曝氣誘導內波破壞水庫水溫分層的機理

孫 昕，李 丹，李選龍，解 岳（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

曝氣誘導內波破壞水庫水溫分層的機理

孫 昕*，李 丹，李選龍，解 岳（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

采用自行設計的分層水庫物理模型，在溫度梯度分別為0.18～0.60℃/cm條件下，分析了曝氣誘導內波破壞模型水庫有限水體水溫分層的過程，探究了躍溫層下潛速度與內波特征參數的關系，揭示了內波破壞水溫分層的機理.實驗結果表明：分層水體完全混合之前，曝氣誘導的內波一直存在于躍溫層內部；內波波幅在躍溫層中部較大、邊緣較小.破壞分層期間，躍溫層從初始位置逐漸下潛至底部時，下潛速度從0.24m/s逐漸減小到0.08m/s，但內波持續時間、周期、波幅分別約逐漸變大100％、200％和33％；同等條件下，躍溫層下潛速度隨著溫度梯度的增加而減??；內波在模型水庫有限分層水體橫向傳播過程中，并未發生破碎現象，內波主要依靠流體質點垂向的上下移動促使水體混合，與海洋等開放水體中內波破碎導致水體混合的傳統機理不同.

內波；破壞分層；機理；溫度梯度

隨著我國對城市地下水開采的限制，江河湖泊水質污染問題又日益嚴重，水處理界已逐漸把目光投向地理位置相對偏僻、污染較少、供水量穩定的水庫.目前，水庫已成為多數城市的主要供水水源；但幾乎每座水源水庫都存在一定程度的水質污染問題.對于深水湖泊和水庫，水溫分層是內源污染和富營養化的主要誘因［1-3］，破壞水溫分層是控制此類水質問題的關鍵［4-5］.目前常用的破壞分層技術都存在運行能耗高的問題，例如揚水筒混合、機械混合、空氣管充氧和揚水曝氣混合充氧［6-9］.

水體水溫分層既阻礙表層和底層水體的物質和能量交換，也具有躍溫層內微小擾動即可產生軒然內波的流體力學特性［10-11］.然而，學者們和技術人員過去僅關注如何克服水溫分層的負面效應，并未意識到水溫分層的可利用價值.

內波通常發生在密度穩定分層的海洋、湖泊或水庫的密躍層或溫躍層［12］，能引起水體混合.自1978年，海洋衛星“Seasat”從太空發回清晰的合成孔徑雷達（SAR）的內波影像以來，內波問題逐漸已成為水動力學、物理海洋學及海洋工程等諸多學科領域關注的焦點［13-15］.同等擾動條件下，其振幅比表面波大幾十倍，是能量、動量和質量傳遞的載體，又被稱為深水攪拌器［16］.內波是物質和能量在水平和垂直方向重要的驅動力［17］，展現出許多生態效應［18］，剪切不穩定和邊壁摩擦加強了垂向運輸［19］，使營養鹽從等溫層輸送到表面混合層［20］，也使浮游植物遷移至水體表層，導致浮游植物的光合作用增強，因此影響浮游植物的組成和水體環境質量［21］.學者們也研究發現，內波的生成、傳播、衰減能引起水平和垂向的能量交換，將能量向水體四周傳遞［22-23］.

目前國內外內波研究基本都是關于海洋內波觀測，且主要偏重于對自然形成的內波的觀測與規律認識，以及水下物體受內波的沖擊力等方面.湖泊水庫水域相對較小、地形相對平坦、水下作業相對較少，風等自然形成的內波的難度較大，故湖庫內波研究較少，也尚未有利用人工誘導內波破壞湖泊水庫水溫分層以控制湖庫內源污染和富營養化的報道.本課題組利用自制的分層水庫物理模型［24-25］，探究了分層水體中曝氣誘導內波的條件和特性［26］，并初步發現，相對傳統軸向水流混合技術，內波強化破壞水溫分層的效率可提高25％～60％［5］；但未深入研究曝氣誘導內波破壞水溫分層的機理.為此，本研究通過分析曝氣誘導內波破壞水溫分層的動態過程，以及破壞水溫分層過程中內波形成區域及其特性參數的變化規律，研究躍溫層溫度梯度對曝氣誘導內波破壞水溫分層的影響，以及內波破壞水溫分層的機理；根據內波特性參數與破壞分層速度的關系，進一步探明對水體混合具有直接影響的內波特性參數，以期為曝氣誘導內波條件的優化提供可靠的理論依據，為尋求高效節能的水源水庫水質控制技術提供應用參考.

