曝气诱导内波破坏水库水温分层的过程与效果

孙 昕，卞 晶，解 岳，叶丽丽，马 兰

（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055）

曝气诱导内波破坏水库水温分层的过程与效果

孙 昕*，卞 晶，解 岳，叶丽丽，马 兰

（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055）

针对传统的水库破坏分层技术的低效率、高能耗等普遍问题，研制了能模拟基于自然对流而形成水温分层的中试模型水库，研究了曝气诱导形成内波混合破坏水温分层的可行性，过程和效果.扬水曝气产生的周期性出流能作为扰动源，在分层水环境中诱导形成内波.内波频率及波幅与曝气量有关.在曝气量0.07～0.28m3/（m2·h），跃温层温度梯度0.29～0.48℃/m的中试条件下，内波破坏分层过程主要以减小表层和底层水温差别、驱使跃温层下潜、等温层变薄为特征，破坏分层的速度与曝气量正相关、与温度梯度负相关.内波通过垂向振荡和横向传播，促进不同温度的水层之间的热交换.相对传统的循环水流混合，在温度梯度约0.32℃/m和0.46℃/m的条件下，当曝气量从0.07m3/（m2·h）逐渐增加到0.28m3/（m2·h）时，内波混合可分别将破坏分层效率提高25.0%～40.0%和41.2%～60.0%.

曝气；内波；破坏分层；效率；影响因素；水库

全球大多数湖泊水库都处于不同程度的富营养化威胁之中，并有明显加剧发展的趋势，中国在20世纪80年代开始关注湖库水体富营养化问题［1-3］.中国水库众多､分布广泛，但水库水体的内源污染和富营养化发展趋势令人担忧.

水深较大的湖泊､水库易发生垂向温度或密度分层的现象，一般自上而下水体依次分成变温层､跃温层和等温层［3］.当水温未分层时，整个水库中水温和溶解氧浓度各处相同，水体处于完全混合状态.当水温分层时，自上而下水温逐渐降低、密度逐渐增加，表层水温和溶解氧浓度较高的水体向下运动时，会受到向上的浮阻力，尤其是在温度梯度大的跃温层内.跃温层的存在阻碍了表层和底部水体的能量和物质交换，对水体污染的形成以及污染物的传输具有重要影响［4］.在底部水体，溶解氧受跃温层阻碍而得不到补充，而各种微生物和化学作用则会使水中的溶解氧逐渐被消耗，当水中溶解氧浓度低于2mg/L时，底泥中的有机质、氮、磷、铁、锰会释放进入水体，形成水库的内源污染［3，5-6］.当季节更替导致表层与底部水温相近时，水库易发生“翻库”现象，水质污染严重的等温层水体与中上部水体发生混合，等温层内的污染物将污染整个水库水质［7-8］.内源污染使水体磷､氮含量增加，在夏秋季节水温､光照合适时，会引起藻类的大量繁殖和水体富营养化.水温分层是导致分层水库水质内源污染和富营养化的重要诱因之一［1，3］.

近些年来，国内外学者围绕受污染湖泊､水库的富营养化问题，开展了大量研究［1，9-16］，其中破坏水体分层是一项应用广泛的原位控制技术［3］.英国Hanningfield水库采用空气羽流混合技术破坏分层［10］，但空气管混合存在能耗高、工程实施困难等问题.澳大利亚Myponga水库［11］采用轴流泵混合技术使水体形成竖向循环混合，但其混合水体的能量没有能被有效地传递到水体的横向断面，主要应用于体积较小､水深较浅的水库湖泊，在实际应用上受到一定限制.应用于我国山西省汾河水库和西安市金盆水库的扬水曝气器［12-13］，水质改善效果明显，但扬水曝气器的混合范围也较为有限.纵观各类破坏分层技术，存在的普遍问题是高能耗，能量效率一般低于10%［3，15-16］.

