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湖库水源选择性取水水质模型及应用

给水排水 2012年第12期38卷 113-118页

作者：卢金锁汪利德西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055

深水型水库作为城市重要供水水源,纵向上通常呈现明显的水质分层,不同水位出流水质不同。在优选纵向一维水质模型基础上,运用Matlab平台将模型程序化,开发了应用于选择性取水构筑物的出流水质预测软件;在西北某水库选择性取水塔的取水... 详细信息

深水型水库作为城市重要供水水源,纵向上通常呈现明显的水质分层,不同水位出流水质不同。在优选纵向一维水质模型基础上,运用Matlab平台将模型程序化,开发了应用于选择性取水构筑物的出流水质预测软件;在西北某水库选择性取水塔的取水实例中,利用水库纵向水质数据,对温度、密度、溶解氧、电导率、氧化还原电位等13项出流水质指标进行了模拟验证,研究结果表明软件预测的出流水体的温度、溶解氧、电导率、pH、硬度、总氮指标与实测数据吻合,相对误差在10%以下,氨氮等指标预测误差较大。该软件可为深水型水源水库出流水质优化调度及水厂的运行控制提供参考。

关键词：湖库水源选择性取水水质模型指标预测

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基于CFD的深水型水库选择性取水模拟

基于CFD的深水型水库选择性取水模拟

作者：张伟西安建筑科技大学

学位级别：硕士

选择性取水广泛地应用于实际水库中，理论和试验研究结果表明泄出层厚度均可用一般的数学表达式表示，只是系数C3存在差异，并且通过理论分析和试验数据各自得到泄出层内速度分布表达式。本文利用FLUENT定制浮力传热湍流模型，确定模拟... 详细信息

选择性取水广泛地应用于实际水库中，理论和试验研究结果表明泄出层厚度均可用一般的数学表达式表示，只是系数C3存在差异，并且通过理论分析和试验数据各自得到泄出层内速度分布表达式。本文利用FLUENT定制浮力传热湍流模型，确定模拟方法，模拟美国陆军工程师团水道试验，模拟与理论误差仅为0.78%。将模型扩大为实际水库，模拟结果表明：在进行选择性取水时，水体流动可以分为三个区域，抽吸区域、惯性—浮力区域和粘性—对流区域，理论和试验所得到的泄出层厚度及速度无量纲分布公式只适用于惯性—浮力区域，并且在稳定出流的情况下，泄出层厚度为23.80m，建议C3=1.58;通过分析温度分布不同线性化后，选择性取水流动特性会存在着差异;而孔口大小的变化(在模拟的孔口大小范围内)对选择性取水则没有实质性的影响。选择性取水的理论研究只局限于水体密度单线型分布，并未对其他密度分布进行研究，通过借鉴Wood分析方法，得出双线性密度分布下的泄出层厚度及系数C3表达式;利用CFD计算软件FLUENT，获到模拟双线性密度下选择性取水的纵向范围、系数C3以及相应速度分布，结果表明泄出层厚度与相应的理论值接近，在分析的距离范围内，误差值在0.3%3.4%之间，建议系数C3=1.656，速度分布也符合美国陆军工程师团水道试验站的试验结果。高度固定的取水口一定程度上限制了选择性取水技术的应用，本文提出在取水口安装挡板和增强型挡板，通过上、下档板的旋转达到规避不良水层技术思路。通过建立取水口上侧安装档板和增强型挡板的CFD模型，表明孔口上方挡板能有效减少孔口中心上侧的泄出层厚度和流量，间接增加下侧的取水流量，8m上挡板向下倾斜-30°时，上、下流量分配比达到最大值，为1：4.3，不过4m挡板最为经济适宜，上、下流量分配比为1:3.93;4m增强型上挡板，上、下流量分配比最大值为1：4.78，对于4m增强型下挡板，上、下流量分配比最大值则为3.97:1;无论是挡板还是增强型挡板，倾斜角是这两种技术影响泄出层厚度和流量分配的重要因素。通过数据比较，表明增强型挡板在减小泄出层厚度这方面要优于挡板，而在流量方面，上、下流量分配比得到进一步提高。因此取水口安装挡板和增强型挡板可经济地增强选择性取水的调节范围

关键词：选择性取水 FLUENT 泄出层厚度区域挡板增强型挡板

基于CFD的选择性取水引流作用下藻类迁移控制模拟及强化选择性取水技术的研发

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基于CFD的选择性取水引流作用下藻类迁移控制模拟及强化选择性取...

