长江水质对水源热泵换热铜管影响的实验研究_罗磊
长江流域水生态调度与长江模拟器研发
四五”期间国家发展的重要任务。
2014年，长江经济带建设成为新时期国家发展重大战略。
2016年、2018年、2020年、2023年，习近平总书记先后在重庆、武汉、南京、南昌主持召开推动长江经济带绿色发展座谈会，确定了“共抓大保护、不搞大开发”，“生态优先、绿色发展”的整体方针，突显了长江经济带高质量绿色发展在国家生态文明建设中的战略地位。
2019年以来，生态环境部、国家发展和改革委员会联合开展了长江保护修复攻坚行动计划，流域水环境质量得到明显改善，水生态退化得到初步遏制，但面源污染控制不力、湖泊湿地萎缩、生物多样性损失等问题依然突出。
受气候变化和人类活动的影响，未来长江流域生态保护形势依然严峻复杂，水环境治理和水生态修复任务依然面临巨大挑战。
2021年3月1日，《中华人民共和国长江保护法》正式实施。
贯彻落实《长江保护法》，在科学统筹的前提下进行流域系统治理，最终实现长江流域生态优先下的高质量绿色发展，有2项重要工作需要尽快开展：①国家层面的全流域协调机制要尽快建立，②加强科技创新的引领作用，支撑流域生态环境修复保护和综合管理的流域水系统模拟调控装置需要尽快建设。
针对全球变化带来的生态与环境问题，国内外学者提出和发展了一系列地球系统模型（ESMs）。
以全球大气动力学模式为基础，耦合海洋、陆地、冰冻圈等动力学模式，旨在预测、重构和深入理解全球气候变化过程，评估气候变化对生态和环境的影响。
2002年3月，日本建成地球模拟器（ES）[1]，目前已发展至ES4版本。
2012年，美国国家大气海洋局地球物理流体动力学实验室开发了地球系统模型（ESMs）[2]。
2018年，美国能源部主导发布了E级能源地球系统模型（E3SM）[3]，关注点除气候变化预测外，还将评估气候变化对能源基础设施带来的压力。
2020年，瑞士大气和气候科学研究所发展了一个模块化地球系统模拟器（MESMER）[4]。
2010年，曾庆存等[5]针对国际上地球系统动力模式研究的趋势，提出发展我国的地球系统动力学模式。
长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究
2021年1月水利水电快报EWRHI第42卷第1期引用格式：崔皓东，陆齐,陈劲松，等.长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究[_(].水利水电快报,2021,42(1) :54-58.长江干堤典型管涌险情成因分析及对策研究笮砝东'，陆冬\陈劲枳'，威山涛1，社锌1(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉430010;2.安庆市长江河道管理处，安徽安庆246003)摘要：管涌是长江堤防最常见也是危害最大的险情之一，至今仍是长江堤防安全的重要威胁2020年汛期，长江干堤局部超警戒水位持续长达60(1,为近年最长时间，其中，城陵矶最高水位达到34.74 m,也为近年最高水位以长江干堤岳阳瓦湾段管涌险情为例，利用历史资料和现场调查，根据该段地质条件及渗控措施，建立了三维渗流有限元模型，重点模拟减压井失效及功能发挥工况下，该段地层内渗透比降分布特征，揭示该处管涌险情成因，并探讨相应处理对策论文研究成果可为类似堤段汛后除险加固提供参考,.，关键词：管涌险情；减压井；除险加固；长江干堤岳阳瓦湾段中图法分类号:TV871.3 文献标志码：A DOI ： 10.15974/ki.slsdkb.2021.01.010文章编号：丨〇〇6-〇〇81 (2021 )01 -0054-051研究背景洪水是有史以来人类面临的最大威胁之一，长 江中下游又曾是洪灾频发地区。
2020年长江遭遇 了近几年最严重的洪水，其中城陵矶站水位超警戒 持续时间长达60 d，居新中国成立以来第3位，仅次 于1998年和1954年；最高水位达34.74 m，为21世 纪第二高水位。
2020年长江干堤险情相对较少，得 益于1998年洪水后长江堤防达标建设及三峡水库 的精细调度，但仍有部分管涌险情、井险及老旧涵 闸险情等发生。
管涌是长江堤防最常见的险情，据1998年灾后 统计，长江干堤及洞庭湖区较大险情中，管涌占比 超过50%111。
