Effects of benthic hydraulics on sediment oxygen demand in a canyon-shaped deep drinking water reservoir: Experimental and modeling study  

底流水力學(xué)對峽谷型深水飲用水水庫沉積物耗氧量的影響：實驗與模型研究  

來源：Journal of Environmental Sciences, 102 (2021) 226–234

《環(huán)境科學(xué)學(xué)報》，第102卷（2021年），第226–234頁

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過實驗與模型模擬，探究底流水力學(xué)對峽谷型深水水庫（金盆水庫）沉積物耗氧量（SOD）的影響。核心發(fā)現(xiàn)包括：  

1. 水動力增強顯著提升SOD：流速增加使SOD提高4.5倍（從靜止?fàn)顟B(tài)的0.2 g/m2/天增至0.9 g/m2/天），主要因湍流減薄擴散邊界層（DBL），促進氧傳遞。  

2. 方法對比：結(jié)合培養(yǎng)箱溶解氧（DO）消耗法（SODb）與微電極界面氧通量法（JO?），建立SOD與剪切速度（u）和DO濃度的定量模型：SOD = 0.019u(Cbulk - CSWI)。  

3. 工程意義：水庫曝氣/人工混合系統(tǒng)的設(shè)計需考慮流速引起的SOD激增，以避免加劇深層缺氧。  

 

研究目的

 

1. 量化底流湍流對沉積物-水界面（SWI）氧傳遞的影響；  

2. 整合DO消耗法與微電極法，構(gòu)建水動力驅(qū)動的SOD預(yù)測模型；  

3. 為深水水庫曝氣系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。  

 

研究思路

 

1. 實驗設(shè)計：  

   ? 采集金盆水庫沉積物巖芯，置于圓柱形培養(yǎng)箱（圖1），通過水平射流控制流速（0–15 cm/s）。  

 

     

2. SOD測量：  

   ? DO消耗法：監(jiān)測封閉培養(yǎng)箱內(nèi)DO隨時間下降（圖3a），計算SODb；  

   ? 微電極法：用丹麥Unisense電極測量SWI處DO微剖面（圖3b），計算JO?及DBL厚度（δDBL）。  

 

3. 水力參數(shù)模擬：  

   ? 計算流體動力學(xué)（CFD）模型模擬培養(yǎng)箱內(nèi)三維湍流（圖2），量化剪切速度（u*）與湍能耗散率（ε）。  

 

     

4. 模型構(gòu)建：  

   ? 基于Fick定律與邊界層理論，建立δDBL和SOD與u*的定量關(guān)系。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. DO消耗動力學(xué)（圖3a）  

   ? 數(shù)據(jù)：流速（uin）從0增至15 cm/s時，DO消耗速率常數(shù)k從0.024升至0.105 m/天。  

 

   ? 意義：證實流速通過增強湍流加速DO消耗，為SODb方法提供流速校正依據(jù)。  

 

2. 微電極DO剖面（圖3b）  

   ? 數(shù)據(jù)：流速↑導(dǎo)致δDBL從0.8mm降至0.2mm，SWI處DO濃度從4.7 mg/L升至7.4 mg/L。  

 

   ? 意義：直接觀測湍流對DBL的壓縮效應(yīng)，揭示氧通量（JO?）提升的微觀機制。  

 

3. 水力參數(shù)與SOD關(guān)聯(lián)（圖5）  

   ? 數(shù)據(jù)：u*從0.196 cm/s增至0.796 cm/s時，JO?從0.35升至0.67 g/m2/天，δDBL從0.8mm降至0.2mm。  

 

   ? 意義：量化δDBL = 10.65ν/(u*Sc1/3)（圖6），確立湍流強度與氧傳遞的線性關(guān)系。  

 

 

 

4. SOD模型驗證（圖7）  

   ? 數(shù)據(jù)：SOD = 0.019u*(Cbulk - CSWI)，預(yù)測值與實測值高度一致（r2=0.961）。  

 

   ? 意義：提供工程適用的SOD預(yù)測工具，指導(dǎo)曝氣系統(tǒng)設(shè)計。  

 

 

結(jié)論

 

1. 水動力主導(dǎo)SOD：流速通過減薄δDBL（最小0.2mm）顯著提升氧通量，SOD最高增加4.5倍；  

2. 方法整合價值：微電極法與DO消耗法互補，微電極更適用于低流速（JO? > SODb），高流速時SODb更反映總耗氧；  

3. 工程啟示：水庫曝氣系統(tǒng)需控制流速以避免SOD激增，建議依據(jù)u*優(yōu)化曝氣強度。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

1. 高分辨率觀測DBL動態(tài)：  

   ? 微電極以100μm分辨率繪制SWI處DO梯度（圖3b），直接量化δDBL隨流速的變化（0.8mm→0.2mm），揭示湍流對氧傳遞的增強機制。  

 

2. 驗證理論模型：  

   ? 實測δDBL與u的反比關(guān)系（圖6）驗證了邊界層理論（δDBL ∝ 1/u），支撐了SOD = f(u*)模型的可靠性。  

 

3. 區(qū)分界面過程：  

   ? 捕捉SWI處DO濃度（CSWI）的躍變（靜止時4.7 mg/L vs 湍流時7.4 mg/L），闡明化學(xué)氧化（高CSWI）與生物耗氧（低CSWI）的競爭機制。  

 

4. 指導(dǎo)工程實踐：  

   ? 微電極數(shù)據(jù)證明：曝氣系統(tǒng)產(chǎn)生的湍流可縮減δDBL，但需平衡SOD增加風(fēng)險，為深水庫增氧策略提供微觀尺度依據(jù)。