一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，該模擬方法包括以下步驟：根據實際分層型湖泊水庫水溫分布的特點，按一定比例確定模型水庫所需的下層等溫層水體的高度；在所需高度的模型水庫下層，垂向均勻布設N-1個環形空調蒸發器冷凝管，各環形冷凝管與空調主機相連；向模型水庫內注入清水，使模型水庫內達到一定水深；根據所需的等溫層水溫，設置溫度感應器的溫度值；開啟空調主機，通過個冷凝管對模型水庫下層水體進行制冷，通過溫度感應器實測下層水體水溫，空調主機根據溫度感應器的反饋自動啟閉，直至等溫層水體水溫均勻達到指定溫度，模擬過程結束。采用本發明形成的分層水體具有水溫分層穩定、同一水平面水溫均勻的特點。
【專利說明】一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法
【【技術領域】】
[0001]本發明屬于湖泊水庫水質污染控制領域，涉及分層湖泊水庫中試研究，具體涉及一種基于自然傳熱的水庫水溫分層模擬方法。
【【背景技術】】
[0002]深水型湖泊水庫水體溫度具有明顯的季節性沿深度成層分布的特點，夏季自上而下形成典型的變溫層、躍溫層和等溫層的水溫分層結構，表層水溫和底層水溫相差很大，有時溫度差值可達20°C左右。當湖庫水溫分層時，自上而下水溫逐漸降低、密度逐漸增加，表層水溫和溶解氧濃度較高的水體向下運動時，會受到向上的浮阻力，尤其是在溫度梯度大的躍溫層內。躍溫層的存在阻礙了表層和底部水體的能量和物質交換，在底部水體，溶解氧受躍溫層阻礙而得不到補充，而各種微生物和化學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，底泥中的有機質、氮、磷、鐵、錳會釋放進入水體，形成湖庫的內源污染。當季節更替導致表層與底部水溫相近時，湖庫易發生“翻庫”現象，水質污染嚴重的等溫層水體與中上部水體發生混合，等溫層內的污染物將污染整個湖庫水質。內源污染使水體磷、氮含量增加，在夏秋季節水溫、光照合適時，會引起藻類的大量繁殖和水體富營養化。水溫分層是導致分層湖庫水質內源污染和富營養化的重要誘因之一。由于缺乏能模擬實際分層湖庫的方法，目前分層湖庫內源污染和富營養化控制技術的研究基本都處于實驗室機理研究和受限條件下的現場觀測研究，致使湖庫水質污染控制技術的應用效果難以在可控試驗環境中進行實質性的系統研究。 [0003]目前涉及湖泊水庫水溫分層的主要模擬方法有三類。一是以鹽水和淡水形成類似于水溫分層的密度分層水體，二是利用熱水和冷水流入水槽形成一定的水溫分布，三是通過在水槽上方用加熱器使水體升溫的方法形成一定的水溫分布。利用鹽、淡水的密度差以模擬水溫分層，通常僅能模擬兩層，很難形成穩定的連續分層水體，不能真實地再現實際湖庫水溫沿水深的連續分布。利用熱水或冷水流入水槽以形成水溫分層，雖然能在一定條件下形成相對穩定的水溫分層結構，但其對冷、熱水輸入系統的控制要求非常高。利用加熱器升溫雖然理論上在水平向密度流的作用下，熱量能被水平傳輸，使等高面上的水溫趨于均勻，但存在以下幾個明顯不足:1)受加熱器性能的影響，水溫分層空間分布的均勻性難以保證；2)底部水溫多數條件下無法降低至實際分層湖庫等溫層的常見水溫5°C左右，難以在任何季節都能進行與實際湖庫水溫分層條件相近的分層水環境試驗；3)加熱棒本身也會影響模型湖庫內的水流狀態。目前的水溫分層方法均存在各自的缺陷和不足，很難簡便地形成穩定的，不影響水流狀態的，符合實際湖泊水庫水溫分布特點的水溫分層結構。
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【發明內容】
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[0004]本發明的目的在于針對現有水溫分層方法的不足，提供了一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，該方法簡單易行。
[0005]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:[0006]1、一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]I)根據實際分層型湖泊水庫水溫分布的特點，按一定比例確定模型水庫所需的下層等溫層水體的高度；
[0008]2)在所需高度的模型水庫下層，垂向均勻布設N-1個環形空調蒸發器冷凝管，各環形冷凝管與空調主機相連；
