用振蕩射流抑制藍(lán)藻滋長(zhǎng)防止泥沙淤積

1、用振蕩射流抑制藍(lán)藻滋長(zhǎng)防止泥沙淤積摘要：按照控制論的“反饋放大振蕩”的原理所構(gòu)建的雙穩(wěn)態(tài)流體自控振蕩器，可交替地從其兩個(gè)輸出孔斷續(xù)地噴射出變向的水射束，從而促使周圍水體激烈紊動(dòng)，加強(qiáng)水中物質(zhì)的交換能力。振蕩射流擾動(dòng)后之藍(lán)藻能獲得的光合能量將降低四倍，2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間北京抑藻工程成功地保證了“綠色奧運(yùn)”的實(shí)現(xiàn)。流控振蕩器激擾促紊會(huì)導(dǎo)致分層流失穩(wěn)，從而增大河流輸沙能力。由于懸浮功相對(duì)于自變量體積含沙量的二階導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，高含沙濃度的泥漿流不但不會(huì)淤積反而會(huì)急劇沖刷河床，如同經(jīng)常發(fā)生于黃河龍門河段的“揭河底“所表現(xiàn)出來的那樣。關(guān)鍵詞：水生態(tài) 藍(lán)藻毒素 光合作用 流控振蕩器 紊動(dòng)促進(jìn)器 輸沙能力

2、一、前言世界各國(guó)面臨的水資源短缺，不僅表現(xiàn)在水的數(shù)量上，而且反映在水的質(zhì)量方面，中國(guó)亦然。太湖面臨藍(lán)藻危害1，很多水體因藍(lán)藻毒素污染而威脅飲水安全2。南京地理與湖泊研究所對(duì)太湖水環(huán)境演化進(jìn)行了廣泛深入的研究，該所披露的每逢湖面上風(fēng)速大于4m/s，湖面上葉綠素a的含量即與風(fēng)速增幅呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的觀測(cè)結(jié)果很有啟發(fā)性。影響藍(lán)藻消長(zhǎng)的因素有很多，本文僅從水動(dòng)力學(xué)的角度加以分析。也僅就工程流體力學(xué)及水利技術(shù)的領(lǐng)域提出可供選擇的防治手段，以便開展水生態(tài)綜合治理時(shí)考慮采用這一選項(xiàng)的可行性2-6?；痦?xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（c52） a. phase angle 2 b. phase angle c. p

3、hase angle d. phase angle 圖1 一個(gè)振蕩周期內(nèi)不同相位角的振蕩器腔內(nèi)的流速場(chǎng)與壓強(qiáng)場(chǎng)二、加強(qiáng)水體紊動(dòng)的技術(shù)1、流體自控雙穩(wěn)態(tài)振蕩器被用于奧運(yùn)水生態(tài)維護(hù)，主要用之加強(qiáng)水體豎向物質(zhì)交換能力。圖1顯示出在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，其流道腔體內(nèi)不同振蕩相位角時(shí)之流速場(chǎng)與壓強(qiáng)場(chǎng)的分布狀況。借助于fluent商用軟件，采用兩方程模型，以計(jì)算低馬赫數(shù)不可壓流體的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。射流從腔體的兩個(gè)輸出孔口交替斷續(xù)地噴出，勢(shì)必?cái)_動(dòng)水體，誘生湍流渦，導(dǎo)致豎向擴(kuò)散7。2、流控振蕩抑藻集成裝置 如圖2所示，水力自激集成抑藻機(jī)由雙穩(wěn)態(tài)水射束發(fā)生器和節(jié)能高效射流引射器組成。前者把常見的有壓定常管流轉(zhuǎn)變?yōu)閺膰娍谔?/p>

