CN111159629B - 一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，包括步骤：根据分层湖泊水库水体初始水温结构，计算出水体水温分层时的等效重心高度；根据热交换模型，求出分层水体完全混合期间通过大气‑水界面热交换而获取的净热能；根据质量与热量守恒方程，求出分层水体完全混合后的水温，计算水体完全混合后的等效重心高度；采用不同水位下库容以及与水的密度等数据，对水深方向各微小水层的势能进行积分得到水体总势能，完全混合后水体总势能的增加量即为完全混合所需的理论能量；根据分层水体混合系统的能量利用效率，计算水体完全混合所需的实际输入能量；根据碳排放量与能量的关系，计算分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量。

Description

一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法

技术领域

本发明属于湖泊水库水质污染控制及节能减排领域，涉及一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法。

背景技术

深水型湖泊水库水体温度具有明显的季节性沿深度成层分布的特点，在多数水深超过30m的水源水库中都会普遍出现温度分层现象，一般夏季自上而下形成变温层、温度梯度较大的跃温层和水温恒定的等温层的典型水温分层结构。在分层湖库底层水体，溶解氧受跃温层浮阻力的作用而得不到补充，而各种微生物和化学作用则会使水中的溶解氧逐渐被消耗，当水中溶解氧浓度低于2mg/L时，底泥中的无机和有机污染物会大量释放形成湖库内源污染，内源污染使表层水体磷、氮含量增加，在夏秋季节水温、光照合适时，会引起藻类的大量繁殖和水体富营养化等一系列水质问题。水温分层是导致分层湖库水质内源污染和富营养化的重要诱因之一，为保证和提高深水型湖泊水库的水质，破坏湖库水体温度分层是一种经济有效的水质改善方法。理想的破坏分层技术应该效果好、能耗低、排碳少，但在计算破坏分层系统的能量需求方面存在较大的不确定性，在优选各种破坏分层技术时也面临能量效率的计算基准缺乏问题。实际湖泊水库的地形和水温结构非常复杂，计算破坏分层系统的能量输入很具有挑战性。

目前涉及破坏水库水温分层系统的能量效率计算方法可以根据理论方法：稳定系数式中：z_i为测量点深度，cm；Δz_i为两测量点中点之间的距离，cm；A₀表示池塘的表面积，cm²；A_zi表示zi深度处池塘的面积，cm²)；z_g表示池塘水体完全混合后重心处的深度，cm，等于∑(z_i A_ziΔ_zi)/V；ρ_zi为zi深度处水体的密度，g/cm³)；ρ_m为水体完全混合后的密度，g/cm³，等于∑(ρ_ziA_ziΔ_zi)/V。稳定系数的上述方法只适用于水深较浅、地形简单的分层水体。对于水深几十米甚至高达几百米的地形复杂的实际湖泊和水库而言，这种方法并不能用于计算破坏分层所需的能量。

更为重要的是，目前计算破坏分层湖泊或水库水体水温分层、完全混合所需理论能量时，均假设混合期间水体与外界没有发生热交换，即混合期间不考虑水体的热量变化，与实际情况严重不符，影响到完全混合所需理论能量的准确计算，进而影响分层湖泊水库完全混合系统运行的碳排放量的统一和合理估算，不利于分层湖泊水库混合技术和系统的节能减排效果的评估，以及绿色低碳湖泊水库混合技术和系统的优选。

发明内容

本发明的目的在于针对现有破坏水温分层所需能量及破坏分层系能量效率计算方法的不足，进而影响分层湖泊水库完全混合系统运行的碳排放量的统一和合理估算，提供了一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，该方法简单易行。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，包括以下步骤：