咸潮影响下长江口水源地优化布局及白茆沙水库建设可行性分析
咸潮影响下长江口水源地优化布局及白茆沙水库建设可行性分
析
季永兴;李路;高晨晨
【期刊名称】《水资源保护》
【年(卷),期】2024(40)1
【摘要】为提升远期上海原水水量、水质供应能力和应对突发咸潮入侵和水污染风险,在分析长江口水源现状和咸水入侵形势基础上,论证了长江口水源地优化布局的必要性,结合咸水入侵监测数据及反演成果提出在白茆沙新建水库方案及原水系统优化调度方案,并分析了白茆沙水库建设对河势变化、行洪、通航、渔业资源及生态环境等方面的影响。
结果表明:在白茆沙新建水库是较可行的方案,可对上海境内的长江口水源地进行优化布局,扩大供水规模并上移取水口;拟建的白茆沙水库位于白茆沙整治工程内侧,既可确保围堤安全稳定,也不影响行洪、通航,对河势变化、渔业资源及生态环境影响微小;布置于水库南侧微弯水道处的取水口,既可避免淤积对取水口的影响,也可避免北支咸潮倒灌的影响;上岸后的输水管与崇明岛原水复线共建,增强了崇明岛原水的供水安全,与现有长江口和黄浦江水源地的原水系统互联互通,可实现上海原水系统“双源供水、一网调度”的目标。
【总页数】9页(P25-32)
【作者】季永兴;李路;高晨晨
【作者单位】上海市水利工程设计研究院有限公司;上海滩涂海岸工程技术研究中心;上海市水务局防汛减灾工程技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TV85;TV148
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水—热环境对泥岩的力学特性影响试验研究
第35卷第4期2021年8月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.35No.4Aug.2021收稿日期:2021-01-11基金项目:水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室开放基金项目(YK319008);湖南省教育厅一般项目(20C1608)作者简介:彭㊀成(1983 )男,瑶族,讲师,博士,主要从事特殊岩土的工程性状与处治技术方面的研究㊂E-mail:us-cEmonk@ DOI :10.19431/ki.1673-0062.2021.04.008水—热环境对泥岩的力学特性影响试验研究彭㊀成,李㊀鑫,涂福豪,郭庆梅,樊军伟(南华大学土木工程学院,湖南衡阳421001)摘㊀要:为探究低温与含水条件对泥岩力学性质的影响,研究了泥岩在不同含水条件与不同低温环境下单轴抗压强度的变化规律,对饱和㊁天然㊁干燥三种含水状态下的泥岩在-50ħ~10ħ环境中养护的样本进行单轴压缩试验,测定其单轴抗压强度并探究了其弹性模量的变化趋势㊂结果表明:泥岩的单轴抗压强度与含水率ω呈指数函数递减关系,随含水率上升泥岩弹性模量减小,弹性模量的变化速率随含水率的上升而增大;温度降低时泥岩的单轴抗压强度呈指数增长,弹性模量随温度降低而增加,干燥时呈线性关系,天然与饱和状态时变化速率随温度的降低而增大㊂孔隙水会使泥岩矿物间水胶连接减弱,而负温会使其增强,含水岩样更易发生剪性破坏,干燥岩样则多为张性破坏㊂关键词:泥岩;含水率;力学特性;低温;单轴试验中图分类号:TU45文献标志码:A文章编号:1673-0062(2021)04-0049-07开放科学(资源服务)标识码(OSID ):Experimental Study on the Influence of Hydro-thermal Environmenton the Mechanical Properties of MudstonePENG Cheng ,LI Xin ,TU Fuhao ,GUO Qingmei ,FAN Junwei(School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)Abstract :In order to research the influence of low temperature and water bearing conditions on the mechanical properties of mudstone,and the variation of