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Effects of benthic hydraulics on sediment oxygen demand in a canyon-shaped deep drinking water reservoir: Experimental and modeling study
底流水力學對峽谷型深水飲用水水庫沉積物耗氧量的影響：實驗與模型研究
來源：Journal of Environmental Sciences, 102 (2021) 226–234
《環境科學學報》，第102卷（2021年），第226–234頁
摘要內容
研究通過實驗與模型模擬，探究底流水力學對峽谷型深水水庫（金盆水庫）沉積物耗氧量（SOD）的影響。核心發現包括：
1. 水動力增強顯著提升SOD：流速增加使SOD提高4.5倍（從靜止狀態的0.2 g/m2/天增至0.9 g/m2/天），主要因湍流減薄擴散邊界層（DBL），促進氧傳遞。
2. 方法對比：結合培養箱溶解氧（DO）消耗法（SODb）與微電極界面氧通量法（JO?），建立SOD與剪切速度（u）和DO濃度的定量模型：SOD = 0.019u(Cbulk - CSWI)。
3. 工程意義：水庫曝氣/人工混合系統的設計需考慮流速引起的SOD激增，以避免加劇深層缺氧。
研究目的
1. 量化底流湍流對沉積物-水界面（SWI）氧傳遞的影響；
2. 整合DO消耗法與微電極法，構建水動力驅動的SOD預測模型；
3. 為深水水庫曝氣系統的優化提供理論依據。
研究思路
1. 實驗設計：
? 采集金盆水庫沉積物巖芯，置于圓柱形培養箱（圖1），通過水平射流控制流速（0–15 cm/s）。
2. SOD測量：
? DO消耗法：監測封閉培養箱內DO隨時間下降（圖3a），計算SODb；
? 微電極法：用丹麥Unisense電極測量SWI處DO微剖面（圖3b），計算JO?及DBL厚度（δDBL）。
3. 水力參數模擬：
? 計算流體動力學（CFD）模型模擬培養箱內三維湍流（圖2），量化剪切速度（u*）與湍能耗散率（ε）。
4. 模型構建：
? 基于Fick定律與邊界層理論，建立δDBL和SOD與u*的定量關系。
測量數據及研究意義
1. DO消耗動力學（圖3a）
? 數據：流速（uin）從0增至15 cm/s時，DO消耗速率常數k從0.024升至0.105 m/天。
? 意義：證實流速通過增強湍流加速DO消耗，為SODb方法提供流速校正依據。
2. 微電極DO剖面（圖3b）
? 數據：流速↑導致δDBL從0.8mm降至0.2mm，SWI處DO濃度從4.7 mg/L升至7.4 mg/L。
? 意義：直接觀測湍流對DBL的壓縮效應，揭示氧通量（JO?）提升的微觀機制。
3. 水力參數與SOD關聯（圖5）
? 數據：u*從0.196 cm/s增至0.796 cm/s時，JO?從0.35升至0.67 g/m2/天，δDBL從0.8mm降至0.2mm。
? 意義：量化δDBL = 10.65ν/(u*Sc1/3)（圖6），確立湍流強度與氧傳遞的線性關系。
4. SOD模型驗證（圖7）
? 數據：SOD = 0.019u*(Cbulk - CSWI)，預測值與實測值高度一致（r2=0.961）。
? 意義：提供工程適用的SOD預測工具，指導曝氣系統設計。
結論
1. 水動力主導SOD：流速通過減薄δDBL（最小0.2mm）顯著提升氧通量，SOD最高增加4.5倍；
2. 方法整合價值：微電極法與DO消耗法互補，微電極更適用于低流速（JO? > SODb），高流速時SODb更反映總耗氧；
3. 工程啟示：水庫曝氣系統需控制流速以避免SOD激增，建議依據u*優化曝氣強度。
丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
1. 高分辨率觀測DBL動態：
? 微電極以100μm分辨率繪制SWI處DO梯度（圖3b），直接量化δDBL隨流速的變化（0.8mm→0.2mm），揭示湍流對氧傳遞的增強機制。
2. 驗證理論模型：
? 實測δDBL與u的反比關系（圖6）驗證了邊界層理論（δDBL ∝ 1/u），支撐了SOD = f(u*)模型的可靠性。
3. 區分界面過程：
? 捕捉SWI處DO濃度（CSWI）的躍變（靜止時4.7 mg/L vs 湍流時7.4 mg/L），闡明化學氧化（高CSWI）與生物耗氧（低CSWI）的競爭機制。
4. 指導工程實踐：
? 微電極數據證明：曝氣系統產生的湍流可縮減δDBL，但需平衡SOD增加風險，為深水庫增氧策略提供微觀尺度依據。