1 實驗儀器與設備

中試系統包括模型水庫主體、庫底銅管制冷裝置、溫控裝置、小型揚水曝氣器和XMTHE32路巡檢記錄儀（圖1）.模型水庫主尺度為2m× 0.6m×1.2m（長×寬×高），一面為1cm厚透明有機玻璃板，三面為1cm厚PVC塑料板，外圍設有鐵圈以防裝置破裂.池內四周1m高度范圍內粘貼1cm厚的海綿進行消波，實驗水深為1m.

圖1 中試模型水庫及測溫探頭布置Fig.1 Schematic diagram of the pilot model reservoir and arrangement of thermometer probes

池底制冷裝置采用空調蒸發器銅管對底部水體制冷以形成等溫層，利用水體與大氣以及水體之間的自然對流和熱量交換，形成表層溫度梯度較小的變溫層、中部溫度梯度較大的躍溫層以及底部等溫層［24-25］.溫度探頭置于距離池底30cm處，利用溫控裝置控制空調主機的開啟，使模型水庫底部水溫達到所需值，改變底部水溫值，以獲得具有不同躍溫層溫度梯度的分層水體.

本實驗利用小型揚水曝氣器工作時產生的周期性水流作為擾動源來誘導產生內波［26］.小型揚水曝氣器采用透明有機玻璃制作，具體結構描述和安裝位置參見文獻［9］.采用小型空氣壓縮機供氣，壓縮空氣先從儲氣罐進入穩壓閥進行穩壓，再經過轉子流量計，然后通過空氣擴散孔進入曝氣室；未溶于水中的殘余氣體會逐漸累積在曝氣室頂部，迫使曝氣室內水位不斷下降，當水位下降至導流板下緣水封板時，曝氣室頂部的氣體即進入上升筒，在上升筒內形成氣彈而攜帶水流上升.之后殘余氣體又在曝氣室重新積累，如此在上升筒內形成周期性的上升水流.

本實驗利用一臺XMTHE32路巡檢記錄儀進行水溫在線測量和記錄，選用PT100鉑電阻探頭，測溫范圍-50℃～350℃，測量精度為0.1℃，探頭保護管直徑（D）為2.5mm，長度（L）為20mm，探頭通過三線制引線與記錄儀相連，采用128mm× 64mm液晶顯示模式，支持1～32路在線巡回檢測和數據記錄，記錄間隔為1秒，儀器內帶有數據記錄儲存器（儲存量可達1000萬）.

2 實驗方法

定義圖1所示直角坐標系，其中x軸為沿水池池長方向，y軸為沿水池高度方向，原點（o）取在池底曝氣器軸心位置.如圖1所示，3組探頭均沿y軸方向布置，第Ⅰ組由1～14號探頭組成，第Ⅱ組由15～19號探頭組成，第Ⅲ組由20～32號探頭組成，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組探頭沿x軸方向分別距離曝氣器中軸線50cm，100cm，150cm.1號和20號探頭距離池底均為5cm，1～12號、20～31號探頭間隔距離均為5cm，12號和13號、31號和32號探頭間隔均為20cm，13號和14號探頭間隔16cm，14號探頭位于水下4cm，主要用于測量水面溫度.15號探頭距離池底15cm，15～18號探頭間隔均為15cm，18號和19號探頭間隔20cm.3組探頭被分別固定在細導線上，細導線固定于池頂，探頭另一端通過細銅線固定于池底.第Ⅰ組探頭從水下95cm測量到水下4cm深處，第Ⅱ組和第Ⅲ組從水下95cm測量到水下20cm深處.當所有探頭測得的水溫之差均小于1℃時，認為水溫分層完全被破壞.

