（环境工程专业论文）园林不规则池塘人工水力循环与水质改善的研究.pdf

苏州科技学院硕士学位论文摘要 摘要 水是园林的灵魂，美丽的水景是园林博得游客青睐的秀丽容颜。由于园林的特点， 园林水体的水面极不规则。近年来园林水体受到不同程度的污染，加上水体滞流，复 氧能力差，致使水质恶化，极大的降低了园林的观赏性。 本文以苏州园林典型代表拙政园为示范，在实验室及现场的实验基础上，阐述并 探讨了：在保护世界文化遗产原有景观的条件下，对水力循环系统进行了初步设计， 在该系统作用下，园林池塘水产生水流流动。水体在池塘中的交换成为可能：应用计 算流体力学商用软件f l i ；n t 数值模拟计算以人工水力循环的不同工况为背景的池 塘水体流场情况，得到了在不规则园林池塘中的水流运动规律；针对园林池塘的水质， 进行无紊动条件和有紊动条件的水体复氧实验，经数学拟合得到园林池塘水实验室条 件下的无紊动表面传质系数及复氧速率方程，紊动水体复氧速率与水深有密切关系， 表面复氧过程不仅与紊动动能有关，更取决于表面紊动动能：结合数值模拟计算流场 结果，考察水力循环系统不同运行工况对水质的影响，水力循环系统的长期运行使水 质得到较大改善：针对简单运行工况存在的水流问题，提出了水力循环系统运行工况 的优化方案，并在软件数值模拟的基础上，提出最佳优化运行工况。 本文研究工作和研究结果，将为不规则园林池塘施行人工水力循环技术提供科学 依据，对水力循环系统在园林池塘中的运行具有指导作用。 关键词：水力循环；园林池塘；数值模拟；f l u e n t 软件；水质改善 苏州科技学院硕士学位论文 a b s l a - a c t a b s t r a c t w a t e ri st h es o u lo ft h ec l a s s i c a lg a r d e n n i c el a n d s c a p eo fw a t e r b o d yi nt h eg a r d e n a t l r a e t sl o t so f v i s i t o r s f o rt h eg a r d e n sc h a r a c t e r , t l a es h a p eo f t h eg a r d e nw a t e ri se l o s l ：i n r e c e n ty e a r s ，掣渤w a l l b l w a sh e a v yp o l l u t e d , w a t e r b o d yi nt h eg a r d e nf l o w e ds l a g n a n t l y , t h ea b i l i t yo fw a t e r b o d yt or c l l e 枷o nw a sv e r yp o o l , s ot h a t t h eq u a l i t yo fg a r d e w l l t c i r 辅啮t e r r i b l et h a th a r mt h eg a t d e r j sl l l l l l l 面o n , t h eh u m b l ea d m i n i s t r a t o r sc l a l d c no f $ u z h o uw a su s e df o r 锄e x a m p l ei nt h i st h e s i s o nt l a eb a s i so fe x p e r i m e n ti nl a ba n dc l a s s i c a lg a r d e n , r e 辩a r e l a e sw e l ed e s c r i b e da n d d i s c u s s e da sf o l l o w s ：t m d e rt h ep l o t e c t i o no ft h ew o r l dh e r i t a g e h y d r a u l i ct t o w i 赡 e i r e l u t a t i o ns y s m nw a sd e s i g l l e da n dw 锄盯f l o w i n g 锄b ei m p r o v e db yt h es y s t e m f i h 孙r lac o m m e r c i a lc f d f ) 哪陀，w a sa p p l i e dt os i m u l a t et l a ew a t e rf l o w i n gd r i v e n b ，rap m p i 丑gs y s t e mi na o 辩g a r d e nw 锄e lt h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rd i f f e r c m e o l k l i t i o n st h ec a l c u l a t e df i n d i n g si n 臻嘲l 盯f l o w i n gm a yh a v eap r a c t i c a ls i g l f l f i e a e e , , t o g u i d