暴雨径流潜流对峡谷分层型水源水库水质影响与水质原位改善

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黑河金盆水库属于典型的峡谷分层型水库,是西安市最重要的供水水源,日平均供水80万m3。然而,近年来水体分层造成的底层缺氧和内源污染、表层藻类爆发以及暴雨径流对水库水质产生了显著影响。本文以黑河金盆水库水体分层的季节性变化为切入点,在大量现场监测的基础上,重点研究了:(1)黑河金盆水库热分层形成和混合规律;(2)暴雨径流潜流演变特征及对水库水质影响;(3)暴雨径流与水库潜流相关性及汛期调度方案研究;(4)扬水曝气系统技术改进;(5)不同运行工况下水库水质原位改善效果及运行优化。主要结论和成果包括:(1)4-5月为热分层形成期,期间表层水温迅速升高,垂向温差逐渐增大同时硅藻开始大量繁殖;6-9月为稳定分层期,期间表层水温进一步升高,6月底水库底部出现厌氧,沉积物中N、P、Fe、Mn、硫化物等开始释放,同时上层水中蓝藻开始转变为优势藻种,此间暴雨径流会对水库的热分层结构、水质产生显著影响;10月初随气温降低,温度分层开始削弱。自然混合时间一般在12月底或来年的1月初,完全混合初期水质恶化,随后水库完全混合状态基本保持至3月底。(2)高洪峰流量(入库流量大于1500m3/s)入库由底层潜入,潜流影响区域浊度高达3000NTU以上。高入库径流潜流破坏了潜流影响区域的分层结构,径流携带的悬浮物质及腐殖质造成潜流影响区域氨氮、总磷、总有机碳、高锰酸盐指数等指标全部升高。大入库流量(500-1500m3/s)由中部潜入,等温度层潜流强度沿程衰减较快,对主库区影响较小。尤其值得注意的是,暴雨径流一方面提升水体溶解氧,另一方面水中携带的污染物加剧了溶解氧的消耗,带来水质污染风险。(3)建立了不同季节入库径流量-含沙量-水温-入流密度关系,确定了不同季节、不同入流强度下潜流位置及基本变化规律,提出了汛期优化调度方案,实现水库汛期排浊蓄清、分层取水、优水优供,有效规避高浊、高有机负荷原水对水厂运行的冲击,保证水厂的安全稳定运行。得出近9年入库流量Q和入库含沙量S的拟合关系为:S=0.4655×e0.0024Q(R2=0.7114);上游水文监测断面入库含沙量S和主库区控制断面含沙量S主峰值的拟合关系为:S主=0.034×e0.233S(R2=0.768)。对近9年不同季节、不同入库流量条件下入流水温进行汇总,由入流水温和主库区控制断面含沙量可以估算入流密度,根据典型月温度-密度分布可推算出潜流位置,潜流位置计算值与实测结果吻合良好。汛期取水应避开高浊潜流水层并充分利用潜流位置在高程545m附近的潜流泄洪,实现优水优供、排浊蓄清。(4)对扬水曝气系统进行技术改进:依据CFD模拟结果,降低设备导流高度,以满足低水位运行和提高混合效率;利用发明专利增设输气管路稳压系统以解决输气管路变形问题;依据CFD模拟结果,在不引起底部泥沙再悬浮的条件下降低设备底部距库底高度,同时更换微孔曝气装置,以提高底层水体溶解氧传质速率;通过理论计算及生产性实验,在曝气室顶部增设35个2mm微孔,以实现单独等温层充氧。(5)等温层充氧运行15天,底部厌氧层高度由17m降低至3.2m,等温层充氧过程未造成中上层水体浊度提升;控藻运行40天,表层藻类由运行前的9000万个/L降低至300万个/L以下,削减96.6%,系统运行期间底层溶解氧升高至10mg/L以上,内源污染物释放得到抑制;2013~2015年每年9月底至10月,系统全层混合充氧,运行35天后,水库实现提前混合,垂向水体总磷、铁分别降低至0.015mg/L和0.1mg/L以下,平均削减74%和80%,系统运行增强了水中微生物的代谢活性和水体自净能力,提高了脱氮细菌的脱氮能力,运行前后底层总氮削减20.5%。初秋季节通过扬水曝气系统运行实现水体提前2个多月混合,利用秋冬季节气温降低的条件,实现了扬水曝气系统运行与诱导自然混合过程的衔接,使水库良好的水质状态延长至6个月以上,有效改善了水库水质。
摘要第4-6页
Abstract第6-8页
1 绪论第13-24页
    1.1 研究背景及意义第13-14页
    1.2 研究现状第14-21页
        1.2.1 湖泊水库水质季节性变化规律及水质问题第14-17页
        1.2.2 暴雨径流对水库水质影响第17-18页
        1.2.3 混合充氧水质原位改善技术第18-21页
    1.3 课题研究的主要内容第21-23页
    1.4 研究的技术路线第23-24页
2 研究区域概况第24-33页
    2.1 黑河流域概况第24-25页
        2.1.1 流域自然地理概况第24-25页
        2.1.2 社会经济状况第25页
    2.2 黑河引水工程及黑河金盆水库概况第25-26页
        2.2.1 黑河引水工程概况第25-26页
        2.2.2 黑河金盆水库概况第26页
    2.3 黑河流域日平均气温变化第26-27页
    2.4 黑河流域降雨量变化第27-29页
        2.4.1 月降雨量分布第27-28页
        2.4.2 日降雨量分布变化第28-29页
    2.5 黑河金盆水库水情第29-33页
        2.5.1 月入库、出库水量变化第29-30页
        2.5.2 黑河金盆水库水情第30-33页
3 黑河金盆水库热分层形成和混合规律第33-44页
    3.1 材料方法第33-35页
        3.1.1 监测断面布设第33-34页
        3.1.2 样品采集第34页
        3.1.3 现场水质监测分析第34-35页
        3.1.4 实验室水质监测分析第35页
    3.2 水库分层形成和混合规律第35-38页
    3.3 分层形成与混合过程中水质变化第38-42页
        3.3.1 溶解氧分布和演变规律第38-41页