沿y軸方向排列的3組探頭可獲得尾跡在距離曝氣器水平距離50cm，100cm，150cm處的水溫結構和不同深度流體質點的波動信息，測算內波持續時間、周期和波幅.

為探究內波破壞有限水體水溫分層的機理，將曝氣器出口置于距離池底45cm處，固定曝氣量為50L/h，在室溫23.2～26.5℃及躍溫層溫度梯度分別為0.60，0.39，0.24，0.20，0.18℃/cm的條件下，根據水溫信息，計算并分析破壞水溫分層過程中不同位置處內波持續時間、周期和波幅的變化特性.

3 結果與分析

3.1 破壞分層過程中內波的演變特性

當溫度梯度G分別為0.60，0.39，0.20℃/cm時，從曝氣開始到水體完全混合過程中，通道1～14各點處流體質點波動歷時信息如圖2所示，圖中橫、縱坐標分別表示曝氣時間和水體溫度.圖2表明內波在水體混合過程中一直存在于躍溫層，直至水體完全混合.揚水曝氣開始之前，躍溫層處于距離池底40～60cm附近，曝氣伊始，處于躍溫層的通道8、9、10、11、12即可產生內波，且處于躍溫層中部45cm（通道9）和50cm（通道10）處內波波幅較大.處于等溫層的通道1～7無波動，隨著曝氣進行，躍溫層逐漸下潛，至上而下通道12～8內波波幅依次減小，最后消失.通道7～1依次出現內波，且各個通道波幅都是開始較小，之后漸增，再漸減直至為零.處于變溫層的通道13～14從曝氣開始到水體完全混合一直無出現波動.當水體完全混合后，躍溫層隨之消失，通道1～14處流體質點基本不再波動，此時曝氣不能誘導產生內波.

以溫度梯度0.60℃/cm為例，繪制躍溫層下潛過程中通道9（距池底45cm）處的流體質點波動信息（圖3a），以及對應圖3a中箭頭所示時刻的水溫結構（圖3b）.實驗開始前，躍溫層位于40cm～60cm處，通道9位于躍溫層中部；開始曝氣即產生波幅較大的內波，直至躍溫層頂部下潛至45cm附近通道9處都有內波產生，但隨著躍溫層下潛，波幅逐漸變小，躍溫層下潛至45cm之下時，通道9處內波消失（圖3a）.其他位置（對應不同通道）處內波形成與消失和水溫結構的演變也存在類似規律.

同樣以溫度梯度0.60℃/cm為例，圖4a表示躍溫層內4個垂向位置（通道5～8）處測得的流體質點波動信息，圖4b表示內波持續期間的水溫結構.由圖4a可以直觀地看到位于躍溫層中部（30cm、35cm）內波波幅較大，邊緣（40cm、25cm）波幅較小.究其原因，在躍溫層內，各處溫度梯度基本相近，但躍溫層中部流體質點波動溫差大于躍溫層邊緣流體質點波動溫差，根據內波波幅公式（Eq.1）［27］，內波波幅與波動溫差成正比.

式中：ζ為內波波幅，?T/?Z為溫度梯度.

圖3 通道9流體質點波動信息與水溫結構關系Fig.3 Relationship between the fluctuation of fluid particle and thermal structure for channel 9

根據有限水體混合過程中距離池底不同位置處的流體質點波動信息和水溫結構（圖3a、3b、4a、4b）：同一位置，內波形成和消失時間分別為躍溫層到達和離開該處的時間，內波持續時間為二者之差.持續時間越短，說明該處于躍溫層存在時間越短，即躍溫層下潛速度就越快；反之亦然.持續時間的長與短代表了躍溫層下潛速度的慢和快.

