中小型受污染水库滞水层增氧机理及效应研究

Medium and small size reservoirs are the main ways of urban water supply in our country. Most of them have the characteristics of thermal stratification during from summer to autumn. But at present more than 60% of them are polluted seriously. Even external pollution will been intecepted furthest, if the bottom water is kept long-term dissolved oxygen (DO) depletion, excessive release of nutrients and heavy metals will easily happen from the sediments in the bottom of reservoirs. However, existing measures of increasing DO in the bottom water tend to destroy the natural state of thermal stratification or stir surface sediments, which may bring secondary pollution to water. In view of this, this project takes the medium and small size reservoirs (their average water depth <10m) with exhibition thermal stratification during from summer to autumn as the research object, based on the principle of increasing DO concentration at the hypolimnion effectively, keeping the natural state of thermal stratification and non-stirring the surface sediment, the research approaches of detailed laboratory experiments, field observation and numerical simulations are used to understand the influence of hypolimnetic oxygenation system on DO, temperature, turbulent intensity, nutrients, metals contents in bottom water. The ultimate objective is seeking a better hypolimnetic oxygenation system, which can be practiced to natural reservoirs, formulating the corresponding theory methods and the technical specification. This research work will be important scientific significance and broad application prospects to ensure the safety of water supply and improve the water quality of medium and small size reservoirs.

我国中小型水库是城镇供水的主要途径，其中多数具有夏秋季水温分层的特性，但目前60%以上的水库受污染情况严重。即使最大限度地截断外源污染，当水体底部缺氧时，沉积物中的营养盐、重金属等也易过量释放并引发水环境问题。然而，现有的水体底部增氧措施易破坏水体天然的水温分层状态或搅动沉积物，可能给水体带来二次污染。鉴于此，本项目以中小型（平均水深<10m）且具有夏秋季水温分层型水库为研究对象，通过室内机理试验、野外现场观测试验以及精细数值模拟技术，基于尽可能地有效增加底部滞水层DO浓度、保持水库的水温分层状态且不搅动表层沉积物的原则，系统地研究滞水层增氧措施对下层水体的DO、水温、湍动强度、营养盐、重金属等含量的效应和规律，寻求较优的滞水层增氧模式，制定出相应的理论方法和技术规范，并能应用到国内中小型受污染的水库。这对保障中小型水库的供水安全、改善其水环境具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

我国中小型水库是城镇供水的主要途经，其中多数具有夏秋季水温分层的特性，但目前60%以上的水库受污染情况严重。即使最大限度地截断外源污染，当水体底部缺氧时，沉积物中的营养盐、重金属等也易过量释放并引发水环境问题。鉴于此，本项目以中小型水库和池塘为研究对象，在室内开展了大量的精细机理试验，分析了水体滞水层增氧系统（包括曝气流量、曝气管管径、扩散器形状、淹没水深、水体的流动特性、背景水质、曝气模式等）对水体溶解氧传质效率特性、沉积物耗氧速率、水温、湍动强度、营养盐、重金属等的效应和规律；采用原位观测方法对广东省兴宁市合水水库多点位的水质指标进行监测，分析了合水水库的水质空间分布特征；采用精细数值模拟技术，包括OPENFOAM、SWAT模型、HSPF和WASP耦合模型等，构建了中小型水库滞水层增氧系统运行下水动力-溶解氧-水温-水质浓度场的预测模型，分析了水库滞水层增氧系统对水温分层的影响和规律，分析了水库污染源的种类和占比。得到如下结果：（1）微气泡扩散曝气系统的增氧效果随曝气流量的增大而增强。（2）直线型扩散器的增氧效果最好，其次是C型与圆盘型，最差的是S型。（3）25mm×12mm尺寸的曝气管的充氧效率最高，而不是常用的16mm×10mm。（4）对于浅水体，氧体积传质系数随着淹没水深的增加而下降。（5）平顺流动水体的增氧效果好于静态水体，但差于流动水体中持续产生气泡的情况。(6) 水体流速增大会促进氨氮的释放也增大了水体溶解氧的消耗，硝酸盐氮的浓度受到抑制，间歇性的扰动会增大上覆水硝酸盐氮的含量。水体扰动会抑制磷酸盐的释放，但是水动力升高至一定程度会提高磷的释放。(7)温度对于内源释放有显著影响，20 ~ 25℃时水体中硫酸盐含量处于最高状态。水体中水质指标的变化受多种因素的共同作用，沉积物-水环境是一个联动的动态整体，沉积物或水体的变化都会对整个环境产生变化。