本發(fā)明涉及一種防止水庫富營養(yǎng)化裝置和方法，是一種水資源保護、水生態(tài)環(huán)境保護與修復的環(huán)保裝置和方法，是一種改善水庫或湖泊等水域水質(zhì)的裝置和方法。

背景技術(shù)：

水庫在河流治理及水資源開發(fā)利用上都具有非常重要的作用。而水體長期滯留庫區(qū)會引發(fā)水體理化性和環(huán)境的變化，水質(zhì)會呈現(xiàn)出與自然流動的河流不同的種種現(xiàn)象。高壩建成后，庫內(nèi)水流變緩，庫水更新期加長，水體受太陽輻射和對流混合及熱量傳輸作用，形成特殊的水溫結(jié)構(gòu)。即，在日照和氣溫作用下，庫水表面吸收了陽光短波輻射和大氣長波輻射的大部分熱量，水溫迅速升高至與氣溫相近。而水庫的深層水體溫升較緩慢，仍然保持較低的溫度，形成明顯的溫度分層結(jié)構(gòu)。呈這種水溫狀態(tài)的水庫稱為成層型水庫。在形成水溫分層的水庫中，下層的水溫與水溫躍層相比要低很多。因此，從下層取水時，下方的冷水流出的現(xiàn)象稱為冷水現(xiàn)象。水庫下泄冷水會影響魚類產(chǎn)卵和農(nóng)作物的生長。

另外，水庫的水溫特性是水庫水質(zhì)的重要指標，而且直接影響其它水質(zhì)指標。庫區(qū)的營養(yǎng)鹽類持續(xù)蓄積，發(fā)展成營養(yǎng)鹽濃度較高的水體，導致藍藻類等浮游植物異常增殖，藻華使得水面呈現(xiàn)綠色，供水水體出現(xiàn)異味等問題，嚴重影響景觀以及用水的現(xiàn)象稱為富營養(yǎng)化現(xiàn)象。庫區(qū)內(nèi)的浮游植物可分為藍藻類、綠藻類和硅藻類這三類，其中綠藻類和硅藻類基本是幾乎不動的，而藍藻類中具有細胞內(nèi)有氣泡且能上下移動的類型。因此，水庫溫度分層穩(wěn)定且水不流動時，藍藻容易聚集到水面表層。并且，對于滯留在中下層的綠藻類和硅藻類來說，可以利用的光照減少，綠藻類及硅藻類的數(shù)量逐漸減少，結(jié)果導致藍藻類占據(jù)優(yōu)勢。

浮游植物繁殖的環(huán)境因素有日照、水體滯留時間、水溫和營養(yǎng)鹽。浮游植物的生長是在有機物的合成反應—光合作用超過分解反應—呼吸條件下進行，此過程需要充足的光照條件。水體中向下光線減弱很快，水越深處光合作用越弱。浮游植物的繁殖與水體在水庫內(nèi)的滯留時間密切相關(guān)。水體的滯留時間越短，水庫水體的流速越快，庫區(qū)內(nèi)的浮游植物充分增殖之前就會更新，很難發(fā)生異常增殖。另外，藻類的光合作用引起的細胞繁殖的速度隨水溫上升而加快，而一旦超過某個界限則會下降。藻類的繁殖需要與其種類相適宜的水溫，與硅藻類相比，藍藻類光合作用的適宜溫度偏高。

現(xiàn)有技術(shù)對水深較深水域的這些問題基本沒有什么辦法，只是在水面進行攪動，或在水深較深處設置引水洞等方式對水體進行攪動，但作用不十分明顯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種防止水庫富營養(yǎng)化裝置和方法。所述的裝置和方法通過水下曝氣過程使水庫或湖泊內(nèi)相對靜止的水體產(chǎn)生垂向和橫向循環(huán)流，解決了浮游植物異常繁殖和水庫湖泊富營養(yǎng)化的問題。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種防止水庫富營養(yǎng)化裝置，包括：設置在形成溫度分層的水庫庫底的曝氣器，所述的曝氣器通過輸氣管道與設置在岸上的空氣壓縮機連接。

