CN103755085A - 河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置及方法，包括水华消除单元、藻源净化单元和澄清单元。本发明巧妙借助了河道型水库支流库湾消落带周期性浸没与暴露的特点，依照消落带的地理特征修建，在低水位时安装维护十分方便；水华消除单元在高水位水华期间能快速分层定位消除水体中的水华；藻源净化单元一方面基于流体力学原理实现对水体流态的控制，辅助增强水华消除单元实施效果，另一方面用于破坏水中藻源微小细胞的生物活力，深度根除水中藻源微细胞；澄清单元采用橡胶坝，在非水华期间不影响河道主要天然功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置及方法，属于水利工程及水环境保护领域。
背景技术
随着工业、农业、市政污染排放负荷的不断增加，我国地表水资源承受的水环境压力持续增加。河道型水库富营养化及水华问题较为突出，已成为制约水利水电工程可持续开发与建设运行的瓶颈之一。河道型水库蓄水之前流速较快，水体自净能力强，不易形成水华；水库蓄水后水体流速骤降，会在在库区支流形成近乎停滞状态的库湾水体，容易富集营养元素形成水体富营养化，在适宜的水动力及气象条件下，易暴发大面积水华。水华水体表面或近表水层大量藻类聚集，既影响景观，又对人类社会及水生态系统造成多方面的负面影响，如污染水源、恶臭、水生生物死亡、生物多样性下降等。
水库流域内污染源头众多，既有点源与非点源等外来污染源，也有内源二次污染，通过消除污染源来彻底防治水华十分困难，因此水华发生后的消减与控制技术得到广泛关注。传统水华水体治理技术主要分为物理法、化学法、生物法三类：物理法通过一定物理手段将藻类物质直接从水中分离去除，主要包括围隔拦截、人工打捞、机械清除等；化学法主要通过向水体投放特殊抑藻化学药物来控制藻类的生长繁殖，如化学灭杀法、絮凝剂沉淀法等；生物法主要利用一些物种会分泌抑藻物质或能够直接摄食藻类的生理习性，以期达到减少藻类浓度的目的，主要包括微生物抑藻、植物控藻、鱼类摄食等。然而，上述传统技术存在着一些明显的局限性与不足：
（1）物理法虽能快速减轻局部水华灾害，但一般只对出现大面积聚集水华才有效果，无法根除低浓度水华或者水中的藻源微小细胞，成本也较高，不能大规模使用；
（2）化学法只将水华藻类从水相中转移到沉积物中，存在二次污染的可能，此外该方法向水体中引入了新的化学成分，一些杀藻剂甚至还具有毒性；
（3）生物法周期较长，不具有大面积突发水华快速治理的能力，同时该方法在食物链中强化了某一类生物量，对生态系统的长期影响难以衡量；
总体而言，传统水华治理技术往往只能部分消减水华水体的表观症状，难以根除水体中的藻源微细胞，这也是治理后水华容易复发的原因之一；同时，由于地理环境条件的限制，传统水华治理技术一般只能在小范围内开展工作，同时需要借助人、船、车等，费时费力，实施效果也往往并不理想。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，并充分考虑河道型水库支流库湾独特地理与水文环境条件，针对该区域出现水华灾害的特点，设计出一种既能够高效快速去除大面积水华，又能根除水中藻源微细胞的装置。
本发明的另一目的是提供一种河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化方法。
技术方案：本发明所述的河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，包括水华消除单元、藻源净化单元和澄清单元。
水华消除单元用于消除水体中的水华，由两套相同的装置左右对称安装在河道型水库支流库湾顺直河段两侧的消落带上，每套装置均包括：固定板、直角梯形工作台、进水箱、初步过滤箱、直角梯形收集台、加强过滤箱、控制箱、抽水泵、载料箱和支架。
所述固定板通过锚杆固定在库湾两岸的消落带区域；所述直角梯形工作台和直角梯形收集台的斜面均与固定板连接；所述进水箱及其正下方连接的初步过滤箱的侧壁均与直角梯形工作台垂直面外侧连接；所述加强过滤箱水平连接在初步过滤箱的下游，其侧壁与直角梯形收集台垂直面外侧连接，且其靠下游侧壁中心设置有摄像头；所述直角梯形收集台顶部顺水流末端装有抽水泵，所述抽水泵用于抽取加强过滤箱内的水体至藻源净化单元；所述载料箱固定在加强过滤箱的顶部；所述初步过滤箱和加强过滤箱的底部通过若干个支架将其固定在固定板上。
所述的藻源净化单元用于深度净化水体中的藻源微细胞，包括：2个支托、2个回子型支杆、供气箱和浮箱；所述的2个支托左右对称分别固定在初步过滤箱和加强过滤箱靠近河中心的两个侧壁连接部位的底部；所述的2个回子型支杆底部左右对称分别固定在2个支托上，且其上端均升至与直角梯形工作台齐平，而下端均固定在初步过滤箱和加强过滤箱靠近河中心的两个侧壁连接部位；所述浮箱由部分圆柱体喷气台和超声波净化箱组成，浮箱左右两端套在2个回子型支杆内，使其可随水位的升降而自由上下浮动；所述的供气箱安置在直角梯形收集台顶部，为浮箱供气。