uniaxial com-pressive strength of mudstone under different water bearing conditions and different low temperature environment.Uniaxial compression test was carried out on the samples of mudstone cured at -50ħ~10ħunder saturated,natural and dry water bearing condi-tions,to determine the uniaxial compressive strength and change trend of elastic modulus.Based on these test results,the uniaxial compressive strength of mudstone decreases expo-㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)2021年8月nentially with water content in.The elastic modulus of mudstone decreases with the in-crease of water content,and the change rate of elastic modulus increases with the increaseof water content.The uniaxial compressive strength of mudstone increased exponentially at lower temperature.The elastic modulus increases with the decrease of temperature,linear change rate in dry state,and the change rate increases with the decrease of temperature in natural and saturated state.Pore water can weaken the water-cement connection between mudstone minerals,and negative temperature can strengthen it,water sample are more likely to occur shear destruction,dry sample for more tensile damage.Water-bearing rock samples are more prone to shear damage,while dry rock are more prone to tensile damage.key words:mudstone;moisture content;mechanics characteristic;low temperature;uniaxial compression experiment0㊀引㊀言在我国基建发展的历程中,岩石作为天然建筑材料一直被大量用于各种工程㊂自然环境中的岩石受制于其自身环境的影响,承受各种物理㊁化学及生物风化作用㊂泥岩具遇水软化的特点,工程中如巷道支护㊁隧道开挖以及边坡等如遇泥岩环境,临空面往往容易受环境湿度影响而造成泥岩强度衰减,引起岩体变形甚至失稳破坏,因此研究含水状态对于泥岩的劣化效果㊁机制具有重要的指导意义㊂郭瑞等[1]通过单轴抗压强度试验,分析了含水量和干密度对砂质泥岩单轴抗压强度的影响;姚强岭等[2]通过岩石直剪试验,探讨了含水率对砂质泥岩直剪变形破坏规律㊁强度损伤及声发射特征的影响;魏晓刚[3]认为含水量与浸泡时间会增大泥岩的蠕变应变与蠕变挤压力;柳万里等[4]通过对泥岩进行天然与饱和状态下的单轴压缩试验,认为泥岩饱水后其力学特性会出现特征强度降低㊁脆性变形减弱㊁塑性变形增强的变化,并且饱水后岩石吸能与释能性质减弱㊁耗能性质增强;冯西洲[5]通过对泥岩进行饱水试验,提出浸水会促使泥岩内部微裂隙产生扩张,随浸水时间的增加甚至会使其部分微裂隙贯通,泥岩单轴抗压强度与弹性模量也随浸水时间增加呈指数形式降低;杨秀荣等[6]通过试验与数值模拟结合的方式,揭示了软岩含水率增大时其初始蠕变值与稳态蠕变值均有所增大㊂近年来,大型低温液化天然气(liquefied