        3.3.2 浊度分布和演变规律第41-42页
    3.4 本章小结第42-44页
4 暴雨径流潜流演变特征及对峡谷分层型水库水质影响第44-72页
    4.1 材料方法第44-47页
        4.1.1 沿程监测断面布设第44-45页
        4.1.2 样品采集第45页
        4.1.3 水质监测分析第45页
        4.1.4 现场流速测量第45-47页
    4.2 暴雨径流潜流的形成和潜入第47-48页
    4.3 高流量径流潜流演变特征及对水库水质影响第48-59页
        4.3.1 黑河流域及黑河金盆水库水情第48页
        4.3.2 降雨期间径流潜流在主库区的演变过程第48-51页
        4.3.3 入库高浊潜流沿程演变特征第51-56页
        4.3.4 暴雨径流潜流对主库区水质影响第56-58页
        4.3.5 暴雨径流对主库区影响程度及持续时间分析第58-59页
    4.4 大流量径流潜流演变特征及对水库水质影响第59-66页
        4.4.1 黑河流域及黑河金盆水库水情第59-60页
        4.4.2 大流量径流沿程水质演变特征第60-63页
        4.4.3 潜流影响区域第63-64页
        4.4.4 暴雨径流潜流对主库区水质影响第64-66页
    4.5 中低流量潜流演变特征及对水库水质影响第66-70页
        4.5.1 黑河流域及黑河金盆水库水情第66页
        4.5.2 中低流量径流沿程水质演变特征第66-69页
        4.5.3 暴雨径流对主库区影响程度及持续时间分析第69-70页
    4.6 本章小结第70-72页
5 暴雨径流与水库潜流相关性及汛期调度优化研究第72-86页
    5.1 材料方法第72页
        5.1.1 采样点布设第72页
        5.1.2 样品采集与分析第72页
        5.1.3 数据分析第72页
    5.2 入流含沙量分析第72-74页
        5.2.1 入库口断面流量、含沙量对应关系第72-73页
        5.2.2 入流含沙量与主库区控制断面含沙量对应关系第73-74页
    5.3 入流水温分析第74-77页
        5.3.1 入流水温变化第74-75页
        5.3.2 入流水温与平均气温之间关系第75-76页
        5.3.3 洪峰流量下入流水温变化第76-77页
    5.4 不同季节、不同入库流量条件下潜流位置计算第77-80页
        5.4.1 典型季节主库区垂向水温和密度分布第77-78页
        5.4.2 典型季节、典型入流条件下潜流水体密度与潜流位置第78-80页
    5.5 汛期水库调度优化研究第80-84页
        5.5.1 汛期引水方案第80-81页
        5.5.2 汛期排浊方案第81-84页
    5.6 本章小结第84-86页
6 黑河金盆水库水质原位改善技术改进第86-104页
    6.1 黑河金盆水库扬水曝气水质改善系统第86-88页
        6.1.1 扬水曝气水质改善工程背景第86-87页
        6.1.2 扬水曝气水质改善工程概况第87-88页
        6.1.3 扬水曝气水质改善系统运行情况第88页
    6.2 系统运行过程中出现的主要问题及对策第88-102页
        6.2.1 水库实际运行水位低于设计水位第89-92页
        6.2.2 输气管路问题第92-95页
        6.2.3 设备安装高度偏高影响充氧效率第95-98页
        6.2.4 入库洪峰浊水影响系统正常运行第98-102页
    6.3 技术改进工程的实施第102-103页
    6.4 本章小结第103-104页
7 水库水质原位改善效果及运行优化第104-137页
    7.1 等温层充氧水质改善效果研究第104-108页
        7.1.1 运行情况第104-105页
        7.1.2 监测点设置第105页
        7.1.3 充氧效果第105-107页
        7.1.4 水质改善效果分析第107-108页
    7.2 全层混合控藻水质改善效果研究第108-115页
        7.2.1 藻类爆发情况第108-110页
        7.2.2 扬水曝气系统运行情况与监测点设置第110页
        7.2.3 扬水曝气系统控藻效果分析第110-115页
    7.3 全层混合充氧实现水体提前混合水质改善研究第115-132页
        7.3.1 运行情况与监测点设置第115页
        7.3.2 水质改善效果分析第115-127页
        7.3.3 水质良好状态持续第127-132页
    7.4 扬水曝气水质改善系统运行条件与运行优化第132-135页
        7.4.1 扬水曝气系统运行条件第132-134页
        7.4.2 扬水曝气水质改善系统运行优化第134-135页
    7.5 本章小结第135-137页
8 结论与建议第137-141页
    8.1 主要研究成果及结论第137-140页
    8.2 研究特色与创新性成果第140页
    8.3 建议与研究展望第140-141页
致谢第141-142页
参考文献第142-153页
攻读博士期间主要研究成果第153-156页
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论文编号ABS3319372,这篇论文共156页
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