所述的澄清单元用于澄清上述水华消除单元和藻源净化单元处理后的水体杂质并提高水体自净能力，位于水华消除单元和藻源净化单元的水流下游，包括：橡胶坝A、橡胶坝B、离心泵和球形滤网；所述橡胶坝A、橡胶坝B底部均通过铆钉固定在河床底部，所述橡胶坝B在橡胶坝A的下游，藻源净化单元处理后水体通过两个橡胶坝的梯级跌水，可以增加水体含气浓度，增加水体自净能力，同时两个橡胶坝之间形成相对稳定水体，增加水力停留时间，有利于杂质的沉淀澄清；所述球形滤网置于橡胶坝A前的河道中，与安装在一侧河岸上的离心泵连接，通过阀门a、阀门b可对橡胶坝A和橡胶坝B充水或排水。
优选的，进水箱的横截面为三角形；进水箱内部由若干个沿水流方向布置的竖直隔板将其分成若干独立区域；进水箱面向河道中心的斜面由若干个顶板组成，每个顶板对应一个前述的独立区域，顶板两端通过升降杆控制其启闭。闭合时，将独立区域的顶部密封；开启时，可单独或复合开启，控制不同水深水体的引流进入进水箱；进水箱的底部靠上游方向上设置有出水口。
优选的，初步过滤箱和加强过滤箱为等高等宽的空心长方体箱，且在两个过滤箱内部沿着水流方向均设置有多层过滤网；所述两个过滤箱内部的过滤网网孔大小由上游向下游均依次减小；相邻两个过滤网中间靠近河中心的两个过滤箱侧壁底部均设置有高度为过滤箱高度一半的伸缩清扫刷，而靠近两岸的两个过滤箱侧壁及其连接的直角梯形台和直角梯形收集台上均有高度为过滤箱高度一半的开口，所述开口安装有闸板；所述闸板经位于进水箱竖直侧壁、直角梯形工作台、加强过滤箱和直角梯形收集台顶部的升降控制器通过缆绳实现启闭；在直角梯形工作台、直角梯形收集台内，位于其侧壁闸板后方设置有数量与可伸缩清扫刷数量一样的收集槽，其宽度与闸板宽度一样，而高度分别与直角梯形工作台、直角梯形收集台的高度一样；所述的伸缩清扫刷由河中心向河岸方向清扫过滤残留的水华杂质，水华杂质被清扫后经闸板处的开口进入收集槽。
优选的，载料箱安装在加强过滤箱顶部，两者通过若干排进料口连通；所述载料箱中的强化絮凝效果化学药品，经不同进料口进入加强过滤箱不同过滤网之间区域；所述的进料口可控制开度，以控制进入加强过滤箱的化学药品量。
优选的，部分圆柱体喷气台上与超声波净化箱相接的部位设置有通气管，所述通气管顶部的两端各有一个入气孔，所述的两岸的供气箱通过所述的入气孔向通气管供气。同时，部分圆柱体喷气台上设置有一排喷头朝向上游的圆柱形喷气管，且圆柱形喷气管均与所述的通气管连接。所述圆柱形喷气管在部分圆柱体喷气台上成弧形列阵，两岸管短，中间管长。
进一步地，所述超声波净化箱顺着水流方向分为上游增氧区和下游超声波除藻区两个部分；其中，增氧区的顶部中心设置有超声波发生器，增氧区的内部设置有雾化箱。所述雾化箱内的顶部设有超声波换能器，其与超声波发生器连接；同时，增氧区的顶部两端设置有进水孔，所述通气管底部的两端设置有进气孔；所述的两岸的抽水泵经所述的2个进水孔可向所述的雾化箱输水，而所述的通气管经2个进气孔可向所述的雾化箱供气；所述的雾化箱底部设置有若干排喷头竖直朝下的喷射器；在超声波除藻区内底部沿水平方向有若干个照射孔，所述每个照射孔内竖直镶着超声波除藻仪，所述超声波除藻仪可向河道水体发射不同频率的超声波。
所述控制箱安装在直角梯形工作台顶部；控制箱内设有供升降杆、升降控制器、伸缩清扫刷、进料口、抽水泵、供气箱中的空气压缩机、摄像头、超声波发生器、圆柱形喷气管、喷射器、超声波换能器、超声波除藻仪以及离心泵等设备工作的电源；设有升降杆、升降控制器、伸缩清扫刷、进料口、抽水泵、圆柱形喷气管、喷射器以及超声波发生器、超声波换能器、超声波除藻仪的控制开关，进而控制其的工作状态；设置有控制进水箱中各升降杆升降的选择按钮，进而有选择的升降不同的升降杆，将顶板打开；设置有摄像头的数据接收器用于分析摄像头记录数据。
本发明还提供河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化的方法，包括以下步骤：
（1）根据长期水文观测资料，确定该河道型水库支流库湾消落带的上下限范围，该范围在其最高与最低水位之间；将水华消除单元安装在支流库湾水华易发段的消落带上，使初步过滤箱和加强过滤箱底部与消落带下限持平；将藻源净化单元中的浮箱左右两端套在2个回子型支杆内，浮箱浮在水面上；此时澄清单元的橡胶坝A和橡胶坝B为不充水状态，使得上游来水正常通过；
（2）若上游来流水体或邻近水体发生水华，则利用离心泵对澄清单元中的橡胶坝A进行充水，使得橡胶坝A浮出水面一定高度，此时在橡胶坝A前会形成雍水，出现一段相对静水区；
（3）启动供气箱通过入气孔向通气管供气，开启部分圆柱体喷气台上的圆柱形喷气管，在水表面向上游水体喷气，在成弧形列阵的圆柱形喷气管作用下，水面形成圆弧形风生流，使波形富含藻类水体向两岸流动；进而，根据叶绿素垂向浓度分布大小，定位出所需重点处理的高浓度富含藻类水层，有选择地开启进水箱斜面两端的升降杆使该重点处理水层对应顶板打开，让高浓度富含藻类水层水体流入两岸的进水箱；
