一种提高热分层水库溶解氧浓度的方法与流程

[0001]
本发明涉及水体生态环境调控技术，具体涉及一种提高热分层水库溶解氧浓度的方法。


背景技术：

[0002]
溶解氧是水体健康的重要参数，在生物地球化学循环和水生生态系统结构和功能演化中起着至关重要的作用，是反映水生生态系统物理过程和生物地球化学过程变化的敏感指标。热分层水库，一般是调节能力强、库容大、流速小的深水水库，每年会出现明显的热分层现象。随着流域污染负荷的大量增加，深水湖库浮游植物生物量增加、富营养化现象时有发生，热分层期间水体缺氧问题严重，水体缺氧已成为严重的全球性生态环境问题。水体缺氧会导致鱼类等水生生物死亡、沉积物中大量还原物质释放等问题，释放的硫化氢等气体将导致水体发臭；同时，大量磷、氨氮等内源污染的释放会为藻类等浮游生物的生长提供营养盐，加剧藻类生长，对水生生态系统造成显著不利影响。现有技术中，对如何改善水库滞温层溶解氧的对策，大多集中改善水动力条件提高水库热分层期间溶解氧浓度，但是如何系统地从保护和改善热分层水库水体水质方面提高热分层水库溶解氧浓度措施显得不足。


技术实现要素：

[0003]
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的提高热分层水库溶解氧浓度的方法能够通过硝酸盐改善水库底部溶解氧消耗，以达到提高溶解氧浓度的目的。
[0004]
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
[0005]
提供一种提高热分层水库溶解氧浓度的方法，其包括：
[0006]
s1、获取水库的物理参数；
[0007]
s2、计算热稳定性度量指标，并确定水库的稳定程度和热分层持续时间；
[0008]
s3、根据水库所处的热分层时期，判断水库底层溶解氧浓度是否逐渐降低，是否处于缺氧状态，若均为是，进入步骤s4，否则热分层水库不需要采取措施提高底层溶解氧；
[0009]
s4、采用硝酸盐调整热分层水库底部溶解氧的消耗：
[0010]
在预设时期的库尾增加来水硝酸盐缓冲物质浓度，缓冲底部溶解氧的消耗；根据水库缺氧持续时间、严重程度及水动力特征，确定硝酸盐入库浓度；根据不同水位、不同下泄流量，确定硝酸盐最适宜入库时间。
[0011]
进一步地，提高热分层水库溶解氧浓度的方法还包括：
[0012]
当水库处于热分层时期时，通过水库的常规调度和抽水蓄能调度大水体的垂向扰动、增加底部溶解氧的补给，同时在热分层后期降低水库水位、缩减水库缺氧持续时间。
[0013]
进一步地，所述缺氧状态指溶解氧浓度低于4mg/l。
[0014]
进一步地，判断水库底层溶解氧浓度是否逐渐降低为：判断热分层水库在热分层初期、中期和末期三个时期的溶解氧浓度是否依次降低。
[0015]
进一步地，计算热稳定性度量指标的方法为施密特稳定性指数、ape潜在势能指数、梯度理查森数、水体浮力频率的平方或无量纲韦德伯恩数；
[0016]
施密特稳定性指数的计算公式为：
[0017][0018]
其中，s为稳定性，单位为j/m2；z为水体总深度，单位为m；a0为湖库表面积，单位为m2；a
z
为水深z处的面积，单位为m2；z
g
为完全混合状态下重力中心处的深度，单位m；g为重力加速度，单位为m/s2；
[0019]
ape潜在势能指数的计算公式为：
[0020][0021]
其中，ape单位j/m4；z为水体总深度，单位为m；ρ为不同水层处水体密度，单位为kg/m3；ρ
*
为水库垂直方向的平均密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s2；
[0022]
