)形成內(nèi)波，內(nèi)波周期和波幅與曝氣量有關(guān).

3.3 隨曝氣過(guò)程的進(jìn)行，借助內(nèi)波的強(qiáng)大混合作用，變溫層與等溫層的水溫差別逐漸減小，躍溫層逐步下潛，直至水體分層被完全破壞，破壞分層的速度隨曝氣量的增加而增大，但隨溫度梯度的增加而減小.

3.4 相對(duì)傳統(tǒng)的循環(huán)水流破壞分層技術(shù)，在溫度梯度0.32～0.46℃/m和曝氣量0.07～0.28m3/（m2·h）條件下，內(nèi)波混合技術(shù)可將破壞分層效率提高25.0%～60.0%，具有能耗低?效率高的明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣泛.

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Process and effectiveness of destratification by aeration-induced internal waves in a reservoir.

SUN Xin*， BIAN Jing， XIE Yue， YE Li-li， MA Lan
（School of Environmental and Municipal Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an 710055 China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：434～441

Aiming at the common problems of conventional destratification technologies such as high energy consumption and low energy efficiency， a pilot model reservoir with a thermal structure evolved from the natural convection was developed and constructed， the feasibility of developing internal waves induced by aeration was explored， and the process and effectiveness of destratification by internal waves were analyzed. Periodic outflow from the water-lifting aerator could act as a disturbing source to generate internal waves in stratified water environments， and the periods and amplitudes of internal waves depended on the air flowrate. Under the experimental air flowrates of 0.07～0.28m3/（m2·h） and temperature gradients of 0.29～0.48℃/m in the thermocline， the destratification process was mainly characterized by reducing the temperature difference between epilimnion and hypolimnion， impelling the thermocline downwards and thinning the hypolimnion，the speed of destratification increased with the air flowrate but decreased with the temperature gradient. Heat exchange between water layers of different temperatures could be enhanced through vertical fluctuations and horizontal propagation by internal waves. Compared with the conventional destratification by circulated flow， under the temperature gradients of 0.32℃/m and 0.46℃/m， when the air flowrate was increased from 0.07m3/（m2·h） to 0.28m3/（m2·h）， the efficiencies of destratification by internal waves could be increased by 25.0%～40.0% and 41.2%～60.0%， respectively.

aeration；internal waves；destratification；efficiency；influencing factors；reservoir

X524

A

1000-6923（2015）02-0434-08

孫 昕（1971-），男，安徽桐城人，教授，博士，主要從事水質(zhì)污染控制與模擬研究.發(fā)表論文30余篇.

2014-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51178379；51278404）；教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20106120120012）；人力資源和社會(huì)保障部留學(xué)人員科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目（DB03153）；西安建筑科技大學(xué)2014年大學(xué)生SSRT項(xiàng)目

* 責(zé)任作者， 教授， xinsunn@gmail.com