作者：来瑾西安建筑科技大学

学位级别：硕士

我国大多数大中型城市已经或正在建设水库作为城市的主要供水或应急备用水源，近年来点源、非点源及内源污染导致水库水源富营养化问题明显，因此，为确保安全供水和降低净水成本，在水源保护领域内提高原水水质是一项非常重要的研究课... 详细信息

我国大多数大中型城市已经或正在建设水库作为城市的主要供水或应急备用水源，近年来点源、非点源及内源污染导致水库水源富营养化问题明显，因此，为确保安全供水和降低净水成本，在水源保护领域内提高原水水质是一项非常重要的研究课题。深水型水源水库的水温水质分层及藻类表层生长的特性，使得在深水型水源水库中常采用的选择性取水技术成为规避高藻原水、降低进厂水藻浓度的一种提高原水水质的有效手段。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上，可在流动基本方程控制下对流体流场进行数值模拟。本文利用CFD商用软件FLUENT，以西北某城市深水型水源水库选择性取水塔为原型，建立了二维深水型水库选择性取水模型，对该取水塔在夏秋季各典型取水工况下的取水口近区域内流场进行模拟，以文献中建议库区表层水流速(小于)2.75×10m/s为取水引流作用下规避藻类速度阈值，得出以下主要结论： (1)水库水源选择性取水时，随着取水口以上水位增加，库区表层水体流速变化，小于规避表层藻类阈值的取水区域不同。以距取水口水平距离60m，表层水位以下3m的区域为规避藻类的比较研究区域。模拟证实当开启上层取水口，取水量为6.64m/s时，取水口以上水深分别是5，10，15及20m时，在比较研究区域内，可规避表层藻类取水区域依次为17.6%，31.8%，49%及63.5%。在相同取水量下，当开启中层取水口时，库区中层流速大，取水范围基本呈对称分布，当取水口以上水深大于22m时，取水基本不来自于表层水体，可认为可规避表层藻类取水。因此，在一定取水量时，随着取水口以上水位的升高，取水引流作用对表层水体影响越来越小，即规避表层水体藻类的范围越来越大。 (2)选择性取水随着取水量的增大，取水引流对表层水体的影响越来越大，即可规避表层藻类取水的范围越来越小。模拟证实当开启取水口与水库水位之间距离为20m，取水口的取水量分别依次为6.64，10，15.6及28m/s时，水库表层流速增加，可规避表层藻类取水区域依次为：63.5%，32.7%，18%及9.6%。 (3)选择性取水规避藻类效能受水库入流的影响。模拟证实在夏秋季表层入流情况下，在模型中增加考虑水库水温分层及取水塔前坡度等实际情况，运用VOF多相流法，在取水量为10m/s，水库表层入流量分别为11.4，15，19.6及28m/s时，模拟证实分别在上层取水口和中层取水口开启时，规避表层藻类取水区域是动态的，中层取水规避藻类效能明显。 (4)在选择性取水塔的取水口上边加装垂直取水塔挡板，可明显改变取水引流作用下的表层流速分布，加装挡板长度越长，规避表层藻类取水区域越大。在取水量为10m/s，取水口距水库水位为20m时，模拟证实在取水口上边分别加装与取水口等宽长度分别为0.5，1及2m挡板时，规避表层藻类取水区域依次为提高至68%，73.2%及88.6%。这为选择性取水规避表层藻类及改造取水塔强化选择性取水技术带来新的思路。按照模拟结果，研发了可易于在现有选择性取水塔加装的强化选择性取水效果的挡板装置。

关键词：深水型水源水库选择性取水藻类迁移强化选择性取水 CFD FLUENT

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深水型水源水库选择性取水技术及其基础研究

深水型水源水库选择性取水技术及其基础研究

作者：张博西安建筑科技大学

学位级别：硕士

目前，我国大多数城市主要以水库作为供水水源，外源和内源污染使得水库原水水质下降，通过水库运行提高原水水质、降低净水成本和确保饮水安全成为水源工作者亟待解决的问题之一。本文针对现有选择性取水装置存在的不足，通过研发结... 详细信息