1)根据分层湖泊或水库水体初始水温结构以及与水温相关的水的密度结构，计算出湖泊或水库水体水温分层时的等效重心高度；

2)根据水体热交换模型，求出水体完全混合期间通过大气-水界面热交换而获取的净传热量；

3)根据质量和热量守恒定律，计算湖泊或水库水体温度分层被破坏、完全混合后的平均水温；

4)根据分层湖泊或水库水体完全混合后的平均水温、水的密度以及水体总体积，求出完全混合后水体的等效重心高度，计算分层湖泊或水库水体完全混合前后水体势能增加量；

5)促使分层湖泊或水库水体完全混合所需的理论能量即是水体完全混合后的势能增加量，根据分层水体混合系统的能量利用效率，计算水体完全混合所需的实际输入能量；

6)根据碳排放量与能量的关系，计算分层湖泊或水库水体完全混合的碳排放量。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，具体分为如下步骤：

1-1)根据湖泊或水库水体水温分布情况，将水体沿垂向每隔一定间距分为一层，其中，对于上部变温层、中部跃温层以及底部等温层，间距分别取2～5m、1m以及2～5m；对于第一层水体，层顶即为水面，层底位于第一、第二测量点的平均水深处；对于第二层水体，层顶为第一层水体的层底，层底位于第二、第三测量点的平均水深处；对于最后一层水体，层顶为上一层水体的层底，层底即为水体底部，每层垂向距离的中点被视为每层水体的重心；

1-2)每层水体的温度为T_i1，与水温相关的水体的密度为ρ_i1，运用湖库库容与水位的关系求得每层水体的体积V_i1，则等效重心高度为：H_c1＝∑M_i1h_i1/∑M_i1，式中：M_i1为混合前每层水体的质量；h_i1为水平面到每层水体重心的距离。

3.根据权利要求2所述的一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，其特征在于，步骤2)中，具体分为如下步骤：

2-1)破坏水温分层至完全混合期间水体表面总的热交换通量(Q_S)，为长波辐射量(Q_R)、表面短波辐射(Q_SW(S))、水面蒸发量(Q_W)、水面显热对流量(Q_H)之和，并且根据完全混合所需的总时间及水库水面总表面积求出完全混合期间水体获取的净热能△E_S；

2-2)水体所获得的热量中，考虑到最不利情况，在计算表面传热量时，根据实测太阳辐射强度最大时计算；

2-3)上述表面传热量均为单位面积的功率，因此在破坏分层、混合期间表面总的传递热量可以表示为：

△E_S＝Q_S×A×t

其中A为湖泊水库水面总表面积(m2)，t为总的破坏分层、完全混合所需时间(t)；

2-4)分层湖泊水库破坏分层、完全混合所需时间(t)，与分层水体水温结构、水库地形及所采用的混合充氧设备运行工况有关；可以通过再实际分层水体内运行混合设备，实测水体垂向温度，以上层和下层温度差别低于1～3℃为完全混合，从设备开始运行到水体完全混合所需要的时间为完全混合所需时间(t)；

2-5)分层湖泊水库破坏分层、完全混合所需时间(t)，也可以通过数值模拟方法确定，首先构建实际湖泊水库的地形网格，根据实际水库的水文、水温及其他水质资料，设置适当的边界、初始条件，并将混合充氧设备的进水口、出水口分别作为湖泊水库水体的内边界，选择合适的紊流模型和传热模型，数值模拟不同工况条件下水体水温变化过程，从设备开始运行到水体完全混合所需要的时间为完全混合所需时间(t)。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，完全混合后水体的温度变化是受分层水体初始总热量与完全混合期间水体获取的净热能共同影响的结果，故混合后的平均水温T由式：△E_S+∑cM_i1T_i1＝∑cM_i2T计算，其中，c为水的比热容，M_i2为混合后每层水体的质量，且∑M_i2＝∑M_i1。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，由完全混合后的平均水温，得到完全混合后每层水体的密度ρ_i2以及完全混合后的总体积V₂；完全混合前后水体的体积变化量△V＝∑V_i1-V₂，对于实际湖泊或水库，水体体积取决于水库的地形以及水深，实地测量湖泊或水库的水体体积的技术难度很大，完全混合后水体的水深h₂由库容与水位的关系求得；引入变化水深变化系数δ＝h₂/h₁，h₁为混合前水温分层水库水深；完全混合后每层重心高度h_i2由混合前对应微层的水深h_i1乘以水深变化系数δ求得，则完全混合后水体等效重心高度为：H_c2＝∑M_i2h_i2/∑M_i2，由于水体完全混合后重心上移，引起水体势能增加，其增加量为：△Ep＝MTg(H_c1-H_c2)，完全混合所需的理论能量即为水体完全混合后势能的增加量△Ep。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，促使分层湖泊或水库水体完全混合所需的理论能量即是水体完全混合后的势能增加量，分层水体混合系统的能量利用效率为理论能量与实际输入的能量之比，由此计算分层水体完全混合所需的实际输入能量。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中，根据碳排放量与能量的关系，碳排放量＝(0.785～0.997)×耗电量，计算分层湖泊或水库水体完全混合的碳排放量。