梯度理查森数的计算公式为：
[0023][0024]
其中，r
i
为无量纲数；当r
i
>>0时，流体稳定分层；当r
i
>10时，表明水体存在稳定的层化现象；当r
i
<0.25时，垂向水体容易产生层间交换；当r
i
接近0，垂向密度一致；当r
i
<0时，流动处于非稳定状态；
[0025]
布伦特-维塞拉浮力频率的平方的具体计算公式为：
[0026][0027]
其中，n2单位为s-2
，当n2<5
×
10-5
s-2
时，水体处于混合状态；当n2>5
×
10-4
s-2
时，水体处于稳定分层状态；当5
×
10-5
s-2
<n2<5
×
10-4
s-2
时，水体为弱分层状态；
[0028]
无量纲韦德伯恩数的具体公式为：
[0029][0030]
其中，w为无量纲数；r
i
为梯度理查森数，无量纲；h为混合层深度，单位为m；l为温跃层深度上湖库的长度，单位为m。
[0031]
进一步地，所述不同水层处水体密度ρ的计算公式为：
[0032]
ρ＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5[0033]
其中，t为不同水层处的水温，单位为℃；a0、a1、a2、a3、a4、a5为常数。
[0034]
进一步地，计算热稳定性度量指标的方法为：
[0035]
计算表水层厚度z
e
与水库最大深度z
max
的比值z
e
/z
max
，当z
e
/z
max
<0.5时，湖库处于稳定热分层状态；当0.5<z
e
/z
max
<1时，湖库的热分层可被强风扰动，发生垂向混合；当1<z
e
/z
max
<2时，湖库在无风时有间歇性分层；当z
e
/z
max
>2时，湖库不分层。
[0036]
本发明的有益效果为：本方案首先通过对水库热分层的热稳定性度量指标，通过该指标可以确定水库是否出现热分层，即确定水库的稳定性；在确定水库稳定性后，可以根据该水库的历史数据或者同类型水库的热分层状况，确定水库的热分层持续时间；同时通过水库稳定程度的判断，可以避免盲目调控，增加水库溶解氧调控成本。
[0037]
在水库热分层期间，通过水库底层溶解氧浓度的判断可以确定水库在热分层期间底部的溶解氧浓度变化和缺氧状态，在其表征底部缺氧时，通过硝酸盐或其他缓冲物质减缓底部溶解氧的消耗，以最终达到提高底部溶解氧浓度的目的。
附图说明
[0038]
图1为提高热分层水库溶解氧浓度的方法的流程图。
具体实施方式
[0039]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0040]
在对本方案进行详细描述前，先热分层水库涉及的一些常用术语进行解释，如混合期、分层形成期、分层稳定期和分层削弱期及表水层、温跃层和滞温层进行解释说明，以使本领域技术人员更易于理解本申请。
[0041]
混合期：冬季水库处于均匀混合状态，表、底层温度相同。
[0042]
分层形成期：随着春季气温的升高，表水层水温逐渐上升，水体密度降低，表、底层间水体密度差增大，形成垂向热分层。
[0043]
分层稳定期：夏季太阳辐射最强，垂向温差最大，水库垂向热分层稳定存在。
[0044]
分层削弱期：秋季随着气温的降低，太阳辐射输入低于蒸发和显热输出，水库表层水温降低，冷却的表层水密度变大、下沉，引起垂向密度分布不稳定，发生垂向混合，最终导致垂向均匀混合，表、底层温度相同进入混合期。
[0045]