圖5表示躍溫層溫度梯度分別為0.60℃/cm，0.39℃/cm，0.24℃/cm，0.20℃/cm，0.18℃/cm時，躍溫層下潛過程中各處內波持續時間，距離池底相同位置，持續時間與初始溫度梯度成正比，當G=0.60℃/cm時，持續時間最長，G=0.18℃/cm時，持續時間最短.結果表明，在有限水體內，距離池底相同位置，隨著初始溫度梯度的增大，內波持續時間隨之增大；在相同初始溫度梯度條件下，隨著躍溫層的下潛，內波持續時間逐漸增大.

圖4 不同通道流體質點波動信息與水溫結構關系Fig.4 Relationship between the fluctuation of fluid particle and thermal structure for different channels

圖5 躍溫層下潛過程中不同通道持續時間Fig.5 Duration times for different channels during the falling of thermocline

圖6反映了初始躍溫層溫度梯度分別為0.60℃/cm，0.24℃/cm，0.18℃/cm條件下，躍溫層下潛過程中內波周期的變化情況，由圖6可知，在有限水體內，距離池底相同位置，隨著初始溫度梯度的增大，周期隨之減小，主要是由于流體質點所受約化重力增加，同等擾動條件下恢復到原來位置較快；在相同初始溫度梯度條件下，隨著躍溫層的下潛，周期逐漸變大，主要是由于躍溫層下潛后溫度梯度變化不大，而此時的溫度有增加的趨勢，因此流體質點所受約化重力減小，15cm處周期比45cm處周期增加一倍左右.

圖6 躍溫層下潛過程中不同通道周期Fig.6 Periods of internal waves for different channels during the falling of thermocline

圖7 躍溫層下潛過程中不同通道波幅Fig.7 Amplitudes of internal waves for different channels during the falling of thermocline

圖7是表示溫度梯度分別為0.60℃/cm，0.24℃/cm，0.18℃/cm條件下，躍溫層下潛過程中內波波幅的變化情況.由圖7可知，在有限水體內，距離池底相同位置，隨著初始溫度梯度的增大，波幅隨之減小，主要是由于流體質點所受約化重力增加，同等擾動條件下上下波動的幅度減??；在相同初始溫度梯度條件下，隨著躍溫層的下潛，波幅逐漸增大，主要是由于此時流體質點所受約化重力減小，15cm處波幅比45cm處波幅增大三分之一左右.

3.2 曝氣誘導內波破壞水溫分層的過程

揚水曝氣器工作時的周期性水流為擾動源.在躍溫層擾動產生較為規則的內波，通過內波作用和軸向水流混合作用破壞水溫分層.在曝氣量50L/h，溫度梯度分別為0.60，0.39，0.24，0.20，0.18℃/cm條件下，從曝氣開始到水體水溫完全均等的過程中，水溫結構的演變以躍溫層的下潛為特征.

以溫度梯度分別為0.60，0.39，0.20℃/cm為例，繪制從曝氣開始（0min）到水體完全混合過程中不同時刻（120min、240min、360min等）距離曝氣器中軸線50cm處水溫結構圖（圖8）.橫坐標表示通道1～14處流體質點溫度，縱坐標表示距池底的距離，由圖8可見，在初始溫度梯度相同的情況下，在躍溫層逐漸下潛的過程中，相同時間段（120min）內的下潛距離逐漸減小，即躍溫層下潛速度逐漸變慢；不同時刻躍溫層的水溫曲線斜率基本無變化，說明混合過程中溫度梯度變化較小.在初始躍溫層溫度梯度不同的情況下，躍溫層初始位置相同，曝氣相同時間后，初始溫度梯度越小，躍溫層距離池底越近，說明躍溫層下潛速度越快；隨著初始溫度梯度從0.60℃/cm減小到0.20℃/ cm，水體混合時間從590mins減小至350mins.可見，躍溫層下潛速度與初始溫度梯度成反比，而水體混合時間則相反，主要是由于破壞分層所需克服的浮阻力隨躍溫層溫度梯度的增加而增加.