進一步的，所述的曝氣器包括：兩個半球形或兩個半圓柱形的開合體，所述的開合體的一側(cè)設有合頁并與底座連接，所述的底座固定在水庫的庫底。

進一步的，所述的開合體的截面形狀為圓形、正方形或長方形中的一種。

進一步的，所述的開合體上設有使開合體關(guān)閉的彈簧。

進一步的，所述的開合體上設有排水泵。

一種使用上述裝置的防止水庫富營養(yǎng)化的方法，所述方法的步驟如下：

利用空氣壓縮機將空氣通過輸氣管道輸送到水庫底部設置的曝氣器中；

當曝氣器內(nèi)的氣壓力矩和開合體自重力矩之和大于外部水壓力力矩和彈簧拉力力矩之和時：

p氣×h0氣＋g重×h0重＞p水×h0水＋f彈簧×h0彈簧（1）

開合體打開，釋放壓縮空氣，向水體中強制加入空氣；

式中，p氣為開合體打開的最小內(nèi)部空氣壓力，用公式（2）計算；h0氣為軸o至p氣的垂直距離；g重為曝氣器左或右開合體重量，h0重為軸o至g重的水平距離；p水作用于曝氣器的水壓力，是水平方向水壓力px水和垂直方向水壓力pz水的合力，px水、pz水和p水分別用公式（3）、（4）和（5）計算；h0水為軸o至p水的垂直距離；f彈簧為連接左右兩側(cè)開合體的彈簧拉力，h0彈簧為軸o至f彈簧的垂直距離；

p氣=p氣×a氣（2）

式中，p氣為曝氣器內(nèi)部氣壓，a氣為曝氣器內(nèi)部在水平方向投影面積；

px水=γhc×ax水（3）

式中，γ為水的容重，hc為曝氣器形心處水深，ax水為曝氣器外部在水平投影面積；

pz水=1/2γvp（4）

式中，vp為曝氣器的體積；

（5）

當曝氣器開合體打開之后水體進入曝氣器內(nèi)，開合體左右水壓力達到平衡，同時彈簧拉力力矩大于開合體重力力矩，開合體開始關(guān)閉；完全關(guān)閉之后，排水泵開始工作，排出曝氣器內(nèi)部的水體，同時岸上的空氣壓縮機將空氣通過輸氣管道輸送到水庫底部設置的曝氣器中，過程用公式：

f彈簧×h彈簧＞g重×h重（6）

式中，h彈簧為軸o至f彈簧的垂直距離，h重為軸o至g重的水平距離；

從曝氣器中釋放的空氣將周圍的水卷入其中；

卷入空氣中的低溫水團隨氣體上升到水面，空氣散發(fā)到大氣中；

上升到水面的水迅猛地橫向擴散，在水庫水面形成橫向水流流動；

上升擴散的底層低溫水與溫度較高的上層水混合后發(fā)生急劇下降；

急劇下降之后，在相同密度的水層處橫向擴散；

密度較大的水體在下沉過程中，周圍密度較小的表層部分的溫水也被卷入，從底層卷入的和從上層卷入的不同密度的水混合后，向下沉降并橫向擴散；

曝氣器長時間持續(xù)反復開合時，使中間層的水體上側(cè)部分上升，下側(cè)部分下降，最后，上層整體成為混合層；中間層往下流動時，下層整體形成混合層；混合層破壞了各種藻類的生長條件，抑制了藻類的生長。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明利用氣體密度小于水體密度和低溫水體密度大于高溫水體密度的原理，通過水下曝氣過程使水庫或湖泊內(nèi)相對靜止的水體產(chǎn)生垂向和橫向循環(huán)流，從而改變水溫分層狀況，改善浮游植物異常繁殖的水庫環(huán)境條件，同時解決由水庫溫度分層引起的下泄冷水現(xiàn)象和水庫湖泊富營養(yǎng)化問題。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是本發(fā)明的實施例一所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是水庫水面的熱交換示意圖和隨水深增加的水溫變化曲線；

圖3本發(fā)明的實施例二、四、五所述曝氣器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的實施例三所述開合體圓形截面形狀的示意圖，是圖3中a-a剖面圖；

圖5是本發(fā)明的實施例三所述開合體正方形截面形狀的示意圖，是圖3中a-a剖面圖；

圖6是本發(fā)明的實施例三所述開合體矩形截面形狀的示意圖，是圖3中a-a剖面圖；

圖7是本發(fā)明實施例六所述方法的原理示意圖；

圖8是本發(fā)明實施例六所述方法中計算開合體臨界氣壓的示意圖；

圖9是本發(fā)明實施例六所述方法中殼體閉合受力計算示意圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種防止水庫富營養(yǎng)化裝置，如圖1所示。本實施例包括：設置在形成溫度分層1的水庫庫底的曝氣器2，所述的曝氣器通過輸氣管道3與設置在岸上的空氣壓縮機4連接。

高壩建成后，庫內(nèi)水流變緩，庫水更新期加長，水體受太陽輻射和對流混合及熱量傳輸作用，形成特殊的水溫結(jié)構(gòu)，見圖2。即，在日照和氣溫作用下，庫水表面吸收了陽光短波輻射和大氣長波輻射的大部分熱量，水溫迅速升高至與氣溫相近。而水庫的深層水體溫升較緩慢，仍然保持較低的溫度，形成明顯的溫度分層結(jié)構(gòu)（見圖2中的水溫隨水深增加的變化曲線）。呈這種水溫狀態(tài)的水庫稱為成層型水庫。在形成水溫分層的水庫中，下層的水溫與水溫躍層相比要低很多。