（4）进水箱里的水体由其底部的出水口流入初步过滤箱，在多层过滤网作用下对水体进行初步过滤；初步过滤后的水体流入邻接的加强过滤箱，开启进料口向加强过滤箱内注入预先存放在载料箱内的强化絮凝化学药品；开启加强过滤箱侧壁的摄像机，对过滤情况进行实施监控；同时，开启抽水泵将部分加强过滤后的水体抽回部分圆柱体喷气台的下方，所形成的强紊动区可辅助阻止上游水体藻类流过；
（5）同步，利用抽水泵将部分加强过滤后的水体，经进水口持续输入雾化箱，并开启通气管底部两端的进气孔向雾化箱持续输气；开启超声波发生器和超声波换能器；打开雾化箱底部的喷射器，以对含藻源细胞水体进行增氧；同时，启动超声波除藻仪，利用超声波的辐射压，将部分圆柱体喷气台下方水体中的藻源细胞破碎，破坏水中藻源微小细胞的生物活力，对含藻源细胞水体进一步净化；
（6）分析控制箱中摄像头数据接收器的信息，当观测到过滤网之间区域存留一定量藻类后，关闭供气箱和进水箱的顶板，抽干过滤箱内的水体，开启闸板，利用伸缩清扫刷将过滤网之间区域存留的藻类清刷至收集槽中；
（7）对装置附近水体的叶绿素浓度进行定位连续监测，根据叶绿素浓度的连续变化分析装置水华消除和藻源净化效果；
（8）循环步骤（3）～步骤（7），当装置附近水体监测到的叶绿素平均浓度小于0.1 mg/L时，对橡胶坝A适当排水降低高度至水面附近，同时对橡胶坝B进行充水，并保证橡胶坝A顶端高于橡胶坝B顶端；净化后的水体流经橡胶坝A在橡胶坝B前的跌水区域进一步地澄清，必要时可在此区域进行人工清淤；澄清的水体经橡胶坝B梯级跌水流向下游。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
（1）本发明中的水华消除单元对不同水深的藻类特性进行准确定位与收集，可以显著增强实施效果，同时减少成本；此外，本发明中的载料箱是向过滤箱内注入强化絮凝化学药品，可以避免强化絮凝化学药品直接投放河道造成二次污染的情况；通过设置的收集装置，可以将回收藻类进行二次利用；
（2）本发明中的藻源净化单元与水华消除单元无缝链接，在水华水体初级过滤、强化过滤后，使用藻源净化单元对过滤后水中藻源微细胞进行深度根除净化，既可以提高消除水华效果，也能全面地去除引起水华爆发的藻源；同时，基于流体力学原理对这两个单元的工作状态进行了巧妙设计，充分利用风生流、紊流、雾化等特性，形成了低能耗、高效率、自循环的工作环境；
（3）本发明中的澄清单元既可以在梯级橡胶坝之间的一段水域内形成相对静止的水体，使得上游来水中的杂质澄清，同时在多次跌水过程中增加水体含气率，这样就为下游的水环境保护提供了最优质的水源；同时，所采用的梯级橡胶坝在非水华期间均为非充水状态，固定在河床上，不会影响河道主要天然功能；
（4）本发明巧妙借助了河道型水库支流库湾消落带周期性浸没与暴露的特点，依照消落带的地理特征修建。在低水位时，安装维护十分方便；在高水位水华期间，能快速分层定位消除水体中的水华，显著增加了处理功效。
附图说明
图1为本发明河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置结构的平面布置图；
图2为图1中A-A剖视图；
图3为图1中B-B剖视图；
图4为本发明实施例1中净化单元的侧视图；
图5为本发明实施例1中澄清单元的侧视图；
附图标号说明：
1、固定板；2、直角梯形工作台；3、进水箱；3a、顶板；3b、出水口；4、初步过滤箱；5、直角梯形收集台；6、加强过滤箱 ；7、控制箱；8、收集槽；8a、升降控制器；8b、缆绳；8c、闸板；9、升降杆；10、供气箱；11、抽水泵；12、载料箱；12a、进料口；13、伸缩清扫刷；13a、过滤网；14、回子型支杆；14a、支托；15、部分圆柱体喷气台；16、超声波净化箱；17、超声波发生器；18、通气管；19、圆柱形喷气管；20、雾化箱；21、进气孔；22、进水孔；23、喷气器；24、支架；25、摄像头；26、橡胶坝A；27、橡胶坝B；28、离心泵；29、球形滤网；30、入气孔；31、阀门a；32、阀门b；33、超声波换能器；34、超声波除藻仪；35、照射孔；36、增氧区；37、超声波除藻区。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：本发明提供的河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置的平面结构示意图如图1所示，包括水华消除单元、藻源净化单元和澄清单元，其中：
水华消除单元用于消除富含高浓度藻类的水华水体，由两套相同的装置左右对称安装在河道型水库支流库湾顺直河段两侧的消落带上，高度与消落带下限持平。每套装置均包括：固定板1、直角梯形工作台2、进水箱3、初步过滤箱4、直角梯形收集台5、加强过滤箱6、控制箱7、载料箱12、抽水泵11和支架24。