距池底距離H（cm）為30cm和45cm處內波結束時間的差值即為躍溫層從距離池底45cm之下部下潛至30cm之下部時所需時間△t（min），躍溫層下潛速度V45～30（cm/min）可通過下潛距離△h除以所需時間△t獲得.同理，躍溫層從距離池底30cm之下部下潛至15cm之下部的下潛速度V30～15也可類似計算.表1給出了曝氣量50L/h，溫度梯度分別為0.60，0.39，0.20℃/cm時，距離池底45cm，30cm，15cm處的內波結束時間，由公式V=△h/△t可以計算得到不同下潛速度（表2）.由表2可知，破壞水溫分層過程中，躍溫層下潛速度越來越慢；同一位置，躍溫層下潛速度隨著初始溫度梯度增大而減小.此計算結果與圖2結果一致.

圖8 破壞分層過程中的水溫結構Fig.8 Thermal structures during the destratification

躍溫層下潛速度表示了破壞水溫分層的難易程度，下潛速度越快，說明破壞分層越容易；下潛速度越慢，則說明破壞分層越困難.破壞水溫分層過程中，在不同溫度梯度條件下，內波持續時間逐漸變大，躍溫層下潛速度變慢，表明破壞分層越來越困難.

表1 距離池底不同位置內波的結束時刻Table 1 The ending times of internal waves at different distances from the reservoir bottom

表2 躍溫層下潛速度（cm/min）Table 2 The falling rates of thermocline（cm/min）

當曝氣量為50L/h，溫度梯度分別為0.60，0.39，0.20℃/cm時，記錄距離池底45cm但距曝氣器軸心分別為50，100，150cm處（對應通道9、17、28）處的流體質點波動信息，分析通道9、17、28處內波的持續時間.圖9表示了持續時間的橫向變化情況，橫坐標代表距離曝氣器中軸線水平位置，縱坐標表示持續時間.圖9直觀地說明內波橫向傳播過程中，持續時間基本沒有變化，這說明內波在橫向傳播過程中幾乎沒有破碎.此實驗結果說明在空間尺度有限的分層水體內，內波破壞水溫分層主要不是依靠內波破碎所釋放的能量來實現，其主要原因可能是內波作用下流體質點離開原來位置在垂向的上下移動，不同于海洋等寬廣的開放水域內水體混合主要依靠內波破碎而完成的傳統理論［28］.在水體處于溫度分層狀態下，內波誘導產生后，會引起流體質點垂向的上下移動，從而使具有不同水溫的水體相互進行熱交換而導致混合，最終達到破壞水溫分層效果.頻率為周期的倒數，固定初始躍溫層溫度，在破壞水溫分層過程中，隨著躍溫層下潛，內波周期逐漸增大，內波頻率逐漸減小，即內波作用下，單位時間內流體質點上下移動次數減少，使具有不同水溫的水體之前熱交換減少、混合效果下降.由于15cm處周期比45cm處值增加一倍左右，那么15cm處頻率比45cm處減小一倍左右，在其他影響因素不變的條件下，隨著躍溫層下潛，內波混合效率減小50％左右.同時，波幅越大，流體質點上下移動距離差越大，水體混合效果越好；隨著躍溫層下潛波幅增加，15cm處波幅比45cm處波幅增大三分之一左右，在其他影響因素不變的條件下，內波混合效率相應增加33％左右.綜上所述：隨著躍溫層下潛，15cm處比45cm處混合效率減小17％左右，即破壞分層越來越困難，躍溫層下潛速度越來越慢，內波持續時間越來越長.