4、向左右交替噴射的水束，左右交替振蕩的周期約為一秒。后者安裝在集成裝置的下部，接近水體底層，引射進(jìn)來的空氣和水混合后，由混合管末端射出，在水底層擴(kuò)散開，然后在浮力作用下一邊繼續(xù)沿混合管軸線延伸方向前行，一邊逐漸上浮。圖2中振蕩器左端的弧型導(dǎo)流片利用射流附壁特性可引導(dǎo)雙穩(wěn)態(tài)射流束在相繼的兩個(gè)半周期分別向上涌和向下沖，形成依次出現(xiàn)的上涌水團(tuán)和下降水團(tuán)。根據(jù)連續(xù)原理將誘生順流螺旋（streamwise vortex），沿射流流向傳播。因上涌時(shí)水與懸于其中的受到浮力作用的微囊藻團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方向相同，其間的相對(duì)速度為二者速度絕對(duì)值之差。而下降時(shí)，其間的相對(duì)速度則為二者速度絕對(duì)值之和。故在螺旋流繞基本為水平方向

5、的軸線完成360度旋轉(zhuǎn)的過程中藻團(tuán)會(huì)從水體獲得向下的沖量。與此相反，對(duì)于密度重于水的沙粒，在經(jīng)歷螺旋流360度旋轉(zhuǎn)的過程中則會(huì)得到向上的沖量。當(dāng)振蕩水舌把藍(lán)藻拖向底層時(shí)，將使藻細(xì)胞得不到陽(yáng)光照射從而減少其光合作用，抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)。而引射管把大氣中的氧氣引導(dǎo)入水底部，形成富氧層使噬磷菌吸取水中磷下沉河底，會(huì)阻止底泥中磷的釋放，斷絕水華的營(yíng)養(yǎng)來源。圖2流體自控振蕩抑藻集成機(jī)結(jié)構(gòu)圖三、振蕩促紊引射充氣抑制藍(lán)藻的機(jī)理光合作用的能力隨水體紊動(dòng)強(qiáng)弱而變化的狀況可用圖3之簡(jiǎn)化圖式對(duì)其趨向獲得鮮明的數(shù)量級(jí)印象。光強(qiáng)度沿水深衰減的分布狀況設(shè)為如圖3(b)所示；水體靜止，熱分層造成微囊藻浮在水表0.1m深范圍內(nèi)設(shè)

6、為如圖3(a)所示；增加湍流豎向擴(kuò)散后，微囊藻均勻分布在1.0m深范圍內(nèi)設(shè)為如圖3(c)所示。圖3(a)和圖3(b)圖形互乘，即為水靜止時(shí)藻種群從太陽(yáng)光（以波長(zhǎng)為550nm的光為代表）中獲得的全部可用于光合作用的光功率，經(jīng)數(shù)值積分知為6.1w。圖3(c)和圖3(b)圖形互乘，即水體被攪拌均勻后藻種群從太陽(yáng)光中獲得的全部可用于光合作用的光功率經(jīng)數(shù)值積分知為1.48w。把水體攪拌增加豎向摻混后，藻群從太陽(yáng)光中得到的光合功率減少倍。給定水體中已知溫度營(yíng)養(yǎng)條件下，光強(qiáng)度i變化導(dǎo)致的藻種群密度的增長(zhǎng)速率，可以用時(shí)間t為自變量表達(dá)為89， （1）對(duì)（1）進(jìn)行移項(xiàng)及積分可得： （2）（2）中為時(shí)之群種密度為

7、t=0時(shí)之藻種初始種群密度10假定，可得對(duì)數(shù)增長(zhǎng)速率之值可由實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)求出，我們利用8中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求，在24恒溫水槽中，保持光照度為205molm-2s-1，得出當(dāng)時(shí)，故得，而當(dāng)光輻照度保持為51molm-2s-1時(shí)，=3.9day,求得 1×104cell/ml molm-2s-1 1×104cell/ml圖a 圖b 圖c（a）水靜止熱分層時(shí)藍(lán)藻沿豎向分布圖；（b）光強(qiáng)度沿豎向分布圖；（c）上下?lián)交炀鶆蚝笏{(lán)藻沿豎向分布圖圖3 沿水深光照衰減與藍(lán)藻分布圖即光輻照度由205molm-2s-1降到51molm-2s-1時(shí)，即降低4.02倍時(shí)，對(duì)數(shù)增長(zhǎng)速率由0.385d-1降為0.