与现有其他破坏水库水温系统的能量的计算方法相比，本发明的优点是：提出了分层湖泊或水库水体完全混合后水体总势能的增加量即为完全混合所需的理论能量，在计算水体混合后势能增加量的同时，将混合期间水体的热量变化包括在内，明显提高了分层水体完全混合所需的能量以及完全混合的碳排放量的计算精度，更具有实际意义。同时，本发明提出了确定分层湖泊水库完全混合所需时间的现场试验和数值模拟方法，保证了分层水体完全混合期间净吸热量的准确计算。本发明建立的分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，能够指导破坏分层系统能量供应的设计，对在源水处理行业减少碳排量有重要的理论意义和实际应用价值。

附图说明

图1为水体混合前后重心的变化图，其中，图1(a)为水体混合前重心位置的示意图，图1(b)为水体混合后重心位置的示意图；

图2为西安S水库库容与水位的关系图；

图3为西安S水库水温结构图；

图4为西安S水库不同日期水体表面总热通量；

图5为西安S水库不同日期完全混合后水温分布图；

图6为西安S水库破环分层、完全混合所需的理论能量；

图7为西安S水库破环分层、完全混合时的碳排放量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，其核心思想是通过对分层湖泊水库进行竖向分层，水库分层被破坏以后，水库表层水温降低、底部水温升高，水库表层密度增大、底部密度减小，水体密度结构的变化导致水体分层时的重心高度比混合后的低，从而引起水体势能增加，增加量为：△E_p＝MTg(H_c1-H_c2)，其中混合后水体等效重心高度H_c2，破坏分层所需的理论能量即为水体混合后势能的增加量△E_p，根据分层水体混合系统的能量利用效率，求得实际完全混合所需输入能量，根据碳排放量与能量的关系，计算分层湖泊或水库水体完全混合的碳排放量。

参见图2，本发明以西安S水库为实施案例，得出水库库容与水位的关系，步骤如下：首先利用实时动态差分法(RTK)的全球定位系统以及测深仪来获得的S水库地形数据，采用Matisse软件构建了水库坝前的非结构三角形网格。然后运用Telemac-2D商业计算流体力学(CFD)软件，根据水库水位的月季均值，数值计算不同水位下的水库库容。根据不同水位下库容的数值计算值，水库主库区库容从水位490m时的0m³逐渐增加到设计水位494m时的4.83×10⁸m³。水库库容(y)可以表示成水位(x)的函数，如图2所示，水位550m以下和以上的函数关系式分别为y＝4139.6x²-4.0×10⁶x+9.0×10⁸(490m<x<550m)和y＝1260.8x²-8.0×10⁵x+8.0×10⁷(550m<x<600m)。每层水体的体积即为每层水体的高低水位对应的库容之差。

