一种基于气泡幕阵列的防污扩散方法与系统与流程

本发明涉及环保疏浚，尤其涉及一种防污扩散方法与系统。

背景技术：

1、疏浚是采用机械、水力及人力进行水下土石方开挖施工，然而疏浚过程会引起细颗粒泥沙的悬浮和扩散，为防止这种扩散污染，基本措施是在疏浚施工区域外布设防污帘，若有泥驳等船舶进出疏浚施工区域，需要频繁移动防污帘，另一种措施是放置气泡幕，气泡幕较于防污帘的优势是不阻碍船舶正常移动。

2、气泡幕是底床上开孔管产生的气泡带动水体而形成的向上羽流。该羽流在水面附近又形成水平回流，在水平回流的作用下，浑水回到浑水区域，从而将悬浮的疏浚底泥限制在疏浚区域内，防止泥沙扩散污染。气泡幕属于非物理屏障，因气泡幕供气量设置不合理的原因，常常导致气泡幕不能完全防止泥沙颗粒扩散，当气泡幕供气量过小时，仍然有部分泥沙颗粒穿过向上羽流扩散，造成水体污染，无法有效控制颗粒泥沙的泄露扩散，当气泡幕供气量过大时，气泡幕风机长时间的高负荷工作既不安全也造成了能源浪费。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于气泡幕阵列的防污扩散方法与系统，以解决现有的疏浚工程中气泡幕无法有效防止泥沙泄漏的问题。

2、为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

3、本发明提供一种扰动物质防污扩散方法，包括气泡幕阵列，所述气泡幕阵列包括多列平行布置的开孔管，所述方法包括下述步骤：

4、步骤1：获取现场水域深度h、水体表面泥沙随流扩散速度um以及浑水泥沙浓度cm；

5、步骤2：根据步骤1获取的h和um，确定第n列气泡幕单宽供气量n＝1,2,3……,nmax；

6、步骤3：根据获取的h、和cm，结合气泡幕作用下泥沙浓度随流扩散计算，确定第n+1列气泡幕位置的泥沙泄漏浓度c；

7、步骤4：判断第n+1列气泡幕位置的c是否超过设定阈值，若超过设定阈值，开启第n+1列气泡幕；

8、步骤5:重复步骤2至步骤4的方法，依据已经确定的各气泡幕的数据计算后续各列气泡幕位置的c值，直至c值满足设定阈值要求，完成气泡幕阵列的防污扩散设置。

9、通过上述设计，通过疏浚工程现场的水深、浑水浓度、浑水随流扩散速度确定气泡幕的单宽供气量以及气泡幕数量，降低了疏浚工程给环境带来的污染，同时，在控制颗粒泥沙扩散污染的前提下，达到节能减排的目的。

