一种防止水库富营养化装置和方法与流程

本发明涉及一种防止水库富营养化装置和方法，是一种水资源保护、水生态环境保护与修复的环保装置和方法，是一种改善水库或湖泊等水域水质的装置和方法。

背景技术：

水库在河流治理及水资源开发利用上都具有非常重要的作用。而水体长期滞留库区会引发水体理化性和环境的变化，水质会呈现出与自然流动的河流不同的种种现象。高坝建成后，库内水流变缓，库水更新期加长，水体受太阳辐射和对流混合及热量传输作用，形成特殊的水温结构。即，在日照和气温作用下，库水表面吸收了阳光短波辐射和大气长波辐射的大部分热量，水温迅速升高至与气温相近。而水库的深层水体温升较缓慢，仍然保持较低的温度，形成明显的温度分层结构。呈这种水温状态的水库称为成层型水库。在形成水温分层的水库中，下层的水温与水温跃层相比要低很多。因此，从下层取水时，下方的冷水流出的现象称为冷水现象。水库下泄冷水会影响鱼类产卵和农作物的生长。

另外，水库的水温特性是水库水质的重要指标，而且直接影响其它水质指标。库区的营养盐类持续蓄积，发展成营养盐浓度较高的水体，导致蓝藻类等浮游植物异常增殖，藻华使得水面呈现绿色，供水水体出现异味等问题，严重影响景观以及用水的现象称为富营养化现象。库区内的浮游植物可分为蓝藻类、绿藻类和硅藻类这三类，其中绿藻类和硅藻类基本是几乎不动的，而蓝藻类中具有细胞内有气泡且能上下移动的类型。因此，水库温度分层稳定且水不流动时，蓝藻容易聚集到水面表层。并且，对于滞留在中下层的绿藻类和硅藻类来说，可以利用的光照减少，绿藻类及硅藻类的数量逐渐减少，结果导致蓝藻类占据优势。

浮游植物繁殖的环境因素有日照、水体滞留时间、水温和营养盐。浮游植物的生长是在有机物的合成反应—光合作用超过分解反应—呼吸条件下进行，此过程需要充足的光照条件。水体中向下光线减弱很快，水越深处光合作用越弱。浮游植物的繁殖与水体在水库内的滞留时间密切相关。水体的滞留时间越短，水库水体的流速越快，库区内的浮游植物充分增殖之前就会更新，很难发生异常增殖。另外，藻类的光合作用引起的细胞繁殖的速度随水温上升而加快，而一旦超过某个界限则会下降。藻类的繁殖需要与其种类相适宜的水温，与硅藻类相比，蓝藻类光合作用的适宜温度偏高。

现有技术对水深较深水域的这些问题基本没有什么办法，只是在水面进行搅动，或在水深较深处设置引水洞等方式对水体进行搅动，但作用不十分明显。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种防止水库富营养化装置和方法。所述的装置和方法通过水下曝气过程使水库或湖泊内相对静止的水体产生垂向和横向循环流，解决了浮游植物异常繁殖和水库湖泊富营养化的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种防止水库富营养化装置，包括：设置在形成温度分层的水库库底的曝气器，所述的曝气器通过输气管道与设置在岸上的空气压缩机连接。

进一步的，所述的曝气器包括：两个半球形或两个半圆柱形的开合体，所述的开合体的一侧设有合页并与底座连接，所述的底座固定在水库的库底。

进一步的，所述的开合体的截面形状为圆形、正方形或长方形中的一种。

进一步的，所述的开合体上设有使开合体关闭的弹簧。

进一步的，所述的开合体上设有排水泵。

一种使用上述装置的防止水库富营养化的方法，所述方法的步骤如下：

利用空气压缩机将空气通过输气管道输送到水库底部设置的曝气器中；

当曝气器内的气压力矩和开合体自重力矩之和大于外部水压力力矩和弹簧拉力力矩之和时：

p气×h0气＋g重×h0重＞p水×h0水＋f弹簧×h0弹簧（1）

开合体打开，释放压缩空气，向水体中强制加入空气；

式中，p气为开合体打开的最小内部空气压力，用公式（2）计算；h0气为轴o至p气的垂直距离；g重为曝气器左或右开合体重量，h0重为轴o至g重的水平距离；p水作用于曝气器的水压力，是水平方向水压力px水和垂直方向水压力pz水的合力，px水、pz水和p水分别用公式（3）、（4）和（5）计算；h0水为轴o至p水的垂直距离；f弹簧为连接左右两侧开合体的弹簧拉力，h0弹簧为轴o至f弹簧的垂直距离；

