一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法，包括以下步驟：首先求出分層湖泊水庫水體完全混合后的水溫，計算湖泊水庫水體混合前后的重心；采用不同水位下的庫容以及與水溫相關(guān)的密度等數(shù)據(jù)，對水深方向各微小水層的勢能進行積分得到水體總勢能，混合后水體總勢能的增加量即為破壞水溫分層所需的最小理論能量；破壞湖泊或水庫水溫分層所需的最小能量即是破壞分層后水體的勢能增加量，破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率為破壞湖泊或水庫水溫分層所需的最小能量與破壞水溫分層系統(tǒng)的實際輸入能量之比。以西安S水庫為例，應(yīng)用本發(fā)明估算了該水庫不同季節(jié)破壞分層所需最小能量和人工混合破壞水溫分層系統(tǒng)的能量效率。
【專利說明】一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于湖泊水庫水質(zhì)污染控制領(lǐng)域，涉及破壞湖泊水庫水溫分層研究，具體 涉及一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 深水型湖泊水庫水體溫度具有明顯的季節(jié)性沿深度成層分布的特點，在多數(shù)水深 超過30m的水源水庫中都會普遍出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，一般夏季自上而下形成變溫層、溫度 梯度較大的躍溫層和水溫恒定的等溫層的典型水溫分層結(jié)構(gòu)。在分層湖庫底層水體，溶解 氧受躍溫層浮阻力的作用而得不到補充，而各種微生物和化學(xué)作用則會使水中的溶解氧逐 漸被消耗，當水中溶解氧濃度低于2mg/L時，底泥中的無機和有機污染物會大量釋放形成 湖庫內(nèi)源污染，內(nèi)源污染使表層水體磷、氮含量增加，在夏秋季節(jié)水溫、光照合適時，會引起 藻類的大量繁殖和水體富營養(yǎng)化等一系列水質(zhì)問題。水溫分層是導(dǎo)致分層湖庫水質(zhì)內(nèi)源污 染和富營養(yǎng)化的重要誘因之一，為保證和提高深水型湖泊水庫的水質(zhì)，破壞湖庫水體溫度 分層是一種經(jīng)濟有效的水質(zhì)改善方法。理想的破壞分層技術(shù)應(yīng)該效果好、能耗低、排碳少， 但在計算破壞分層系統(tǒng)的能量需求方面存在較大的不確定性，在優(yōu)選各種破壞分層技術(shù)時 也面臨能量效率的計算基準缺乏問題。實際湖泊水庫的地形和水溫結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，計算破 壞分層系統(tǒng)的能量輸入很具有挑戰(zhàn)性。
[0003] 目前涉及破壞水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率計算方法可以根據(jù)理論方法：穩(wěn)定系 數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 根據(jù)湖泊或水庫水體水溫分布情況，計算出湖泊或水庫水體水溫分層時的等效重心 高度； 2) 根據(jù)質(zhì)量和熱量守恒定律，計算湖泊或水庫水體溫度分層被破壞、完全混合后的平 均水溫； 3) 根據(jù)湖泊或水庫水體溫度分層被破壞、完全混合后的平均水溫與其密度的垂向分布 以及混合后的湖泊或水庫水體總體積計算出混合后水體等效重心高度，求出湖泊或水庫水 體溫度分層被破壞、完全混合前后水體勢能增加量； 4) 破壞湖泊或水庫水溫分層所需的最小能量即是破壞分層后水體的勢能增加量，破壞 湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率為破壞湖泊或水庫水溫分層所需的最小能量與破壞水 溫分層系統(tǒng)的實際輸入能量之比。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法，其 特征在于，步驟1)中，具體分為如下步驟： 1-1)根據(jù)湖泊或水庫水體水溫分布情況，將水體沿垂向每隔一定間距分為一層，其中， 對于上部變溫層、中部躍溫層以及底部等溫層，間距分別取2?5m、lm以及2?5m ;對于第 一層水體，層頂即為水面，層底位于第一、第二測量點的平均水深處；對于第二層水體，層頂 為第一層水體的層底，層底位于第二、第三測量點的平均水深處；對于最后一層水體，層頂 為上一層水體的層底，層底即為水體底部，每層垂向距離的中點被視為每層水體的重心； 1-2)每層水體的溫度為Tn，密度為Pn，運用湖庫庫容與水位的關(guān)系求得每層水體的 體積Vn，則等效重心高度為：? = E Mnhn/ E Mn，式中：Mn為混合前每層水體的質(zhì)量；hn 為水平面到每層水體重心的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法，其 特征在于，步驟2)中，湖泊或水庫水體溫度分層被破壞、完全混合后，假設(shè)破壞分層期間熱 量Q不損失，混合后的平均水溫T2由式：Q = E cMnTn = E cMi2T2計算，其中，c為水的比熱 容，Mi2為混合后每層水體的質(zhì)量，且E Mi2 =E Mn。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種破壞湖泊水庫水溫分層系統(tǒng)的能量效率的計算方法，其 特征在于，步驟3)中，由混合后的平均水溫，得到混合后每層水體的密度p i2以及混合后的 總體積V2 ;混合前后水體的體積變化量A V = E Vn-V2，對于實際湖泊或水庫，水體體積取 決于水庫的地形以及水深，實地測量湖泊或水庫的水體體積的技術(shù)難度很大，混合后水體 的水深h2由庫容與水位的關(guān)系求得；引入變化水深變化系數(shù)S = hyhp hi為混合前水溫 分層水庫水深；混合后每層重心高度hi2由混合前對應(yīng)微層的水深hn乘以水深變化系數(shù)S 求得，則混合后水體等效重心高度為：氏2 = E Mi2hi2/ E Mi2 ;由于水體混合后重心上移，引起 水體勢能增加，其增加量為：A Ep = MTgO^-Hj，破壞分層所需的最小能量即為水體混合 后勢能的增加量A Ep。
【文檔編號】G06F19/00GK104361232SQ201410636742
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】孫昕, 程雪娜, 葉麗麗 申請人:西安建筑科技大學(xué)