8、178d-1即降低了2.16倍。在北京及江蘇、廣東等地區(qū)的淺湖泊中，夏季6-7月份的表面水溫多維持在20-30，而由于水體積較實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)液大很多，故對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期較長(zhǎng)，以t=30day計(jì)，則當(dāng)水靜止不被攪動(dòng)時(shí)為： 當(dāng)水體被充分?jǐn)噭?dòng)后為：可見，充分?jǐn)噭?dòng)后，藍(lán)藻的月增幅減低五百倍。由微生物生態(tài)學(xué)雜志vezie的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)11可見，若水中溶解磷減少，則藍(lán)藻之增殖將降低。如圖4所示。dw藍(lán)藻增殖量干重，p水中溶解磷含量圖4藍(lán)藻增生量與水中磷含量關(guān)系圖北京防治水華工程中射流引射器中的混合管把氧氣在水底層擴(kuò)散開，阻止了底泥中磷向水表層轉(zhuǎn)移，肯定會(huì)抑制藍(lán)藻的增殖。這種減磷作用與振蕩射流促紊減低光合能力的作用相倍

9、乘，將可進(jìn)一步降低藍(lán)藻的增殖幅度，達(dá)到三個(gè)數(shù)量級(jí)。鑒于該項(xiàng)設(shè)備抑制水華效果顯著，中華人民共和國(guó)水利部于2008年11月評(píng)定之為“水利創(chuàng)新產(chǎn)品”。四、討論1、對(duì)防止藍(lán)藻的工程效果 由北京市水利科學(xué)研究所于2009年1月撰寫了評(píng)價(jià)報(bào)告中可見，在振蕩射流推流曝氣機(jī)1416與生態(tài)基（阿克蔓）的共同作用下，龍?zhí)逗屯沧雍拥乃|(zhì)明顯改善。筒子河在2008年8月分后葉綠素a和bod明顯降低。葉綠素a濃度從8月初的72mg/m3降為何9月初的23mg/m3。2009年8月4日具有權(quán)威資質(zhì)的北京理化檢中心對(duì)朝陽(yáng)公園南湖進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示在振蕩射流機(jī)周圍60m影響范圍內(nèi)葉綠素a濃度為66mg/m3。水表面溫度（0

10、.5m水深處）為27.1，水深1.5m處水溫為26.8。距集成機(jī)300m以外的未受振蕩射流影響的地方葉綠素a的濃度為81mg/m3，水表溫度為28，水深1.5m處水溫為27。對(duì)照17報(bào)告的2005年8月在水面上10m處風(fēng)速約為1m/s時(shí)，太湖葉綠素a的濃度為45mg/l?？紤]到北京龍?zhí)逗统?yáng)公園進(jìn)水皆來自污水處理廠尾水，水質(zhì)較差，而北京公園淺湖中水溫在夏季都和太湖水溫接近，似可認(rèn)為：流體自控振蕩器促進(jìn)了北京湖水的紊動(dòng)，使豎向擴(kuò)散加強(qiáng)，在其影響半徑（5.5kw的集成機(jī)影響半徑可達(dá)60m）范圍內(nèi)破除了溫度分層。朝陽(yáng)公園水中葉綠素a濃度為66mg/m3而太湖的同一參量為45mg/l，相差接近三個(gè)數(shù)

11、量級(jí)，似可為上節(jié)機(jī)理探討的估值提供一參考。2、因泥沙密度大于水，使底層含沙量s大，而底層水流速度小，故斷面輸沙率低下，易生淤積。若以振蕩射流激擾則可使底層泥沙向水表層擴(kuò)散，提高輸沙率。試以蘇北入海河口擋潮閘的積沙沖刷為例，以較簡(jiǎn)化的圖式觀察其趨向131416。圖5中a為退潮時(shí)速度u垂線分布圖，設(shè)水深為1m，表層流速umax=1m/s，流速分布簡(jiǎn)化為拋物線。公式為： (3)圖5b 為無擾動(dòng)時(shí)含沙量s分布圖，底部smax=100kgm-3，垂線平均含沙量=50kgm-3。圖5c為經(jīng)振蕩射流攪拌激擾充分混合時(shí)含沙量s分布圖。s= =50kgm-3，單寬輸沙率，則振蕩擾動(dòng)后的輸沙率qs與無擾動(dòng)時(shí)輸沙率

