一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法，包括以下步骤：首先求出分层湖泊水库水体完全混合后的水温，计算湖泊水库水体混合前后的重心；采用不同水位下的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水温分层所需的最小理论能量；破坏湖泊或水库水温分层所需的最小能量即是破坏分层后水体的势能增加量，破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率为破坏湖泊或水库水温分层所需的最小能量与破坏水温分层系统的实际输入能量之比。以西安S水库为例，应用本发明估算了该水库不同季节破坏分层所需最小能量和人工混合破坏水温分层系统的能量效率。
【专利说明】一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，涉及破坏湖泊水库水温分层研究，具体 涉及一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法。
【背景技术】
[0002] 深水型湖泊水库水体温度具有明显的季节性沿深度成层分布的特点，在多数水深 超过30m的水源水库中都会普遍出现温度分层现象，一般夏季自上而下形成变温层、温度 梯度较大的跃温层和水温恒定的等温层的典型水温分层结构。在分层湖库底层水体，溶解 氧受跃温层浮阻力的作用而得不到补充，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，底泥中的无机和有机污染物会大量释放形成 湖库内源污染，内源污染使表层水体磷、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等一系列水质问题。水温分层是导致分层湖库水质内源污 染和富营养化的重要诱因之一，为保证和提高深水型湖泊水库的水质，破坏湖库水体温度 分层是一种经济有效的水质改善方法。理想的破坏分层技术应该效果好、能耗低、排碳少， 但在计算破坏分层系统的能量需求方面存在较大的不确定性，在优选各种破坏分层技术时 也面临能量效率的计算基准缺乏问题。实际湖泊水库的地形和水温结构非常复杂，计算破 坏分层系统的能量输入很具有挑战性。
[0003] 目前涉及破坏水库水温分层系统的能量效率计算方法可以根据理论方法：稳定系 数
【权利要求】
1. 一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 根据湖泊或水库水体水温分布情况，计算出湖泊或水库水体水温分层时的等效重心 高度； 2) 根据质量和热量守恒定律，计算湖泊或水库水体温度分层被破坏、完全混合后的平 均水温； 3) 根据湖泊或水库水体温度分层被破坏、完全混合后的平均水温与其密度的垂向分布 以及混合后的湖泊或水库水体总体积计算出混合后水体等效重心高度，求出湖泊或水库水 体温度分层被破坏、完全混合前后水体势能增加量； 4) 破坏湖泊或水库水温分层所需的最小能量即是破坏分层后水体的势能增加量，破坏 湖泊水库水温分层系统的能量效率为破坏湖泊或水库水温分层所需的最小能量与破坏水 温分层系统的实际输入能量之比。
2. 根据权利要求1所述的一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法，其 特征在于，步骤1)中，具体分为如下步骤： 1-1)根据湖泊或水库水体水温分布情况，将水体沿垂向每隔一定间距分为一层，其中， 对于上部变温层、中部跃温层以及底部等温层，间距分别取2?5m、lm以及2?5m ;对于第 一层水体，层顶即为水面，层底位于第一、第二测量点的平均水深处；对于第二层水体，层顶 为第一层水体的层底，层底位于第二、第三测量点的平均水深处；对于最后一层水体，层顶 为上一层水体的层底，层底即为水体底部，每层垂向距离的中点被视为每层水体的重心； 1-2)每层水体的温度为Tn，密度为Pn，运用湖库库容与水位的关系求得每层水体的 体积Vn，则等效重心高度为：? = E Mnhn/ E Mn，式中：Mn为混合前每层水体的质量；hn 为水平面到每层水体重心的距离。
3. 根据权利要求2所述的一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法，其 特征在于，步骤2)中，湖泊或水库水体温度分层被破坏、完全混合后，假设破坏分层期间热 量Q不损失，混合后的平均水温T2由式：Q = E cMnTn = E cMi2T2计算，其中，c为水的比热 容，Mi2为混合后每层水体的质量，且E Mi2 =E Mn。
4. 根据权利要求3所述的一种破坏湖泊水库水温分层系统的能量效率的计算方法，其 特征在于，步骤3)中，由混合后的平均水温，得到混合后每层水体的密度p i2以及混合后的 总体积V2 ;混合前后水体的体积变化量A V = E Vn-V2，对于实际湖泊或水库，水体体积取 决于水库的地形以及水深，实地测量湖泊或水库的水体体积的技术难度很大，混合后水体 的水深h2由库容与水位的关系求得；引入变化水深变化系数S = hyhp hi为混合前水温 分层水库水深；混合后每层重心高度hi2由混合前对应微层的水深hn乘以水深变化系数S 求得，则混合后水体等效重心高度为：氏2 = E Mi2hi2/ E Mi2 ;由于水体混合后重心上移，引起 水体势能增加，其增加量为：A Ep = MTgO^-Hj，破坏分层所需的最小能量即为水体混合 后势能的增加量A Ep。
【文档编号】G06F19/00GK104361232SQ201410636742
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】孙昕, 程雪娜, 叶丽丽 申请人:西安建筑科技大学