natural gas,LNG)地下储存已成为未来发展方向, LNG是通过将天然气降温至约-163ħ来实现天然气液化以大幅降低其体积以便于储存,因此储存地区部分围岩将长期处于低温环境中,受影响的岩石必然产生力学性质上的变化㊂迄今为止,国内外已有诸多学者对岩石在低温下的力学性质变化问题进行了深入研究,Y.J.Song等[7]对红砂岩样品进行了多级装卸单轴蠕变试验,获得了不同温度下的蠕变曲线(20ħ~-20ħ),结果表明温度降低会降低所有应力水平下岩石的瞬时变形和蠕变变形,同时还会成指数地减弱了岩石的总蠕变和粘塑性应变;L.Jiang等[8]通过单轴试验,提出低温能使砂岩的纵波波速㊁弹性模量㊁抗压强度与致密性显著增加,并且结合细观损伤本构模型模拟了岩体的损伤演化;杨阳等[9]用SHPB (split Hopkinson pressure bar)试验和分形方法研究饱水冻结红砂岩的动态力学性能,结果表明负温会显著影响红砂岩的动态力学性能和分形特性;种玉配等[10]对不同温度(20ħ~-20ħ)的饱水粗粒砂岩进行了单轴压缩试验,结果表明饱水粗粒砂岩的弹性模量和单轴抗压强度随温度降低而增大,泊松比则随之减小;杨更社等[11]通过对白垩系饱和砂岩在不同温度(20ħ~-20ħ)与不同围压(0㊁2㊁4和6MPa)条件下进行三轴压缩试验,认为负温冻结与围压能显著增强饱和砂岩的强度与内摩擦角;魏尧等[12]对饱水砂岩在-10ħ条件不同围压下进行了蠕变实验,结果表明低温会促进饱水砂岩蠕变过程的发展,围压能降低其稳态蠕变速率;宋勇军[13]通过单轴蠕变实验,证明低温能显著降低饱水砂岩的瞬时应变与蠕变应变,增加其蠕变时间㊁强度及弹性模量㊂但是,在低温环境下,不同含水条件泥岩的单轴抗压强度还未见研究成果㊂基于此,本文将以温度与含水率为本征变量,进行泥岩单轴压缩试验,研究低温对不同含水条件泥岩的强度与弹性模量的影响及变化规律,为地下LNG储库的工程05第35卷第4期彭㊀成等:水 热环境对泥岩的力学特性影响试验研究建设提出合理的力学参数㊂1㊀泥岩含水率与低温单轴试验设计本次实验主要目的是为研究泥岩在含水率和低温影响下力学性质的变化规律,试验设计流程如图1所示㊂图1㊀试验设计流程图Fig.1㊀Flowchart of experimental design1.1㊀试样制备试验样本取自四川省宜宾市某处,为土黄色粉砂质泥岩,现场取得无明显裂纹大岩块后制成直径50mm 高100mm 圆柱体㊂对加工后的试样进行筛选,首先剔除表面可见明显裂纹的个别岩样;再用游标卡尺测其高径,直径测量方法为分三次测岩样上部㊁中部㊁底部直径后取平均值,岩样高度同样取其三处不同纵向切面高度平均值,剔除其中差异较大岩样;最后用精度为0.1g 的电子天平测定岩样质量,剔除质量差异较大者㊂最后选取岩样直径为48.5~49.1mm,高度为99.8~100.6mm,质量为366.2~384.8g,孔隙度为26.3%~28.8%㊂1.2㊀试验方法取3个岩样为一组,因考虑泥岩受不同含水条件的影响,对4组岩样进行烘干制造干燥泥岩试样,另取4组采用自由浸水法制作饱和样本,具体操作为:称得天然状态试件质量后,将岩样置于水槽中,每隔2h 依次注水使水面高度达到岩样高度的1/4㊁1/2㊁3/4,后注水完全浸没使岩样自由吸水48h,取出试件并沾去表面水分并称得其质量㊂烘干试验即将试件置于烘箱中在105~110ħ温度下24h,取出待其冷却后称取其质量㊂后计算得到其饱和状态含水率为16.477%,天然状态下含水率为14.266%㊂将4组岩样分别记为T1㊁T2㊁T3㊁T4,如表1所示依次对应养护温度为10ħ㊁-20ħ㊁-35ħ㊁-50ħ四种养护环境㊂将T1组密封后置于10ħ环境养护72h,T2组置于FDS-500型微机全自动砼慢速冻融试验设备中以-20ħ冷冻72h,T3㊁T4组置于FORMA 超低温冰箱以-35ħ与-50ħ的环境冷冻72h㊂表1㊀岩样分组Table 1㊀Sample group编号T1T2T3T4状态10ħ-20ħ-35ħ-50ħ单轴压缩试验用微机控制电液伺服万能试验机WAW-EY600C 