ep l a c l j c e t h eg a r d e nw a t e r sl a wo fr e a e r a t i o nw a ss t u d i e du n d e rt h ec o n d i t i o no f t u r b u l e n to rn o n - t u r b u l e n t s u r f , a c el r a m f e rc o e f f i c i e n ta n df o r m u l ao f w a t e rb o d yw i t h o u t t u r b u l e n tw e r eo v e nb yt h es t u d i e d i - i o w c v a r , t h el e 删o nr a t i oh a sac l o s er e l a t i o n s h i p w i t ht h ec t e r , o ao f w a t e rf o rt u r b u l e n tw a l e rb o d y t h es u r f a c ei c a e r 撕o no f t u r b u l e n tw l l t 盯 i sr e l a t e dt ot u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y , b u tt h ei n o l t 它i m p o r t a n t 触o ri st h es u f l l a = d i s t u r b i n g k i n e t i c ：e n e r g y d i f f e r e n th y d r a u l i cf l o w i n gc i r c u l a t i o ne o n d i t i o mc a l la f f e c tt h eg a r d e n w i l t e l q u a l i t y t l a eq u a l i t yo fg a r d e nw d 把rw i l lb ei m p r o v e da f t e ral o n go p e r a t i o no ft l a e s y s t e m t oi m p r o v et l a ep r o b l e m su n d e rt h es i m p l ee o n d i t i o mo fh y d r a u l i ct l o w i 蟾 c i t e d a t i o n , o p t i m u mc o n d i t i o n s 唧s t u i d i e db t h ef l u e n ts o t t w a r c t h et s e a r e l am e t h o da n dr e s u l t so b t a i l l e di nt h ea r t i c l ew i l lp r o v i d es c i e n t i f i c f o u n d a t i o nf o rt h et e e l m o l o g yo fl a y d r a u l i et l o w i n gc i r c u l a t i o ns y s t e mi nc l o s e 群i r d e n w a t e ra n dt h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n st h er e s u l t so fl a y d r a u l i et l o w i g c i r c u l a t i o ns y s t e mm a yh a v eap r a c t i c a ls i g n i t i e a e et og u i c l ep r a c t i c e k e yw o r d s ：h y d r a u l i cf l o w i n gc i r c u l a t i o n ；g a r d e nw a t e r ；n m e r i e a ls i m u l a t i o n ； f l u e n t s o t t w a r e ；w a t e rq u a l i t yi m p r o v i n g 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担 论文作者签名 学位论文使用授权书 e t l l l ：丝月篮日：= = 。，年! 