分层湖泊水库曝气诱导产生内波破坏水温分层的装置及方法

【技术领域】

本发明属于湖泊水库水体污染控制领域，具体涉及一种分层湖泊水库曝气 诱导产生内波破坏水温分层的装置及方法。

【背景技术】

水深较大的湖泊、水库易发生由于剧烈垂向温度梯度的存在而引起的水温 分层，使得水体自上而下分成三个不同温度和密度的水团层：变温层、跃温层 和等温层。处于中间的跃温层阻止了热量和氧气在表层和底层之间的垂向传输， 其结果是，由于表层藻类大量繁殖以及底层因为缺氧条件引起底泥污染物的释 放，加速水体富营养化。破坏水温分层可以使表层和底层水体混合，降低表层 水体藻类含量，并能有效控制底泥中内源污染物的释放。

目前湖泊水库水温分层的破坏的技术主要包括扬水筒混合、机械混合、空 气管充氧和扬水曝气四种，但上述破坏水温分层技术都存在效率低、能耗高等 共性问题。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种分层湖泊水库曝气诱 导产生内波破坏水温分层的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

分层湖泊水库曝气诱导产生内波破坏水温分层的装置，包括模型水库以及 安装在模型水库底部的空调冷凝管和曝气器，其中，空调冷凝管与外部空调机 相连接，温度控制器用于控制外部空调机工作，曝气器的进气口与设置在模型 水库外部的空气压缩机的出气口相连通。

本发明进一步改进在于，还包括若干测温仪，该若干测温仪的测量探头在 模型水库的垂直方向上从下至上依次分布。

本发明进一步改进在于，测温仪采用四通道TYPEK数显测温仪。

本发明进一步改进在于，空气压缩机与曝气器之间还依次连接有集气罐、 稳压装置和流量计。

本发明进一步改进在于，空调冷凝管通过冷凝管支架固定在模型水库的底 部。

本发明进一步改进在于，曝气器包括上升筒，上升筒的顶部周向设置有用 于提供浮力的水密仓，其中部周向从上至下依次设置有气室、回流室和曝气室， 上升筒的中部周向还设有溢流板，且溢流板位于气室内，溢流板与上升筒之间 设有水封板，水封板的上端连接在水密仓上，其下端悬空，上升筒的底部设有 空气释放管，空气释放管通过供气管路与模型水库外部的空气压缩机的出气口 相连通；空气依次经曝气室、回流室及气室后进入上升桶，并在上升筒内形成 气弹。

本发明另一个目的，分层湖泊水库曝气诱导产生内波破坏水温分层的方法， 包括以下步骤：利用温度控制器来控制外部空调机的启动和停止，以对模型水 库中水的温度精确调控，进而通过空调冷凝管实现对模型水库中的底部水体进 行降温；同时，空气压缩机将空气输送至曝气器的进气口，再经曝气器扩散孔， 将气体输送至曝气室，当未溶解的残余气体逐渐累积到曝气室水封板下缘时， 曝气室内气体会迅速溢入中间上升筒，携带底部水体上升，同时曝气室内气体 又重新累积，如此在上升筒内形成周期性的上升水流，设定曝气器出口位于存 在温度梯度的跃温层内，曝气器出口的周期性出流作为一种扰动源，在模型水 库的跃温层内诱导产生内波。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明利用扬水曝气产生的周期性气水两相流作为扰动源，在跃温层内诱 导产生内波，借助内波的强大混合作用，使跃温层逐步下潜，变温层与等温层 的水温差别逐渐减小，直至水体分层被完全破坏。相对传统的循环水流破坏分 层技术，在温度梯度0.32～0.46℃/m和曝气量0.07～0.28m3/(m2.h)条件下，曝 气诱导内波混合技术可将破坏水温分层效率提高25.0%～60.0%，具有能耗低、 效率高的明显优势，应用前景广泛。

【附图说明】

图1是本发明分层湖泊水库曝气诱导产生内波破坏水温分层的装置的结构 示意图。

图2是曝气器的结构示意图。

图3（a）是等温层水温为5℃时不同室温下的水温结构图；附图3（b）是 等温层水温为10℃时不同室温下的水温结构图。

图4（a）是等温层水温为5℃、曝气量为100L/h以及出口高度45cm时中 试曝气诱导形成的内波的波形图；图4（b）是等温层水温为5℃、曝气量为100L/h 以及出口高度90cm时试曝气诱导形成的内波的波形图。