进行,加载方式为位移控制,加载速率为0.5mm /min㊂测得其单轴抗压强度与弹性模量,因岩样的个体差异会导致单轴压缩试验结果出现一定离散性㊂去掉每组岩样中试验所得数据差异较大者后取其平均值为其单轴抗压强度与弹性模量,再通过统计和拟合,分析泥岩在含水率及低温影响下力学性质的变化规律㊂2㊀试验现象及结果分析2.1㊀泥岩的单轴压缩破坏模式由于岩样的含水率与温度控制不同,低温下孔隙水冻结成冰,T2饱和与天然状态的岩样侧面出现少量白霜,T3与T4组岩样侧面被白霜完全覆盖㊂干燥岩样在不同温度下的单轴压缩破坏模式主要为劈裂破坏,少量出现剪切破坏,如图2(a)㊁2(b)所示,其断面触摸时颗粒感明显且较粗糙,可见其破坏时摩擦力较大㊂T1组天然与饱水状态岩样破坏形式以顶锥破坏㊁剪切破坏为主,破坏断面触感较细腻,有滑动痕迹,可见其摩擦力较小㊂T2组含水岩样破坏形式与T1组基本一致,由于机械能向应变能转化时产生热损耗,致其表面白霜融化,如图2(c)㊁2(d)所示㊂T3㊁T4组含水岩样在单轴压缩时端部效应明显,可见两端表面冰霜融化,中部及中部靠近两端15㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)2021年8月处白霜无变化,如图2(e)所示㊂其中部仅有微小变形发生,应变集中在两端,此时单轴压缩破坏模式多为端部剪切破坏,如图2(f)所示㊂经低温冻结后的含水泥岩破坏断面较粗糙,触摸时有一定颗粒感,可见其摩擦力应介于常温时干燥泥岩与含水泥岩之间㊂图2㊀泥岩破坏模式Fig.2㊀Failure mode of mudstone2.2㊀温度与含水率影响下泥岩强度变化粉砂质泥岩在四种不同温度下,饱和时单轴抗压强度最低,天然状态次之,干燥时最高,遇水软化效应明显㊂软化程度用软化系数K R 来表示,为含水状态下泥岩抗压强度σω与干燥状态下泥岩单轴抗压σs 强度之比,即K R =σω/σS ㊂取不同温度下的泥岩单轴抗压强度平均值对其软化系数进行计算,结果列于表1,可见低温对泥岩的遇水软化效应有明显的抑制作用㊂表2㊀泥岩不同温度下的软化系数Table 2㊀Softening coefficient of mudstone atdifferent temperature 岩样T1T2T3T4天然0.5520.5730.6290.671饱和0.3830.4180.4550.530单轴抗压强度的试验曲线如图3所示,可以发现含水率对泥岩的软化效果随含水率的增加而变强㊂通过对不同含水条件下的泥岩单轴抗压强度进行拟合,可以发现该试验曲线的变化近似于指数变化㊂图3㊀含水率与抗压强度变化曲线Fig.3㊀Curve of water content andcompressive strength通过试验现象对比可发现,T1与T2组泥岩破坏形式接近,T3与T4组破坏形式接近,故采用关系式Y =Y 0+A exp(x /t )将四种温度下的泥岩分两组在不同含水率下的抗压强度进行拟合,建立粉砂质泥岩的抗压强度与含水率的关系式,即式(1)和式(2)㊂10ħ与-20ħ时:Y =Y 0-2.017exp(ω/0.095)-2.017(1)㊀㊀-35ħ与-50ħ时:Y =Y 0-1.308exp(ω/0.078)-1.308(2)式中Y 0为当前温度干燥状态下泥岩的单轴抗压强度,ω为其含水率㊂由图3可以看出,拟合曲线与试验曲线较吻合,即粉砂质泥岩的抗压强度与含水率的变化基本符合指数变化规律:随着含水率的增加,粉砂质泥岩的抗压强度逐渐降低㊂式中Y 0值为干燥时试样的抗压强度,故而可将后面项视为孔隙水引起的附加强度,拟合关系式为泥岩抗压强度的含水率修正式㊂图4为不同含水率下温度对粉砂质泥岩单轴抗压强度的影响试验曲线,该试验曲线变化规律同样近似于指数变化,采用关系式Y =Y 0+A exp((x -x 0)/t )对三种不同含水率的泥岩在不同温度下的25第35卷第4期彭㊀成等:水 热环境对泥岩的力学特性影响试验研究抗压强度曲线进行拟合,建立粉砂质泥岩的抗压强度与温度的关系式,即式(3)~式(6)㊂饱和状态(含水率为16.477%)时:Y =5.484+5.931exp(-(T +50)/19.723)(3)㊀㊀天然状态(含水率为14.266%)时:Y =8.026+6.084exp(-(T +50)/19.499)(4)㊀㊀干燥状态时:Y =14.793+6.243exp(-(T +50)/19.567)(5)式中Y 0接近10ħ时试样的抗压强度,三种状态下A 与t 值接近,整合后重新拟合为:Y =Y 0+5.984exp(-(T +50)/19.513)-0.303(6)式中Y 0为10ħ时试样的抗压强度㊂图4㊀温度与抗压强度变化曲线Fig.4㊀Curve of temperature andcompressive strength由图4可以看出,拟合曲线与试验曲线基本吻合,即粉砂质泥岩的抗压强度与温度的变化规律基本符合指数变化规律:抗压强度随着温度的降低而增加㊂式中Y 0为10ħ时试样的抗压强度,故而可将后面项视为低温引起的附加强度,拟合关系式为泥岩抗压强度的温度修正式㊂2.3㊀温度与含水率影响下泥岩弹性模量变化泥岩弹性模量的试验曲线如图5㊁图6所示,泥岩弹性模量随着含水率的升高而降低,其变化速率亦随含水率升高而增加㊂同时弹性模量随温度降低而增加,在干燥时其变化规律基本为线性,在天然与饱和状态时,弹性模量在10ħ~-20ħ范围内变化速率较小,-20ħ~-50ħ范围内变化速率显著增大㊂图5㊀含水率与弹性模量变化曲线Fig.5㊀Curve of water content and modulusofelasticity图6㊀温度与弹性模量变化曲线Fig.6㊀Curve of temperature andmodulus of elasticity3㊀含水率与温度对泥岩力学性质影响的机理3.1㊀泥岩力学性质变化的矿物成分机理泥岩的泥级质点含量往往超过50%,普遍具有泥状结构㊂高岭石㊁蒙脱石等粒径小于0.002mm 的粘粒表面具有游离价原子和离子,其静电引力可在粘粒表面形成静电引力场[14]㊂属于偶极体的水分子会被粘粒表面的静电引力所吸引从而附着在粘粒表面,且排列整齐而紧密,静电引力场的吸附力随着水分子与粘粒间的距离缩短而增强,水35㊀㊀㊀南华大学学报(自然科学版)2021年8月分子的自由活动能力逐渐减弱,根据其自由活动能力的强弱将其划分为强结合水(无法自由活动)㊁弱结合水与自由液态水㊂强结合水与弱结合水共同组成水化膜(图7),其力学性质介于液体与固体之间㊂粘粒表面积较大,因此静电引力场对结合水的吸附作用极为明显,使得粘粒表面形成较厚的水化膜吸附层㊂当相邻粘粒间距较小时,各自形成的静电引力场出现交集,重叠形成公共水化膜㊂当各自水化膜加厚时,公共水化膜变小,水胶连接力亦随之变小,泥岩膨胀产生塑性变形,强度降低;各自水化膜变薄时,公共水化膜变厚,水胶连接得到增强,泥岩变得更加坚硬㊂图7㊀水化膜示意图Fig.7㊀Schematic diagram of hydration film试验表明,温度与含水率对泥岩的单轴抗压强度与弹性模量均有较大影响㊂泥岩吸水后体积发生膨胀,其间粘粒各自形成的水化膜加厚,公共强结合水化膜消失,同时水压力会在其内部孔隙及微裂端部产生应力集中效应,增大孔隙及裂纹的体积,降低岩体的粘聚力与内摩擦系数,故而强度降低㊂当泥岩处于低温环境下时,产生温度应变致使体积变小,粘粒间距变小,且因为负温的影响,水中能量大量散失,水分子的自由活动能力减弱㊂此时粘粒间强结合水增多,自由液态水减少,各自水化膜变薄,公共水化膜加厚,水胶连接能力变强㊂同时孔隙水由液态转变为固态冰,产生冻粘现象,进一步增强粘粒之间的连接能力,岩体粘聚力与内摩擦系数增加,泥岩整体强度提高㊂3.2㊀破坏模式产生机理泥岩的变形与破坏模式通常与其自身的微裂隙㊁粘粒间的空穴有密切联系[15],在应力不断增加时,空穴连通㊁裂纹扩张合并直至形成宏观裂纹,最后完全贯通形成破坏面㊂干燥时泥岩剪切向裂纹的发展受到较大摩擦力的限制而不易扩张,张性裂纹更容易扩张贯通,此时破坏面基本平行于σ1压应力方向,破坏形式即为劈裂破坏,属于张性破坏;随着含水率增大时,泥岩的内摩擦系数减小,剪性裂纹受到摩擦力减小,更容易发展形成宏观裂纹直至贯通为破坏面,因此破坏模式主要为剪切破坏与顶锥破坏;在负温的影响下泥岩粘聚力与内摩擦系数均呈增大趋势,整体强度提高,但由于端部效应,岩样端部受力变形后释放应变能,端部产生一定的热损耗,使得该部位冰霜融化,温度上升,负温状态受到抑制,受负温影响而增大的内摩擦系数随温度升高而发生回弹,造成整体岩性不均匀,端部较中部软弱的现象,进而在端部产生剪性破坏面㊂4㊀结㊀论通过对不同含水条件下的泥岩在-50ħ~10ħ进行单轴压缩试验,用ORIGIN 