月9 丝日 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复 印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保 存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学 校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用 影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的 的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 指导教师签名： 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1苏州园林水及其污染现状、特点 i 1 1 水在古典园林中的作用 水是园林中最富有生气的元素，古典园林无水则不活。在各种风格的古典园林中， 水体的作用不可替代。有水。园林就更有生机，更显意境。 水在中国古典园林中所起的作用，一般归纳为以下几点1 1 1 ： 1 ) 导向作用。一个景区内各个景点以水面、水系相连接，游人顺着水的方向欣 赏美丽的景色。 2 ) 分隔作用。为避免单调，不使游客产生平淡的感觉，常用水体分隔成不同情 趣的观赏空间，拉长观赏路线，丰富观赏层次和内容。 3 ) 点缀作用。一个水面在园林规划设计中常常能起到画龙点睛的作用，通过水 体的设计使整个景区充满了生机和活力，水的点缀使景色更加迷人和多姿多彩。 4 ) 倒影作用。水面可以产生倒影，由于水的深浅不同，水底及壁岸的颜色不同， 可以出现不同的倒影。当水面波动时，会出现弯曲的倒影，水面静止时则出现宁静的 倒影，水面产生的倒影作用，增加了园景的层次感和景物构图完美性。 5 ) 基底作用。大面积的水面，可作为池岸和水中景物的基底，从而产生天空及 远景的倒影，扩大和丰富空间。 6 ) 连接作用。水面可以连接众多景点，产生整体感，使散落的景点统一起来。 7 ) 综合作用。利用整体的小环境设计手法将形与色、动与静、秩序与自由、限 定和引导、分隔与倒影等园林作用综合在一起，从而产生令人预想不到的景观效果。 苏州古典园林以水景为核心和重点，水在整个景区起着灵魂和纽带作用，水质优 劣直接关系到风景名胜的景观价值，具有重要的地位 1 1 2 苏州园林水污染现状及特点 水是苏州园林的灵魂，美丽的水景是园林博得游客青睬的秀丽容颜。根据对园林 水环境的调查了解，园林水主要存在三个方面的问题： 1 ) 水体滞流。园林水系相对独立于周围河道水体，园林池塘内水体基本呈静止 状态，受污染后水体自净恢复能力差。 2 ) 园林水体富营养化。水体的氮氮和磷含量均超过水质指标。 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 园林池塘水体受到其他污染。主要污染源为水体的污染内源和大气沉降。 其中。水体滞流是加剧水体受污染后水质恶化的重要原因。 1 1 3 苏州园林水污染原因分析 根据对园林水环境质量调查了解，水质污染的主要原因是： 1 ) 秋冬季节塘畔树木落叶进入水体，腐烂变质沉积池塘后成为水体的主要污染 源。 2 ) 由于水体营养丰富，导致藻类大量生长，降低水的透明度。 3 ) 塘底有大量沉淀物淤积，主要是泥土和有机营养物质，当出现。翻塘”现象 时，使得池水浑浊，泛灰泛黄，水质恶化 1 2 水体的修复技术 目前发达国家已经投入大量资金对受污染环境进行修复，我国在这一方面起步较 晚。修复技术基本上分为三类：物理法，化学法和生物法。 1 2 1 物理方法 物理方法主要有三种：截污治污、清淤和换水稀释1 2 1 。 1 2 1 1 截污治污法 截污法是将捧入水体的污水收集到污水厂处理后排放，主要目的是削减排入受纳 水体的污染物总量，为进一步净化水质创造条件。目前我国城市污水处理率偏低，大 量未经处理的污水直接捧入水体是引起水污染的重要原因，因此截污法是治理水体污 染的重要手段，其目的是为了控制外源性污染。如苏州河水环境综合整治一期工程主 要就包括了苏州河支流污水截留工程、杨浦港地区污水截留工程等，通过截留污水工 程以及其他相关工程的实施，目前苏州河水质己得到较大改善，到2 0 0 0 年底，苏州 河干流已基本消除了黑臭。 1 2 1 2 清淤法 污染水体的底泥是内污染源，含有大量的有机物、氮、磷和重金属等污染物质。 在泥水交界面，存在水中的污染物质向底泥沉积和底泥中的污染物质向水体解吸的动 态平衡。有的水体在截断外部污染源后，仍然会引起污染和富营养化，尤其在夏天， 就是由于底泥中存在大量污染物，在合适的条件下会向水体释放造成二次污染，如滇 池底泥平均深度达1 5 米，仅3 0 厘米底泥中磷的累积量就高达1 8 7 4 4 6 吨1 4 1 。目前关 于底泥的释放影响，国内有不少学者做了专题研究【5 - 6 1 。姜建国对武汉东湖在截污工 2 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 程完成后水体恢复过程做了详细的数学推导和科学论证，认为：在不考虑底泥影响的 情况下，经过3 a 左右东湖水体就能通过自然净化而恢复到健康状态，然而如果考虑 底泥的影响，几十年沉积在底泥的营养物质持续向水体释放，然后再通过用水及生物 输出，东湖水质需要3 5 a 以上才能恢复底泥是造成东湖水体富营养化的关键1 7 1 ，因 此清淤的目的就在于减少内源性污染物的释放量，同时增大库容。 1 2 3 3 换水稀释法一引水冲污 换水稀释的目的是用较清洁的水稀释或完全替换污染较严重的水来降低水体中 的污染物浓度。