p气=p气×a气（2）

式中，p气为曝气器内部气压，a气为曝气器内部在水平方向投影面积；

px水=γhc×ax水（3）

式中，γ为水的容重，hc为曝气器形心处水深，ax水为曝气器外部在水平投影面积；

pz水=1/2γvp（4）

式中，vp为曝气器的体积；

（5）

当曝气器开合体打开之后水体进入曝气器内，开合体左右水压力达到平衡，同时弹簧拉力力矩大于开合体重力力矩，开合体开始关闭；完全关闭之后，排水泵开始工作，排出曝气器内部的水体，同时岸上的空气压缩机将空气通过输气管道输送到水库底部设置的曝气器中，过程用公式：

f弹簧×h弹簧＞g重×h重（6）

式中，h弹簧为轴o至f弹簧的垂直距离，h重为轴o至g重的水平距离；

从曝气器中释放的空气将周围的水卷入其中；

卷入空气中的低温水团随气体上升到水面，空气散发到大气中；

上升到水面的水迅猛地横向扩散，在水库水面形成横向水流流动；

上升扩散的底层低温水与温度较高的上层水混合后发生急剧下降；

急剧下降之后，在相同密度的水层处横向扩散；

密度较大的水体在下沉过程中，周围密度较小的表层部分的温水也被卷入，从底层卷入的和从上层卷入的不同密度的水混合后，向下沉降并横向扩散；

曝气器长时间持续反复开合时，使中间层的水体上侧部分上升，下侧部分下降，最后，上层整体成为混合层；中间层往下流动时，下层整体形成混合层；混合层破坏了各种藻类的生长条件，抑制了藻类的生长。

本发明产生的有益效果是：本发明利用气体密度小于水体密度和低温水体密度大于高温水体密度的原理，通过水下曝气过程使水库或湖泊内相对静止的水体产生垂向和横向循环流，从而改变水温分层状况，改善浮游植物异常繁殖的水库环境条件，同时解决由水库温度分层引起的下泄冷水现象和水库湖泊富营养化问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述装置的结构示意图；

图2是水库水面的热交换示意图和随水深增加的水温变化曲线；

图3本发明的实施例二、四、五所述曝气器的结构示意图；

图4是本发明的实施例三所述开合体圆形截面形状的示意图，是图3中a-a剖面图；

图5是本发明的实施例三所述开合体正方形截面形状的示意图，是图3中a-a剖面图；

图6是本发明的实施例三所述开合体矩形截面形状的示意图，是图3中a-a剖面图；

图7是本发明实施例六所述方法的原理示意图；

图8是本发明实施例六所述方法中计算开合体临界气压的示意图；

图9是本发明实施例六所述方法中壳体闭合受力计算示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种防止水库富营养化装置，如图1所示。本实施例包括：设置在形成温度分层1的水库库底的曝气器2，所述的曝气器通过输气管道3与设置在岸上的空气压缩机4连接。

高坝建成后，库内水流变缓，库水更新期加长，水体受太阳辐射和对流混合及热量传输作用，形成特殊的水温结构，见图2。即，在日照和气温作用下，库水表面吸收了阳光短波辐射和大气长波辐射的大部分热量，水温迅速升高至与气温相近。而水库的深层水体温升较缓慢，仍然保持较低的温度，形成明显的温度分层结构（见图2中的水温随水深增加的变化曲线）。呈这种水温状态的水库称为成层型水库。在形成水温分层的水库中，下层的水温与水温跃层相比要低很多。