12、之比為qs擾/ qs無=1.3,即退潮水流帶走泥沙增加了30%。這與作者室內(nèi)試驗(yàn)提高換熱系數(shù)的結(jié)果15是接近的。此次換熱實(shí)驗(yàn)，用18mm銅管放入恒溫?zé)崴壑?，流控振蕩器將冷水壓入銅管進(jìn)行換熱。而根據(jù)流體力學(xué)經(jīng)典文獻(xiàn)12，紊流中熱交換系數(shù)和質(zhì)交換系數(shù)是等同的。3、若河底淤積很厚，沙源充足，如前節(jié)所述流體自控振蕩器持續(xù)促紊，順流螺旋則可加大河流含沙量。而當(dāng)河水含沙的體積比超過一定臨界值后則會(huì)產(chǎn)生異常的沖刷能力。分析如下：以代表沙粒在清水中的沉速，代表沙粒在混水中的沉速，單位體積混水中懸沙維持不沉所需的懸浮功則為： （4）式中和分別為沙和水的密度；為重力加速度。按照清華大學(xué)夏震寰教授的研究【18】：

13、 （5） 式中sv為泥沙在單位體積混水中所占體積比。將式（5）代入（4）式，則得 （6） （7） （8）取，得或1，以，代入（8）式，得所以，當(dāng)時(shí)，為極大值。沙中值粒徑d50=0.015mm 沙粒密度圖6挾沙懸浮功ws和河流含沙體積比sv關(guān)系曲線由圖6中曲線可知，從a點(diǎn)到m點(diǎn)隨著的逐漸增大，懸浮功的值也逐漸增大。 但越過m點(diǎn)后，曲線的右半支，mb段卻反映出挾沙量s愈大河流所需付出的懸浮功愈小的趨勢(shì)。由于一切物理過程都遵循最小能耗定律，所以在，的情況下，河流傾向于攫取更多泥沙以降低能耗。如同黃河龍門段“揭河底”事件所顯示的那樣【19】【20】。自七十二年前， 美國(guó)工程師陶德在美國(guó)土木工程學(xué)報(bào)上披

14、露 ：黃河流量為8490秒立米并含大量泥沙的情況下，于1933年8月間的一天12小時(shí)內(nèi)把龍門河段48公里的河床沖刷出4.57米深，914米寬的溝。其中在禹門口斷面沖深則達(dá)9米。沖起并帶走泥沙1.98億立方米。這種自然界的異?，F(xiàn)象起因之謎迄未被解開；圖6的曲線似可提供點(diǎn)線索。鑒于蘇北入海感潮河流口門多淤積大量細(xì)沙，退潮流速乃地球物理本質(zhì)所決定。故如以流體自控振蕩技術(shù)促進(jìn)水流豎向紊動(dòng)度，使底部細(xì)沙揚(yáng)動(dòng)懸浮，則口門非但不會(huì)再淤塞反而會(huì)沖刷出朝海傾斜的深溝。五、結(jié)語(yǔ)1、在水生態(tài)維護(hù)工程中用流控振蕩器去增強(qiáng)水體的質(zhì)交換與動(dòng)量交換是可行的。2、流控機(jī)構(gòu)在嚴(yán)酷的大自然條件下可長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)。3、當(dāng)以太陽(yáng)能提

15、供電源時(shí)流控設(shè)備將可在郊野大水體中有效抑制藍(lán)藻，并可加大河渠的挾沙能力。參考文獻(xiàn)【1】 秦伯強(qiáng),胡維平,陳偉民.(2004)太湖水環(huán)境演化過程與機(jī)理m.北京:科學(xué)出版社.【2】 劉光釗.(2005)水體富營(yíng)養(yǎng)及其藻害m.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.【3】 張娟,梁前進(jìn),周云龍,智泓,李啟軍,(2006)官?gòu)d水庫(kù)水體中微囊藻毒素及其與微囊藻細(xì)胞密度相關(guān)性研究j.安全與環(huán)境學(xué)報(bào) vol.6 no.5,53-56.【4】 alexanrine pannard, et al,(2007) short-term variability in physical forcing in temperate re

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