引水冲污的原理相当于一个流动或者连续的培养体系。当含低浓度营 养元素的水被注入系统中时，导致系统营养物质浓度降低，藻类生物量也会随之下降； 同时，营养元素和藻类能够以更加快的速度被置换或者冲洗出永体i , i j 。在南京玄武湖、 杭州西湖以及昆明滇池草海都曾经采用过这种技术，这种技术可以有效减少污染物的 浓度和负荷以及水体中藻类的浓度，还可以促进水的混合，稀释藻类分泌的有害物质 等 物理方法具有见效迅速的优点，但由于面源污染、大气沉降的影响，截污法并不 能从根本上解决水环境污染问题。疏浚底泥需要巨大的资金投入，同时其改善水质效 果与疏浚方法有关，适当的疏浚可在短期内改善水质，但从长时间上看，疏浚底泥不 是控制湖泊富营养化的充要条件【删。引水冲污法也存在污染物向下游转移的问题， 同时所换水的受纳水体必须具有足够盼环境容量才可采用该方法。 1 2 2 化学方法 1 2 2 1 投加除藻剂 投加除藻剂主要是通过投加硫酸铜等化学药荆来杀灭藻类。1 9 9 8 年5 月至6 月 在云南昆明滇池的外海及草海，采用b c - 6 5 5 杀藻剂进行了现场杀藻实验。在外海， 投加m g ，lb c - 6 5 5 ，将藻量由l1 8 7 8 8 8 万个几控制在3 0 0 0 万个儿左右，杀藻率维持 在6 0 - 8 0 ，在草海，单一投加1 5 m g lb c - 6 5 5 藻量由1 0 1 5 8 7 3 万个，l 控制在6 0 0 万个咒左右，杀藻率达到9 0 以上，采用投加絮凝剂、打捞浮藻、再投加3 m g lb c - 6 5 5 的方法，杀藻率达到9 9 以上，经过处理的水体，短时间内叶绿素c l a l a 含量和藻含 量迅速降低，透明度迅速提高，水体外观清澈透明【j o j 。采用化学药剂杀藻的方法，作 为保护自然环境和旅游景观的应急方法是可行的，其优点是快速见效，可以取得短期 效果，但化学药剂也具有一定的副作用，可能会对水体的生态系统产生影响，引起二 次污染。 l _ 2 2 2 投加沉磷剂 投加沉磷剂主要是通过化学沉淀法去除水体中的磷，通过钝化延缓内源性磷从底 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 泥中的释放。常用的沉淀剂有硫酸铝、f e c l 3 等。投加药剂后，会发生如下化学反 应：f e c l 3 + p o ，一f e p 0 4 + 3 c 1 ，当然投加化学药荆后，进行的不仅仅是沉淀反应， 还有a i ( o h ) 3 、f e ( o h ) 3 的化学絮凝作用。目前用于化学除磷的药剂主要是金属盐类 和氢氧化钙。沉淀法见效快，但难以发挥长效作用，当水体温度、酸度变化时，还常 常引起磷的释放【引。 化学方法具有见效迅速的优点，但难以发挥长效作用，同时，长期使用化学药品 对生态系统不安全，化学药品的生物富集和生物放大对整个生态系统得负面影响较 大 1 2 3 生物修复技术 物理法、化学法不可避免的存在着代价高、难以治本、可能对生态环境造成负面 影响等缺点，所以上述方法难以从根本上解决水环境的污染问题。随着现代生物技术 的发展，环境生物技术( e n v i r o n m e n t a lb i o t e c h n o l o g y ，e b t ) 发展迅速，己经成为一种 经济效益和环境效益俱佳的解决复杂环境污染问题的有效手段 1 2 3 1 植物修复技术 近年来的研究表明：利用植物对环境进行修复即植物修复( p h y u 肥m e d i a t i o n ) k - - 个经济、适合于现场操作的去除环境污染物的技术【“l 。植物具有庞大的叶冠和根系， 在水体或土坡中，与环境之间进行着复杂的物质交换和能量流动，在维持生态环境的 平衡中起着重要作用【1 2 l 。自然界可以净化环境的植物有1 0 0 多种，常见的水生植物有 水葫芦、浮萍、芦苇、灯心草、香蒲和风眼莲等( 1 捌。被植物直接吸收的污染物主要包 括两大类：( 1 ) n 、p 等植物营养物质；( 2 ) 对水生生物有毒害作用的某些重金属和有机 物等。第一类污染物质被吸收后用以合成植物自身的结构组成。第二类污染物质则是 脱毒后储存于植物体内或在植物体内被降解4 j 。 植物修复主要是通过植物的直接吸收作用、促进生物降解作用和吸附、过滤作用 来降解污染物质的i l5 1 。植物可以从污染水体或土壤中直接吸收有机物，然后将没有毒 性的代谢中间体储存在植物组织中，这是植物去除环境中的中等亲水性有机污染物的 一个重要机制。化合物被吸收到植物体后，植物可将其分解，并通过木质化作用使其 成为植物体的组成成分，可以通过挥发，代谢或矿化作用使其转化成二氧化碳和水1 1 2 1 ， 环境中的有机物、金属等大多可通过这一途径被去除。同时高等水生植物在生长过程 中需要吸收大量n 、p 等营养元素。植物还可以释放一些物质到污染环境中，这些物 质包括酶以及一些有机酸，它们为根区微生物提供了重要的营养物质，促进了根区微 生物的生长和繁殖，刺激了根区的微生物活性。同时水生植物群落的存在，为微生物 和微型生物提供了附着基质和栖息场所，这些生物能大大加速截留在根系周围的有机 4 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 物的分解矿化i l ”。