CN105036375A - 利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，将河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体通过人工沟渠和/或输水管道及其上设置的提水风车，将自然风能转化为机械能驱动水体外部循环，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体，实现对湖泊、水库、池塘或城市景观水体中的人工湖曝气充氧，促进水体的流动和增加水体中的溶解氧。本发明将水力循环技术和跌水曝气充氧技术的有机耦合，将风力提水技术从传统领域引入水环境保护领域，具有适用范围广、运行时间长、运行成本低廉、运行管理简单、技术可移植性强、景观效果好、综合效益好等特点，适宜在风能资源差的区域及山区农村地区推广。

Description

利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法

技术领域

本发明涉及水环境改善与水生态修复及清洁能源利用领域，具体涉及一种利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法。

背景技术

由于污染物汇入增加，地表水体尤其是静止或流动性差的封闭缓流水体比较容易受到污染。许多河流及湖库存在流动缓慢、水域封闭、水环境容量小、水体自净能力低等特点，容易产生水体富营养化等问题，水质安全与水生态健康难以得到有效保障。人工曝气复氧技术的研究在国外已经开展了40多年，在水质净化研究中占有重要位置，在德国的Fulda河、Teltow河和Emseher河和美国密西西比河Miunesoda码头附近的河道安装曝气设备，取得了明显的治理效果，有效地控制了水体异味的产生和藻类的过量繁殖。为迎接1986年亚运会和1988年夏季奥运会，在韩国水萦江河口釜山港湾的快艇区域安装了9台的曝气装置，研究表明，曝气能够有效地改善水萦江河口快艇区域的水质，可以增加DO、削减COD、改善透明度、消除异味。

水体曝气是气液相间的一种复杂的传质过程，曝气的方式和设备选择取决于多方面的因素：污染水体水质改善的要求(如消除黑臭、改善水质、恢复生态等)、外部条件(包括水深、流速、河道断面形状、周边环境条件等)、水体功能(如航运功能、景观功能等)、污染源特征(如长期污染负荷、冲击污染负荷等)等。常用的曝气方式有鼓风曝气、机械曝气、射流曝气和无泡供氧等，实际应用水体充氧设备可分为纯氧曝气系统和空气曝气系统，具体包括：鼓风机—微孔布气管曝气系统、纯氧—微孔管曝气系统、纯氧—混流增氧系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气设备、叶轮式增氧机等，污染水体曝气复氧工程中充氧设备的应用一般有如下两种形式:固定式充氧站和移动式充氧平台。上述各种人工曝气充氧设备充氧效率比较高、充氧效果都比较好，但普遍存在问题是动力消耗大、设备投资比较高、技术要求比较高、管理维护比较复杂。

跌水曝气系统是人工曝气的另外一种形式，利用水在下落过程中与空气中的氧气接触而实现复氧的，具有结构简单、造价低、能耗小、曝气效果稳定的优点，跌水曝气系统中，氧气向水中转移发生在以下过程中：(1)水在空气中下落，与氧气接触；(2)下落的水遇到障碍物，发生流态的变化，引起对空气的携带和裹夹；(3)与水面接触后，使水体产生扰动，提高大气复氧能力。常见的跌水曝气系统为水利设施中常用的泄水建筑物堰、闸、坝等，也可以借助喷泉等动力提水系统来实现。堰、闸、坝跌水曝气系统存在的问题包括建设投资比较高、改变河流生境、难以在湖泊中实现等，故不宜以曝气充氧作为主导功能；喷泉等动力提水跌水曝气系统的缺点主要是动力消耗大。故减少动力消耗、提高充氧效率、稳定充氧效果是人工曝气系统广泛推广应用的前提。

人工水力循环技术是近年来改善河湖水体质量的一种有效的工程措施，利用工程措施，调水改善水动力条件，具体操作是在防洪安全的前提下，通过水利工程的科学调度，启动抽水泵(站)，调活城市河湖水体，增加水量，加快循环，加大稀释和自净能力，利用河湖的水动力特性进行水资源调度和利用河湖本身的自净功能与生物的净化功能改善水质。人工水力循环是根据水动力学基本原理，给处理水体施加动力，使水体由静变动，实现其缓慢而均匀的流动；通过流动形成的水体交换和稀释，使水的体外处理净化变为可能；流动所造成的表面更新为加快大气复氧提供了条件，有利于增强水体的自净能力，污染物质氧化加快，改善水生生物的生存环境。

