一个分层水库温跃层的模拟与验证

以西安金盆水库为例,建立了分层水库水温结构的数值模拟方法,并以实测数据进行模型验证.运用Fluent软件数值研究了不同短波辐射强度及短波辐射衰减系数条件下温跃层的形成过程与特性.水库水面总传热量在春、夏季为正值,在秋、冬季为负值,长波辐射是水面总传热量的主要影响因素,短波辐射则是温跃层形成的主要影响因素.随短波辐射衰减系数的降低,温跃层厚度增加,温跃层内温度梯度减小,短波辐射衰减系数值与实测的藻类浓度存在良好的正相关性.水库具有极限短波辐射强度,温跃层内温差随水面短波辐射强度的增加呈现先增加后减小的变化趋势;但水面短波辐射强度过高时,难以达到热平衡而形成稳定的温跃层.

扬水曝气器类型对分层水库藻类控制效果的影响

为优选扬水曝气器的类型以更经济有效地原位控藻,建立了基于Fluent软件的水库水动力与水质数值模拟方法,在不同温度梯度和水深条件下,预测了淹没式和非淹没式扬水曝气器对分层水库中藻类控制的效果.以金盆水库扬水曝气水质改善工程为案例,对扬水曝气器外围流场和藻类混合迁移过程进行数值模拟.结果显示,垂向流速和藻密度的模拟结果与实测数据吻合较好.在典型的扬水曝气器运行条件下,水深分别为77.25、87.25和97.25 m时,淹没式和非淹没式扬水曝气器的外围流场均以顺时针环流为特征;淹没式扬水曝气器的环流发展较远,表层藻密度分别被削减了86.8%、88.2%、90.6%;扬水曝气器类型对藻密度削减率的影响不大.采用淹没式扬水曝气器时,77.25、87.25和97.25 m水深下核心控藻区占整个流场区域的比例分别为39.71%、41.14%和42.73%,分别比非淹没式的高14.81%、8.95%和2.69%;藻类完全混合的时间分别为10、12和14 d,分别比非淹没式的少8、7和6 d.不同季节和水深条件下的模拟结果表明,采用淹没式扬水曝气器,核心控藻区域较大,藻类混合较快.

亚热带分层水库固氮微生物时空分布格局

生物固氮作用是水生态系统氮元素的重要来源途径之一,通常通过固氮微生物实现。但是,目前人们对亚热带分层水库固氮微生物多样性、分布和丰度认识还非常有限。以厦门市汀溪水库为例,基于固氮基因(nifH)综合应用克隆文库、定量PCR、定量RT-PCR研究固氮微生物在不同季节和不同水层的时空分布格局与演替规律。结果表明,汀溪水库具有丰富多样的固氮微生物,包括蓝藻、α-变形菌、β-变形菌、γ-变形菌、厚壁菌,以及少量未知的固氮细菌和序列;固氮微生物的群落组成、丰度、多样性和活性均呈现显著的时空差异。春、夏和秋3季表层和底层蓝藻nifH基因序列所占比例均超过50%,其中表层高于底层;冬季表层和底层蓝藻OTU数目比例超过50%。聚类分析表明,冬季表层和底层群落汇聚为一类;春、夏和秋三个季节表层首先聚为一类,然后与底层分别汇为一支。汀溪水库热分层时期的固氮微生物群落组成的空间差异大于季节差异,而且表层水体蓝藻在所有固氮微生物中占据绝对优势地位。相关分析表明,固氮微生物RNA丰度和RNA/DNA分别与氨氮、水温显著负相关;固氮微生物DNA丰度与溶解氧、pH、叶绿素a显著负相关,与硝氮显著正相关。综上所述,亚热带水库热分层对固氮微生物的群落结构具有显著的影响,在水库环境保护和生态管理中,特别是蓝藻水华防控时,要充分考虑水体热分层的生态效应。

分层水库不同高程孔口泄流的分层流特性研究

分层型水库中不同高程孔口泄流是否能形成稳定的库内分层流对于水库水质分层泄流调控具有重要意义。针对狭长窄深分层型水库,采用垂向二维水温分层流模型对不同高程孔口泄流条件下的库内分层流进行了模拟,获得了表孔、中孔及底孔泄流所形成的分层流型态特性。初步研究表明:对于稳定分层型水库,各高程孔口泄流基本能在对应孔口吸出厚度层形成较稳定的水温分层流,且吸出厚度在空间分布上相对稳定,受其他水层影响相对较小。该结果为有针对地通过不同高程孔口泄放水库中的劣质水层创造了条件,有望为实现水库水质改善探索新的途径,并为水库多目标综合调度提供科学决策依据。