浮水植物发达的根系与水体接触面积很大，能够形成一道密集的过 滤层，当水流经过时，不溶性胶体会被根系黏附或吸附而沉降下来，特别是将其中的 有机碎屑沉降下来。同时，附着于根系的细菌体在进入内源生长阶段后会发生凝集， 部分为根系所吸附，部分凝集的菌胶团则把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下 来 1 2 3 2 微生物修复技术 微生物修复技术就是通过选择、浓缩、删化微生物并创造合适的降解条件去最大 限度地消除污染物剧。事实上，在没有人类干预的情况下，自然及人工产生的污染 物都能天然降解，不过这一过程十分缓慢，采用微生物修复技术，降解这些物质的时 间就由原先的数年、数十年缩短到几个星期。 微生物修复的基本原理很简单，其基础是自然界中微生物对污染物的生物代谢作 用大多数环境中都存在着天然微生物降解净化有毒有害有机污染物的过程，只是由 于环境条件的限制，使得微生物自然净化速度很慢，难以实际推广应用。因此所说的 微生物修复一般指的是在人为促进条件下的微生物修复。例如通过提供氧气，添加氮、 磷营养盐。接种经过驯化培养的高效微生物等来强化这一过程，迅速去除污染物质， 这就是微生物修复的基本思想1 4 卅。与其他物理化学的修复方法相比，微生物修复技 术具有如下优点1 1 l 】：( 1 ) 污染物可以从环境中被完全去除；( 2 ) 修复的时间短；( 3 ) 对周围环境影响小：( 4 ) 修复技术资金需要量小；( 5 ) 不产生二次污染；( 6 ) 原位修复可 以使污染物在原地被清除，操作简便；( 7 ) 使人类直接暴露在污染物下的机会减少。 其不足之处主要在于：( 1 ) 条件苛刻。微生物修复是一种科技含量较高的处理方法， 其运作必须符合污染场地的特殊条件，微生物修复易受环境条件变化的影响，p h 、 温度以及其他环境因素等都将影响着微生物修复的进程阻】：( 2 ) 并非所有进入环境的 污染物都能被微生物利用。污染物的低生物有效性、难利用性及难降解性等常常使得 微生物修复不能进行，特定的微生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物 质，状态稍有变化的化合物就可能不被同一种生物酶破坏；( 3 ) 需要对污染环境进行 详细和周密的调查研究，前期工作时间较长，花费高。 1 3 水力循环与水质改善研究现状 目前，国内外对于人工水力循环与水质改善的研究，主要有三个方面：水流流动 所造成的表面更新增强了大气复氧条件，有利于增强水体自净能力；水流流动，有利 于削弱温差异重流的产生；水体中水流流动对藻类等水生生物产生影响。 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 水体复氧理论 研究水体复氧规律，对于预测和评价水中溶解氧含量，确定有机污染水体的自净 过程具有重要意义。天然水体中溶解氧的大小是评价水环境质量优劣的项非常重要 的指标，也是水质预测的一个重要任务。要取得有效的预测，则必须深刻认识水体的 耗氧过程和复氧过程，通过氧平衡计算，预测未来条件下水中溶解氧的变化。面在复 氧过程中，也即水中溶解氧的补充来源中，主要有大气复氧、水生生物( 主要是藻类) 光合作用复氧以及流入水体携带的溶解氧。其中大气复氧是最主要的，据英国水质污 染研究所对泰晤士河河口段的观测，约占总复氧量的8 0 以上k 2 3 1 。而考虑复氧主要 是通过复氧系数的计算来反映，不同的复氧理论同时导出了不同的复氧方程和计算复 氧系数的不同公式。 对于静态水体，大气向水体复氧的现象，可以看作空气中的氧穿过水面向水体内 部的分子扩散过程；w h i m l a n 和i , e w j s 于1 9 2 4 年提出双膜理论渊。该理论认为在气 相和液相之间的界面上、下存在气体和液体两层薄膜。无论水体紊动多么强烈，气膜、 液膜总是存在，但紊动作用可以使液膜的厚度发生变化 2 5 1 。由于液膜分子扩散的阻力 远大于气膜的阻力，发生的气体转移慢于紊动混合发生的气体转移，故气体向液膜转 移的速度受控于液膜内的分子扩散；h i g b i e 于1 9 3 5 年提出了浅渗理论。他假定气体 从气液面向水体渗透，但渗透的深度很浅，约为湍流的涡漩直径，这时渗透层将被新 的水层所更新每次的渗透距离和经历的时间可能不同，平均更新时间和更新率可得空 气中氧分子通过界面的平均通量，从而得表面传质系数；o c o n n o 和d o b b i n s 认为双 膜理论的液膜并非固定不动的，而是在不断地更新，表面的液膜复氧后进入下面的水 体，下面的水体上升至表面，形成新的液膜并复氧闭。 1 3 2 异重流理论 异重流的形成过程是一个复杂的过程，其主要原理是两种比重相差不大、可以相 混的流体，因为比重差异而发生的相对运动。造成与周围水体有密度差的原因主要有： 温度、含盐量、含沙量等。在自然界中，经常的发生异重流现象叨。 在大多数情况下。经常能够观察到的异重流的现象是泥沙异重流的现象。对泥沙 异重流而言，当挟沙水流与清水相遇时，由于前者的比重比后者大，在条件适合时， 挟沙水流就会潜入清水底部继续向前流动，形成异重流1 2 s 。