曝氣誘導內波破壞水庫水溫分層的過程與效果

孫 昕，卞 晶，解 岳，葉麗麗，馬 蘭

（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

曝氣誘導內波破壞水庫水溫分層的過程與效果

孫 昕*，卞 晶，解 岳，葉麗麗，馬 蘭

（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

針對傳統的水庫破壞分層技術的低效率、高能耗等普遍問題，研制了能模擬基于自然對流而形成水溫分層的中試模型水庫，研究了曝氣誘導形成內波混合破壞水溫分層的可行性，過程和效果.揚水曝氣產生的周期性出流能作為擾動源，在分層水環境中誘導形成內波.內波頻率及波幅與曝氣量有關.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，內波破壞分層過程主要以減小表層和底層水溫差別、驅使躍溫層下潛、等溫層變薄為特征，破壞分層的速度與曝氣量正相關、與溫度梯度負相關.內波通過垂向振蕩和橫向傳播，促進不同溫度的水層之間的熱交換.相對傳統的循環水流混合，在溫度梯度約0.32℃/m和0.46℃/m的條件下，當曝氣量從0.07m3/（m2·h）逐漸增加到0.28m3/（m2·h）時，內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；內波；破壞分層；效率；影響因素；水庫

全球大多數湖泊水庫都處于不同程度的富營養化威脅之中，并有明顯加劇發展的趨勢，中國在20世紀80年代開始關注湖庫水體富營養化問題［1-3］.中國水庫眾多?分布廣泛，但水庫水體的內源污染和富營養化發展趨勢令人擔憂.

水深較大的湖泊?水庫易發生垂向溫度或密度分層的現象，一般自上而下水體依次分成變溫層?躍溫層和等溫層［3］.當水溫未分層時，整個水庫中水溫和溶解氧濃度各處相同，水體處于完全混合狀態.當水溫分層時，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動時，會受到向上的浮阻力，尤其是在溫度梯度大的躍溫層內.躍溫層的存在阻礙了表層和底部水體的能量和物質交換，對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充，而各種微生物和化學作用則會使水中的溶解氧逐漸被消耗，當水中溶解氧濃度低于2mg/L時，底泥中的有機質、氮、磷、鐵、錳會釋放進入水體，形成水庫的內源污染［3，5-6］.當季節更替導致表層與底部水溫相近時，水庫易發生“翻庫”現象，水質污染嚴重的等溫層水體與中上部水體發生混合，等溫層內的污染物將污染整個水庫水質［7-8］.內源污染使水體磷?氮含量增加，在夏秋季節水溫?光照合適時，會引起藻類的大量繁殖和水體富營養化.水溫分層是導致分層水庫水質內源污染和富營養化的重要誘因之一［1，3］.

近些年來，國內外學者圍繞受污染湖泊?水庫的富營養化問題，開展了大量研究［1，9-16］，其中破壞水體分層是一項應用廣泛的原位控制技術［3］.英國Hanningfield水庫采用空氣羽流混合技術破壞分層［10］，但空氣管混合存在能耗高、工程實施困難等問題.澳大利亞Myponga水庫［11］采用軸流泵混合技術使水體形成豎向循環混合，但其混合水體的能量沒有能被有效地傳遞到水體的橫向斷面，主要應用于體積較小?水深較淺的水庫湖泊，在實際應用上受到一定限制.應用于我國山西省汾河水庫和西安市金盆水庫的揚水曝氣器［12-13］，水質改善效果明顯，但揚水曝氣器的混合范圍也較為有限.縱觀各類破壞分層技術，存在的普遍問題是高能耗，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和能量交換，但另一方面也具有躍溫層內微小擾動即可產生軒然內波的流體力學特性［17-19］.內波是發生在密度穩定層化了的海洋內部的波動，是一種重力波，1902年被挪威探險家Nansen首次發現.內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100m，波長近百米至幾萬米，周期幾分鐘至幾十小時，它破碎時會產生強烈的紊流，是引起海水混合的重要原因［20-21］.內波是能量、動量和質量傳遞的載體，又被稱為深水攪拌器［17-19］.

目前國內外內波研究基本都是關于海洋內波觀測，湖泊水庫內波研究較少，且主要偏重于對自然形成的內波的觀測與規律認識.目前我國關于湖泊內波研究極少，我國20世紀70年代末，僅中國科學院南京湖泊與地理研究所對我國第二大深水湖泊—撫仙湖進行了內波的現場觀測與數值模擬［22］，目前國內外尚未有內波對湖泊水庫水溫分層的破壞過程研究及相關利用內波的報道.