图5（a）是等温层水温为5℃时中试有无内波情况下的破坏分层所需时间 与曝气量的关系图；图5（b）是等温层水温为10℃时中试有无内波情况下的破 坏分层所需时间与曝气量的关系图。

其中：1、模型水库；2、空调冷凝管；3、曝气器；4、外部空调机；5、空 气压缩机；6、测温仪；7、测量探头；8、集气罐；9、稳压装置；10、流量计； 301、溢流板；302、水封板；303、空气释放管；304、曝气室；305、回流室； 306、气室；307、水密仓；308、上升桶；309、气弹；310、供气管路。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明分层湖泊水库曝气诱导产生内波破坏水温分层的装置，包 括模型水库1以及安装在模型水库1底部的空调冷凝管2和曝气器3，其中，空 调冷凝管3与外部空调机4相连接，温度控制器用于控制外部空调机4工作， 曝气器3的进气口与设置在模型水库外部的空气压缩机5的出气口相连通，且 空气压缩机5与曝气器3之间还依次连接有集气罐8、稳压装置9和流量计10。 此外，该装置还包括若干测温仪6，该若干测温仪6的测量探头7在模型水库的 垂直方向上从下至上依次分布其中，测温仪6采用四通道TYPEK数显测温仪。

参见图2，曝气器3包括上升筒308，上升筒308的顶部周向设置有用于提 供浮力的水密仓307，其中部周向从上至下依次设置有气室306、回流室305和 曝气室304，上升筒308的中部周向还设有溢流板301，且溢流板301位于气室 306内，溢流板301与上升筒308之间设有水封板302，水封板302的上端连接 在水密仓307上，其下端悬空，上升筒308的底部设有空气释放管303，空气释 放管303通过供气管路310与模型水库1外部的空气压缩机5的出气口相连通； 空气依次经曝气室304、回流室305及气室306后进入上升筒308，并在上升筒 内形成气弹309。

本发明分层湖泊水库曝气诱导产生内波破坏水温分层的方法，包括以下步 骤：利用温度控制器来控制外部空调机4的启动和停止，以对模型水库1中水 的温度精确调控，进而通过空调冷凝管2实现对模型水库1中的水进行降温， 同时，空气压缩机5将空气输送至曝气器3的进气口，再经曝气器扩散孔，将 气体输送至曝气室，当未溶解的残余气体逐渐累积到曝气室水封板下缘时，曝 气室内气体会迅速溢入中间上升筒，携带底部水体上升，同时曝气室内气体又 重新累积，如此在上升筒内形成周期性的上升水流，设定曝气器3出口位于存 在温度梯度的跃温层内，曝气器3出口的周期性出流作为一种扰动源，在模型 水库1的跃温层内诱导产生内波。

本发明在水温分层水体的跃温层内，利用扬水曝气产生的周期性出流作为 扰动源来扰动跃温层水体而诱导产生内波，内波传播会引起不同水温的水体之 间的热量交换，内波破碎时会产生剧烈紊流而混合水体，通过内波传播和内波 破碎而混合水体破坏水温分层，内波破坏分层的高效率可以通过对比其他条件 相同下有无内波时破坏水体分层所需的时间长短来说明。

其中，在模型水库1底部安装由空调冷凝管2构成的冷源系统，对下层水 体进行降温，并利用温度控制器来控制外部空调机4的启动和停止及温度的精 确调控。室温下利用自然对流，在模型水库1内部可自上而下形成表层变温层、 中间水温梯度大的跃温层和底部等温层。此外，通过改变曝气器上升筒的出口 位置来实现曝气诱导内波的形成。当曝气器出口位于等温层和跃温层交界处， 此时可以产生内波；当曝气器出口位置位于水下10cm处，此时不能诱导产生内 波，对比有无内波产生的情况下的破坏分层所需的时间，可分析内波混合破坏 水体分层的高效率。