由于水体在断面温度差异 不同所产生不同的密度而引起的异重流，称为温差异重流。目前对温差异重流模型的 研究，已有建立了河道立面二维水温模型，采用实测资料率定出有浮力影响的情况下， 不同变量在不同方向上的紊动涡粘系数；采用立面二维k 湍流模型模拟湖泊型水 库的温度场【刀j j o h n s o n 在水库模型上进行了重力下潜流的实验研究，在模型验证的 6 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论 基础上推荐了l a r m 的水库水温模型；k a r p i k 在其模型基础上改进，提出了 l a h m ( 1 a t e r a u ya v e r a g e dh y d r o d y n a m i c sm o d e l ) 的立面二维水库模型。三种数学模型： 单方程s p a l a r t 模型、双方程k e 模型以及多方程的雷诺应力模型限s m ) 【3 0 】。对采用 单方程s p a l a r t 模型、双方程k e 模型以及多方程的r s m 模型模拟水了库温差异重 流的流动研究。结果发现r s m 模型和k 模型均能相当准确地模拟水库中温差异 重流的潜入、推进及水库库区涡流的形成过程郾l 。r s m 模型模拟精度高，但计算量大， 收敛性和稳定性较差。在r s m 模型计算不易收敛和工程应用中对精度要求不太高的 情况，k 模型是一种较好的选择j 1 3 3 藻类生长理论 在静止水体中，由于水体处于富营养化状态下，水中藻类繁殖较快，使得水体中 浊度升高，透明度降低，水质下降，严重影响水体景观。因此，有效抑制水体中的藻 类生长，可以明显提高池塘水体的景观效益网。 藻类的周期性变化，除环境温度，光照的周期性变化外，还受藻类本身的生理状 态以及水体的水动力作用影响 3 3 1 。水体流动有利于藻类更快更充分地吸收水中的营养 物质，加快藻类的生长。在较长时间、较快流速的流动条件下。尽管有利于藻类对营 养物质的吸收，但是却不能为藻类细胞中的生化反应提供相对稳定的环境，使藻类的 生长受到限制。当水流较大时，藻类的数量较高 3 4 1 。这主要是由于，在水流条件下， 底泥变成水中悬浮物，随水流的增大，悬浮物浓度增高。底泥中的氮、磷释放到水体 中去，使藻类保持在一个较好的生长环境中，藻类生长快。当流速较小时，藻类的生 物量较高。此时，主要是由于在水流流速较小情况下，有利于个体体积小的藻类生长 繁殖的缘故p 珂 1 4 研究背景、理论意义及应用价值 1 4 1 研究背景 2 0 0 2 年年底，苏州科技学院承担了国家“十五”8 6 3 课题“苏州市城市水环境 质量改善与综合示范”项目( 2 0 0 3 a a 6 0 1 0 7 0 ) ，于2 0 0 4 年启动了“园林水水质改善与 示范工程”；该项目同时受江苏省“十五”社会发展重点项目( b s 2 0 0 4 0 4 8 ) “拙政园 水体水质净化与生态修复研究与示范”资助。 针对园林水质的主要问题，通过采用了水体人工强化水力循环、水质改善的物化 处理和生态修复等方面的园林水体修复综合技术措施，将苏州园林典型代表拙政园作 为示范，以园林整个水域的水质改善为目标，建章相应的示范工程，在关键技术研究 7 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 的基础上，开展系统集成、生态修复与水景文化建设相结合的研究和示范，取得了明 显的成效。园林管理处的负责人把水质改善与修复技术研究和工程示范形象地称之为 “护园魂”，并将其作为古典园林保护工作的重要内容在全国世界文化遗产保护工作会 议上进行了介绍交流。 本文即在此研究背景下，以苏州拙政园作为典型代表，对水体人工强化水力循环 与水质改善方面进行研究。 1 4 2 研究的理论意义 苏州古典园林是人类文化的瑰宝，已有多处被列为世界文化遗产。为与园内建筑 达到一种自然和谐的效果，园林水系多为不规则水面。针对园林水质的污染状况，如 何在不破坏古典园林景观、保护世界文化遗产的前提下，在这种不规则水面实施人工 强化水力循环系统，切实有效地恢复园林水体的水质，是一个亟待解决的综合性研究 课题。 鉴于园林水体的自身特点，污染水体的治理与修复的出发点、目的及方法与传统 。的污水处理差别很大。其水质净化与修复的技术应体现在技术的有效性、技术的畅销 性、技术的生态相容性、技术的景观协调性和技术的经济性等。恢复污染水体的策略 是削减水体中的污染物总量。通过物理、化学和生物等方法，控制水体外源性和内源 性污染物的排入量、人工强化水体自净的净化能力，以降低水体中污染物的浓度、提 高溶解氧浓度，恢复水体的生物多样性。而其中各技术措施的实现，通过水力循环措 施，使水流流动从而得以实现。 1 4 3 研究的应用价值 对园林水体进行水力循环，使园林水体由静变动，达到缓慢均匀的流动。通过流 动形成的水体交换，使园林水体的体外处理净化成为可能。由于水流流动所造成的表 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；水流流动有利于削 减水体逆温，抑制水体“翻塘”产生；水流流动对水生生物生长产生影响。