但水力循环技术的理论尚不完善，目前主要强调紊流稀释、生物氧化在处理过程中的作用，而在其它如钝化底泥、减缓底泥释放磷等方面的作用理论研究不够，且人工水力循环技术充氧效率低，生物氧化效果差。如果将人工水力循环技术与跌水曝气技术有机结合，一方面，强制循环造成的流动促使水体表面更新，增加了紊动，从而改进了氧的传递和扩散有利于氧的传递和扩散，促进了水面复氧，提高了跌水曝气充氧效率；另一方面，经过跌水复氧后的水体，在水力循环作用下不断地交换、稀释，使水体自净能力得以提高。结合水力循环和曝气复氧技术改善水体质量的研究，目前国外鲜有报道，国内有采用跌水曝气、水闸泄流、活水喷池相结合进行增氧和在山区滞流水域根据河道沿程特点设计梯级橡皮坝跌水增氧以及泵闸结合调水的工程示例，对于消除城市河道水质异味、恶化效果良好，几乎没有二次污染。但应用于闸坝建设、运行管理的投资仍然比较高，并且水坝的建设会对河流生境带来很大的影响，且如此的水力循环与曝气复氧技术也很难用于无法建设水坝的湖泊水体。

清洁能源--风能最常见的两种利用方式是发电和提水，我国风力提水有悠久的历史，并用于农田灌溉、海水制盐、水产养殖、滩棘改造、人畜饮水、草场改良等提水作业，有较好的经济效益和社会效应。目前在风力提水机组的产品品种上，我国已基本形成南方型低扬程大流水机组和北方型高扬程小流量风力提水机组两大系列，约有十几种产品型号的风力提水机，主要用于福建、江苏、天津、内蒙古、河北、山东等地。我国东南沿海地区风能资源较丰富，大部分地区年平均风速为4m/s左右。为满足农田灌溉、水产养殖和盐场制盐等低扬程大流量提水作业需要，低扬程风力提水装置被开发应用，用于提取地表水，其扬程一般为0.5～3.0m，流量为50～100m³/h。内陆风能资源较好的区域在中国北部，如内蒙古、甘肃、青海等地年均风速4～6m/s，3～20m/s风速年累计4000～5000h，此类地区大多为草原牧区，人口分散，难通电网，因此，高扬程小流量深井风力提水机组被用来为牧民和牲畜提供饮水或小面积草场灌溉，对于改善当地牧民的生活、生产条件具有明显的社会意义，其扬程一般为10～146m之间，流量为0.5～5m³/h。

我国适合风力提水的区域辽阔、作业众多，因此发展风力提水是弥补当前农村、牧区能源不足的有效途径之一。但风力提水的前提是风能资源和水资源，我国东南沿海、辽东和山东半岛以及海上岛屿等地区，风能资源丰富，地表水源也丰富，是我国以抽提地表东为主的最佳风力提水区；内蒙、青海、甘肃和新疆北部河谷地带，风能资源丰富，地下水源也丰富，是我国以抽提地下水为主的较佳风力提水区。风力提水工程选址时风能资源应具备以下条件：年平均风速大于等于3.5m/s、年有效风速小时数大于3000h、盛行风向的风频应大于40％等，故风速是风力提水工程应用的限制因子。另外风力提水机的启动风速也至关重要，一般情况下，风力提水机的启动需要三级风(风速为4m/s)，大部分产品需要在风速2.5-3m/s时启动。

从环境保护和资源合理利用的角度出发，风力提水技术在我国具有较大的潜在市场和广阔的发展前景，但目前风力提水行业发展存在着应用数量不多、推广进展缓慢等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能地表水体提升传输实现水体内或水体间的水力循环，促进水体流动和增加水体中的溶解氧的利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法。

本发明目的的实现方式为，利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，将河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体通过人工沟渠和/或输水管道及其上设置的提水风车，将自然风能转化为机械能驱动水体外部循环，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体，实现对湖泊、水库、池塘或城市景观水体中的人工湖曝气充氧，促进水体的流动和增加水体中的溶解氧；

所述提水风车启动风速为1.6-2.0m/s；

所述提水落差为1.0-20m。

本发明具有如下优点：

1、将风力提水技术从传统领域引入水环境保护领域，同时实现水力循环与跌水曝气充氧两项技术的耦合功能；

2、由于所用风力提水设备启动风速低，可以在风能资源较差的区域推广应用，而且一年内的保障运行时间更长，适用范围广，运行时间长；

3、无需油、电等任何常规能源，提水成本极低，只要有风带动风车的风轮转动，风车便可永无止境地将水从深浅不一的水井、湖泊、水库、河流、池塘里抽送到任何需要的地方；

4、风力提水设备安装简单，易于投入使用；自动化程度高、便于维护，每年仅需为齿轮箱更换一次润滑油；经久耐用，维修方便，在正常使用和维护下，其使用寿命超过30年；

5、既可以用于城市河流湖库水体水环境质量改善工程，也可以在“老、少、边、穷”及山区农村推广应用；既可以作为单项技术，也可以与人工湿地或岸边带技术结合，应用地表水体环境改善与生态修复工程。

本发明所采用的风力提水设备均属于景观型产品，无疑具有较高的景观美学价值，能够有效提升周边环境品质。

附图说明

图1为本发明在某小区水景工程应用的平面布置示意图，

图2为本发明在鱼塘应用的平面布置图,

图3为本发明在鱼塘应用的平面布置图。

具体实施方式

将河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体通过人工沟渠和/或输水管道及其上设置的提水风车，将自然风能转化为机械能驱动水体外部循环，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体，实现对湖泊、水库、池塘或城市景观水体中的人工湖曝气充氧，促进水体的流动和增加水体中的溶解氧。