本研究根據微小擾動即可在分層流體中產生具有超強混合效果的內波的原理，擬通過在等溫層與躍溫層交界處設置揚水曝氣器，主要研究利用揚水曝氣產生的周期性氣水兩相流在分層水體界面誘導產生內波的可行性及所形成的內波的特性，進而分析內波破壞水體分層的過程和效率［23］，旨在探求真正高效率低能耗的破壞分層新技術，經濟高效地原位改善湖泊水庫水質.

1 材料與方法

1.1 實驗模型水庫

本實驗采用長2m，寬0.6m，高1.2m的水池作為中試模型水庫（圖1），為便于實驗觀測，其中一面為1cm厚透明有機玻璃，另外三面為1cm厚PVC板，試驗水深1m.

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

小型揚水曝氣器采用透明有機玻璃制作，具體結構描述參見其他文獻［12-13］，示意圖如圖2所示.曝氣器安裝在模型水庫底部一側，曝氣室高度6.5cm?直徑18cm，曝氣器氣體擴散孔距庫底20cm，上升筒內徑為5cm，上升筒出口設計為2種，分別距庫底0.45m和為0.90m.實驗使用的空氣壓縮機電機功率為1800w，容量為28L，壓縮空氣先從儲氣罐進入穩壓閥以保持出氣量穩定，再經過量程為0～0.35m3/（m2·h）、精度為0.014m3/（m2·h）的轉子流量計調節流量后，進入曝氣器擴散孔，將氣體輸送至曝氣室，當未溶解的殘余氣體逐漸累積到曝氣室水封板下緣時，曝氣室內氣體會迅速溢入中間上升筒，攜帶底部水體上升，同時曝氣室內氣體又重新累積，如此在上升筒內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

能夠實現自然水溫分層的模型水庫的研制一直是水環境研究中的棘手問題.目前僅有武漢大學設計加工了利用加熱棒的分層水庫模型［24］，但底部等溫層水溫受限于室溫，中試模型水溫分層結構不同于實際的分層水庫，加熱棒也在一定程度上影響模型水庫中的水流流態.

本研究，首次成功研制了能夠實現自然水溫分層的中試模型水庫［25-26］.在模型水庫底部高度為0.4m范圍內，安裝由空調冷凝管構成的冷源系統和溫度傳感器.在空調的溫度控制器中設置需要冷卻達到的溫度后開啟空調，由水下布置的溫度傳感器傳遞實時水溫信息，當等溫層水溫達到指定溫度之后，空調停止工作；當冷凝管周圍水溫高于指定溫度時，空調開始工作.受表面與底部水溫的差異和太陽輻射的共同影響，水體內可形成基于自然對流的水溫分層結構，即自上而下依次為變溫層?躍溫層和等溫層.根據研究需要，可以通過溫度控制器將底部水溫設置成不同值，從而可以模擬與實際湖庫類似的具有不同溫度梯度的水溫分層結構.本方法形成的分層水體具有同一水平面水溫均勻，能耗低，裝置簡單，水體分層區域無物體干擾等優點；但夏季室溫較高，水池首次換水后需較長時間才能冷卻達到指定溫度.

1.2 內波破壞分層的研究方法

使用3臺四通道TYPEK數顯測溫儀（臺灣群特CENTER 309型）進行準確的水溫測量.CENTER 309型測溫儀以K-type熱電偶溫度感測器為傳感器（Sensor），能同時測量和顯示四個不同點的溫度T1?T2?T3?T4，測量范圍-200～1370℃，測量精確度±（0.3% rdg）+1℃，解析度0.1℃.將多通道測溫儀探頭在躍溫層處沿垂向每隔2cm分布一個，共4個，探頭具體位置視實際的躍溫層位置而適當調整.每隔6s記錄1次測溫儀讀數，可獲得某一等密度層所在流體質點波動的實時信息，根據同一時刻水平方向三處質點波動的不同可以得出該等密度層內波的周期，再根據水溫?水深的對應關系即可確定內波的波幅.

破壞分層的過程通過測量水溫垂向剖面的時間變化進行研究，3個測量位置分別距離曝氣器50，100，150cm處（圖1），測量的時間間隔為6s.在實際湖泊水庫中，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準；在本研究中，因空間尺度較小，以模型水庫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準.