通过水力 循环不仅可以使水体溶解氧增加，污染物质氧化加快，改善水生生物的生存环境，还 可以降低运转费用，使处理成本更为经济合理。 8 苏州科技学院硕士学位论文第二章拙政园水环境及水力循环系统初步设计 第二章拙政园水环境及水力循环系统初步设计 2 1 拙政园概况 拙政园始建于明正德四年0 5 0 9 年) ，是苏州园林中面积最大的古典山水园林占 地5 2 公顷，如图2 1 所示。园林分为东花园、中花园和西花园三部分，布局以水为 主，山水并重。1 9 9 7 年被联合国教科文组织批准列入世界遗产名录。作为苏州园 林的典型代表，园中各类曲径回廊、古典建筑临水而立，亭台楼阁、玲珑山石倒映水 中，映日荷花在水中亭亭玉立观赏鱼类在水中嬉戏，游人因此而流连忘返。水是园 林的灵魂，美丽的水景是拙政园博得游客青睐的秀丽容颜。 圈2 1 拙政园平面圈 2 2 拙政园水环境研究背景 2 2 1 拙政园水系概况 根据对拙政园水系的调查，园内水系为与园林建筑达到一种自然和谐的效果，园 林水系多为不规则水面。园林水系主要分为东、中、西三个池塘。其中，东池塘水体 相对独立，水面呈环状；中、西池塘相联系，水面呈不规则形状。由此，东池塘与中、 西池塘可作为相互独立的两个体系分别加以研究。 拙政园水深示意图，如图2 2 所示； 东池塘及中、西池塘水深等高线如图2 - 3 、2 - 4 所示。 9 莶塑型垫兰堕堡主兰垡垒壅蔓三兰塑堕堕塑苎墨查垄堡至墨竺塑生丝生 圈2 - 2 拙政园水深示意图水深m 围2 - 3 东池塘水深等高线水t - i 苏州科技学院硕士学位论文第二章拙政园水环境及水力循环系统初步设计 田2 - 4 中、西池塘水深霉高线水深- 由调查结果可知： 园林水系中，东池塘水深变化范围为0 5 1 3 m ( 其中西南角池塘水深较深，该 处与东池塘水体有联系，但相对独立) 。东池塘水面面积约为3 3 6 6 m 2 ，水体水量约为 2 5 0 0 m 3 ；平均水深为0 ，7 4m 。 中、西池塘，水深变化较小，水深变化范围为o 5 o 8 m 。中、西池塘水面面积 约为5 8 2 5m 2 ，水体水量约为3 6 5 0 m 3 ；平均水深为o 6 3m 。 2 2 2 拙政园水质状况 根据调查，拙政园水质在年的多数时间内，池塘水体混浊，感官性状差，严重 损害水体乃至园林整体景观。拙政园水环境主要存在的问题：园林水系相对独立于周 围河道水体，园林池塘内水体基本呈静止状态，水体受污染后自净恢复能力差；园林 水体表现为富营养化，其氨氮和磷含量均超过水质标准；园林水体受到一定程度的污 染，其主要污染源是水体的污染内源和大气沉降。对拙政园水质现场分析结果如表 2 1 所示。 茎型型垫堂堕堡主堂焦堡苎 苎三童些堕旦查墅垄墨查垄塑堑墨竺塑垄堡盐 表2 1 拙政园水质主要指标 指标水温，d o 高锰酸盐c o d e , 浊度，t p n h 3 - n t n 日期 ( m g i ) 指数( m g t ) ( m g l ) n t u ( m g l ) ( m g l ) ( m g 一1 ) 2 0 0 4 0 5 1 02 0 3 07 3 7 2 0 0 4 0 5 2 42 1 9 59 1 7 2 0 0 4 0 6 0 72 1 9 3 4 9 7 2 0 0 4 0 6 2 32 5 6 86 0 4 2 0 0 4 0 7 0 82 5 8 2 2 0 8 2 0 0 4 0 7 2 42 9 ，6 93 6 8 2 0 0 4 0 8 2 8 2 7 4 43 9 5 2 0 0 4 0 9 2 32 2 4 8 3 8 8 2 0 0 4 1 0 0 92 0 0 34 5 7 2 0 0 4 1 0 2 6 1 8 0 33 6 8 2 0 0 4 1 1 0 91 8 7 34 6 8 2 0 0 4 1 1 2 4 1 5 6 07 7 8 2 0 0 4 1 2 0 91 0 3 2 9 2 0 3 6 l 4 8 4 4 7 5 4 4 4 4 6 1 4 8 8 6 1 2 4 5 i l 5 1 3 4 4 4 5 1 7 5 1 4 2 3 2 8 0 6 00 9 11 8 7 8 4 20 9 10 4 33 8 6 1 7 1 9 1 7 51 5 83 4 2 2 0 5 82 0 21 2 5 2 6 6 1 6 7 71 5 20 4 91 2 2 1 4 9 6 4 7 8 o 3 9 2 2 2 1 8 5 92 7 7l - 0 l3 3 7 2 1 6 0 1 7 91 2 92 3 1 1 5 1 21 0 71 8 82 9 3 1 5 1 30 8 61 4 2 3 0 2 52 6 8i 2 4 1 4 4 00 8 50 9 4 1 5 5 01 4 60 7 01 8 7 1 竺! ：! ! ：望 ：翌! ：! ! ：! ! ! ：丝! ：! ! ：! 兰! ：! ! 。 洼：空白为未检测 对园林水质监测表明， c o d e r 浓度平均达到1 7 6 m g l 。氨氮浓度平均达1 0 2 m g l 。t p l 6 7m g l ，t n 2 4 9m g l 。c o d e r 、n h 3 - n 、t p 、t n 浓度指标均高于景 观娱乐用水水质标准( g b l 2 9 4 1 - 9 1 ) 。