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用振荡射流抑制蓝藻滋长防止泥沙淤积 摘要：按照控制论的“反馈—放大—振荡”的原理所构建的双稳态流体自控振荡器，可交替地从其两个输出孔断续地喷射出变向的水射束，从而促使周围水体激烈紊动，加强水中物质的交换能力。振荡射流扰动后之蓝藻能获得的光合能量将降低四倍，2008年北京奥运会期间北京抑藻工程成功地保证了“绿色奥运”的实现。流控振荡器激扰促紊会导致分层流失稳，从而增大河流输沙能力。由于悬浮功相对于自变量体积含沙量的二阶导数为负值，高含沙浓度的泥浆流不但不会淤积反而会急剧冲刷河床，如同经常发生于黄河龙门河段的“揭河底“所表现出来的那样。 关键词：水生态 蓝藻毒素 光合作用 流控振荡器 紊动促进器 输沙能力 一、前言 世界各国面临的水资源短缺，不仅表现在水的数量上，而且反映在水的质量方面，中国亦然。太湖面临蓝藻危害[1]，很多水体因蓝藻毒素污染而威胁饮水安全[2]。南京地理与湖泊研究所对太湖水环境演化进行了广泛深入的研究，该所披露的每逢湖面上风速大于4m/s，湖面上叶绿素a的含量即与风速增幅呈负相关关系的观测结果很有启发性。影响蓝藻消长的因素有很多，本文仅从水动力学的角度加以分析。也仅就工程流体力学及水利技术的领域提出可供选择的防治手段，以便开展水生态综合治理时考虑采用这一选项的可行性[2]-[6]。 基金项目：北京市自然科学基金项目（C52） b. phase angle c. phase angle d. phase angle 图1 一个振荡周期内不同相位角的振荡器腔内的流速场与压强场 二、加强水体紊动的技术 1、流体自控双稳态振荡器被用于奥运水生态维护，主要用之加强水体竖向物质交换能 力。图1显示出在一个振荡周期内，其流道腔体内不同振荡相位角时之流速场与压强场的分布状况。借助于Fluent商用软件，采用两方程模型，以计算低马赫数不可压流体的非稳态流场。射流从腔体的两个输出孔口交替断续地喷出，势必扰动水体，诱生湍流涡，导致竖向扩散[7]。 2、流控振荡抑藻集成装置 如图2所示，水力自激集成抑藻机由双稳态水射束发生器和节能高效射流引射器组成。前者把常见的有压定常管流转变为从喷口处向左右交替喷射的水束，左右交替振荡的周期约为一秒。后者安装在集成装置的下部，接近水体底层，引射进来的空气和水混合后，由混合管末端射出，在水底层扩散开，然后在浮力作用下一边继续沿混合管轴线延伸方向前行，一边逐渐上浮。图2中振荡器左端的弧型导流片利用射流附壁特性可引导双稳态射流束在相继的两个半周期分别向上涌和向下冲，形成依次出现的上涌水团和下降水团。根据连续原理将诱生顺流螺旋（streamwise vortex），沿射流流向传播。因上涌时水与悬于其中的受到浮力作用的微囊藻团的运动方向相同，其间的相对速度为二者速度绝对值之差。而下降时，其间的相对速度则为二者速度绝对值之和。故在螺旋流绕基本为水平方向的轴线完成360度旋转的过程中藻团会从水体获得向下的冲量。与此相反，对于密度重于水的沙粒，在经历螺旋流360度旋转的过程中则会得到向上的冲量。 当振荡水舌把蓝藻拖向底层时，将使藻细胞得不到阳光照射从而减少其光合作用，抑制藻细胞生长。而引射管把大气中的氧气引导入水底部，形成富氧层使噬磷菌吸取水中磷下沉河底，会阻止底泥中磷的释放，断绝水华的营养来源。 图2流体自控振荡抑藻集成机结构图 三、振荡促紊引射充气抑制蓝藻的机理 光合作用的能力随水体紊动强弱而变化的状况可用图3之简化图式对其趋向获得鲜明的数量级印象。光强度沿水深衰减的分布状况设为如图3(b)所示；水体静止，热分层造成微囊藻浮在水表0.1m深范围内设为如图3(a)所示；增加湍流竖向扩散后，微囊藻均匀分布在1.0m深范围内设为如图3(c)所示。 图3(a)和图3(b)图形互乘，即为水静止时藻种群从太阳光（以波长为550nm的光为代表）中获得的全部可用于光合作用的光功率，经数值积分知为6.1W。 图3(c)和图3(b)图形互乘，即水体被搅拌均匀后藻种群从太阳光中获得的全部可用于光合作用的光功率经数值积分知为1.48W。 把水体搅拌增加竖向掺混后，藻群从太阳光中得到的光合功率减少倍。 给定水体中已知温度营养条件下，光强度I变化导致的藻种群密度的增长速率，可以用时间t为自变量表达为[8][9]， （1） 对（1）进行移项及积分可得： （2） （2）中为时之群种密度 为t=0时之藻种初始种群密度[10] 假定，可得 对数增长速率之值可由实验或实测求出，我们利用[8]中实验数据求，在24℃恒温水槽中，保持光照度为205μmo