水体水温分层虽然一方面阻碍表层和底层水体的物质和能量交换，但另一方面也具有跃温层内微小扰动即可产生轩然内波的流体力学特性［17-19］.内波是发生在密度稳定层化了的海洋内部的波动，是一种重力波，1902年被挪威探险家Nansen首次发现.内波振幅比表面波大几十倍，在更深的海洋位置，垂直振幅可高达100m，波长近百米至几万米，周期几分钟至几十小时，它破碎时会产生强烈的紊流，是引起海水混合的重要原因［20-21］.内波是能量、动量和质量传递的载体，又被称为深水搅拌器［17-19］.

目前国内外内波研究基本都是关于海洋内波观测，湖泊水库内波研究较少，且主要偏重于对自然形成的内波的观测与规律认识.目前我国关于湖泊内波研究极少，我国20世纪70年代末，仅中国科学院南京湖泊与地理研究所对我国第二大深水湖泊—抚仙湖进行了内波的现场观测与数值模拟［22］，目前国内外尚未有内波对湖泊水库水温分层的破坏过程研究及相关利用内波的报道.

本研究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，拟通过在等温层与跃温层交界处设置扬水曝气器，主要研究利用扬水曝气产生的周期性气水两相流在分层水体界面诱导产生内波的可行性及所形成的内波的特性，进而分析内波破坏水体分层的过程和效率［23］，旨在探求真正高效率低能耗的破坏分层新技术，经济高效地原位改善湖泊水库水质.

1 材料与方法

1.1 实验模型水库

本实验采用长2m，宽0.6m，高1.2m的水池作为中试模型水库（图1），为便于实验观测，其中一面为1cm厚透明有机玻璃，另外三面为1cm厚PVC板，试验水深1m.

图1 中试模型分层水库示意Fig.1 Schematic diagram of pilot stratified reservoir

小型扬水曝气器采用透明有机玻璃制作，具体结构描述参见其他文献［12-13］，示意图如图2所示.曝气器安装在模型水库底部一侧，曝气室高度6.5cm､直径18cm，曝气器气体扩散孔距库底20cm，上升筒内径为5cm，上升筒出口设计为2种，分别距库底0.45m和为0.90m.实验使用的空气压缩机电机功率为1800w，容量为28L，压缩空气先从储气罐进入稳压阀以保持出气量稳定，再经过量程为0～0.35m3/（m2·h）、精度为0.014m3/（m2·h）的转子流量计调节流量后，进入曝气器扩散孔，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.

图2 中试曝气器示意Fig.2 Schematic diagram of pilot aerator

能够实现自然水温分层的模型水库的研制一直是水环境研究中的棘手问题.目前仅有武汉大学设计加工了利用加热棒的分层水库模型［24］，但底部等温层水温受限于室温，中试模型水温分层结构不同于实际的分层水库，加热棒也在一定程度上影响模型水库中的水流流态.

本研究，首次成功研制了能够实现自然水温分层的中试模型水库［25-26］.在模型水库底部高度为0.4m范围内，安装由空调冷凝管构成的冷源系统和温度传感器.在空调的温度控制器中设置需要冷却达到的温度后开启空调，由水下布置的温度传感器传递实时水温信息，当等温层水温达到指定温度之后，空调停止工作；当冷凝管周围水温高于指定温度时，空调开始工作.受表面与底部水温的差异和太阳辐射的共同影响，水体内可形成基于自然对流的水温分层结构，即自上而下依次为变温层､跃温层和等温层.根据研究需要，可以通过温度控制器将底部水温设置成不同值，从而可以模拟与实际湖库类似的具有不同温度梯度的水温分层结构.本方法形成的分层水体具有同一水平面水温均匀，能耗低，装置简单，水体分层区域无物体干扰等优点；但夏季室温较高，水池首次换水后需较长时间才能冷却达到指定温度.

1.2 内波破坏分层的研究方法

使用3台四通道TYPEK数显测温仪（台湾群特CENTER 309型）进行准确的水温测量.CENTER 309型测温仪以K-type热电偶温度感测器为传感器（Sensor），能同时测量和显示四个不同点的温度T1､T2､T3､T4，测量范围-200～1370℃，测量精确度±（0.3% rdg）+1℃，解析度0.1℃.将多通道测温仪探头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1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.

破坏分层的过程通过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（图1），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℃作为水体分层完全被破坏的标准.