园林内水系水质分布不均匀，如图2 5 所示 圈2 5 拙政园水系水质状况 苏州科技学院硕士学位论文第二章拙政园水环境及水力循环系统初步设计 通过对园林水体一年多的观察了解，拙政园水体水质的季节性变化明显，可分为 两种情况：在每年的5 月一8 月，由于气候温暖，池塘水温的分布自水面底部呈由高 而低变化，同时，在此期间是荷花生长的季节因而此阶段水体基本无。翻塘”现象， 加之荷花的生长，使得池塘水质量良好，并成为该园林水景最好的阶段。但是。每年 的其余时间，尤其是l o 一1 1 月和2 3 月，由于池塘水温出现逆温现象，加上池塘植 物的零谢，同时由于塘体平均水深较浅，多为o 5 o 8 米，因而出现。翻塘”现象， 底泥污染物及其中物质释放，导致水体泛黄、浑浊，并由于植物对n 、p 等营养物吸 收功能的大大削弱而使水体质量明显下降，并持续较长的时问。工程措施运行前，拙 政园水体污染状况如图2 - 6 所示。 c 水体浑浊 d 水生植物零谢 豳2 - 6 拙政园承体污染状况 2 。2 3 拙政园池塘水污染原因分析 水质污染的主要原因是：秋冬季节塘畔树木落叶进入水体，腐烂变质沉积池塘后 成为水体的主要污染源：由于水体营养丰富导致藻类大量滋生，降低水的透明度； 塘底有大量沉淀物淤积，主要是泥土和有机营养物质，当出现“翻塘”现象时t 使得 池水浑浊，泛灰泛黄，水质严重恶化。 苏州科技学院硕士学位论文第二章拙政园水环境及水力循环系统初步设计 2 3 水力循环系统初步设计 2 ，3 1 设计目的及内容 根据苏州拙政园的水体存在水体滞留，池塘内水体基本处于静止状态，水体受污 染后自净恢复能力差的问题，在保护古典园林原有景观的前提下，在园林内布置水力 循环系统，使园林水体由静变动，达到缓慢均匀地流动。通过流动形成的水体交换， 使园林水体的体外处理成为可能。 水力循环系统设计的主要内容包括： 1 ) 水体水力循环系统推动形式。选择和研究与古典园林风貌和景观相适宜的水 力循环推动形式，实现园林内水体循环流动， 2 ) 水力循环系统布置形式及位置在维持拙政园水系原有景观的情况下，对园 林池塘水体水力循环的动力布置形式和位置进行设计，使其水体在水面形状不规则的 条件下产生较为均匀的流动，减少滞留区域。 水力循环的基本原则是利用原有池塘水面的形状，采用人工措施，使水体定向循 环流动。控制水流遽度缓流徐进，从而不影响园林景观的原有风格和韵味。根据拙政 园中、西池塘相互连通，东池塘相对独立的实际状况，采用中、西池塘水系大循环， 东池塘水系独立循环方式。初步设计，园林东池塘水力循环流量为5 0m 3 h ；中、西 池塘水力循环流量为1 0 0m 3 h 。 为保证园林景观要求以及运行与安装的简便，采用潜水离心泵作为水力循环系统 的动力源。通过管线及水流调节措施使一处进水，多处出水，从而使得水流在园林池 塘内强制流动成为可能。 2 3 2 水力循环系统设计基本原理 连续性方程：q i 斗q i j 卸 式中，q 广一节点i 的节点流量，l ，s q r - 从节点i 到节点j 的管段流量，l s 能量方程：h i i = o 式中，h i 一从节点i 到节点j 的管段的水头损失，m 水力学基本公式扣五专专 0 2 5 肛面面 1 4 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 苏州科技学院硕士学位论文第二章拙政园水环境及水力循环系统初步设计 鼬：堕 l ， 式中，i 水力坡降： 卜摩阻系数； 西管子的计算内径( 越) ； v 平均水流速度( m s ) ： g 重力加速度，取9 g l ( m s 2 ) ： 1 广- 液体的运动粘滞系数( m 2 s ) ： 当水温为1 0 。c 时，u = 1 3 x 1 0 4 m 2 s 。 代入以上各式得：i = o 0 0 0 9 1 5 q 1 。7 4 矸。m 2 3 3 东池塘系统设计及管线布i 东池塘水面相对规则，设置枝状管线。 一 根据东池塘原有景观特点，以及相关水处理设施的要求，东池塘设计两条相互独 立的管线系统，如图2 7 所示。 田2 7 东池塘管线布置 1 2 3 4 及3 - 5 - 6 管段为水力推流管路系统设计流量为：5 0 一h 。 出水口设计流量：4 点3 5 m ；6 点1 5 m 3 h 。 7 8 9 - 1 0 - 1 1 管段为地下渗滤管路系统，设计流量为1 8m 3 h i ， 苏州科技学院硕士学位论文 第二章拙政园水环境及水力循环系统初步设计 东池塘管线水力计算见表2 , 2 。 襄2 2 东池塘水力计算表 1 2 3 4 管段水头损失为7 3 3 m ：1 - 2 - 3 - 5 - 6 管路水头损失为6 1 7m ； 7 - 1 1 管段水头损失为1 9 9 m 。 考虑水泵供水安全，东池塘l 点水泵设计流量为5 0m 3 h ，扬程为1 0 m ； 东池塘7 点水泵设计流量为1 8m a h ，扬程为5 m 。 2 3 a 牢、西池塘系统设计及管线布置 根据勘测，中、西池塘水面相互联系，作为一个整体进行管线布置：水面情况相 对复杂，对该水域水面按环网进行计算，根据该水域各渠段长度、水面宽度及水深分 布特点，对水面进行水力计算简化，如图2 - 8 所示。 2 4 68