本實施例的主要思路是通過在庫底制造間歇性的上升氣流，利用氣流的上升帶動水的上下和橫向流動，破壞深水層和淺水層之間穩(wěn)定的溫度差異，即破壞藻類的生長環(huán)境，抑制藻類的生長。

本實施例主要三部分構(gòu)成：設置在水庫庫底的曝氣器、排水泵和設置在岸邊的空氣壓縮機。

曝氣器可以有多種形式，只要能夠提供足夠大的間歇性空氣釋放即可。如采用一種可以開合的球體或圓柱體，當具有一定壓力的空氣充滿曝氣器時，曝氣器內(nèi)的臨界氣壓力矩和開合體自重力矩之和大于外部水壓力力矩和彈簧拉力力矩之和，使開合體打開，釋放出空氣，當空氣放出后，開合體在彈簧力的作用下自動閉合，再次充氣，反復開合，形成間歇性的空氣釋放。

曝氣器可以固定在水庫的底部，也可以設置在流動裝置上，如采用遙控的潛水器等。水庫一些容易產(chǎn)生藻類繁殖的區(qū)域可以設置多個曝氣器，形成成組的曝氣裝置，對整片水域進行藻類治理。曝氣器所設置的水深應當在溫度分層以下，以便將溫度分層以下的冷水帶到水面，實現(xiàn)冷熱水混合。

空氣壓縮機可以采用通用的空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機和曝氣器之間可以使用硬管或軟管連接，輸送空氣。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關(guān)于曝氣器的細化。本實施例所述的曝氣器包括：兩個半球形或兩個圓柱狀的開合體201，所述的開合體的一側(cè)設有合頁202并與底座203連接，所述的底座固定在水庫的庫底，如圖3所示。

本實施例所述的曝氣器的開合體可以由工程塑料或鋼材等材料制作成殼體，形成帶有內(nèi)部空腔的圓柱體或球體。開合體的兩部分接觸面形成開合面，在開合面上設置密封的橡膠圈。開合面的形狀是開合體的截面形狀，開合體是球型時，其開合面（截面形狀）是圓形。開合體是圓柱形時，開合面的形狀為正方形或長方形，即圓柱形的兩倍的回轉(zhuǎn)面形狀。

為防止較大雜物進入開合體中，可以在開合面上設置過濾網(wǎng)。

開合體打開的過程，由內(nèi)部充滿的空氣形成合力，合起的過程可以使用彈簧等設施。

合頁一方面固定在底座上，同時連接開合體的兩部分。

底座可以是混凝土塊等重物，沉入水底即可，也可以通過錨固的方式完全固定。

所述的開合體還可以連接抽水設置，例如水泵，將閉合后開合體中包含的水排出。

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于開合體的細化。本實施例所述的開合體的截面形狀為圓形（如圖4所示）、正方形（如圖5所示）或長方形（如圖6所示）中的一種。開合體的開合面上都設有密封圈206和過濾網(wǎng)207。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于開合體的細化。本實施例所述的開合體上設有使開合體關(guān)閉的彈簧204，如圖3所示。

本實施例所述的彈簧可以是拉簧，即安裝在開合體打開端上，也可以是扭簧，即安裝在合頁上。

實施例五：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于開合體的細化。本實施例所述的開合體上設有排水泵205，見圖3所示。

排水泵的作用是排出曝氣器內(nèi)部的水體，同時在開合體內(nèi)產(chǎn)生一個負壓。當開合體放出空氣后，被彈簧驅(qū)動閉合的時候，開動排水泵，使開合體內(nèi)的水流產(chǎn)生負壓，當開合體完全閉合后，這個負壓還會引導空氣進入，與空氣壓縮機一起將空氣充滿開合體內(nèi)腔。排水泵可以安裝在水中，也可以安裝在岸邊。

實施例六：

本實施例是一種使用上述實施例所述裝置的防止水庫富營養(yǎng)化的方法。本實施例所述方法利用氣體密度小于水體密度和低溫水體密度大于高溫水體密度的原理，通過水下曝氣過程使水庫（或湖泊）內(nèi)相對靜止的水體產(chǎn)生垂向和橫向循環(huán)流，低溫度水體隨氣泡向上流動到水面，從而改變水庫水體溫度分層狀況，改善浮游植物異常繁殖的水庫環(huán)境條件，同時解決由水庫溫度分層引起的下泄冷水現(xiàn)象和水庫湖泊富營養(yǎng)化問題。

