分层型水源水库人工诱导二次持续混合的水质改善机制与水质效应研究

In order to solve the problems of hypolimnetic anoxia, endogenous pollution and eutrophication during the stratified period, high load water pollution when the natural mixing occured, and to exert the favorable effects on continuously increasing dissolved oxygen and improving water quality during the natural mixing process, the focused research work of this project are as follows, on the basis of the study of water quality evolution characteristics in stratified reservoirs and artificial mixing-oxygenating technology, (1)Effects of thermal regime on water quality evolution processes and its mechanism, (2) Dynamic process and control conditions for destroying stratification, inhibiting the release of endogenous pollution and controlling algal blooms by artificial mixing-oxygenating technology, (3) Synergistic effect on water quality continuous improvement of artificial mixing and induced natural mixing of stratified reservoirs, (4) Mechanism , technique and dynamic process of water quality evolution after complete of natural mixing induced by the artificial mixing of the reservoir. By making the fullest use of reservoir natural mixing process and the existing engineering platform, the operating conditions of the artificial mixing system which induces natural mixing of reservoir will be optimized, and effects and technical strategy on water quality improvement for stratified reservoir of water source will be proposed in order to provide theoretical guidance and technical support for inhibiting the release of endogenous pollution , controlling algal blooms, continuously improving water quality and reducing power consumption.

以分层型水库自然分层混合过程的水质效应及人工强制混合技术改善水质的研究为切入点，针对水源水库分层后底层缺氧、内源污染与富营养化加剧的突出问题，以及水库自然混合后水质周期性高负荷污染、底层溶解氧大幅提高的水质演变特征，重点研究：①动态分层条件下水库水质演变过程与机制，②人工强制混合破坏水库水体分层、抑制内源污染和藻类繁殖的动力学过程与控制条件，③人工强制混合与诱导水库自然混合过程衔接和水质改善协同作用，④人工诱导水体自然混合完成后水质演变机制与动力学过程等关键理论和技术方法问题，并充分利用水库自然混合过程和现有技术与工程平台，建立分层水源水库人工诱导二次混合系统的优化运行条件、持续改善水质的技术方法与改善效果，以期为有效解决分层型水源水库内源污染、藻类高发和自然翻转混合期的高负荷水质污染等突出问题，长时间持续改善水库水质、降低能耗提供科学的理论依据和技术支撑。

本项目采用水库现场原位研究-水质建模计算-实验室模拟相结合的方法，探明了动态分层条件下水库水质演变过程与机制，利用水动力学模型系统研究了水体分层结构的季节性演替过程及影响因素，明确了人工强制混合破坏水库水体分层、抑制内源污染和藻类繁殖的动力学过程与控制条件，确定了人工强制混合与诱导水库自然混合过程衔接条件和水质改善协同作用，充分发挥了人工诱导二次混合作用，持续改善水质，节省人工强制混合充氧系统的能耗，并将本项目的技术成果成功应用于多个水库。主要包括：（1）探明了动态分层条件下水库水质演变过程与机制；利用MIKE3水动力学模块建立了深水型水库三维水温模型，对水体分层结构的形成与演替进行模拟，平均误差小于5.9%；高入流量，低水位，低气温有助于人工强制混合充氧技术破坏降低水体分层稳定性，延长水体持续混合时间；沉积物-水界面耗氧是导致底部水体溶解氧迅速耗竭的主要因素，而温跃层对水体溶解氧向下传质的阻碍作用则是导致底部水体厌氧，内源污染物大量释放的根本原因；水体分层导致水体微生物产生显著分层差异，同时分层的形成极大地抑制了底部水体微生物的代谢活性。（2）扬水曝气系统对水体的混合效率为5.36%~7.30%，是其他相关技术效率的2~3倍；气温是影响扬水曝气破坏水体分层的重要指标；扬水曝气系统对底部水体平均日充氧量为1264.72 kg，充氧过程可有效增加溶解氧传至进入沉积物的扩散通量，提高微生物活性，增强有机质的矿化速率，控制内源污染物向上覆水体释放。人工强制混合过程可有效提高水体微生物活性及生物多样性，破坏水体分层带来的水体分层差异性，提高微生物对有机碳源的利用能力。（3）人工强制混合充氧与自然混合过程衔接的基本条件为：人工强制混合结束时水库水体基本实现完全混合；系统关闭时日平均气温应当低于混合水体水温。（4）人工诱导条件下自然持续混合过程较往年延长了2~3个月，高溶解氧条件对水体有机质、氮磷等营养盐去除效果明显，水质得到明显提升，解决了低能耗-人工强制混合的难题。