10、进一步的，在步骤2中，所述气泡幕单宽供气量通过以下公式获取：

11、

12、其中，g表示重力加速度；hatm为标准大气压水头。

13、进一步的，所述泥沙浓度随流扩散计算包括如下步骤：

14、步骤3.1：根据h和第n列气泡幕单宽供气量通过气泡羽流计算，获取气泡羽流中心处垂向时均速度垂向速度分布标准差σ和紊动粘滞系数μt；

15、步骤3.2：根据结合气泡幕水平流任一点流速计算公式，确定表层水平流速u；

16、步骤3.3：根据cm、和u结合σ和μt以及泥沙颗粒随流扩散稳定浓度计算公式，确认第n+1列气泡幕位置的c。

17、进一步的，所述步骤3.1中，所述气泡羽流计算具体为：

18、所述气泡羽流计算根据h和第n列气泡幕单宽供气量由无量纲羽流动量方程和无量纲动能方程，结合紊动粘滞系数计算公式，确定σ和μt；

19、所述无量纲动量方程为：

20、

21、式中，k为气泡羽流水质点脉动动能垂向分量与时均动能垂向分量之比；

22、λ表示为气泡羽流时均速度分布标准差与时均质量分布标准差之比；

23、υ、ζ、ξ均为无量纲参数；

24、所述无量纲参数υ表达式为：

25、

26、式中，δw为相对于羽流的气泡滑移速度；

27、所述无量纲参数ζ表达式为：

28、ζ＝z/h*；

29、式中，z表示为水深高度；

30、h*为标准大气压水头hatm与现场水深h之和；

31、所述无量纲参数ξ表达式为：

32、

33、所述气泡羽流动能方程为：

34、

35、式中g表达式为：

36、

37、式中，i为经验常数项；

38、所述紊动粘滞系数计算公式为：

39、

40、式中w表示为垂直流速分量时均值，且满足

41、进一步的，所述k、λ、以及δw均为经验参数，其中，所述k取值范围为0.28-0.32，所述λ取值范围为0.475-0.525，所述δw取0.28m/s-0.32m/s，所述经验值常数项i取值为0.12-0.14。

42、进一步的，步骤3.2中，所述气泡幕水平流任一点流速计算公式为：

43、

44、式中，x为表层水平流任一点位置到气泡幕的距离，z为表层水平流任一位置到水底的高度，umax为表层最大水平流速度；

45、所述表层最大水平流速度umax表达式为：

46、

47、进一步的，步骤3.3中，所述第n+1列气泡幕位置的c是通过以下方法确认得到：

48、

49、式中，c为泥沙泄漏浓度；

50、m为随水平流扩散浓度计算的单位长度线源强度，m＝fsft(c0)；

51、其中，随水平流扩散浓度计算的源浓度

52、dth为水平流内紊动扩散系数，

53、u为水平流内平均流速，

54、上式中：

55、上式中，m′为随气泡羽流扩散浓度计算的单位长度线源强度；

56、dtv为羽流内紊动扩散系数，

57、w为气泡羽流垂向平均速度，

58、所述随气泡羽流扩散浓度计算的单位长度源强度m′表达式为：

59、m′＝fsft(cm)；

60、式中，ft为时间上的傅里叶变换；

61、fs为空间上的傅里叶变换。

62、进一步的，在步骤1中，所述h通过测深仪获取，所述um通过记录浑水通过相邻固定标记物的时间获取，所述cm通过浊度计获取。

63、进一步的，相邻的单列气泡幕的彼此间距为5-7倍的现场水域深度h。

64、第二方面，本发明提供一种基于气泡幕阵列的防污扩散系统，包括测量装置、控制装置以及气泡幕阵列，所述控制装置包括数据存储模块和数据处理模块，所述数据存储模块存储有气泡幕单宽供气量计算公式、气泡羽流计算、气泡幕水平流任一点流速计算公式以及泥沙颗粒随流扩散稳定浓度计算对应的处理程序：

65、所述测量装置，用于测量现场水域深度h、水体表面泥沙随流扩散速度um以及浑水泥沙浓度cm并传输至所述控制装置；

66、所述控制装置，用于接收现场水域深度h、水体表面泥沙随流扩散速度um以及浑水泥沙浓度cm通过所述数据处理模块结合所述数据存储模块中存储的处理程序获取气泡幕单宽供气量与气泡幕开启数量对应的动作信息，并传输至气泡幕阵列；

67、所述气泡幕阵列，用于接收气泡幕单宽供气量与气泡幕开启数量对应的动作信息并执行调整气泡幕供气量与开启对应动作信息数量的气泡幕。

68、有益效果：

69、本发明提供的一种基于气泡幕阵列的防污扩散方法，根据疏浚工程现场的水深、浑水浓度、浑水随流扩散速度，确定气泡幕的单宽供气量与气泡幕数量，降低了疏浚工程给环境带来的污染，可以灵活根据疏浚工程现场情况来进行气泡幕开启数量以及供气量的设置，在保证防细颗粒泥沙扩散效果的前提下，达到节能减排的目的。

70、在本发明提供的一种基于气泡幕阵列的防污扩散方法中，通过气泡幕阵列的形式，合理设置气泡幕的间距，尽可能降低了细颗粒泥沙对清水侧的影响，保护环境。

71、本发明提供的一种基于气泡幕阵列的防污扩散系统，通过测量装置，快速对疏浚工程现场施工区域进行测量，通过控制装置快速便捷的获取气泡幕的供气量以及开启数量，尽可能减少了细颗粒泥沙扩散对环境的污染。