下面结合具体实施例对本发明的工作原理做进一步详细说明。

采用长2m，宽0.6m，高1.2m的水池作为中试模型水库1，在模型水库1 底部，安装由空调冷凝管2构成的冷源系统，如图1所示。对下层水体进行降 温，并利用温度控制器来控制外部空调机4的启动和停止及温度的精确调控。 室温下利用自然对流，在模型水库1内部可自上而下形成表层变温层、中间水 温梯度大的跃温层和底部等温层，水温分层的结果如图3（a）和（b）所示，其 中，图3（a）是等温层水温为5℃时不同室温下的水温结构图；附图3（b）是 等温层水温为10℃时不同室温下的水温结构图。

曝气器3的结构示意图如图2所示，曝气器3安装在模型水库1底部一侧。 压缩空气先从集气罐8进入稳压装置9以保持出气量稳定，再经过转子流量计 10调节流量后，进入曝气器扩散孔，将气体输送至曝气室304，当未溶解的残 余气体逐渐累积到曝气室水封板302下缘时，曝气室304内气体会迅速溢入中 间上升筒308，携带底部水体上升，同时曝气室304内气体又重新累积，如此在 上升筒308内形成周期性的上升水流。当曝气器出口位于存在温度梯度的跃温 层内时，曝气器出口的周期性出流会作为一种扰动源，在跃温层内诱导产生内 波。

使用3台四通道测温仪6进行准确的水温测量，能同时测量和显示四个不 同点的温度。三台测温仪6距曝气器3分别50cm，100cm，150cm，如图1所示。 将多通道测温仪探头7在跃温层处沿垂向每隔2cm分布一个，共4个，探头具 体位置视实际的跃温层位置而适当调整。每隔6s记录一次测温仪读数，可获得 某一等密度层所在流体质点波动的实时信息，根据同一时刻水平方向三处质点 波动的不同可以得出该等密度层内波的周期，再根据水温、水深的对应关系即 可确定内波的波幅。将曝气器上升筒出口位置放置在水下10cm处，此时无内波 产生，不同条件下内波的特征如图4（a）所示，其等温层水温为5℃、曝气量 为100L/h以及出口高度45cm时中试曝气诱导形成的内波的波形图；而图4（b） 是等温层水温为5℃、曝气量为100L/h以及出口高度90cm时试曝气诱导形成的 内波的波形图，所示为曝气器上升筒出口位于水下10cm处时，无内波产生。

破坏分层的过程通过采用测量水温垂向剖面的时间变化进行研究，3个测量 位置分别距离曝气器50、100、150cm处，测量的时间间隔为6s。在实际湖泊水 库中，一般以水面和水底水温之差不高于3℃作为水体完全混合的标准；在本研 究中，因空间尺度较小，以模型水库水面和水底温度之差不高于1℃作为水体水 温分层完全被破坏的标准。破坏分层的效率如图5（a）和图5（b）所示，其中， 图5（a）是等温层水温为5℃时中试有无内波情况下的破坏水温分层与曝气量 的关系图；图5（b）是等温层水温为10℃中试有无内波情况下的破坏水温分层 与曝气量的关系图。比较图5（a）和图5（b），在相同等温层水温和曝气量条 件下，有内波产生时破坏分层时间比无内波作用时大大缩短，强化破坏分层效 果明显。在等温层水温5℃的条件下，当曝气量从0.07m3/(m2.h)逐渐增加到0.28 m3/(m2.h)时，内波混合使破坏分层的效率提高41.2%～60.0%；在等温层水温 10℃的条件下，内波混合使破坏分层的效率也相应提高25.0%～40.0%。

综上所述，对于分层水体，在跃温层内微小扰动即可诱导产生内波。内波 破碎时会产生强烈的紊流，是引起海水混合的重要原因。内波是能量、动量和 质量传递的载体，又被称为深水搅拌器。

根据微小扰动即可在分层流体中产生具有超强混合效果的内波的原理，在 普通扬水曝气器的基础上改变扬水曝气器上升筒的高度，使曝气器出口位于水 体跃温层内，通过曝气产生的周期性气水两相流，首次利用扬水曝气产生的周 期性扰动在分层水体界面诱导产生内波，以充分利用内波的巨大能量混合水体， 破坏分层。在原位改善湖泊水库水质方面具有重大的现实意义和应用价值。