目前，我国大多数城市主要以水库作为供水水源，外源和内源污染使得水库原水水质下降，通过水库运行提高原水水质、降低净水成本和确保饮水安全成为水源工作者亟待解决的问题之一。本文针对现有选择性取水装置存在的不足，通过研发结构简单、安装便捷、可自由调动取水口高度的水力选择性取水装置，提高水库出流的原水水质;通过研究藻类的沉降迁移规律和建立出流水质预测模型，提出水库取水规避藻类的选择性取水技术，为进一步优化选择性取水提供参考依据。其研究结果表明： (1)应用自调节浮子潜水原理，研发水力浮动选择性取水装置和预净化水力自动选择性取水装置，两种均由水力浮动选择性取水器和原水传输与控制装置两部分组成，但其两者的主体结构和调节动力设备不同;两种水力选择性取水装置均可实现四种运行工况，分别为：固定取水口高度在恒定水深处取优质原水、自由调节取水口高度到任意水层、并联多个取水装置取不同深度纵向混合水和并联多个取水装置取水库平面范围内的优质混合水。 (2)实验室培养的小球藻按其直径可分为小于4.5μm、4.5.5μm、大于5.5μm三个等级;光强实验条件下小球藻沉速分布在0.168.2μm s-1，均值为32.8μm s-1;小球藻的沉降速度随沉降柱表层光强增强而降低，小球藻直径大小与沉速呈正相关;沉降稳定后实验柱中小球藻从表层至底层粒径逐渐变大，除底层外小球藻在纵向峰值随光强增加而向下延伸。 (3)小球藻在表层聚集时，模拟降雨影响干扰深度，其随降雨强度增加而增大，呈线性关系，并且小球藻沉速随粒径减小、降雨强度减弱而变慢，沉速范围为34.794.3μm s-1，粒径较小的小球藻更容易受降雨的影响而增大其沉速;小球藻在纵向均匀分布时，干扰深度与降雨强度呈指数分布，沉速范围为16.77.0μm s-1。 (4)从沉降柱底部进行引流实验，研究引流时小球藻沉降特性。结果表明：引流量与稳定时间呈负线性关系，与沉速呈正线性关系，沉速范围为51.438.2μm s-1，粒径较小的小球藻更容易受引流的影响而增大其沉速。 (5)将纵向水层水质按3群集进行K-均值聚类分析，统计所得的取水口水层所在聚类组的聚类中心可有效预测引水塔出流水质;预测的温度、pH、氧化还原电位、电导率、盐度和碱度与实测数据吻合程度较高，相对误差均在-10%0%;对取水口水层所在聚类组的上下边界作多项式曲线拟合，得出泄出层厚度符合理论推导和实际情况。

关键词：选择性取水小球藻纵向沉降聚类分析水质预测

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湖库选择性取水泄出层厚度理论计算扩展分析

湖库选择性取水泄出层厚度理论计算扩展分析

作者：郭宪西安建筑科技大学

学位级别：硕士

泄出层厚度是湖库水源选择性取水技术及应用的重要参数之一。在湖库纵向密度线性分布下，选择性取水的泄出层厚度理论分析和试验结论可用一表达式表示，差异存在于系数C。本文针泄出层厚度理论对密度条件要求严格及应用范围较窄问题，... 详细信息

泄出层厚度是湖库水源选择性取水技术及应用的重要参数之一。在湖库纵向密度线性分布下，选择性取水的泄出层厚度理论分析和试验结论可用一表达式表示，差异存在于系数C。本文针泄出层厚度理论对密度条件要求严格及应用范围较窄问题，简化实际纵向密度分布为双线型密度分布，通过建立以取水口为中心球坐标体系和伯努利方程，理论推导了在实际上更为普遍的双线型密度分布下选择性出流泄出层厚度计算表达式，两者在形式上相同，但系数C由确定值变为变量C*，其由表征密度分布的参数k1, k2和θ决定，在双线形密度相同的情况下，可获得变量值与系数C相同。按照泄出层厚度的变化，可将选择性取水区分为两个区域，靠近取水口的部分泄出层随着距离取水口的距离快速增加，称其为非稳定区，远离取水口的部分泄出层厚度不变，称其为稳定区。温度分层强度对泄出层厚度影响大，在取水流量和取水口位置不变时，水库由夏季-冬季的过程中，温度分层弱化，泄出层厚度会增加，在冬季-夏季的过程中，温度分层增强，泄出层厚度减小;取水口位置对泄出层厚度有影响，在案例研究中水库取水口自上而下变化过程中泄出层厚度减小。利用两夏季实测的纵向水温分布，基于CFD模拟了西安金盆水库不同深度取水口出流时的泄出层厚度，与双线型密度分布下计算公式计算结果比较，结果表明两者有较好的一致性，平均误差仅为1.2%。表明双线型密度分布下的泄出层厚度计算表达式有良好的适用性，与单线型下的泄出层厚度表达式相比，双线型密度分布下的泄出层厚度表达式具有更为广泛的应用范围。