圖9 水平方向持續時間Fig.9 Duration times of internal waves in the horizontal direction

上述分析進一步證實在空間尺度有限的分層水體內，受限于內波的實際傳播距離范圍，內波在橫向傳播的工過程中不會破碎，內波所致混合主要由內波引起流體質點垂向的上下波動所致.也可推知，在實際空間尺度較大的湖泊水庫內，人工誘導內波除了會促使水體的垂向波動外，內波還會橫向傳播，并在橫向傳播過程中因剪切不穩定和對流不穩定而破碎，與海洋內波破碎而導致混合一樣，進一步提高混合效率.

4 結論

4.1 有限分層水體完全混合之前內波一直存在，但只在躍溫層產生；波幅在躍溫層中部較大，邊緣較小.

4.2 隨著躍溫層下潛，內波持續時間、周期、波幅逐漸變大.

4.3 破壞有限水體水溫分層過程中，躍溫層逐漸下潛，且下潛速度逐漸減??；躍溫層下潛速度隨著溫度梯度的增加而減小.

4.4 內波在空間尺度有限的分層水體橫向傳播過程中沒有發生破碎，內波破壞水溫分層主要依靠流體質點垂向的上下移動而實現，不同于海洋等寬廣開放水域水體混合主要依靠內波破碎而實現的傳統理論.

［1］Maria C P，Jose M A，Fernando R G.Effects of warm water inflows on the dispersion of Pollutants in small reservoirs［J］.Journal of Environmental Management，2006，81：210-222.

［2］Jason H，Lars U.Modelling the tidal mixing fronts and seasonal stratification of the Northwest European Continental shelf［J］.Continental Shelf Research，2008，28：887-903.

［3］陸俊卿，張小峰，徐林春，等.水溫分層對水庫污染物輸移的影響［J］.武漢大學學報（工學版），2013，222：43-148.

［4］Gantzerl P A，Bryant L D，Little J C.Effect of hypolimnetic oxygenation on oxygen depletion rates in two water-supply reservoirs［J］.Water Research，2009，43：1700-1710.

［5］孫 昕，黃廷林.湖泊水庫水體污染控制［M］.武漢：湖北科學技術出版社，2013.

［6］Lawson R，Anderson M A.Stratification and mixing in Lake Elsinore，California： An assessment of axial flow pumps for improving water quality in a shallow eutrophic lake［J］.Water Research，2007，41（19）：4457-4467.

［7］Burris V L，McGinnis D F，Little J C.Predicting oxygen transfer and water flow rate in airlift aerators［J］.Water Research，2002，36（18）：4605-4615.

［8］GolokaB S，David L.Modeling of bubble Plume design and oxygen transfer for reservoir restoration［J］.Water Research，2003，37：393-401.

［9］Sun X，Li X L，Zhang M D，et al.Comparison of water-lifting aerator type for algae inhibition in stratified source water reservoirs［J］.Ecological Engineering，2014，73（12）：624-634.

［10］富永政英.海洋波動-基礎理論和觀測成果［M］.北京：科學出社，1984.

［11］徐肇廷.海洋內波動力學［M］.北京：科學出版社，1999.

［12］Fischer H B，List J E，Koh C R，et al.Mixing in inland and coastal waters［M］.Academic Press，1979.

［13］Ledwell J R，Montgomery E T，Polzin K L，et al.Evidence for enhanced mixing over rough topography in the abyssal ocean［J］.Nature，2000，403：179-182.

［14］魏 崗，戴世強.分層流體中運動源生成的內波研究進展［J］.力學進展，2006，36（1）：111-124.

［15］王 進，尤云祥，胡天群，等.密度分層流體中不同長徑比拖拽潛體激發內波特性實驗［J］.物理學報，2012，57（8）：606-617.

［16］李家春.水面下的波浪—海洋內波［J］.力學與實踐，2005，27（2）：1-6.

［17］Hodges B R，Imberger J，Saggio A，et al.Modeling basin-scale internal waves in a stratified lake［J］.Limnology and Oceanograpraphy，2000，45：1603-1620.