所述的方法的具體步驟如下，原理如圖7所示：

（一）利用空氣壓縮機將空氣通過輸氣管道輸送到水庫底部設置的曝氣器的開合體中。這時開合體是閉合的，空氣進入曝氣器的空腔內(nèi)，使空腔內(nèi)的空氣壓力增大。

（二）當曝氣器內(nèi)的氣壓力矩和開合體自重力矩之和大于外部水壓力力矩和彈簧拉力力矩之和時，其作用力如圖8所示：

p氣×h0氣＋g重×h0重＞p水×h0水＋f彈簧×h0彈簧（1）

開合體打開，釋放壓縮空氣，向水體中強制加入空氣；

式中，p氣為開合體打開的最小內(nèi)部空氣壓力，用公式（2）計算；h0氣為軸o至p氣的垂直距離；g重為曝氣器左或右開合體重量，h0重為軸o至g重的水平距離；p水作用于曝氣器的水壓力，是水平方向水壓力px水和垂直方向水壓力pz水的合力，px水、pz水和p水分別用公式（3）、（4）和（5）計算；h0水為軸o至p水的垂直距離；f彈簧為連接左右兩側(cè)開合體的彈簧拉力，h0彈簧為軸o至f彈簧的垂直距離。

p氣=p氣×a氣（2）

式中，p氣為曝氣器內(nèi)部氣壓，a氣為曝氣器內(nèi)部在水平方向投影面積；

px水=γhc×ax水（3）

式中，γ為水的容重，hc為曝氣器形心處水深，ax水為曝氣器外部在水平投影面積；

pz水=1/2γvp（4）

式中，vp為曝氣器的體積；

（5）

當曝氣器開合體打開之后水體進入曝氣器內(nèi)，開合體左右水壓力達到平衡，同時彈簧拉力力矩大于開合體重力力矩，開合體開始關(guān)閉；完全關(guān)閉之后，排水泵開始工作，排出曝氣器內(nèi)部的水體，同時岸上的空氣壓縮機將空氣通過輸氣管道輸送到水庫底部設置的曝氣器中，過程用公式：

f彈簧×h彈簧＞g重×h重（6）

式中，h彈簧為軸o至f彈簧的垂直距離，h重為軸o至g重的水平距離，見圖9所示。

（三）從曝氣器中釋放的空氣將周圍的水卷入其中?？諝鈴钠貧馄髦杏砍龊?，必然對周圍的水體產(chǎn)生作用力，這個作用力將周圍水體攪動并使空氣和水體產(chǎn)生混合，形成帶有空氣的水團。

（四）卷入空氣中的低溫水團隨氣體上升到水面（圖7中的箭頭b方向），空氣散發(fā)到大氣中。卷入空氣的低溫水團在空氣的作用下快速上升，同時帶動周圍的水體一同上升，形成有下而上的瞬間水流。由于開合體所噴出空氣周圍的水是水溫較低的底層水，所以隨空氣上升的水體密度比水庫表面大。

（五）上升到水面的水迅猛地橫向擴散（圖7中的箭頭c方向），在水庫水面形成橫向水流流動。橫向擴展的水是底層的水，所以其密度與底層水的密度接近。

（六）上升擴散的底層低溫水與溫度較高的上層水混合后發(fā)生急劇下降（圖7中的箭頭d方向）。橫向擴散水周邊的水體由于是表層的水，所以溫度較高、密度較輕。由于較重的水從下面升起到較輕的水中，所以僅擴散一定程度就急劇下降。

（七）急劇下降之后，在相同密度的水層處橫向擴散。由于密度不同產(chǎn)生的急劇下降對周圍水體形成干擾，并與周圍水體混合（圖7中的箭頭e方向）。

（八）密度較大的水體在下沉過程中，周圍密度較小的表層部分的溫水也被卷入。從底層卷入的和從上層卷入的不同密度的水混合后，向下沉降并橫向擴散。

（九）曝氣器長時間持續(xù)反復開合時，使中間層的水體上側(cè)部分上升，下側(cè)部分下降，最后，上層整體成為混合層。中間層往下流動時，下層整體形成混合層；混合層破壞了各種藻類的生長條件，抑制了藻類的生長。

最初，水溫分布有點傾斜，但通過反復曝氣整個水體發(fā)生混合。通過循環(huán)混合使表層水溫下降，從而藻類增殖速度下降，消除藍藻類占優(yōu)勢的條件。通過循環(huán)混合控制光照條件，從而降低藻類繁殖速度，不適宜黑暗條件的藻類減少。通過循環(huán)混合稀釋藍藻類濃度較高的表層水，從而消除具有浮力的藍藻類的優(yōu)勢狀態(tài)。

最后應說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案（比如曝氣器的形式、放置方式、步驟的先后順序、各種公式的運用等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。