所述提水风车启动风速为1.6-2.0m/s；

所述提水落差为1.0-20m。

所述跌水方式为自然跌水、喷泉跌水、单级跌水或多级跌水。

本发明的提水风车2为具有风暴自动保护功能的风车，采用铁人风车(武汉)有限公司生产出售的全套系列产品，可在小于二级风的1.6-2.0m/s风速实现启动，最大提水高度400m，最大提水流量可达500m³/h。

下面参照附图，用具体实施例详述本发明。

实施例1：

参照图1，图中箭头发现表示水流方向。武汉某小区水景工程采用风力提水设备提取自然河流1的河水进入小区人工沟渠5和人工湖4，经过循环后溢流回自然河流。取水自然河流的水质常年为Ⅴ类，作为小区水景工程的水源；小区水景由人工沟渠5和人工湖4组成，人工沟渠5和人工湖4内种植有挺水植物和浮水植物，采用生态岸坡，水面面积约20000m²，人工沟渠水流路径长约2km；风力提水设备的设计提水高度为4m，出水的跌水高度为0.5m。这个原本旨在营造与自然环境相协调的生态型社区的水景工程，不仅实现了建筑布局与水体景观的充分融合，而且改善了水质。通过近一年的监测结果表明，风车提水进入小区景观水体循环后溢流出水水质优于河流的进水水质，特别在中间的人工沟渠水质有时可达到Ⅳ类，进水区的溶解氧明显高于取水自然河流和出水区的溶解氧，另外小区水体的溢流出水作为河流的补给水源水质达标。风力提水不仅实现了景观水体的水循环，而且增加了水体的溶解氧，提高了水体的自净能力。该风力提水设备累计运行时间超过3000h/a，运行成本不超过5000元/年。

实施例2：

参照图2，图中箭头发现表示水流方向。武汉东西湖某鱼塘8，面积约4500m²，采用风车提水改善鱼塘水环境，提水风车2从鱼塘一边提水通过输水管道9输送至另一边的跌水台阶6，以两级跌水的形式回流，跌水高度超过1m，增加对塘水溶解氧的补充。为防止短流和死角，鱼塘8内设置了一条导流堤7，促进养鱼塘水体氧浓度的均匀，最终使养鱼塘水体整体上有一个细微流动，同时得到外界氧源的不断补充。经过近两年的运行，鱼塘水体质量得到明显的改善，死鱼现象大大减少，鱼塘年产量增加15％左右，渔民收益相应提升。

实施例3：

如图3所示，图中箭头发现表示水流方向。湖北省某水库，为重要的饮用水水源地。为防治库湾库营养化问题产生，保障水源地水质安全，采用提水风车构建库湾水循环系统，通过人工沟渠5、提水风车2将库湾水体10提升至库岸高处，再让水体沿着山谷下跌，形成曝气和净化过程。工程主体为提水风车2、生态塘12和生态透水坝11构成的水库库湾水体循环系统。提水风车为库湾水循环系统的动力来源，位于水库库岸山腰。输水管道9沿山脊分布，使风车提起来的库湾水体能够输送到生态塘和透水坝。提水风车位于海拔173m的山腰，提水高度在20m以上，设计提水量为60m³/天。生态塘12在海拔193m的坡顶构建，塘内种植水生植物，一方面能够储存风车提水，稳定水力条件，一方面对水体起到净化作用。生态塘12两个串联，有效容积为140m³。生态透水坝11依山谷而建，共有三级，分别在海拔185m、175m和170m处。

Claims (5)

1.利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，其特征在于：将河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体通过人工沟渠和/或输水管道及其上设置的提水风车，将自然风能转化为机械能驱动水体外部循环，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至河流、湖泊、水库、池塘或城市景观水体，实现对湖泊、水库、池塘或城市景观水体中的人工湖曝气充氧，促进水体的流动和增加水体中的溶解氧；

所述提水风车启动风速为1.6-2.0m/s；

所述提水落差为1.0-20m。

2.根据权利要求1所述的利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，其特征在于：所述跌水方式为自然跌水、喷泉跌水、单级跌水或多级跌水。

3.根据权利要求1所述的利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，其特征在于：提水风车(2)为具有风暴自动保护功能的风车，最大提水高度400m，最大提水流量500m³/h。

4.根据权利要求1所述的利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，其特征在于：鱼塘(8)内设置了一条导流堤(7)。

5.根据权利要求1所述的利用自然风能提水驱动水体外部循环实现曝气充氧的方法，其特征在于：提水风车(2)、生态塘(12)和生态透水坝(11)构成水库库湾水体循环系统；提水风车位于水库库岸山腰，输水管道(9)沿山脊分布，生态透水坝(11)依山谷而建，生态塘(12)在坡顶构建，提水风车提水高度在20m以上。