［18］Pannard A，Beisner B E，Bird D F，et al.Recurrent internal waves in a small lake： potential ecological consequences for metalimnetic phytoplankton populations［J］.Limnology and Oceanograpraphy： Fluids and Environments，2011，1：91-109.

［19］Boehrer B.Modal response of a deep stratified lake： western Lake Constance［J］.Journal of geophysical research，2000，105：28837-28845.

［20］Gaxiola-Castro G，Alvarez-Borrego S，Najera-Martinez S，et al.Internal waves effect on the Gulf of California phytoplankton［J］.Ciencias Marinas，2002，28：297-309.

［21］Evans M A，MacIntyre S，Kling G W.Internal wave effects on photosynthesis： experiments，theory，and modeling［J］.Limnology Oceanograpraphy，2008，53：339-353.

［22］Matthew H A.Redistribution of energy available for ocean mixing by long-range propagation of internal waves［J］.Nature，2003，423：159-162.

［23］Ledwell J R，Montgomery E T，Polzin K L，et al.Evidence for enhanced mixing over rough topography in the abyssal ocean［J］.Nature，2000，403：179-182.

［24］孫 昕，陳恩源，解 岳.一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬裝置：中國，2014101404430［P］.2014-08-13.

［25］孫 昕，陳恩源，解 岳.一種基于自然傳熱的湖泊水庫水溫分層模擬方法：中國，2014101404411［P］.2014-09-03.

［26］孫 昕，李選龍，葉麗麗.分層湖泊水庫曝氣誘導產生內波破壞水溫分層的裝置及方法：中國，201410140364X［P］.2014-08-13.

［27］中國科學院南京湖泊與地理研究所.撫仙湖［M］.海洋出版社，北京： 1990.

［28］Gregg M C，Sanford T B，Winkel D P.Reduced mixing from the breaking of internal waves in equatorial waters［J］.Nature，2003，422：513-515.

Mechanism of destratification by aeration-induced internal waves in a reservoir.

SUN Xin*，LI Dan，LI Xuan-long，XIE Yue（School of Environmental and Municipal Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1847～1854

Under temperature gradients of 0.18～0.60℃/cm，using a self-designed physical model reservoir with a thermally stratified structure was used，the process of destratification by aeration-induced internal waves was explored in the limited water of the model reservoir，the relationship between the falling rate of the thermocline and characteristic parameters of internal waves was analyzed，and the mechanism of destratification by internal waves in limited fluids was revealed.The experimental results showed that as the internal waves induced by aeration could be observed in the thermocline before the waters were completely mixed，the amplitudes of internal waves were higher in the middle of thermocline and shorter on the edge of thermocline.During the destratification，the thermocline fell gradually from its original position to the reservoir bottom，the falling rate gradually decreased from 0.24m/s to 0.08m/s，but the duration times，periods and amplitudes of internal waves roughly increased by 100％、200％and 33％respectively；under similar conditions，the falling rate of the thermocline also decreased with the increase of temperature gradients.The aeration-induced internal waves were not broken during its propogation in the limited waters of the model reservoir.This result indicated that the mixing in limited stratified waters is mainly achieved by the alternant transport of water particles in the vertical direction during destratification by the aeration-induced internal waves，which is different to the conventional theory of mixing due to the breaking of internal waves in the open oceans.

internal waves；destratification；mechanism；temperature gradient

X524

A

1000-6923（2015）06-1847-08

孫 昕（1971-），男，安徽桐城人，教授，博士，主要從事水質污染控制與模擬研究.發表論文30余篇.

2014-11-10

國家自然科學基金資助項目（51178379；51278404）；人力資源和社會保障部留學人員科研擇優資助項目（DB03153）；西安建筑科技大學人才基金（RC1130）；西安建筑科技大學2014年大學生SSRT項目

* 責任作者，教授，xinsunn@gmail.com