1.3 中试设计与条件

为研究内波破坏水体分层过程，固定等温层水温为与实际湖库等温层水温相同的5℃，在室温21.5～23.5℃的条件下，将曝气器出口置于等温层顶部，分别采用曝气量0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h），研究不同曝气量条件下内波形成的可能性以及内波破坏水体分层的过程与特性.为对比内波形成与否对破坏水体分层效率的影响，将曝气器出口置于水面之下10cm处，进行类似中试.

为了研究不同温度梯度条件下内波形成的可能性以及内波破坏水体分层的过程与特性，固定等温层水温为10℃，在室温19.5～21.6℃的条件下，采用曝气量0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h），进行两种曝气器出口位置的对比中试研究.

2 结果与讨论

2.1 模型水库水温分层

采用冷却底部水体的方法，能够在模型水库内形成基于自然对流的较为稳定的水温分层；但水温分层情况取决于水体表面与大气的热交换特性，不同室温及底部水温条件下的垂向水温结构见图3.分层水体中，当水温剖面中某一段的垂直温度梯度大于深水温度跃层临界值（0.2℃/m）时，确定该段为跃温层［27-28］.根据此跃温层判定标准，对参加统计的温度剖面资料逐层进行跃温层判断，连续满足临界值的合并为一个跃温段.

图3 不同等温层水温下的水温结构Fig.3 Thermal structures under different hypolimnion temperatures

水温分层水平采用跃温层平均温度梯度（θ）表征，即θ=（TT-Tb）/D （℃/m），TT和Tb分别为跃温层上端和下端水温，D为跃温层厚度［24］.温度梯度大，水温垂向变化剧烈，水温分层强.由图3可见，在本实验模拟水库中跃温层高度一般为距离池底46～66cm处.在等温层水温为5℃､室温21.20～23.50℃的条件下，跃温层温度梯度约为0.43～0.49℃/m；在等温层水温为10℃､室温19.30～21.60℃的条件下，跃温层温度梯度约为0.29～0.34℃/m.

图4为2009年秋季西安金盆水库水温分层实测数据［7］，.金盆水库平均水深约90m，为典型的分层型水库，夏秋两季水温分层最为明显.根据图4，变温层约位于水深40m范围内，等温层约位于水深60m以下，中间则为温度梯度较大的跃温层，等温层､跃温层､变温层的厚度比约为4：2：3.对照图3和图4，本试验中形成的模型水库，不仅水温分层结构与实际水库的类似，而且等温层､跃温层､变温层的厚度比和实际水库的比值也较为相符，这充分说明采用本方法制备分层水体，可模拟实际的分层水库.

图4 实测金盆水库的水温结构Fig.4 Measured thermal structure of Jinpen Reservoir

2.2 曝气诱导内波的形成

分别固定曝气器出口于库底之上45cm和90cm处，当曝气量分别为0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h）时，扬水曝气器的气弹形成周期T均分别为89.2，58.0，43.1，35.1，29.8，25.5，20.8s；但只有当曝气器出口位于库底之上45cm时才能形成内波.

图5a和图5b表示在等温层水温为5℃､曝气量为0.17m3/（m2·h）时，距离曝气器水平方向50cm处波形图.在水温结构类似的条件下，当曝气器出口位于等温层顶部（即出口高度45cm）时，曝气可以诱导形成内波（图5a）；而当曝气器出口位于水面之下10cm时，温度的时间变化很小，曝气不能诱导产生内波（图5b），验证了在两不同密度交界处的适度外部扰动能形成内波的已有结论.进一步分析不同曝气量条件下的波形图，发现当曝气量过大或过小时，内波周期较小，而当曝气量为0.14～0.21m3/（m2·h）时，内波周期较大，在此条件下可形成较规则的内波.

图5 部分内波实验结果Fig.5 Partial experimental results of internal waves

图5c表示等温层水温为10℃､曝气量为0.17m3/（m2·h）､曝气器出口高度为45cm､距离曝气器50cm时的波形图.对比图5a和图5c，说明跃温层温度梯度对形成的内波特性有一定影响，内波波幅与温度梯度成正比.

