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1、用振荡射流抑制蓝藻滋长防止泥沙淤积摘要：按照控制论的“反馈放大振荡”的原理所构建的双稳态流体自控振荡器，可交替地从其两个输出孔断续地喷射出变向的水射束，从而促使周围水体激烈紊动，加强水中物质的交换能力。振荡射流扰动后之蓝藻能获得的光合能量将降低四倍，2008年北京奥运会期间北京抑藻工程成功地保证了“绿色奥运”的实现。流控振荡器激扰促紊会导致分层流失稳，从而增大河流输沙能力。由于悬浮功相对于自变量体积含沙量的二阶导数为负值，高含沙浓度的泥浆流不但不会淤积反而会急剧冲刷河床，如同经常发生于黄河龙门河段的“揭河底“所表现出来的那样。关键词：水生态 蓝藻毒素 光合作用 流控振荡器 紊动促进器 输沙能力
2、一、前言世界各国面临的水资源短缺，不仅表现在水的数量上，而且反映在水的质量方面，中国亦然。太湖面临蓝藻危害1，很多水体因蓝藻毒素污染而威胁饮水安全2。南京地理与湖泊研究所对太湖水环境演化进行了广泛深入的研究，该所披露的每逢湖面上风速大于4m/s，湖面上叶绿素a的含量即与风速增幅呈负相关关系的观测结果很有启发性。影响蓝藻消长的因素有很多，本文仅从水动力学的角度加以分析。也仅就工程流体力学及水利技术的领域提出可供选择的防治手段，以便开展水生态综合治理时考虑采用这一选项的可行性2-6。基金项目：北京市自然科学基金项目（C52） a. phase angle 2 b. phase angle c. p
3、hase angle d. phase angle 图1 一个振荡周期内不同相位角的振荡器腔内的流速场与压强场二、加强水体紊动的技术1、流体自控双稳态振荡器被用于奥运水生态维护，主要用之加强水体竖向物质交换能力。图1显示出在一个振荡周期内，其流道腔体内不同振荡相位角时之流速场与压强场的分布状况。借助于Fluent商用软件，采用两方程模型，以计算低马赫数不可压流体的非稳态流场。射流从腔体的两个输出孔口交替断续地喷出，势必扰动水体，诱生湍流涡，导致竖向扩散7。2、流控振荡抑藻集成装置 如图2所示，水力自激集成抑藻机由双稳态水射束发生器和节能高效射流引射器组成。前者把常见的有压定常管流转变为从喷口处
4、向左右交替喷射的水束，左右交替振荡的周期约为一秒。后者安装在集成装置的下部，接近水体底层，引射进来的空气和水混合后，由混合管末端射出，在水底层扩散开，然后在浮力作用下一边继续沿混合管轴线延伸方向前行，一边逐渐上浮。图2中振荡器左端的弧型导流片利用射流附壁特性可引导双稳态射流束在相继的两个半周期分别向上涌和向下冲，形成依次出现的上涌水团和下降水团。根据连续原理将诱生顺流螺旋（streamwise vortex），沿射流流向传播。因上涌时水与悬于其中的受到浮力作用的微囊藻团的运动方向相同，其间的相对速度为二者速度绝对值之差。而下降时，其间的相对速度则为二者速度绝对值之和。故在螺旋流绕基本为水平方向
5、的轴线完成360度旋转的过程中藻团会从水体获得向下的冲量。与此相反，对于密度重于水的沙粒，在经历螺旋流360度旋转的过程中则会得到向上的冲量。当振荡水舌把蓝藻拖向底层时，将使藻细胞得不到阳光照射从而减少其光合作用，抑制藻细胞生长。而引射管把大气中的氧气引导入水底部，形成富氧层使噬磷菌吸取水中磷下沉河底，会阻止底泥中磷的释放，断绝水华的营养来源。图2流体自控振荡抑藻集成机结构图三、振荡促紊引射充气抑制蓝藻的机理光合作用的能力随水体紊动强弱而变化的状况可用图3之简化图式对其趋向获得鲜明的数量级印象。光强度沿水深衰减的分布状况设为如图3(b)所示；水体静止，热分层造成微囊藻浮在水表0.1m深范围内设