参见图3，是本发明采用Hydrolab DS5型多功能水质分析仪(美国HACH)对水库垂向水温进行年际监测，不同日期的水温剖面图。

参见图4，是根据水体热交换模型，求出不同日期水体表面的总热通量，步骤如下：先根据水体热交换模型计算各个日期的长波辐射量(Q_R)、表面短波辐射(Q_SW(S))、水面蒸发量(Q_W)、水面显热对流量(Q_H)；再由Q_S＝Q_R+Q_SW(S)+Q_W+Q_H求出单位面积内的热通量；再根据△ES＝Q_S×A×t求出破坏混合期间水体表面总的传递热量，其中A为湖泊水库水面总表面积4.5平方公里，t为根据数值模拟方法所确定的完全混合时间20天。

参见图5，是本发明根据图3所示的S水库水温结构，由热量守恒式△E_S+∑cM_i1 T_i2＝∑cM_i2T₂(M_i2为混合后每层水体的质量)计算出不同日期完全混合后的水温。夏秋季节，混合的等效平均水温较高，并在8月份达到最高值15.32℃；冬春季节，混合后的等效平均水温较低，并在2月份达到最低值3.36℃。此平均水温的计算结果符合理论预期。

参见图6，是本发明关于西安S水库案例，在考虑破坏混合期间水体表面热交换情况下与不考虑情况下的完全混合所需理论能量，3～8月份，由于大气-水界面间热交换的不断进行，水体表面吸热量逐渐增大，导致完全混合理论能量明显高于在不考虑水体表面热交换时的理论能量，更具有实际指导意义。相对于不考虑水体表面热交换，考虑水体表面热交换时完全混合理论能量增加幅度从3月份的8.13％一直增加到6月份的36.12％，7月份为理论能量最大值，考虑水体表面热交换时的理论能量比不考虑水体表面热交换时的理论能量增长29.57％；9月到次年2月，由于水体表面热交换量为负值，水体不断向大气中散热，导致完全混合理论能量低于在不考虑水体表面热交换时的理论能量，11月和12月理论能量分别低于不考虑水体表面热交换时的40.88％，37.96％。

参见图7，是本发明根据能量与碳排放量之间关系，碳排放量＝0.8448×耗电量，分别计算在是否考虑混合期间水体表面热交换量时分层湖泊或水库水体完全混合的碳排放量，由于碳排放量与能量呈线性关系，故在考虑混合期间水体表面热交换时的碳排放量在3到8月，也远高于在不考虑混合期间水体表面热交换量时的碳排放量，从3月份的8.13％一直增加到6月份的36.12％，7月份为碳排放量最大值，比不考虑水体表面热交换时的碳排放量增长29.57％；9月到次年2月，完全混合时的碳排放量低于在不考虑水体表面热交换时的碳排放量，11月和12月理论能量分别低于不考虑水体表面热交换时的40.88％，37.96％。

Claims (5)

1.一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据分层湖泊或水库水体初始水温结构以及与水温相关的水的密度结构，计算出湖泊或水库水体水温分层时的等效重心高度；具体分为如下步骤：

1-1)根据湖泊或水库水体水温分布情况，将水体沿垂向每隔一定间距分为一层，其中，对于上部变温层、中部跃温层以及底部等温层，间距分别取2～5m、1m以及2～5m；对于第一层水体，层顶即为水面，层底位于第一、第二测量点的平均水深处；对于第二层水体，层顶为第一层水体的层底，层底位于第二、第三测量点的平均水深处；对于最后一层水体，层顶为上一层水体的层底，层底即为水体底部，每层垂向距离的中点被视为每层水体的重心；

1-2)每层水体的温度为T_i1，与水温相关的水体的密度为ρ_i1，运用湖库库容与水位的关系求得每层水体的体积V_i1，则等效重心高度为：H_c1＝∑M_i1h_i1/∑M_i1，式中：M_i1为混合前每层水体的质量；h_i1为水平面到每层水体重心的距离；

2)根据水体热交换模型，求出水体完全混合期间通过大气-水界面热交换而获取的净传热量；具体分为如下步骤：

2-1)破坏水温分层至完全混合期间水体表面总的热交换通量(Q_S)，为长波辐射量(Q_R)、表面短波辐射(Q_SW(S))、水面蒸发量(Q_W)、水面显热对流量(Q_H)之和，并且根据完全混合所需的总时间及水库水面总表面积求出完全混合期间水体获取的净热能△E_S；