表水层：在风力扰动、太阳辐射等作用下不断发生垂向混合，风能通常是表水层运动的主要能量来源，风作用于水面，在水气交界面形成剪切摩擦力，空气运动带动表层水体运动，形成的水面倾斜引发的垂直环流，在热分层湖库中这种垂直环流主要限制在表水层。同时由于白天和夜晚日内气温的差异，导致表层水温日内变化，形成垂向密度流，夜间表层冷水下沉至表水层底部，通过对流混合搅动整个表水层，表水层每天经历一次这种垂向对流混合。表水层的深度与纬度、湖泊形态、风力强度和吹程、水体透明度等有关。热分层水库中表水层湍流混合强烈，整个深度上水温、溶解氧垂向混合较为均匀。
[0046]
温跃层：温跃层作为表水层和滞温层之间的过渡层，温度梯度、密度梯度均很大，由此产生足以抵抗混合作用的扰动力。温跃层抑制水体垂向混合，像屏障一样限制水面风或底部摩擦引起的湍流动能的垂直交换，有效抑制了垂向上溶解氧等物质和能量的传递，因此在热分层强稳定期表水层对温跃层的溶解氧补给较少。
[0047]
滞温层：滞温层作为温度最低的下层，水流作用微弱，水流混合非常零散和微弱，一般不会发生剧烈的混合。滞温层的温度变化和溶解氧的补给主要是水体对流和紊动混合
造成的，因此温度变化缓慢、溶解氧补给有限。滞温层的温度决定了湖库在秋季翻转形成等温的大概日期和热分层的持续时间，由于翻转主要决定因素是上下层水体密度差，水库表、底温差越大，密度差越大，秋季水库翻转出现的越晚。
[0048]
参考图1，图1示出了提高热分层水库溶解氧浓度的方法的流程图；如图1所示，该方法s包括步骤s1至步骤s4。
[0049]
在步骤s1中，获取水库的物理参数；
[0050]
在步骤s2中，计算热稳定性度量指标，并确定水库的热分层持续时间和稳定程度；本方案首先通过对水库热分层的稳定性进行判断，以确定水库是否会出现周期性分层，以避免盲目调控，增加水库溶解氧调控成本。
[0051]
在本发明的一个实施例中，计算热稳定性度量指标的方法为施密特稳定性指数、ape潜在势能指数、梯度理查森数、水体浮力频率的平方或无量纲韦德伯恩数；获取的水库的物理参数具体根据选取的方法而定，主要为相应公式中与水库相关的参数。
[0052]
其中，施密特稳定性指数的计算公式为：
[0053][0054]
其中，s为稳定性，单位为j/m2；z为水体总深度，单位为m；a0为湖库表面积，单位为m2；a
z
为水深z处的面积，单位为m2；z
g
为完全混合状态下重力中心处的深度，单位m；g为重力加速度，单位为m/s2。
[0055]
ape潜在势能指数的计算公式为：
[0056][0057]
其中，ape单位j/m4；z为水体总深度，单位为m；ρ为不同水层处水体密度，单位为kg/m3；ρ
*
为水库垂直方向的平均密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s2。
[0058]
梯度理查森数的计算公式为：
[0059][0060]
其中，r
i
为无量纲数；当r
i
>>0时，流体稳定分层；当r
i
>10时，表明水体存在稳定的层化现象；当r
i
<0.25时，垂向水体容易产生层间交换；当r
i
接近0，垂向密度一致；当r
i
<0时，流动处于非稳定状态。
[0061]
布伦特-维塞拉浮力频率的平方的具体计算公式为：
[0062][0063]
其中，n2单位为s-2
，当n2<5
×
10-5
s-2
时，水体处于混合状态；当n2>5
×
10-4
s-2
时，水体处于稳定分层状态；当5
×
10-5
s-2
<n2<5
×
10-4
s-2
时，水体为弱分层状态。
[0064]
无量纲韦德伯恩数的具体公式为：
[0065][0066]
其中，w为无量纲数；r
i
为梯度理查森数，无量纲；h为混合层深度，单位为m；l为温跃层深度上湖库的长度，单位为m。
[0067]
水体温度的变化会引起密度的改变，水体在4℃时密度最大，在低于或高于4℃时密度逐渐减小，水温和密度的关系是非线性的，本方案采用以下公式进行不同水层处水体密度ρ的计算：