其中，固定板1通过锚杆固定在河道型水库支流库湾两岸的消落带区域，优选安置在顺直河段；直角梯形工作台2和直角梯形收集台5的斜面均与固定板1连接；进水箱3的横截面为直角三角形。进水箱3内部沿水流方向设置有5个竖直隔板，将进水箱3分成5个区域。进水箱3面向河道中心的斜面是由5个顶板3a组成，而顶板3a将进水箱3内5个区域的顶部密封，且顶板3a两端通过升降杆9控制其启闭。闭合时，将独立区域的顶部密封；开启时，根据垂向水深含高浓度藻类水体出现的水层深度，可单独或复合控制不同水深水体的引流进入进水箱3。进水箱3的底部靠上游方向上设置有出水口3b。进水箱7以及正下方连接的初步过滤箱4的侧壁均与直角梯形工作台2垂直面外侧连接。
加强过滤箱6水平连接在初步过滤箱4的下游，其侧壁与直角梯形收集台5垂直面外侧连接，且其靠下游侧壁中心设置有摄像头25；初步过滤箱4和加强过滤箱6为等高等宽的空心长方体箱，且在初步过滤箱4和加强过滤箱6内部沿着水流方向分别设置有4层和5层过滤网13a。两个过滤箱内部的过滤网13a均选用常用的水华藻类过滤网，且过滤网13a网孔大小由上游向下游均依次减小。相邻两个过滤网13a之间靠近河中心的两个过滤箱侧壁底部均设置有高度为过滤箱高度一半的伸缩清扫刷13。其中，初步过滤箱4和加强过滤箱6内的伸缩清扫刷13数量分别为3个和4个。同时，相邻两个过滤网13a之间靠近两岸的两个过滤箱侧壁及其连接的直角梯形台2和直角梯形收集台5上均有高度为过滤箱高度一半的开口，开口通过闸板8c将其封住。闸板8c经位于进水箱3竖直侧壁、直角梯形工作台2、加强过滤箱6和直角梯形收集台5顶部的升降控制器8a通过缆绳8b实现启闭。在直角梯形工作台2、直角梯形收集台5内，位于侧壁闸板8c后方设置有数量与可伸缩清扫刷13数量一样的收集槽8，其宽度与闸板8c宽度一样，而高度则分别与直角梯形工作台2、直角梯形收集台5的高度一样。伸缩清扫刷13由河中心向河岸方向清扫过滤残留的水华杂质，水华杂质被清扫后经闸板8c处的开口进入收集槽8，便于回收利用。
在直角梯形收集台5顶部末端设置有抽水泵11，用于抽取加强过滤箱6内的水体至藻源净化单元。载料箱12安装在加强过滤箱6顶部，两者通过进料口12a连通。其中，在相邻两个过滤网13a之间区域对应的顶部，进料口均为4排，每排10个。载料箱12中的强化絮凝效果化学药品，经不同进料口12a进入加强过滤箱6不同过滤网之间区域；进料口12a可控制开度，以控制进入加强过滤箱6的化学药品量。初步过滤箱4和加强过滤箱6的底部通过7个支架24将其固定在固定板1上。控制箱7安装在直角梯形工作台2的顶部。水华消除单元由河道向河岸侧视的示意图如图2所示。
藻源净化单元用于深度净化水体中的藻源微细胞，包括：2个支托14a、2个回子型支杆14、供气箱10和浮箱。2个支托14a左右对称分别固定在初步过滤箱4和加强过滤箱6靠近河中心的两个侧壁连接部位的底部。2个回子型支杆14底部左右对称分别固定在2个支托14a上，且其上端均升至与直角梯形工作台2齐平，而下端均固定在初步过滤箱4和加强过滤箱6靠近河中心的两个侧壁连接部位。浮箱由部分圆柱体喷气台15和超声波净化箱16组成，浮箱左右两端套在2个回子型支杆14内，使其可随水位的升降而自由上下浮动。供气箱10安置在直角梯形收集台5顶部，为浮箱供气。回字型支杆14与初步过滤箱4和加强过滤箱6连接部位连接的示意图如图3。
部分圆柱体喷气台15上与超声波净化箱16相接的部位设置有通气管18，通气管18顶部两端各有一个入气孔30，两岸的供气箱10通过入气孔30向通气管18供气。同时，部分圆柱体喷气台15上设置有一排20个喷头朝向上游的圆柱形喷气管19，且圆柱形喷气管19均与通气管18连接。20个圆柱形喷气管19在部分圆柱体喷气台15上成弧形列阵，两岸管短，中间管长。
超声波净化箱16顺着水流方向分为上游增氧区36和下游超声波除藻区37两个部分。增氧区36的顶部中心设置有超声波发生器17，增氧区36的内部设置有雾化箱20。在雾化箱20内侧顶部设有超声波换能器33，其与超声波发生器17连接；增氧区36的顶部两端设置有进水孔22，通气管18底部的两端设置有进气孔21。两岸的抽水泵11经2个进水孔22可向雾化箱20输水，而通气管18经2个进气孔21可向雾化箱20供气；同时，雾化箱20底部设置有3排（每排22个）喷头竖直朝下的喷射器23。超声波除藻区37内底部沿水平方向有8个照射孔35，每个照射孔35内竖直镶着超声波除藻仪34，超声波除藻仪34可向河道水体发射不同频率的超声波。藻源净化单元的侧视图如图4。
