分层型水源水库水温模拟及扬水曝气系统运行优化研究

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1、分层型水源水库水温模拟及扬水曝气系统运行优化研究Watertemperaturesimulationofastratifiedsourcewaterreservoirandoptimaloperationofwater-liftingaeratorsystem.基金资助：国家自然科学基金面上项目（No.51478378）FinancialSupport:ProjectoftheNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.51478378）西安建筑科技大学博士学位论文分层型水源水库水温模拟及扬水曝气系统运行优化研究专业：市政工程博士生：

2、李扬指导教师：黄廷林教授摘要金盆水库属峡谷深水型水源水库，夏季具有稳定的热分层。本文以金盆水库为研究对象，采用数值模拟、水质原位监测及实验室测试相结合的方法，系统性研究了金盆水库热分层及水质的演变特征；建立了适用于金盆水库的三维水温模型以探究水体热分层的影响因素；研究了扬水曝气系统的混合充氧效果及混合效率并提出系统运行的优化方案。论文的主要研究成果和结论如下：（1）进一步探明了金盆水库水体热分层与水质的演变特征。金盆水库为单混合循环模式，分层时间长，混合时间短，5月份底层出现高达20m的厌氧水层。暴雨径流的发生为水体补充了溶解氧，但未破坏热分层结构，径流过后底层水体重新进入厌氧状

3、态。底层长期厌氧使内源污染加剧，总氮、总磷、铁和锰月平均浓度最大值分别超过Ⅲ类水体标准限值的2.2倍、1.52倍、3倍和3.2倍，水质出现季节性恶化的现象。（2）建立了适用于金盆水库的三维水温模型，探明了热分层的主要影响因素。基于MIKE3软件建立水库三维水温模型，结合实测地形采用Sigma/Z-level方法划分网格，更好地适应了地形变化以提高模拟精度。利用实测水温数据，对模型的紊流方程组与气水界面热交换方程组参数进行率定并对模型进行验证，模拟结果与实测数据吻合良好。结合2004年~2016年的气象、水文数据，以各因素的历史最高值与最低值作为计算工况，模拟了不同气象与水文条件对

4、热分层结构的影响。结果表明高入流量，低水位，低气温，低辐射量，低入流水温以及深层取水能够降低水体热分层稳定性，缩短温跃层存在的时间，降低分层带来的季节性水质恶化风险。入流水量，水位，气温是影响热分层的主要因素。深层取水能够在秋季促进水体混合，与控制水库水位联合应用，是水库运行调度时一种可采纳的方案。西安建筑科技大学博士学位论文（3）研究了扬水曝气系统的混合充氧的效果，建立了系统混合效率的计算方法。采用建立的水温模型，模拟了系统运行期间自然状态下热分层变化过程。与实测水温数据对比表明了系统的运行能够有效减弱热分层稳定性并促进水体混合。系统运行充氧效果十分明显，至运行结束时底部厌氧层

5、消失，并出现溶解氧过饱和区域。建立了系统混合效率的计算方法，计算结果显示相比于其他技术，扬水曝气技术混合效率更高，应用范围更广。（4）提出了扬水曝气系统优化运行的方案。针对扬水曝气系统的混合充氧功能，结合不同季节热分层的主要影响因素，提出系统在不同时期运行的优化方案。春季主要解决底层水体的厌氧问题，并降低表层水温预防藻类大量繁殖。夏季主要针对藻类爆发及暴雨径流过后的底层厌氧问题。秋季主要改变水体热分层结构，促进水体混合，实现人工强制混合与自然混合的有效衔接以持续改善水质。方案涵盖了动态分层的各个时期，可为扬水曝气系统的运行提供科学合理的决策依据。关键词：水源水库；热分层；水温模拟

6、；扬水曝气；运行优化西安建筑科技大学博士学位论文Watertemperaturesimulationofastratifiedsourcewaterreservoirandoptimaloperationofwater-liftingaeratorsystem.Specialty：MunicipalEngineeringPh.DCandidate：YangLiSupervisor：Prof.TinglinHuangAbstractJinpenReservoirisacanyon-shapedsourcewaterreservoirwithadeepwaterdepthandsta

7、blethermalstratification.Basedonthecombinationofnumericalsimulation,in-situwaterqualitymonitoringandlaboratorytest,astudywascarriedoutonJinpenReservoir.Thisresearchwasmainlyfocusedonthedynamiccharacteristicsofthermalstratificationandwaterqual