1.3 中試設計與條件

為研究內波破壞水體分層過程，固定等溫層水溫為與實際湖庫等溫層水溫相同的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波形成的可能性以及內波破壞水體分層的過程與特性.為對比內波形成與否對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，進行類似中試.

為了研究不同溫度梯度條件下內波形成的可能性以及內波破壞水體分層的過程與特性，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），進行兩種曝氣器出口位置的對比中試研究.

2 結果與討論

2.1 模型水庫水溫分層

采用冷卻底部水體的方法，能夠在模型水庫內形成基于自然對流的較為穩定的水溫分層；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構見圖3.分層水體中，當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，確定該段為躍溫層［27-28］.根據此躍溫層判定標準，對參加統計的溫度剖面資料逐層進行躍溫層判斷，連續滿足臨界值的合并為一個躍溫段.

圖3 不同等溫層水溫下的水溫結構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.由圖3可見，在本實驗模擬水庫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水溫分層實測數據［7］，.金盆水庫平均水深約90m，為典型的分層型水庫，夏秋兩季水溫分層最為明顯.根據圖4，變溫層約位于水深40m范圍內，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.對照圖3和圖4，本試驗中形成的模型水庫，不僅水溫分層結構與實際水庫的類似，而且等溫層?躍溫層?變溫層的厚度比和實際水庫的比值也較為相符，這充分說明采用本方法制備分層水體，可模擬實際的分層水庫.

圖4 實測金盆水庫的水溫結構Fig.4 Measured thermal structure of Jinpen Reservoir

2.2 曝氣誘導內波的形成

分別固定曝氣器出口于庫底之上45cm和90cm處，當曝氣量分別為0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h）時，揚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；但只有當曝氣器出口位于庫底之上45cm時才能形成內波.

圖5a和圖5b表示在等溫層水溫為5℃?曝氣量為0.17m3/（m2·h）時，距離曝氣器水平方向50cm處波形圖.在水溫結構類似的條件下，當曝氣器出口位于等溫層頂部（即出口高度45cm）時，曝氣可以誘導形成內波（圖5a）；而當曝氣器出口位于水面之下10cm時，溫度的時間變化很小，曝氣不能誘導產生內波（圖5b），驗證了在兩不同密度交界處的適度外部擾動能形成內波的已有結論.進一步分析不同曝氣量條件下的波形圖，發現當曝氣量過大或過小時，內波周期較小，而當曝氣量為0.14～0.21m3/（m2·h）時，內波周期較大，在此條件下可形成較規則的內波.

圖5 部分內波實驗結果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時的波形圖.對比圖5a和圖5c，說明躍溫層溫度梯度對形成的內波特性有一定影響，內波波幅與溫度梯度成正比.

2.3 內波破壞水體分層的過程及影響因素

2.3.1 破壞分層的過程 圖6（a）～6（d）表示垂向水溫剖面隨曝氣時間的變化結果，其中曝氣量均為0.14m3/（m2·h），測量點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，隨著曝氣的進行，水體水溫分層結構均被逐步破壞，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）］，當曝氣時間分別為60，120，150min時，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）中曝氣時間為初始（即0min），60min和120min為參考對象，經過計算溫度梯度分別為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時溫度梯度分別為0.270，0.205，0.108℃/cm；圖6（d）中，初始，60，120，180min時溫度梯度分別為0.301，0.245，0.194，0.110℃/cm.根據這些計算結果可以發現，隨曝氣過程的進行，借助內波的強大混合作用，水體水溫分層結構均被逐步破壞.

分層流體中的內波屬于周期振蕩波［18］，在內波的傳播過程中，一方面，內波通過垂向振蕩使不同水深處的水團發生垂向的往復輸移，水團與周圍水體由于水溫差別而發生局部傳熱和混合；另一方面，由波而生的水流也引起水團的橫向輸移，引起不同位置處水團的局部混合.內波破壞水體分層首先從躍溫層與等溫層界面處開始，通過界面處形成的波動以及由此產生的水流上下波動和水平輸移，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，當表層和底部水溫之差低于1℃時，水溫分層即被完全破壞.