澄清单元用于澄清上述两个单元处理后的水体杂质并提高水体自净能力，位于过滤单元的下游，包括：橡胶坝A 26、橡胶坝B 27、离心泵28和球形滤网29。橡胶坝A 26、橡胶坝B 27底部均通过铆钉固定在河床底部，橡胶坝B 27在橡胶坝A 26的下游，藻源净化单元处理后水体通过两个橡胶坝的梯级跌水，可以增加水体含气浓度，增加水体自净能力，同时两个橡胶坝之间形成相对稳定水体，增加水力停留时间，有利于杂质的沉淀澄清。球形滤网29置于橡胶坝A 26前的河道中，与安装在一侧河岸上的离心泵28连接，通过阀门a 31、阀门b 32可对橡胶坝A 26和橡胶坝B 27充水或排水。澄清单元的侧视图如图5。
位于直角梯形工作台2顶部的控制箱7内设有供升降杆9、升降控制器8a、伸缩清扫刷13、进料口12a、抽水泵11、供气箱10中的空气压缩机、摄像头25、超声波发生器17、圆柱形喷气管19、喷射器23、超声波换能器33、超声波除藻仪34以及离心泵28等设备工作的电源；设有升降杆9、升降控制器8a、伸缩清扫刷13、进料口12a、抽水泵11、圆柱形喷气管19、喷射器23以及超声波发生器17、超声波换能器33、超声波除藻仪34的控制开关，进而控制其的工作状态；设置有控制进水箱3中各升降杆9升降的选择按钮，进而有选择地升降不同的升降杆9，将顶板3a打开；设置有摄像头25的数据接收器，用于分析摄像头记录数据。
本发明河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化方法的工作步骤如下：
（1）根据长期水文观测资料，确定该河道型水库支流库湾消落带的上下限范围，该范围在其最高与最低水位之间；将水华消除单元安装在支流库湾水华易发段的消落带上，使初步过滤箱4和加强过滤箱6底部与消落带下限持平；将藻源净化单元中的浮箱左右两端套在2个回子型支杆14内，浮箱浮在水面上；此时澄清单元的橡胶坝A 26和橡胶坝B 27为不充水状态，使得上游来水正常通过；
（2）若上游来流水体或邻近水体发生水华，则利用离心泵 28对澄清单元中的橡胶坝A 26进行充水，使得橡胶坝A 26浮出水面一定高度，此时在橡胶坝A 26前会形成雍水，出现一段相对静水区；
（3）启动供气箱10，通过入气孔30向通气管18供气，开启部分圆柱体喷气台15上的圆柱形喷气管19，使其在水表面向上游水体喷气。在成弧形列阵的圆柱形喷气管19作用下，水面形成圆弧形风生流，使波形富含藻类水体向两岸流动；进而，根据叶绿素垂向浓度分布大小，定位出所需重点处理的高浓度富含藻类水层，有选择地开启进水箱3斜面两端的升降杆9使该重点处理水层对应顶板3a打开，让高浓度富含藻类水层水体流入两岸的进水箱3；
（4）进水箱3里的水体由其底部的出水口3b流入初步过滤箱4，在多层过滤网13a作用下对水体进行初步过滤；初步过滤后的水体流入邻接的加强过滤箱6，开启进料口12a向加强过滤箱6内注入预先存放在载料箱12内的强化絮凝化学药品；开启加强过滤箱6侧壁的摄像机25，对过滤情况进行实施监控；同时，开启抽水泵11将部分加强过滤后的水体抽回部分圆柱体喷气台15的下方，所形成的强紊动区可辅助阻止上游水体藻类流过；
（5）同步，利用抽水泵11将部分加强过滤后的水体，经进水口22持续输入雾化箱20，并开启通气管18底部的两端的进气孔21向雾化箱20持续输气；开启超声波发生器17和超声波换能器33，然后打开雾化箱20底部的喷射器23，以对含藻源细胞水体进行增氧；同时，启动超声波除藻仪34，利用超声波的辐射压，将部分圆柱体喷气台15下方水体中的藻源细胞破碎，破坏水中藻源微小细胞的生物活力，对含藻源细胞水体进一步净化；
（6）分析控制箱7中摄像头25数据接收器的信息，当观测到过滤网13a之间区域存留一定量藻类后，关闭供气箱10和进水箱3的顶板3a，抽干过滤箱内的水体，开启闸板8c，利用伸缩清扫刷13将过滤网13a之间区域存留的藻类清刷至收集槽8中；
（7）对装置附近水体的叶绿素浓度进行定位连续监测，根据叶绿素浓度的连续变化分析装置水华消除和藻源净化效果；
（8）循环步骤（3）～步骤（7），当装置附近水体监测到的叶绿素平均浓度小于0.1 mg/L时，对橡胶坝A 26适当排水降低高度至水面附近，同时对橡胶坝B 27进行充水，并保证橡胶坝A 26顶端高于橡胶坝B 27顶端；净化后的水体流经橡胶坝A 26在橡胶坝B 27前的跌水区域进一步地澄清，必要时可在此区域进行人工清淤；澄清的水体经橡胶坝B 27梯级跌水流向下游。
本发明河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置的工作原理为：
在水库调度运行过程中，存在着支流库湾消落带周期性的浸没与暴露特征。利用离心泵28对澄清单元中的橡胶坝A 26进行充水，使得橡胶坝A 26浮出水面一定高度。此时，在橡胶坝A 26前会形成雍水，出现一段相对静水区，这样首先保证了水体中的水华不能向下游扩散。