2-2)水体所获得的热量中，考虑到最不利情况，在计算表面传热量时，根据实测太阳辐射强度最大时计算；

2-3)上述表面传热量均为单位面积的功率，因此在破坏分层、混合期间表面总的传递热量可以表示为：

△E_S＝Q_S×A×t

其中A为湖泊水库水面总表面积(㎡)，t为总的破坏分层、完全混合所需时间(t)；

2-4)分层湖泊水库破坏分层、完全混合所需时间(t)，与分层水体水温结构、水库地形及所采用的混合充氧设备运行工况有关；可以通过再实际分层水体内运行混合设备，实测水体垂向温度，以上层和下层温度差别低于1～3℃为完全混合，从设备开始运行到水体完全混合所需要的时间为完全混合所需时间(t)；

2-5)分层湖泊水库破坏分层、完全混合所需时间(t)，也可以通过数值模拟方法确定，首先构建实际湖泊水库的地形网格，根据实际水库的水文、水温及其他水质资料，设置适当的边界、初始条件，并将混合充氧设备的进水口、出水口分别作为湖泊水库水体的内边界，选择合适的紊流模型和传热模型，数值模拟不同工况条件下水体水温变化过程，从设备开始运行到水体完全混合所需要的时间为完全混合所需时间(t)；

3)根据质量和热量守恒定律，计算湖泊或水库水体温度分层被破坏、完全混合后的平均水温；

4)根据分层湖泊或水库水体完全混合后的平均水温、水的密度以及水体总体积，求出完全混合后水体的等效重心高度，计算分层湖泊或水库水体完全混合前后水体势能增加量；

5)促使分层湖泊或水库水体完全混合所需的理论能量即是水体完全混合后的势能增加量，根据分层水体混合系统的能量利用效率，计算水体完全混合所需的实际输入能量；

6)根据碳排放量与能量的关系，计算分层湖泊或水库水体完全混合的碳排放量。

2.根据权利要求1所述的一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，其特征在于，步骤3)中，完全混合后水体的温度变化是受分层水体初始总热量与完全混合期间水体获取的净热能共同影响的结果，故混合后的平均水温T由式：△E_S+∑cM_i1T_i1＝∑cM_i2T计算，其中，c为水的比热容，M_i2为混合后每层水体的质量，且∑M_i2＝∑M_i1。

3.根据权利要求2所述的一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，其特征在于，步骤4)中，由完全混合后的平均水温，得到完全混合后每层水体的密度ρ_i2以及完全混合后的总体积V₂；完全混合前后水体的体积变化量△V＝∑V_i1-V₂，对于实际湖泊或水库，水体体积取决于水库的地形以及水深，实地测量湖泊或水库的水体体积的技术难度很大，完全混合后水体的水深h₂由库容与水位的关系求得；引入变化水深变化系数δ＝h₂/h₁，h₁为混合前水温分层水库水深；完全混合后每层重心高度h_i2由混合前对应微层的水深h_i1乘以水深变化系数δ求得，则完全混合后水体等效重心高度为：H_c2＝∑M_i2h_i2/∑M_i2，由于水体完全混合后重心上移，引起水体势能增加，其增加量为：△Ep＝MTg(H_c1-H_c2)，完全混合所需的理论能量即为水体完全混合后势能的增加量△Ep。

4.根据权利要求3所述的一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，其特征在于，步骤5)中，促使分层湖泊或水库水体完全混合所需的理论能量即是水体完全混合后的势能增加量，分层水体混合系统的能量利用效率为理论能量与实际输入的能量之比，由此计算分层水体完全混合所需的实际输入能量。

5.根据权利要求4所述的一种分层湖泊水库水体完全混合的碳排放量的计算方法，其特征在于，步骤6)中，根据碳排放量与能量的关系，碳排放量＝(0.785～0.997)×耗电量，计算分层湖泊或水库水体完全混合的碳排放量。