2.3 内波破坏水体分层的过程及影响因素

2.3.1 破坏分层的过程 图6（a）～6（d）表示垂向水温剖面随曝气时间的变化结果，其中曝气量均为0.14m3/（m2·h），测量点均位于曝气器水平方向50cm处，等温层水温分别为5℃［图6（a）～6（b）］和10℃［图6（c）～6（d）］，曝气器出口高度分别为45cm［图6（a）､6（c）］和90cm［图6（b）､6（d）］.在上述各种条件下，随着曝气的进行，水体水温分层结构均被逐步破坏，表层水温和等温层水温分别逐渐降低和升高，变温层厚度逐渐增加，跃温层逐渐下潜，等温层厚度逐渐变薄，直至表层和底部水温之差低于1℃，即水体分层被完全破坏.以等温层水温为5℃，曝气器出口高度为45cm，曝气量为0.14m3/（m2·h）为例［图6（a）］，当曝气时间分别为60，120，150min时，表层水温分别降低至13，12， 11℃，等温层水温分别升高至7，10，11℃，跃温层底部分别下潜至距离库底15，5，0cm处，不难看出，曝气150min后，水体完全混合.以图6（a）中曝气时间为初始（即0min），60min和120min为参考对象，经过计算温度梯度分别为0.410，0.245，0.130℃/cm.图6（b）中，初始，60，120，180min时温度梯度分别为0.486，0.406，0.338， 0.125℃/cm；图6（c）中初始，60min和120min时温度梯度分别为0.270，0.205，0.108℃/cm；图6（d）中，初始，60，120，180min时温度梯度分别为0.301，0.245，0.194，0.110℃/cm.根据这些计算结果可以发现，随曝气过程的进行，借助内波的强大混合作用，水体水温分层结构均被逐步破坏.

分层流体中的内波属于周期振荡波［18］，在内波的传播过程中，一方面，内波通过垂向振荡使不同水深处的水团发生垂向的往复输移，水团与周围水体由于水温差别而发生局部传热和混合；另一方面，由波而生的水流也引起水团的横向输移，引起不同位置处水团的局部混合.内波破坏水体分层首先从跃温层与等温层界面处开始，通过界面处形成的波动以及由此产生的水流上下波动和水平输移，共同促使分层界面消失，等温层顶部水温升高，然后使温度梯度较大的跃温层逐渐下潜，等温层厚度逐渐变薄，变温层厚度逐渐增加，当表层和底部水温之差低于1℃时，水温分层即被完全破坏.

2.3.2 破坏分层过程的影响因素 对比图6（a）与6（b）；水温分层结构被破坏的过程快慢不一，主要受内波的存在与否､温度梯度和曝气量等因素影响.由图6（a）和图6（b）可见，在相同等温层水温和曝气量条件下，当曝气器出口高度（H）为90cm，即不能曝气诱导形成内波的条件下，当曝气60、120min时，表层水温降低和等温层水温的升高幅度均分别低于曝气器出口高度45cm即有内波的条件下的对应值，等温层厚度也远大于有内波时的对应值，而且需要240min才能达到水体完全混合的状态，比有内波时需要的时间延长60%.当等温层水温为10℃，跃温层温度梯度较低时，结果也类似［图6（c）和6（d）］.这充分说明，内波能强化水体混合，大大提高破坏分层的效率.相对内波而言，跃温层温度梯度对破坏分层过程的快慢的影响较小［图6（c）和6（d）］.

图6 破坏分层过程试验结果Fig.6 Experimental results of destratification process

图6（e）和图6（f）为在等温层温度为5℃，距离曝气器水平方向50cm处，曝气60min时的垂向水温剖面，其中曝气器出口高度分别为45cm［图6（e）］和90cm［图6（f）］.在曝气器出口高度为45cm的条件下［图6（e）］，当曝气量从0.07m3/（m2·h）逐渐增加到0.24m3/（m2·h）时，表层水温逐渐降低，等温层水温逐渐升高，跃温层逐渐下潜，即随着曝气量越大，跃温层下降得越快，破坏分层的速度越快，水体完全混合所需的时间越短.主要原因是，当曝气器出口高度为45cm时，曝气可以诱导形成内波，内波在运动过程中会因水体阻力而使其能量逐渐消耗；在水温分层结构和曝气时间等其他因素相同的情况下，随着曝气量的增加，气弹周期缩短，水体获得的外部能量增加，形成更多的内波，当内波破碎时，会有更多的有效能量用于混合水体，从而加速破坏分层的进程.图6（f）也说明增加曝气量可以加快破坏分层的过程，但此时主要是曝气产生的循环水流导致水体混合.