进而，通过位于两岸直角梯形收集台2顶部前端的供气箱10向部分圆柱体喷气台15上的通气管18供气，开启部分圆柱体喷气台15上一排喷头朝向上游的圆柱形喷气管19，气体从圆柱形喷气管19向其上游水体喷气，因该排圆柱形喷气管19在部分圆柱体喷气台15上成弧形列阵，两岸的喷气管19长度比中间的短，水面形成圆弧形风生流，在风带动水流作用下使富含藻类水体向两岸流动。此时根据叶绿素垂向浓度分布大小，定位出所需重点处理的高浓度富含藻类水层，有选择地开启进水箱3斜面两端的升降杆9使该重点处理水层对应顶板3a打开，让高浓度富含藻类水层水体流入两岸的进水箱3。进水箱3里的水体由其底部的出水口3b流进初步过滤箱4。经过初步过滤箱4内部多层过滤网13a对水体进行初步过滤。初步过滤后的水体流入加强过滤箱6，此时开启其顶部以及载料箱12底部的进料口12a，向加强过滤箱6内注入预先存放在载料箱12内的强化絮凝化学药品。在初步过滤后的水体经过加强过滤箱6的多层过滤网13a时对水体进一步的过滤。通过加强过滤箱6侧壁的摄像机25对过滤箱内的过滤情况进行跟踪。当观测到过滤网13a之间区域存留一定量藻类后，关闭供气箱10和进水箱3的顶板3a，抽干过滤箱内的水体，开启闸板8c，利用伸缩清扫刷13将过滤网13a之间区域存留的藻类清刷至收集槽8中，进而便于收集处理。
进而，利用位于两岸直角梯形收集台5顶部后端的抽水泵11将加强过滤后的水体抽回部分圆柱体喷气台15的下方，所形成的强紊动区可辅助阻止上游水体藻类流过。同时，抽水泵11里的一部分水经增氧区36顶部两端的进水口22向雾化箱20输水。开启通气管18底部的两端的进气孔21向雾化箱20输气。开启超声波发生器17和超声波换能器33，接着打开雾化箱20底部的喷射器23，就利用了超声波增氧原理对含藻源细胞水体进行增氧；同时，启动超声波除藻仪34，利用超声波的辐射压，将部分圆柱体喷气台15下方水体中的藻源细胞破碎，破坏水中藻源微小细胞的生物活力，对含藻源细胞水体进一步净化。
当装置附近水体监测到的叶绿素平均浓度小于0.1 mg/L时，对橡胶坝A 26适当排水降低高度至水面附近，同时对橡胶坝B 27进行充水，并保证橡胶坝A 26顶端高于橡胶坝B 27顶端。上游净化后的水体经橡胶坝A 26跌入下游河床，在橡胶坝A 26和橡胶坝B 27之间形成持续相碰的跌水区。水体在相互碰撞的时候卷入空气，增加水体自净能力，同时两个橡胶坝之间一段水体相对稳定，有利于杂质的沉淀澄清。然后，随着跌水区的水位抬高，得到澄清的水体才经橡胶坝B27流向下游，这样就保证了橡胶坝B 27下游的水体是不含水华和藻源的澄清水体。当河道水华和藻源完全去除后，再利用球形滤网29和离心泵28将橡胶坝A 26和橡胶坝B 27中的水排出，恢复河道正常功能。
装置应用：
将本发明应用于长江流域上游某河道型水库的一级支流库湾，针对近年来爆发最严重一次库湾中上游段的春季硅藻水华，在顺直河段内安置使用本发明，装置各部件按照图1~图5所示连接完成。对装置使用后一段时间内附近水域进行定位持续监测，重点测量分析水体中叶绿素浓度变化，观测结果表明：随着时间不断增长，装置附近的各观测点的叶绿素平均浓度均成递减的趋势，并且在一段时间后各观测点的叶绿素平均浓度小于0.1 mg/L，表明达到了去除水华的目的。同时，对橡胶坝B后的水体进行检测发现：水体经橡胶坝B流向下游的水体至始至终叶绿素浓度极低，同时水体中的硅藻微细胞含量也显著下降，达到了根除引发水华藻源的目的。由此可见，本发明能高效去除库湾支流库湾水华以及根除藻源，应用前景较好。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (9)
1.一种河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，其特征在于：包括水华消除单元、藻源净化单元和澄清单元；
所述水华消除单元用于消除水体中的水华，由两套相同的装置左右对称安装在河道型水库支流库湾顺直河段两侧的消落带上，每套装置均包括：固定板（1）、直角梯形工作台（2）、进水箱（3）、初步过滤箱（4）、直角梯形收集台（5）、加强过滤箱（6）、控制箱（7）、抽水泵（11）、载料箱（12）和支架（24）；所述固定板（1）通过锚杆固定在库湾两岸的消落带区域；所述直角梯形工作台（2）和直角梯形收集台（5）的斜面均与固定板（1）连接；所述进水箱（3）及其正下方连接的初步过滤箱（4）的侧壁均与直角梯形工作台（2）垂直面外侧连接；所述加强过滤箱（6）水平连接在初步过滤箱（4）的下游，其侧壁与直角梯形收集台（5）垂直面外侧连接，且其靠下游侧壁中心设置有摄像头（25）；所述直角梯形收集台（5）顶部顺水流方向末端装有抽水泵（11），用于抽取加强过滤箱（6）内处理后的水体至藻源净化单元；所述载料箱（12）固定在加强过滤箱（6）的顶部；所述初步过滤箱（4）和加强过滤箱（6）的底部通过若干个支架（24）将其固定在固定板（1）上；