分层水库温度梯度对扬水曝气原位控藻效果的影响

基于计算流体力学(CFD)方法,数值模拟了不同温度梯度条件下扬水曝气器外围流场及藻类浓度场,并与实际工程运行数据进行对比.当水深为80m、水面下30m内的温度梯度从0.17℃/m增加到0.73℃/m时,核心控藻区域的半径从100m增加到150m,控藻区域百分比从25.16%增大到28.60%,藻类完全混合的时间分别从16d增加到24d.在稳定条件下,藻类在补偿点以下的停留时间均大于48h,基本不受温度梯度的影响,藻类生长受抑制.藻类浓度模拟结果与实际工程运行结果吻合良好.推荐水库中扬水曝气器合理设计间距为250m.

分层水库底泥污染的评价模型及控制方法研究

采用GPS定位仪对分层水库底泥采样点进行确定,根据确定的采样点对底泥样品进行采集与分析得到底泥污染数据,采用循环神经网络特征提取算法对底泥污染数据的特征进行提取,以得到的底泥污染数据特征为基础采用多因子评价方法对底泥污染进行评价,实现了底泥污染评价模型的建立。以评价模型得到的数据为基础,对底泥主要污染物进行确定,根据主要污染物数据对其污染源进行识别与分类,采用切断污染源以及吸附技术实现了分层水库底泥污染的控制。

扬水曝气对峡谷分层型水库藻类控制机制研究

为探明扬水曝气对峡谷分层型水库中不同径向藻类生物量和结构的影响,以李家河水库为对象,对扬水曝气系统(WLAs)运行期间水体理化性质参数和藻类数量及物种进行了高频监测,采用藻类传统和功能分类法,建立了控制条件下藻类的演替规律和控制机制.结果表明,WLAs运行12d后,径向S1~S4点藻密度削减率分别为92.7%、92.9%、92.1%和89.2%;径向S1~S4点藻属结构发生演替,绿藻(珊藻)和硅藻(短缝藻和羽纹藻)转向硅藻(针杆藻,小环藻),即“高温、大型且低比表面积(S/V)藻”转向“低温、小型且高S/V藻”;水温、光可利用率(Zeu/Zmix)、营养盐的降低和混合层深度(Zmix)的增加是扬水曝气系统控藻的主要原因;径向S1~S4点Q指数升高且TLI指数降低,表明富营养化得到改善.

分层水库异重流试验

采用概化模型试验对典型温度分层水库中异重流的运动特性进行研究.首次在实验室内模拟了水库水体的温度分层.试验显示:在特定条件下,在水库模型入口底部加入高锰酸钾溶液而形成的底层异重流沿库底运行一定距离后会从底坡分离,进入与其密度相同的水层后沿水平方向运行形成间层流.根据试验结果分析了温跃层平均密度梯度与分离点深度和间层流厚度的关系.

某水库分层取水金属结构总体设计布置

在水库不同高程取水直接影响取水水质及后期处理成本,以某小型水库分层取水建筑物为背景,介绍了水库分层取水的必要性,即水库采用分层取水方式进行取水可以最大限度确保流向水厂的水质,减少水厂处理成本。结合工程布置情况,对取水建筑部布置及选型方案进行了说明,即取水方式分2层取水,取水口高程分别为440.0、459.0 m高程,采用平板钢闸门控制。根据取水建筑物布置,对配套的进口拦污栅、分层平板钢闸门、启闭设备、坝内埋管、出口闸阀室及拦污栅与闸门配套埋件等金属结构布置情况进行了说明,同时对相应金属结构设备主要结构形式、构成材料、不同结构部位防腐工艺要求及后期运行方式等设计情况进行了介绍,对同类型水库分层取水工程金属结构布置有一定的参考作用。

低温来流对深水水库过饱和总溶解气体输移的影响

梯级深水水库产生的水温分层现象可降低下游水库来流水温,导致泄洪水体总溶解气体(TDG)的过饱和程度随库区密度分层流的输移过程产生变化。以溪洛渡—向家坝区间为研究区域,基于原位观测和数值模拟相结合的研究手段,研究低温来流对深水水库过饱和TDG纵向和垂向输移过程的影响规律。研究表明:①来流水温降低2℃,TDG云团潜入位置提前36.4 km,峰值垂向位置下移55 m、垂向影响范围减少23%;②来流水温降低2℃,TDG饱和度110%以上云团输移至向家坝坝前阶段和后续阶段,包络面积衰减速率降幅分别为16%和44%;③从射流区到交换区过饱和TDG平均纵向迁移速度显著降低,降幅达92%;④来流水温降低2℃,向家坝表孔出流TDG饱和度峰值和均值的降低程度分别为机组出流的3.2倍和4倍;⑤水温降低对鱼类安全水深阈值的补偿效应可量化为0.20 m/℃。研究成果可为梯级深水水库汛期生态调度提供科学支撑。

