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水库封闭水体的MOM与水质控制

作者:欧保环境发表时间:2024-02-08浏览量:1097

水库是一种自然作用与人工调控结合的产物,其水质状况受到季节、气候、地形等环境因素的影响,同时也会因水力调节、污染控制等人工手段的作用而发生变化,使得水体中的污染物在时间和空间上呈现一定的分布特征。水库水质涉及微生物学、分析化学、流体力学、气象学、地质学、生态学、模型模拟等多种学科。水库在气候变化、季节更替、水力调控等背景下,水体中的溶解氧、营养物质、微生物等水质污染指标呈现一定空变化规律。


热分层 

湖库热分层期间垂向水温、垂向溶解氧示意

早在 1911 年,国外即出现对分层湖库温跃层 DO 极值现象成因的研究,而 MOM 成因复杂,存在多个假设,尚未形成共识。

MOM 的主要成因为浮游生物呼吸耗氧、有机物分解耗氧、边坡沉积物耗氧、DO垂向输移等自然因素,以及温跃层或温跃层下部取水、混合层或滞温层人工扬水增氧等人为因素;温跃层DO极大现象的主要成因为浮游植物的生物作用。对生态环境的影响方面,MOM 会降低捕食者的捕食效率、阻碍水生生物垂向迁移、改变温室气体的垂向分布和释放过程等;温跃层DO极大现象会导致鱼类等水生动物患气泡病甚至死亡。


 生物分解耗氧

生物分解耗氧导致 MOM 形成示意

导致 MOM 形成的因素可分为两类:自然因素和人为因素自然因素又可分为生化过程和物理过程,生化过程主要是温跃层中MOM对应位置的DO原位消耗,物理过程主要是不同水层间的DO垂向输移 温跃层中MOM对应位置的DO原位消耗涉及微生物分解有机物、边坡沉积物耗氧、浮游动植物等方面人为因素主要包括湖库内水质管理设备运行(飓风型扬水曝气)、水库调度两方面MOM 对生态环境的影响主要表现在:降低捕食者的捕食效率;阻碍水生生物的垂向迁移,进而改变影响种群结构;可能使滞温层中CO2 浓度增大、温跃层中CH4 浓度增大,进而改变湖库温室气体向大气释放的通量和时间. 温跃层 DO 极大现象会导致水体中鱼类等水生动物患气泡病甚至死亡


mom

浮游植物生物作用导致 MOM 形成示意

热分层,细菌种群多样性及水质情况的垂直分布

水体热分层是指由于气温变化,水体在垂直方向上出现温度分布不均的现象。对于水源型水库的生态系统来说,尤其是深水水库,它是控制营养物质降解和转移的重要物理因素。在热分层期间,水库可稳定形成湖面变温层(epilimnion)、湖中斜温层(metalimnion)以及湖底等温层(hypolimnion),这种温度分层会影响垂直方向上的水质状况以及藻类丰度,也会影响微生物群落的分布。


温跃层

浮游植物生物作用导致温跃层 DO 极大现象

西安一热分层型水源水库的水质和细菌种群结构在水体垂向热分层中的演替情况。从水库表面到湖底,水温从23.11 ℃稳定降至9.17 ℃,总氮从1.07 mg/L升至2.06 mg/L,氨氮从0.8 mg/L升至1.84 mg/L;溶解氧在距湖面50 m以下时显著降低,在65 m处达到完全厌氧状态。细菌种群组成在垂直方向上的分布具有显著差异,与此同时,溶解氧、电导率、氨氮和总氮等对于细菌种群的垂向演替也具有重要的驱动作用。


温跃层与热分层稳定性,温跃层(Thermocline)深度是指示热分层结构的重要指标。金盆水库的温跃层可定义为密度梯度高于0.2 kg/(m3∙m)的水层。在热分层期间,温跃层出现在水体中央,厚度较薄。水位较低的年份,温跃层出现在湖面以下18 m处;水位较高的年份,温跃层出现在湖面以下25 m处。随着湖面气温的升高,温跃层开始变厚,逐渐扩展至变温层和斜温层,直至其和变温层完全融合;升温期过后,温跃层厚度变小并以0.75 m/d的速率整体往湖底迁移,随后水体进入自然混合期。进行扬水曝气后,温跃层深度以1.15 m/d的速率骤降,且厚度显著减小。湖底等温层的需氧量会受到水体和热分层的稳定强度的影响,因此可用水体整体相对稳定和温跃层水体相对稳定性来评估热分层的演替。

 

人工去层作用与水体需氧量,溶解氧是监测和考量水体生态环境健康程度的重要指标。湖泊水体,尤其是湖底等温层,在夏季分层期间容易出现溶解氧耗竭,可能会使沉积物中的可溶性化学物质和营养物质析出,引发蓝藻水华,对水质造成负面影响。充氧和人工去层系统成为热分层期间补充水库氧气、降低水体还原性物质和营养物浓度的有效手段。

进行扬水曝气后,沉积物-水层交界面的溶解氧浓度和水温明显上升,水层中的总磷迅速下降,,整个水体保持轻度混合;然而人工去层过程的作用时间可能短于自然混合的过程,且由于溶解氧和温度的升高,沉积物需氧量提高,迅速诱发缺氧状态并引起磷的释放。

 

人工混合与水层物质交换,人工混合(artificial mixing)是对水库进行充氧和去层的有效手段,可以提高水体中溶解氧的浓度,并使水体表层温度降低,深层温度升高,防止自然水体由于缺氧和藻类爆发引起的水质恶化,对于水质管理系统的设计和运行优化具有重要意义。

美国弗吉尼亚州一水源型富营养浅层水库同时安置和运行两套人工混合系统——气泡羽流变温层混合器(EM,bubble-plume epilimnion mixer)和旁流过饱和充氧水力喷射系统(SSS,side-stream supersaturation oxygenation water-jet system),以缓解热分层期间的湖底等温层缺氧状态,减少偶发的藻类爆发事件。原本在沿岸区域的水体物质在人工混合的作用下会随水流迁移;EM扩散器朝沿岸区域喷射出的水流在斜温层会形成逆时针的环流;人工混合促进了水体在水平方向上的物质交换。人工混合增强了水库各水层间的物质交换,使得藻类种群和营养物在水库间进行重新分配,影响了藻类的生长趋势,对于藻类动力学研究具有重要意义。


1 夏季湖库热分层现象和缺氧区分布.jpg

 夏季湖库热分层现象和缺氧区分布

季节和气候变化所引起的温度、降水等差异会影响湖泊水库各水层中溶解氧、营养物、微生物等的分布,造成水体水质的周期性和阶段性变化;湖底沉积物易发生污染物的积聚和释放,是湖泊水库生态体系中重要的污染源。采用人工充氧、人工混合等手段可以补充水体尤其是湖底等温层的需氧量,在易发生缺氧的夏季能够显著改善水质。


扬水曝气

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20年 · 欧保环境水生态治理

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此文关键词: 温跃层  MOM  水体垂向热分层  扬水曝气器  

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