2.3.2 破壞分層過程的影響因素 對比圖6（a）與6（b）；水溫分層結構被破壞的過程快慢不一，主要受內波的存在與否?溫度梯度和曝氣量等因素影響.由圖6（a）和圖6（b）可見，在相同等溫層水溫和曝氣量條件下，當曝氣器出口高度（H）為90cm，即不能曝氣誘導形成內波的條件下，當曝氣60、120min時，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即有內波的條件下的對應值，等溫層厚度也遠大于有內波時的對應值，而且需要240min才能達到水體完全混合的狀態，比有內波時需要的時間延長60%.當等溫層水溫為10℃，躍溫層溫度梯度較低時，結果也類似［圖6（c）和6（d）］.這充分說明，內波能強化水體混合，大大提高破壞分層的效率.相對內波而言，躍溫層溫度梯度對破壞分層過程的快慢的影響較小［圖6（c）和6（d）］.

圖6 破壞分層過程試驗結果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）］，當曝氣量從0.07m3/（m2·h）逐漸增加到0.24m3/（m2·h）時，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間越短.主要原因是，當曝氣器出口高度為45cm時，曝氣可以誘導形成內波，內波在運動過程中會因水體阻力而使其能量逐漸消耗；在水溫分層結構和曝氣時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，形成更多的內波，當內波破碎時，會有更多的有效能量用于混合水體，從而加速破壞分層的進程.圖6（f）也說明增加曝氣量可以加快破壞分層的過程，但此時主要是曝氣產生的循環水流導致水體混合.

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）?曝氣時間為60min，但曝氣器出口高度不同.在存在內波［圖6（g）］和不存在內波［圖6（h）］的條件下，在模型水庫水體中，破壞水溫分層的效果都較為均勻，與距離曝氣器的遠近關系不大，這也為內波混合技術在實際應用中提供了有力可靠的技術依據.

2.4 內波強化破壞分層的效果

當揚水曝氣器出口位于等溫層頂部?距離庫底45cm時，可以通過曝氣誘導形成較為規則的內波，主要依靠內波作用及部分軸向水流混合作用來破壞水體分層；而當曝氣器出口位于水面之下10cm時，不能通過曝氣誘導產生內波，主要依靠軸向水流混合作用來破壞水體分層.圖7（a）和圖7（b）表示不同等溫層水溫條件下，有內波（曝氣器出口高度45cm）和無內波（曝氣器出口高度90cm）時破壞水體分層所需的時間，橫坐標和縱坐標分別表示曝氣量（Q，m3/（m2·h））和破壞分層所需的時間（t，h）.

在等溫層水溫5℃的條件下，當曝氣量分別為0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2.h）時，內波破壞分層所需的時間分別為5.0，3.5，2.5，2.0，1.9，1.5，1.0h；當不能形成內波時，對應時間分別約延長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，當曝氣量分別為0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h）時，內波破壞分層所需時間分別為4.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.5，1.0h；當不能形成內波時，對應時間分別約延長3.0，2.0，1.5，1.5，1.0，0.5，0.5h.

圖7 有無內波時破壞分層所需的時間Fig.7 Time required for complete destratification with and without internal waves

有無內波條件下的破壞分層所需時間的試驗結果表明，在水溫分層結構等其他條件相同的情況下，有內波產生時破壞分層時間比無內波作用時大大縮短，強化破壞分層效果明顯.在等溫層水溫5℃的條件下，當曝氣量從0.07m3/（m2·h）逐漸增加到0.28m3/（m2·h）時，內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，內波混合使破壞分層的效率也相應提高25.0%～40.0%.

3 結論

3.1 采用冷卻底部水體的方法在模型水庫內實現與實際水庫類似的基于自然對流的水溫分層結構，解決了分層水環境的物理模擬試驗難題.

3.2 當揚水曝氣器出口位于等溫層與躍溫層之間時，曝氣器周期性出流會擾動分層水體，并在一定曝氣量范圍內誘導形成內波，內波周期和波幅與曝氣量有關.

3.3 隨曝氣過程的進行，借助內波的強大混合作用，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 相對傳統的循環水流破壞分層技術，在溫度梯度0.32～0.46℃/m和曝氣量0.07～0.28m3/（m2·h）條件下，內波混合技術可將破壞分層效率提高25.0%～60.0%，具有能耗低?效率高的明顯優勢，應用前景廣泛.

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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，主要從事水質污染控制與模擬研究.發表論文30余篇.

2014-01-20

國家自然科學基金資助項目（51178379；51278404）；教育部高等學校博士點專項科研基金（20106120120012）；人力資源和社會保障部留學人員科研擇優資助項目（DB03153）；西安建筑科技大學2014年大學生SSRT項目

* 責任作者， 教授， xinsunn@gmail.com