破坏水库水温分层系统的能量效率估算:以金盆水库为例

为指导高效节能的破坏水库水温分层技术及系统的选择,需建立统一的能量效率基准.根据质量守恒和热量守恒定律,求出分层水库水体完全混合后的水温,计算水库水体混合前后的重心;采用库容以及与水温相关的密度等数据,对水深方向各微小水层的势能进行积分得到水体总势能,混合后水体总势能的增加量即为破坏分层所需的最小理论能量,应用耗电量估算法得到破坏分层所产生的最小碳排量;破坏分层系统的能量效率为破坏分层的最小理论能量与实际输入能量之比.以西安金盆水库为例,采用数值模拟方法计算不同水位下的水库库容,应用该方法估算了水库不同季节破坏分层所需最小能量和扬水曝气破坏分层系统的能量效率.采用数值模拟方法计算不同水位下的水库库容,计算破坏分层所需最小能量.结果表明随水体垂向温度梯度的增加而增大,在6～10月期间相对较高,7月达到最大值2432.08k W·h;该水库扬水曝气破坏分层系统的能量效率约为4%;在水温分层开始阶段运行破坏分层系统可有效降低破坏分层所需的能耗,减少碳排放量.

温度分层环境下的水库异重流试验研究

为了了解河道入流污染物在温度分层水库中的输移和扩散,采用概化模型试验对温度分层水库中异重流的运动特性进行了研究。通过设计水循环和加热方式成功模拟了水库温度分层环境,观测到异重流在运动过程中从底坡分离而进入水库中层沿水平方向运行的现象——间层流,对比分析了均匀、弱分层以及强分层水体情况下的异重流发展运动过程。对不同工况下的试验数据进行回归分析,得到表征水库分层强度的分层稳定度和浮力频率与异重流分离点水深、间层流厚度的关系。试验结果为大型物理模型研究提供了借鉴,且可以用来指导实际分层水库的运行和调度。

分层水库异重流挟沙特性及适宜排沙口的确定

利用异重流排沙是控制水库泥沙淤积和避免水库浑水现象的一种有效手段,但是目前对水库水温分层环境下的情况却鲜有研究。基于自然水温分层的分层模型水库研究,分别在入流量为0.08~0.64 m^3/h、入流泥沙浓度为1.25~7.5 g/L和泥沙粒径为0.01 mm的条件下,进行了一系列分层水库异重流的中试研究,测定了水库中5个断面、6个运行时间下的垂向泥沙浓度分布,系统分析了其变化特性和影响因素。对于固定工况,定义出水口断面处泥沙浓度不低于10%最大浓度(≥10%C_(max))的位置为适宜排沙口位置。中试结果表明,在跃温层温度梯度为41~48℃/m的分层条件下,入流量和泥沙浓度均能影响水库内异重流的主要挟沙范围及适宜排沙口的位置。水库内最大泥沙浓度随入流量和泥沙浓度的增大而增大,其主要挟沙范围亦随之扩大,异重流排沙口的适宜垂向位置下移。

温度分层水库中泥沙间层流形成条件研究

水库的垂向温度分层会影响入流水体在水库内的运动形态,挟沙水流进入温度分层水库后,在一定条件下能够沿水平方向侵入环境水体中形成泥沙间层流运动。该文通过水槽试验模拟了泥沙间层流运动,探讨了水库泥沙间层流的形成条件。研究表明,含沙量较少且所含泥沙颗粒的粒径较小时,挟沙水流才能在温度分层水库中形成泥沙间层流。