所述的藻源净化单元用于深度净化水体中的藻源微细胞，包括：2个支托（14a）、2个回子型支杆（14）、供气箱（10）和浮箱；所述的2个支托（14a）左右对称分别固定在初步过滤箱（4）和加强过滤箱（6）靠近河中心的两个侧壁连接部位的底部；所述的2个回子型支杆（14）底部左右对称分别固定在2个支托（14a）上，且其上端均升至与直角梯形工作台（2）齐平，而下端均固定在初步过滤箱（4）和加强过滤箱（6）靠近河中心的两个侧壁连接部位；所述浮箱由部分圆柱体喷气台（15）和超声波净化箱（16）组成，浮箱左右两端套在2个回子型支杆（14）内，使其可随水位的升降而自由上下浮动；所述的供气箱（10）安置在直角梯形收集台（5）顶部，为浮箱供气；
所述的澄清单元用于澄清上述水华消除单元和藻源净化单元处理后的水体杂质并提高水体自净能力，位于水华消除单元和藻源净化单元的水流下游，包括：橡胶坝A（26）、橡胶坝B（27）、离心泵（28）和球形滤网（29）；所述橡胶坝A（26）、橡胶坝B（27）底部均通过铆钉固定在河床底部，所述橡胶坝B（27）在橡胶坝A（26）的下游；所述球形滤网（29）置于橡胶坝A（26）前的河道中，与安装在一侧河岸上的离心泵（28）连接，通过阀门a（31）、阀门b（32）可对橡胶坝A（26）和橡胶坝B（27）充水或排水。
2.根据权利要求1所述河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，其特征在于：所述进水箱（3）的横截面为直角三角形；进水箱（3）内部由与水流方向平行布置的若干竖直隔板将其分成若干独立区域；进水箱（3）面向河道中心的斜面由若干个顶板（3a）组成，每个顶板（3a）对应一个前述的独立区域，顶板（3a）两端通过升降杆（9）控制其启闭。
3.闭合时，将独立区域的顶部密封；开启时，可单独或复合开启，控制不同水深水体的自流进入进水箱（3）；进水箱（3）的底部靠上游方向上设计有出水口（3b）。
4.根据权利要求1所述河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，其特征在于：所述的初步过滤箱（4）和加强过滤箱（6）为等高等宽的长方体箱，在两个过滤箱内部顺水流方向依次布置有多层过滤网（13a），过滤网（13a）网孔大小由上游向下游均依次减小；相邻两个过滤网（13a）之间靠近河中心的两个过滤箱侧壁底部均设置有高度为过滤箱高度一半的伸缩清扫刷（13），而靠近两岸的两个过滤箱侧壁及其连接的直角梯形台（2）和直角梯形收集台（5）上均有高度为过滤箱高度一半的开口，所述开口安装有闸板（8c）；所述闸板（8c）经位于进水箱（3）竖直侧壁、直角梯形工作台（2）、加强过滤箱（6）和直角梯形收集台（5）顶部的升降控制器（8a）通过缆绳（8b）实现启闭；在直角梯形工作台（2）、直角梯形收集台（5）内，位于其侧壁闸板（8c）后方设置有数量与可伸缩清扫刷（13）数量一样的收集槽（8），其宽度与闸板（8c）宽度一样，而高度分别与直角梯形工作台（2）、直角梯形收集台（5）的高度一样；所述的伸缩清扫刷（13）由河中心向河岸方向清扫过滤残留的水华杂质，水华杂质被清扫后经闸板（8c）处的开口进入收集槽（8）。
5.根据权利要求1所述河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，其特征在于：所述载料箱（12）安装在加强过滤箱（6）顶部，两者通过若干排进料口（12a）连通；所述载料箱（12）中的强化絮凝效果化学药品，经不同进料口（12a）进入加强过滤箱（6）不同过滤网之间区域；所述的进料口（12a）可控制开度，以控制进入加强过滤箱（6）的化学药品量。
6.根据权利要求1所述河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，其特征在于：所述的部分圆柱体喷气台（15）上与超声波净化箱（16）相接的部位处水平安置有通气管（18），所述通气管（18）顶部的两端各有一个入气孔（30），由两岸供气箱（10）通过所述入气孔（30）向通气管（18）供气；同时，部分圆柱体喷气台（15）上设置有一排喷头朝向上游的圆柱形喷气管（19），且圆柱形喷气管（19）均与所述的通气管（18）连接；所述圆柱形喷气管（19）在部分圆柱体喷气台（15）上成弧形列阵，两岸管短，中间管长。
7.根据权利要求1或5所述河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，其特征在于：所述超声波净化箱（16）顺着水流方向分为上游增氧区（36）和下游超声波除藻区（37）两个部分；所述增氧区（36）的顶部中心设置有超声波发生器（17），增氧区（36）的内部设置有雾化箱（20）；在所述雾化箱（20）内的顶部设有超声波换能器（33），其与超声波发生器（17）连接；所述增氧区（36）的顶部两端设置有进水孔（22），所述通气管（18）底部的两端设置有进气孔（21）；所述的两岸的抽水泵（11）经所述的2个进水孔（22）可向所述的雾化箱（20）输水，而所述的通气管（18）经2个进气孔（21）可向所述的雾化箱（20）供气；同时，所述的雾化箱（20）底部设置有若干排喷头竖直朝下的喷射器（23）；所述的超声波除藻区（37）内底部水平方向设有若干个照射孔（35），所述每个照射孔（35）内竖直镶着超声波除藻仪（34），所述超声波除藻仪（34）可向河道水体发射不同频率的超声波。