本实施例的主要思路是通过在库底制造间歇性的上升气流，利用气流的上升带动水的上下和横向流动，破坏深水层和浅水层之间稳定的温度差异，即破坏藻类的生长环境，抑制藻类的生长。

本实施例主要三部分构成：设置在水库库底的曝气器、排水泵和设置在岸边的空气压缩机。

曝气器可以有多种形式，只要能够提供足够大的间歇性空气释放即可。如采用一种可以开合的球体或圆柱体，当具有一定压力的空气充满曝气器时，曝气器内的临界气压力矩和开合体自重力矩之和大于外部水压力力矩和弹簧拉力力矩之和，使开合体打开，释放出空气，当空气放出后，开合体在弹簧力的作用下自动闭合，再次充气，反复开合，形成间歇性的空气释放。

曝气器可以固定在水库的底部，也可以设置在流动装置上，如采用遥控的潜水器等。水库一些容易产生藻类繁殖的区域可以设置多个曝气器，形成成组的曝气装置，对整片水域进行藻类治理。曝气器所设置的水深应当在温度分层以下，以便将温度分层以下的冷水带到水面，实现冷热水混合。

空气压缩机可以采用通用的空气压缩机。空气压缩机和曝气器之间可以使用硬管或软管连接，输送空气。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于曝气器的细化。本实施例所述的曝气器包括：两个半球形或两个圆柱状的开合体201，所述的开合体的一侧设有合页202并与底座203连接，所述的底座固定在水库的库底，如图3所示。

本实施例所述的曝气器的开合体可以由工程塑料或钢材等材料制作成壳体，形成带有内部空腔的圆柱体或球体。开合体的两部分接触面形成开合面，在开合面上设置密封的橡胶圈。开合面的形状是开合体的截面形状，开合体是球型时，其开合面（截面形状）是圆形。开合体是圆柱形时，开合面的形状为正方形或长方形，即圆柱形的两倍的回转面形状。

为防止较大杂物进入开合体中，可以在开合面上设置过滤网。

开合体打开的过程，由内部充满的空气形成合力，合起的过程可以使用弹簧等设施。

合页一方面固定在底座上，同时连接开合体的两部分。

底座可以是混凝土块等重物，沉入水底即可，也可以通过锚固的方式完全固定。

所述的开合体还可以连接抽水设置，例如水泵，将闭合后开合体中包含的水排出。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于开合体的细化。本实施例所述的开合体的截面形状为圆形（如图4所示）、正方形（如图5所示）或长方形（如图6所示）中的一种。开合体的开合面上都设有密封圈206和过滤网207。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于开合体的细化。本实施例所述的开合体上设有使开合体关闭的弹簧204，如图3所示。

本实施例所述的弹簧可以是拉簧，即安装在开合体打开端上，也可以是扭簧，即安装在合页上。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于开合体的细化。本实施例所述的开合体上设有排水泵205，见图3所示。

排水泵的作用是排出曝气器内部的水体，同时在开合体内产生一个负压。当开合体放出空气后，被弹簧驱动闭合的时候，开动排水泵，使开合体内的水流产生负压，当开合体完全闭合后，这个负压还会引导空气进入，与空气压缩机一起将空气充满开合体内腔。排水泵可以安装在水中，也可以安装在岸边。

实施例六：

本实施例是一种使用上述实施例所述装置的防止水库富营养化的方法。本实施例所述方法利用气体密度小于水体密度和低温水体密度大于高温水体密度的原理，通过水下曝气过程使水库（或湖泊）内相对静止的水体产生垂向和横向循环流，低温度水体随气泡向上流动到水面，从而改变水库水体温度分层状况，改善浮游植物异常繁殖的水库环境条件，同时解决由水库温度分层引起的下泄冷水现象和水库湖泊富营养化问题。