6、为如图3(a)所示；增加湍流竖向扩散后，微囊藻均匀分布在1.0m深范围内设为如图3(c)所示。图3(a)和图3(b)图形互乘，即为水静止时藻种群从太阳光（以波长为550nm的光为代表）中获得的全部可用于光合作用的光功率，经数值积分知为6.1W。图3(c)和图3(b)图形互乘，即水体被搅拌均匀后藻种群从太阳光中获得的全部可用于光合作用的光功率经数值积分知为1.48W。把水体搅拌增加竖向掺混后，藻群从太阳光中得到的光合功率减少倍。给定水体中已知温度营养条件下，光强度I变化导致的藻种群密度的增长速率，可以用时间t为自变量表达为89， （1）对（1）进行移项及积分可得： （2）（2）中为时之群种密度为
7、t=0时之藻种初始种群密度10假定，可得对数增长速率之值可由实验或实测求出，我们利用8中实验数据求，在24恒温水槽中，保持光照度为205molm-2s-1，得出当时，故得，而当光辐照度保持为51molm-2s-1时，=3.9day,求得 1104cell/ml molm-2s-1 1104cell/ml图a 图b 图c（a）水静止热分层时蓝藻沿竖向分布图；（b）光强度沿竖向分布图；（c）上下掺混均匀后蓝藻沿竖向分布图图3 沿水深光照衰减与蓝藻分布图即光辐照度由205molm-2s-1降到51molm-2s-1时，即降低4.02倍时，对数增长速率由0.385d-1降为0.178d-1即降低了2.
8、16倍。在北京及江苏、广东等地区的浅湖泊中，夏季6-7月份的表面水温多维持在20-30，而由于水体积较实验室的培养液大很多，故对数生长期较长，以T=30day计，则当水静止不被搅动时为： 当水体被充分搅动后为：可见，充分搅动后，蓝藻的月增幅减低五百倍。由微生物生态学杂志Vezie的实验数据11可见，若水中溶解磷减少，则蓝藻之增殖将降低。如图4所示。Dw蓝藻增殖量干重，P水中溶解磷含量图4蓝藻增生量与水中磷含量关系图北京防治水华工程中射流引射器中的混合管把氧气在水底层扩散开，阻止了底泥中磷向水表层转移，肯定会抑制蓝藻的增殖。这种减磷作用与振荡射流促紊减低光合能力的作用相倍乘，将可进一步降低蓝藻的
9、增殖幅度，达到三个数量级。鉴于该项设备抑制水华效果显著，中华人民共和国水利部于2008年11月评定之为“水利创新产品”。四、讨论1、对防止蓝藻的工程效果 由北京市水利科学研究所于2009年1月撰写了评价报告中可见，在振荡射流推流曝气机1416与生态基（阿克蔓）的共同作用下，龙潭湖和筒子河的水质明显改善。筒子河在2008年8月分后叶绿素a和BOD明显降低。叶绿素a浓度从8月初的72mg/m3降为何9月初的23mg/m3。2009年8月4日具有权威资质的北京理化检中心对朝阳公园南湖进行检测，结果显示在振荡射流机周围60m影响范围内叶绿素a浓度为66mg/m3。水表面温度（0.5m水深处）为27.1
10、，水深1.5m处水温为26.8。距集成机300m以外的未受振荡射流影响的地方叶绿素a的浓度为81mg/m3，水表温度为28，水深1.5m处水温为27。对照17报告的2005年8月在水面上10m处风速约为1m/s时，太湖叶绿素a的浓度为45mg/L。考虑到北京龙潭湖和朝阳公园进水皆来自污水处理厂尾水，水质较差，而北京公园浅湖中水温在夏季都和太湖水温接近，似可认为：流体自控振荡器促进了北京湖水的紊动，使竖向扩散加强，在其影响半径（5.5kw的集成机影响半径可达60m）范围内破除了温度分层。朝阳公园水中叶绿素a浓度为66mg/m3而太湖的同一参量为45mg/L，相差接近三个数量级，似可为上节机理探討