图6（g）和图6（h）为距离曝气器水平方向50，100，150cm处的垂向水温剖面，其中曝气量为0.14m3/（m2·h）､曝气时间为60min，但曝气器出口高度不同.在存在内波［图6（g）］和不存在内波［图6（h）］的条件下，在模型水库水体中，破坏水温分层的效果都较为均匀，与距离曝气器的远近关系不大，这也为内波混合技术在实际应用中提供了有力可靠的技术依据.

2.4 内波强化破坏分层的效果

当扬水曝气器出口位于等温层顶部､距离库底45cm时，可以通过曝气诱导形成较为规则的内波，主要依靠内波作用及部分轴向水流混合作用来破坏水体分层；而当曝气器出口位于水面之下10cm时，不能通过曝气诱导产生内波，主要依靠轴向水流混合作用来破坏水体分层.图7（a）和图7（b）表示不同等温层水温条件下，有内波（曝气器出口高度45cm）和无内波（曝气器出口高度90cm）时破坏水体分层所需的时间，横坐标和纵坐标分别表示曝气量（Q，m3/（m2·h））和破坏分层所需的时间（t，h）.

在等温层水温5℃的条件下，当曝气量分别为0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2.h）时，内波破坏分层所需的时间分别为5.0，3.5，2.5，2.0，1.9，1.5，1.0h；当不能形成内波时，对应时间分别约延长3.5，2.5，1.5，1.5，1.5，1.5，1.5h.而在等温层水温10℃的条件下，当曝气量分别为0.07，0.10，0.14，0.17，0.21，0.24，0.28m3/（m2·h）时，内波破坏分层所需时间分别为4.5，3.0，2.5，2.0，1.5，1.5，1.0h；当不能形成内波时，对应时间分别约延长3.0，2.0，1.5，1.5，1.0，0.5，0.5h.

图7 有无内波时破坏分层所需的时间Fig.7 Time required for complete destratification with and without internal waves

有无内波条件下的破坏分层所需时间的试验结果表明，在水温分层结构等其他条件相同的情况下，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0.28m3/（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%.

3 结论

3.1 采用冷却底部水体的方法在模型水库内实现与实际水库类似的基于自然对流的水温分层结构，解决了分层水环境的物理模拟试验难题.

3.2 当扬水曝气器出口位于等温层与跃温层之间时，曝气器周期性出流会扰动分层水体，并在一定曝气量范围内诱导形成内波，内波周期和波幅与曝气量有关.

3.3 随曝气过程的进行，借助内波的强大混合作用，变温层与等温层的水温差别逐渐减小，跃温层逐步下潜，直至水体分层被完全破坏，破坏分层的速度随曝气量的增加而增大，但随温度梯度的增加而减小.

3.4 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，内波混合技术可将破坏分层效率提高25.0%～60.0%，具有能耗低､效率高的明显优势，应用前景广泛.

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［27］王银珠，濮培民.抚仙湖水温跃层的初步研究 ［J］. 海洋湖沼通报， 1982，4（4）：1-9.

［28］周燕遐，范振华，顔文彬，等.南海海域BT资料､南森站资料计算温跃层-三项示性特征的比较 ［J］. 海洋通报， 2004，23（1）：22-26.

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

孙 昕（1971-），男，安徽桐城人，教授，博士，主要从事水质污染控制与模拟研究.发表论文30余篇.

2014-01-20

国家自然科学基金资助项目（51178379；51278404）；教育部高等学校博士点专项科研基金（20106120120012）；人力资源和社会保障部留学人员科研择优资助项目（DB03153）；西安建筑科技大学2014年大学生SSRT项目

* 责任作者， 教授， xinsunn@gmail.com