关键词：选择性取水泄出层厚度线型密度分布取水口位置 LUENT 拟验证

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浑水异重流孔口出流泄沙规律

水利学报 2007年第9期38卷 1073-1079页

作者：范家骅中国水利水电科学研究院泥沙研究所北京100044

对垂直壁孔口和底孔出流的室内试验资料,以及三门峡水库、官厅水库的现场异重流孔口泄沙资料进行分析,得到出流含沙量与孔口高度和泄出层厚度的经验关系曲线。此关系曲线可用于估算在一定条件(孔口流量、异重流含沙量、孔口高度)下的出... 详细信息

对垂直壁孔口和底孔出流的室内试验资料,以及三门峡水库、官厅水库的现场异重流孔口泄沙资料进行分析,得到出流含沙量与孔口高度和泄出层厚度的经验关系曲线。此关系曲线可用于估算在一定条件(孔口流量、异重流含沙量、孔口高度)下的出口含沙量。最后分析了孔口距底高度对浑水异重流孔口出流的影响,提出设计多沙河流上水库浑水异重流孔口泄沙的孔口位置时应注意的要点。

关键词：异重流孔口出流选择性取水孔口排沙取水防沙分层流浑水异重流

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异重流孔口出流极限吸出高度分析

水利学报 2007年第4期38卷 460-467页

作者：范家骅中国水利水电科学研究院泥沙研究所北京100044

通过对60年来盐水异重流孔口出流的试验和理论分析成果的综述与分析,讨论了孔口前异重流泄出层厚度参数的定义,论述了极限吸出高度与泄出层厚度的研究成果,以及孔口出流浓度与孔口出流参数的关系。提出了一个极限吸出高度的无量纲数。... 详细信息

通过对60年来盐水异重流孔口出流的试验和理论分析成果的综述与分析,讨论了孔口前异重流泄出层厚度参数的定义,论述了极限吸出高度与泄出层厚度的研究成果,以及孔口出流浓度与孔口出流参数的关系。提出了一个极限吸出高度的无量纲数。分析已有的试验成果发现,大部分二元和三元孔口出流试验的极限吸出高度参数接近某一定值。故在已知异重流浓度和出流流量时,即可估计出孔口出流极限吸出高度和泄出层厚度等值。

关键词：异重流孔口出流选择性取水盐水异重流极限吸出高度

水温分层水库中大规模高浓度泥沙侵入及长期浊水放流问题的对策

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长江科学院院报 2020年第3期37卷 1-5,25页

作者：陈飞勇堀田哲夫刘兵山东建筑大学资源与环境创新研究院济南250101 日本株式会社建设技术研究所东京103-8430

用数值模型描述了水温分层水库中大规模高浓度泥沙流入时的水动力学现象,定量研究并讨论了如何改善这种情况下水库形成的长期浊水化现象。在大流量、高浓度时,洪水水流沿着水库底部向下游高速流动,撞击大坝后造成的回流形成洪水的混浊... 详细信息

用数值模型描述了水温分层水库中大规模高浓度泥沙流入时的水动力学现象,定量研究并讨论了如何改善这种情况下水库形成的长期浊水化现象。在大流量、高浓度时,洪水水流沿着水库底部向下游高速流动,撞击大坝后造成的回流形成洪水的混浊水体与水库内周围环境水体的混合,导致水库长时间浑浊,形成长期浊水放流。该机理提示了减少洪水后库内混浊水体积的可能性。数值实验表明,如果合理采用选择性取水设备,或通过下层泄洪口可以成功地减少混浊水和清洁水体的混合,将洪水后库内残余混浊水的量减少88%。进一步的计算表明,如果可以改变温度跃层的位置或泄洪口的高程,则可以控制洪水时泥水在水库中的流动,以改善洪水后浊水放流的状况。

关键词：浊水温度分层选择性取水洪水泥沙水库对策

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基于流场模拟的水库双取水口水质模拟研究

人民长江 2014年第4期45卷 36-40页

作者：卢金锁王登宇西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安710055

大型深水湖泊和水库普遍存在水温热分层现象,导致水质也存在分层现象,中间层或上下层混合水体水质比表层和底层水体水质好。结合具体实例,建立了双孔口混层取水水质分析模型,并利用模型成功分析了7种取水模式下的取水水质情况。研究结... 详细信息

大型深水湖泊和水库普遍存在水温热分层现象,导致水质也存在分层现象,中间层或上下层混合水体水质比表层和底层水体水质好。结合具体实例,建立了双孔口混层取水水质分析模型,并利用模型成功分析了7种取水模式下的取水水质情况。研究结果表明,通过调节不同高度取水口的开度,可获得不同的供水水质;在所选择的实例中,工况3和工况4在相同条件下出流水质优于其余工况。研究结果对多孔口取水塔取水有指导意义。

关键词：水源水库双孔出流选择性取水水质模型