8.根据权利要求1所述河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置，其特征在于：所述控制箱（7）安装在直角梯形工作台（2）顶部；所述控制箱（7）内设有供升降杆（9）、升降控制器（8a）、伸缩清扫刷（13）、进料口（12a）、抽水泵（11）、供气箱（10）中的空气压缩机、摄像头（25）、超声波发生器（17）、圆柱形喷气管（19）、喷射器（23）、超声波换能器（33）、超声波除藻仪（34）以及离心泵（28）设备工作的电源；所述控制箱（7）内还设有升降杆（9）、升降控制器（8a）、伸缩清扫刷（13）、进料口（12a）、抽水泵（11）、圆柱形喷气管（19）、喷射器（23）以及超声波发生器（17）、超声波换能器（33）、超声波除藻仪（34）的控制开关，进而控制其的工作状态；所述控制箱（7）内还设置有控制进水箱（3）中各升降杆（9）升降的选择按钮，进而有选择的升降不同的升降杆（9），将顶板（3a）打开；设置有摄像头（25）的数据接收器，用于分析摄像头记录数据。
9.利用权利要求1-7所述河道型水库支流库湾水华消除及藻源净化装置进行河道型水库支流库湾水华消除及藻源净的化方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）根据长期水文观测资料，确定该河道型水库支流库湾消落带的上下限范围，该范围在其最高与最低水位之间；将水华消除单元安装在支流库湾水华易发段的消落带上，使初步过滤箱（4）和加强过滤箱（6）底部与消落带下限持平；将藻源净化单元中的浮箱左右两端套在2个回子型支杆（14）内，浮箱浮在水面上；此时，澄清单元的橡胶坝A（26）和橡胶坝B（27）为不充水状态，使得上游来水正常通过；
（2）若上游来流水体或邻近水体发生水华，则利用离心泵（28）对澄清单元中的橡胶坝A（26）进行充水，使得橡胶坝A（26）浮出水面一定高度，此时在橡胶坝A（26）前会形成雍水，出现一段相对静水区；
（3）启动供气箱（10），通过入气孔 （30）向通气管（18）供气，开启部分圆柱体喷气台（15）上的圆柱形喷气管（19），使其在水表面向上游水体喷气；在成弧形列阵的圆柱形喷气管（19）作用下，水面形成圆弧形风生流，使波形富含藻类水体向两岸流动；进而，根据叶绿素垂向浓度分布大小，定位出所需重点处理的高浓度富含藻类水层，有选择地开启进水箱（3）斜面两端的升降杆（9）使该重点处理水层对应顶板（3a）打开，让高浓度富含藻类水层水体流入两岸的进水箱（3）；
（4）进水箱（3）里的水体由其底部的出水口（3b）流入初步过滤箱（4），在多层过滤网（13a）作用下对水体进行初步过滤；初步过滤后的水体流入邻接的加强过滤箱（6），开启进料口（12a）向加强过滤箱（6）内注入预先存放在载料箱（12）内的强化絮凝化学药品；开启加强过滤箱（6）侧壁的摄像机（25），对过滤情况进行实施监控；同时，开启抽水泵（11）将部分加强过滤后的水体抽回部分圆柱体喷气台（15）的下方，所形成的强紊动区可辅助阻止上游水体藻类流过；
（5）同步，利用抽水泵（11）将部分加强过滤后的水体，经进水口（22）持续输入雾化箱（20），并开启通气管（18）底部两端的进气孔（21）向雾化箱（20）持续输气；开启超声波发生器（17）和超声波换能器（33），然后打开雾化箱（20）底部的喷射器（23），以对含藻源细胞水体进行增氧；同时，启动超声波除藻仪（34），利用超声波的辐射压，将部分圆柱体喷气台（15）下方水体中的藻源细胞破碎，破坏水中藻源微小细胞的生物活力，对含藻源细胞水体进一步净化；
（6）分析控制箱（7）中摄像头（25）数据接收器的信息，当观测到过滤网（13a）之间区域存留一定量藻类后，关闭供气箱（10）和进水箱（3）的顶板（3a），抽干过滤箱内的水体，开启闸板（8c），利用伸缩清扫刷（13）将过滤网（13a）之间区域存留的藻类清刷至收集槽（8）中；
（7）对装置附近水体的叶绿素浓度进行定位连续监测，根据叶绿素浓度的连续变化分析装置水华消除和藻源净化效果；
（8）循环步骤（3）~步骤（7），当装置附近水体监测到的叶绿素平均浓度小于0.1 mg/L时，对橡胶坝A（26）适当排水降低高度至水面附近，同时对橡胶坝B（27）进行充水，并保证橡胶坝A（26）顶端高于橡胶坝B（27）顶端；净化后的水体流经橡胶坝A（26）在橡胶坝B（27）前的跌水区域进一步地澄清，必要时可在此区域进行人工清淤；澄清的水体经橡胶坝B（27）梯级跌水流向下游。
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