[0068]
ρ
t
＝a
o
+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5[0069]
其中，t为不同水层处的水温，单位为℃；a0、a1、a2、a3、a4、a5为常数；a0、a1、a2、a3、a4、a5为常数，取值分别为a0＝999.8452594，a1＝6.793952
×
10-2
，a2＝-9.095290
×
10-3
，a3＝1.001685
×
10-4
，a4＝-1.120083
×
10-6
，a5＝6.536332
×
10-9
。
[0070]
实施时，本方案还提供了另外一个计算热稳定性度量指标的方法，其实现方法为：
[0071]
计算表水层厚度z
e
与水库最大深度z
max
的比值z
e
/z
max
，当z
e
/z
max
<0.5时，湖库处于稳定热分层状态；当0.5<z
e
/z
max
<1时，湖库的热分层可被强风扰动，发生垂向混合；当1<z
e
/z
max
<2时，湖库在无风时有间歇性分层；当z
e
/z
max
>2时，湖库不分层。
[0072]
本方案中的上述方法通过水库中表水层厚度和水库最大深度两个参数就能够实现热稳定性度量指标计算，具有水库的物理参数采集量少，且数据采集容易且采集的数据准确性好，进而保证了水库热稳定性判断的准确性。
[0073]
在步骤s3中，根据水库所处的热分层时期，判断水库底层溶解氧浓度是否逐渐降低，是否处于缺氧状态，若均为是，进入步骤s4，否则热分层水库不需要采取措施提高底层溶解氧。
[0074]
实施时，本方案优先判断水库底层溶解氧浓度是否逐渐降低为：判断热分层水库在热分层初期、中期和末期三个时期的溶解氧浓度是否依次降低；具体为热分层初期的溶解氧浓度＜中期的溶解氧浓度＜末期的溶解氧浓度。
[0075]
在步骤s4中，采用硝酸盐缓解热分层水库底部溶解氧的消耗：
[0076]
在预设时期的库尾增加来水硝酸盐缓冲物质浓度，缓冲底部溶解氧的消耗；根据水库缺氧持续时间、严重程度及水动力特征，确定硝酸盐最适宜的入库浓度；根据不同水位、不同下泄流量，确定硝酸盐最适宜入库时间。
[0077]
本方案在补入硝酸盐后，通过硝酸盐缺氧状态的反硝化作用改善水库底部的溶解氧消耗量；
[0078]
硝酸盐发生反硝化作用时，硝酸盐作为氧化剂氧化有机物的反应过程，反硝化的具体计算公式为：
[0079][0080]
其中，n为反硝化反应减少溶解氧的消耗量，单位为mg/l；为硝酸盐浓度，单位为mg/l；y为反硝化反应中消耗单位质量硝酸盐对氧的缓冲量，为常数取值为2.86；k为20℃下反硝化反应速率，单位为d-1
；θ为反硝化反应的温度调整系数。
[0081]
本申请人通过研究表明溶解氧浓度低于4mg/l条件下no
3-发生反硝化反应还原成气态氮，溶解氧进一步降低会将沉积物中的磷释放出来，以进一步加剧水体富营养化。对
此，为了降低缺氧对水体造成污染，当溶解氧浓度低于4mg/l时，就认为其处于缺氧状态。
[0082]
本方案的提高热分层水库溶解氧浓度的方法，还包括：
[0083]
当水库处于热分层时期时，通过水库的常规调度和抽水蓄能调度加大水体的垂向扰动、增加底部溶解氧的补给，同时在热分层后期降低水库水位、缩减水库缺氧持续时间。
[0084]
在热分层时期，通过调度及水库水位的改善，可以使水库中的水体在垂向发生扰动，以增强水库水动力，改善水库各个分层的溶解氧浓度。
[0085]
综上所述，本方案通过硝酸盐盐缓冲物质的引入，可以通过水库底部(滞温层)的硝酸盐浓度改善溶解氧的消耗，以达到水库底部溶解氧的提高。