11、的估值提供一参考。2、因泥沙密度大于水，使底层含沙量S大，而底层水流速度小，故断面输沙率低下，易生淤积。若以振荡射流激扰则可使底层泥沙向水表层扩散，提高输沙率。试以苏北入海河口挡潮闸的积沙冲刷为例，以较简化的图式观察其趋向131416。图5中a为退潮时速度u垂线分布图，设水深为1m，表层流速umax=1m/s，流速分布简化为抛物线。公式为： (3)图5b 为无扰动时含沙量S分布图，底部Smax=100kgm-3，垂线平均含沙量=50kgm-3。图5c为经振荡射流搅拌激扰充分混合时含沙量S分布图。S= =50kgm-3，单宽输沙率，则振荡扰动后的输沙率qs与无扰动时输沙率之比为qs扰/ qs无=
12、1.3,即退潮水流带走泥沙增加了30%。这与作者室内试验提高换热系数的结果15是接近的。此次换热实验，用18mm铜管放入恒温热水槽中，流控振荡器将冷水压入铜管进行换热。而根据流体力学经典文献12，紊流中热交换系数和质交换系数是等同的。3、若河底淤积很厚，沙源充足，如前节所述流体自控振荡器持续促紊，顺流螺旋则可加大河流含沙量。而当河水含沙的体积比超过一定临界值后则会产生异常的冲刷能力。分析如下：以代表沙粒在清水中的沉速，代表沙粒在混水中的沉速，单位体积混水中悬沙维持不沉所需的悬浮功则为： （4）式中和分别为沙和水的密度；为重力加速度。按照清华大学夏震寰教授的研究【18】： （5） 式中Sv为泥沙
13、在单位体积混水中所占体积比。将式（5）代入（4）式，则得 （6） （7） （8）取，得或1，以，代入（8）式，得所以，当时，为极大值。沙中值粒径d50=0.015mm 沙粒密度图6挟沙悬浮功Ws和河流含沙体积比Sv关系曲线由图6中曲线可知，从A点到M点随着的逐渐增大，悬浮功的值也逐渐增大。 但越过M点后，曲线的右半支，MB段却反映出挟沙量S愈大河流所需付出的悬浮功愈小的趋势。待添加的隐藏文字内容1由于一切物理过程都遵循最小能耗定律，所以在，的情况下，河流倾向于攫取更多泥沙以降低能耗。如同黄河龙门段“揭河底”事件所显示的那样【19】【20】。自七十二年前， 美国工程师陶德在美国土木工程学报上披露
14、 ：黄河流量为8490秒立米并含大量泥沙的情况下，于1933年8月间的一天12小时内把龙门河段48公里的河床冲刷出4.57米深，914米宽的沟。其中在禹门口断面冲深则达9米。冲起并带走泥沙1.98亿立方米。这种自然界的异常现象起因之谜迄未被解开；图6的曲线似可提供点线索。鉴于苏北入海感潮河流口门多淤积大量细沙，退潮流速乃地球物理本质所决定。故如以流体自控振荡技术促进水流竖向紊动度，使底部细沙扬动悬浮，则口门非但不会再淤塞反而会冲刷出朝海倾斜的深沟。五、结语1、在水生态维护工程中用流控振荡器去增强水体的质交换与动量交换是可行的。2、流控机构在严酷的大自然条件下可长时间正常运转。3、当以太阳能提供电源时流控设备将可在郊野大水体中有效抑制蓝藻，并可加大河渠的挟沙能力。参考文献【1】 秦伯强,胡维平,陈伟民.(2004)太湖水环境演化过程与机理M.北京:科学出版社.【2】 刘光钊.(2005)水体富营养及其藻害M.北京:中国环境科学出版社.【3】 张娟,梁前进,周云龙,