分层水库水深对扬水曝气原位控藻效果的影响

扬水曝气是分层水源水库原位藻类控制的有效技术.针对西安金盆水库扬水曝气水质改善工程典型设计工况,采用商业化Fluent软件模拟计算了不同水深条件下扬水曝气器的外围流场,分析了水深对扬水曝气控藻区域和效果的影响.结果表明,当扬水曝气器外围流场稳定时,进水口附近的顺时针环流和其他区域的逆时针环流共存,进水口顺时针环流范围和强度不受水深影响,水流速度沿扬水曝气器径向减小.当水深从50 m逐渐增加到110 m时,扬水曝气核心控藻区域的百分比从12.5%增大到30.6%,核心控藻区域半径从60 m增加到175 m,藻类完全混合的时间从16 d增加到30 d.当水深不浅于65 m时,藻类在补偿点以下的停留时间均大于48 h,且随水深的增加而延长.非核心控藻区域内的藻类随逆时针环流被动迁移至核心区域,最终悬浮并滞留在扬水曝气器底部附近.分层水库中扬水曝气器合理设计间距为水深的1.2~1.6倍.

水下施工条件下的新型水库分层取水装置

针对深孔取水的水库难以改建成分层取水的问题,提出了一种经济可行的新方法——水下施工安装条件下的直立式钢管分层取水装置。该装置将竖向钢管、三通连接不同高程的水平取水口,通过抱箍将钢管固定在混凝土坝体内;竖向钢管底部采用三通与水平钢管连接,然后伸入原放水管内,并浇注水下混凝土固定接头;取水口设拍门,通过坝顶启闭室控制开闭,根据需要分层取水。该装置构件在陆上预制,通过潜水员水下安装。装置结构简单,工程投资小,在无需放空水库的条件下较好地解决了深孔取水存在的水质问题。

水库分层的水环境响应特征及其缓解技术方案的研究进展

研究水库分层的特性及其对水环境的影响,对改善水质、提高水环境质量及缓解水利工程引发的环境问题有重大意义。针对水库分层的水环境响应特征及其缓解技术方案,通过对国内外大量文献的阅读和梳理,从水库分层的原因及特征、常用的水库分层的研究方法、水库分层的水质响应特征以及当前水库缓解技术的特点和应用开展文献调研和归纳整理,分析了当前的研究现状,并对未来的发展进行了展望。

热带地区水库水温分层特性研究

为探讨热带地区水库水温分层特征,采用垂向一维水温数学模型对海南省南渡江干流某拟建大型水库开展了水库垂向热分层结构和下泄水温过程研究,并探讨了叠梁门分层取水措施对低温水的改善效果。研究结果表明:①受水库湖泊特性和气候特征影响,海南热带地区水库水温总体也呈现随季节变化的分层结构,在冬季水温趋于同温,夏季水温分层逐渐加强且显著,年内垂向最大温差可达11.8℃,由于海南主汛期为9～10月,汛后水库蓄热能力明显减弱。②水库下泄水温呈现低温水明显、高温水较弱的规律,最大降幅9.7℃,最大升幅仅为1.0℃。③叠梁门分层取水措施的运用,加强了水库垂向分层状态,对低温水的改善效果显著,最大低温水影响降低为2.3℃。

分层小水库沉积物-水界面热交换时空变化特征

通过对分层小水库沉积物和上覆水温度剖面的7次监测,计算沉积物-水界面的热交换通量,探讨沉积物与水之间热量交换的时空变化特征。结果表明:沉积物-水界面热交换通量具有明显的季节变化,在春夏季库水升温分层以及秋季降温混合时期由库水向沉积物传递热量;冬季由沉积物向库水释放热量。浅水区水温的日变化促使沉积物-水热交换具有明显日变化特征。库区内由于水深不同,热交换特征也存在空间差异,与坝前相比,水库中心水深较浅,春季热交换方向转变的时间早;水库中心夏季由水传向沉积物的最大热通量(106. 6 W/m2)高于坝前深水区(23. 8 W/m2)。夏季当水体透明度较高时,沉积物直接接受太阳辐射引起热交换方向改变为由沉积物向水传递。

浮式管型取水方式下的分层型水库下泄水温研究

调节性较好的水库往往表现出不同程度的水温分层,导致春夏季下泄水温普遍偏低,对下游生态环境及农业灌溉等造成不利影响。浮式管型取水方式作为一种有效的表层取水措施,其相关研究仍较缺乏。本文依据某大型水库水温资料,在建立物理模型有效还原其水温分布的基础上,探究采用浮式管型取水方式对下泄水温的提高效果,并结合数值模拟方法,对试验过程的流场、温度场进行综合分析。结果表明,在设定的各工况下,浮式管型取水方式均能有效提升下泄水温,较采用单层取水方式平均提高了3.2℃。成果可为浮式管型取水方式下的水库下泄水温研究提供有效的方法体系与应用参考。