[0009]3)向模型水庫內注入清水,使模型水庫內達到一定水深；
[0010]4)根據所需的等溫層水溫，設置溫度感應器的溫度值；
[0011]5)開啟空調主機，通過N-1個冷凝管對模型水庫下層水體進行制冷，通過溫度感應器實測下層水體水溫，空調主機根據溫度感應器的反饋自動啟閉，直至等溫層水體水溫均勻達到指定溫度，模擬過程結束。
[0012]本發明進一步改進在于，空調主機根據溫度感應器的反饋自動啟閉，溫度感應器實時測量模型水庫下層水體的溫度，當模型水庫下層水溫高于指定溫度，溫度感應器給空調主機發出一個啟動信號；當下層水溫達到指定溫度，溫度感應器再次給空調主機發出一個關機信號。 [0013]本發明進一步改進在于，模擬水庫中冷凝管的數量為N-1個，其從上至下分別為第I層冷凝管、第2層冷凝管.......和第N-1層冷凝管，N-1個冷凝管通過支架支撐。
[0014]本發明進一步改進在于，模型水庫中還設置有刻度尺和底部出流口。
[0015]與現有其他水溫分層模擬方法相比，本發明的優點是:采用本發明方法形成的水溫分層水體具有水溫分層穩定、同一水平面水溫均勻，制冷速度快、能耗低、裝置簡單、水體內部無物體干擾，試驗不受季節限制等優點。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0016]圖1為本發明制冷系統示意圖；
[0017]圖2為本發明基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置的結構示意圖；
[0018]圖3為本發明模擬水溫分布圖；
[0019]圖4為西安黑河金盆水庫實際水溫季節變化圖。
[0020]其中:1、水箱；2、加水管；3、水泵；4、流量計；5、刻度尺；6、第I層冷凝管；7、第2層冷凝管；8、第N-1層冷凝管；9、支架；10、模型水庫；11、出流口 ； 12、溫度探頭；13、溫度感應器；14、空調主機；15、緩沖水池；16、進水槽；17、開關；18、測溫儀主機。
【【具體實施方式】】
[0021]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0022]參見圖1，本發明一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，其核心思想是通過對底部水體制冷的方法，首先在底部形成等溫層，然后利用自然傳熱機制，在模型水庫內自上而下形成變溫層、躍溫層和等溫層，即形成與實際湖泊水庫類似的水溫分層結構。
[0023]參照圖2，本發明擬通過一套基于自然傳熱的分層湖泊水庫模擬裝置詳細說明。該模擬裝置包括模型水庫10、空調主機14、溫度感應器13、若干溫度探頭12、第I層環形冷凝管6、第2層環形冷凝管7、第N-1層環形冷凝管8 ;其中，第N-1層環形冷凝管8、第2層環形冷凝管7和第I層環形冷凝管6從上至下均勻設置在模型水庫10底層，N-1個環形冷凝管通過支架9支撐，若干個個溫度探頭12分別與測溫儀主機18相連接，溫度感應器13與空調主機14相連接，且空調主機14用于分別通過N-1個環形冷凝管對模型水庫10中的水進行制冷。
[0024]其中，該模擬裝置還包括設置在模型水庫10底層的出流口 11 ;模型水庫10中還設置有刻度尺5。
[0025]此外，該模擬裝置還包括緩沖水池15，其通過進水槽16與模型水庫10相連通，以及水箱1，其通過加水管2以及設置在加水管2上的水泵3與緩沖水池15相連通；在加水管2上設置有流量計3，且流量計3設置在靠近水泵3出水口的一端，且加水管2上還設置有開關17。
[0026]本發明一種基于自 然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，包括以下幾個步驟:
[0027]I)根據實際分層型水庫(湖泊)水溫分布的特點，按一定比例確定模型水庫(長L/m、寬B/m、高H/m)所需的下層等溫層水體的高度匕(m)，即為模型水庫中等溫層的高度；在所需高度為h的模型水庫下層，垂向均勻布設N-1個環形空調蒸發器冷凝管，每個環形冷凝管設兩條水平短管相連，從上至下將模型水庫下層分為N層；各環形冷凝管與空調主機相連；向模型水庫內注入清水，使模型水庫內水深達到1? Cm)；