所述的方法的具体步骤如下，原理如图7所示：

（一）利用空气压缩机将空气通过输气管道输送到水库底部设置的曝气器的开合体中。这时开合体是闭合的，空气进入曝气器的空腔内，使空腔内的空气压力增大。

（二）当曝气器内的气压力矩和开合体自重力矩之和大于外部水压力力矩和弹簧拉力力矩之和时，其作用力如图8所示：

p气×h0气＋g重×h0重＞p水×h0水＋f弹簧×h0弹簧（1）

开合体打开，释放压缩空气，向水体中强制加入空气；

式中，p气为开合体打开的最小内部空气压力，用公式（2）计算；h0气为轴o至p气的垂直距离；g重为曝气器左或右开合体重量，h0重为轴o至g重的水平距离；p水作用于曝气器的水压力，是水平方向水压力px水和垂直方向水压力pz水的合力，px水、pz水和p水分别用公式（3）、（4）和（5）计算；h0水为轴o至p水的垂直距离；f弹簧为连接左右两侧开合体的弹簧拉力，h0弹簧为轴o至f弹簧的垂直距离。

p气=p气×a气（2）

式中，p气为曝气器内部气压，a气为曝气器内部在水平方向投影面积；

px水=γhc×ax水（3）

式中，γ为水的容重，hc为曝气器形心处水深，ax水为曝气器外部在水平投影面积；

pz水=1/2γvp（4）

式中，vp为曝气器的体积；

（5）

当曝气器开合体打开之后水体进入曝气器内，开合体左右水压力达到平衡，同时弹簧拉力力矩大于开合体重力力矩，开合体开始关闭；完全关闭之后，排水泵开始工作，排出曝气器内部的水体，同时岸上的空气压缩机将空气通过输气管道输送到水库底部设置的曝气器中，过程用公式：

f弹簧×h弹簧＞g重×h重（6）

式中，h弹簧为轴o至f弹簧的垂直距离，h重为轴o至g重的水平距离，见图9所示。

（三）从曝气器中释放的空气将周围的水卷入其中。空气从曝气器中涌出后，必然对周围的水体产生作用力，这个作用力将周围水体搅动并使空气和水体产生混合，形成带有空气的水团。

（四）卷入空气中的低温水团随气体上升到水面（图7中的箭头b方向），空气散发到大气中。卷入空气的低温水团在空气的作用下快速上升，同时带动周围的水体一同上升，形成有下而上的瞬间水流。由于开合体所喷出空气周围的水是水温较低的底层水，所以随空气上升的水体密度比水库表面大。

（五）上升到水面的水迅猛地横向扩散（图7中的箭头c方向），在水库水面形成横向水流流动。横向扩展的水是底层的水，所以其密度与底层水的密度接近。

（六）上升扩散的底层低温水与温度较高的上层水混合后发生急剧下降（图7中的箭头d方向）。横向扩散水周边的水体由于是表层的水，所以温度较高、密度较轻。由于较重的水从下面升起到较轻的水中，所以仅扩散一定程度就急剧下降。

（七）急剧下降之后，在相同密度的水层处横向扩散。由于密度不同产生的急剧下降对周围水体形成干扰，并与周围水体混合（图7中的箭头e方向）。

（八）密度较大的水体在下沉过程中，周围密度较小的表层部分的温水也被卷入。从底层卷入的和从上层卷入的不同密度的水混合后，向下沉降并横向扩散。

（九）曝气器长时间持续反复开合时，使中间层的水体上侧部分上升，下侧部分下降，最后，上层整体成为混合层。中间层往下流动时，下层整体形成混合层；混合层破坏了各种藻类的生长条件，抑制了藻类的生长。

最初，水温分布有点倾斜，但通过反复曝气整个水体发生混合。通过循环混合使表层水温下降，从而藻类增殖速度下降，消除蓝藻类占优势的条件。通过循环混合控制光照条件，从而降低藻类繁殖速度，不适宜黑暗条件的藻类减少。通过循环混合稀释蓝藻类浓度较高的表层水，从而消除具有浮力的蓝藻类的优势状态。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如曝气器的形式、放置方式、步骤的先后顺序、各种公式的运用等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。