[0028]2)根據所需的等溫層水溫，設置溫度感應器的溫度值；開啟空調主機，通過N-1個冷凝管對模型水庫下層水體進行降溫處理，當制冷達到指定的等溫層水體溫度之后，空調停止工作；當冷凝管周圍水體溫度高于預期制定溫度，空調主機開始工作，如此不斷重復循環，直至等溫層水體水溫均勻達到指定溫度，模擬過程結束。具體地說，溫度感應器實時測量等溫層中部水層水體的溫度，當該層水體的溫度高于溫度感應器的指定溫度時，溫度感應器給空調主機發出一個啟動信號；當該層水體的溫度降到指定溫度后，溫度感應器再次給空調主機發出一個關機信號。長時間的制冷形成了水溫較低的穩定等溫層水體，室溫下利用自然傳熱，表層水溫隨著氣溫的變化而變化，在表層一定范圍內形成水溫差別較小的變溫層；在表層變溫層和底部等溫層之間，形成溫度梯度很大的躍溫層，以近似模擬實際水庫的水溫分層結構。
[0029]3)當制冷一定時間以后，溫度感應器實測的水體溫度穩定達到指定溫度時，在模型水庫高度為h的下層水體中，水平方向均勻選定8個點，采用由4個溫度探頭組成的探頭陣列分別測量各點處的垂向水溫分布，如果模型水庫等溫層水體內各處水溫均達到指定溫度，模型水庫等溫層正式形成。
[0030]4)在室溫固定的情況下，可以通過設置溫度感應器的不同溫度，自然實現具有不同躍溫層溫度梯度的穩定水溫分層結構；在設置溫度感應器的固定溫度的情況下，可以依據室溫的季節性變化，自然實現具有不同躍溫層溫度梯度的穩定水溫分層結構，便利地進行分層水體試驗研究。
[0031]對比圖3和圖4，可以看出通過本發明的模擬裝置能夠使模型水庫水體形成穩定的水溫分層，所形成的水溫分層結構與實際的湖泊水庫水溫分層結構類似。
[0032]以往水溫分層試驗，通常以鹽、淡水為介質形成由兩層不同密度的水體構成的分層水環境，或是利用熱水或冷水流入水槽形成一定的垂向水溫分布，或是在水槽內或外通過加熱器加熱水形成一定的水溫分布，很難模擬基于自然傳熱的與實際湖泊水庫水溫分布類似的分層水環境。本發明提供一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，將直接形成穩定的連續水溫分層環境，便于進行各種可控條件下的水溫分層模擬試驗。
[0033]本發明可根據實際需要，擴大或縮小模型水庫尺寸，進行不同條件下的水溫分層模擬實驗的研究。本發明實施操作方便，使用成本低廉，易于控制，具有推廣應用價值。
[0034]盡管上面結合附圖1?4對本發明的實施進行了詳細描述，但上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明的宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，均屬于本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據實際分層型湖泊水庫水溫分布的特點，按一定比例確定模型水庫所需的下層等溫層水體的高度； 2)在所需高度的模型水庫下層，垂向均勻布設N-1個環形空調蒸發器冷凝管，各環形冷凝管與空調主機相連； 3)向模型水庫內注入清水,使模型水庫內達到一定水深； 4)根據所需的等溫層水溫，設置溫度感應器的溫度值； 5)開啟空調主機，通過N-1個冷凝管對模型水庫下層水體進行制冷，通過溫度感應器實測下層水體水溫，空調主機根據溫度感應器的反饋自動啟閉，直至等溫層水體水溫均勻達到指定溫度，模擬過程結束。
2.根據權利要求1所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，其特征在于，空調主機根據溫度感應器的反饋自動啟閉，溫度感應器(13)實時測量模型水庫下層水體的溫度，當模型水庫下層水溫高于指定溫度，溫度感應器(13)給空調主機(14)發出一個啟動信號；當下層水溫達到指定溫度，溫度感應器(13)再次給空調主機(14)發出一個關機信號。
3.根據權 利要求1所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，其特征在于，模擬水庫(10)中冷凝管的數量為N-1個，其從上至下分別為第I層冷凝管(6)、第2層冷凝管(7).......和第N-1層冷凝管(8)，N-1個冷凝管通過支架(9)支撐。
4.根據權利要求1至4任一項所述的一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法，其特征在于，模型水庫(10)中還設置有刻度尺(5)和底部出流口。
【文檔編號】E02B1/02GK104018458SQ201410140441
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年4月9日 優先權日:2014年4月9日
【發明者】孫昕, 陳恩源, 解岳 申請人:西安建筑科技大學