对实验数据进行拟合,并结合矿物成分与试验现象对其力学性质变化机理进行分析后,可得出如下结论:1)孔隙水会使泥岩矿物之间的公共水化膜变薄,减弱泥岩矿物成分间的水胶连接,降低其粘聚力与内摩擦系数,泥岩的单轴抗压强度随含水率ω增加呈指数降低,弹性模量随含水率增加而降低,变化速率随含水率的增加逐渐变大㊂2)负温能使泥岩矿物间的公共水化膜增厚,增强泥岩的水胶连接能力,增加其粘聚力与内摩擦系数,单轴抗压强度随温度降低而增加,变化规律符合指数递增;弹性模量亦随温度降低逐渐增加,干燥泥岩的弹性模量变化规律基本呈线性,在天然与饱和状态时增长速率先缓后急,变化拐点约为-20ħ㊂3)干燥岩样的单轴压缩试验易发生张性破坏;天然状态与饱水状态的泥岩内部微裂纹更易发生剪性扩张,其单轴压缩破坏模式多为剪性破坏,但在-35ħ与-50ħ时,端部效应明显,此时单轴压缩破坏模式多为端部剪切破坏㊂参考文献:[1]郭瑞,洪刚,张建华,等.砂质泥岩单轴抗压强度试验研究[J].地下空间与工程学报,2018,14(3):607-612.[2]姚强岭,王伟男,杨书懿,等.含水率影响下砂质泥岩直剪特性及声发射特征[J /OL].煤炭学报,2020,9:1-13(2020-09-21)[2020-12-09].https:// /10.45第35卷第4期彭㊀成等:水 热环境对泥岩的力学特性影响试验研究13225/ki.jccs.2020.0903.[3]魏晓刚,麻凤海,刘书贤,等.含水泥岩蠕变损伤特性试验研究[J].河南理工大学学报(自然科学版), 2016,35(5):725-731.[4]柳万里,晏鄂川,戴航,等.巴东组泥岩水作用的特征强度及其能量演化规律研究[J].岩石力学与工程学报,2020,39(2):311-326.[5]冯西洲.水对泥岩损伤作用机理的核磁共振试验研究[J].科学技术与工程,2018,18(32):226-231. [6]杨秀荣,姜谙男,江宗斌.含水状态下软岩蠕变试验及损伤模型研究[J].岩土力学,2018,39(增刊1): 167-174.[7]SONG Y J,ZHANG L T,YANG H M,et al.Experimental study on the creep behavior of red sandstone under low temperatures[J].Advances in civil engineering,2019 (4):1-9.[8]JIANG L,CHENG Y F,HAN Z Y,et al.Effect of frost heave on internal structure and mechanical behavior of rock mass at low temperature[J].Journal of applied sci-ence and engineering,2018,21(4):527-539. [9]杨阳,杨仁树,王建国,等.低温条件下红砂岩动态力学性能试验研究[J].煤炭学报,2018,43(4):967-975. [10]种玉配,熊炎林,齐燕军,等.低温饱水粗粒砂岩强度特性和破坏模式研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2019,38(1):19-25.[11]杨更社,魏尧,申艳军,等.冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及强度预测模型研究[J].岩石力学与工程学报,2019,38(4):683-694.[12]魏尧,杨更社,申艳军,等.白垩系饱和冻结砂岩蠕变试验及本构模型研究[J].岩土力学,2020,41(8): 2636-2646.[13]宋勇军,张磊涛,任建喜,等.低温环境下红砂岩蠕变特性及其模型[J].煤炭学报,2020,45(8):2795-2803. [14]何满潮.软岩工程力学[M].北京:科学出版社,2002:23-28.[15]张成良,刘磊,王超.高等岩石力学及工程应用[M].长沙:中南大学出版社,2016:33-34.55。
走马塘工程对“引江济太”水源地水环境影响研究
走马塘工程对“引江济太”水源地水环境影响研究王超;黄超;朱华刚;王沛芳;侯俊;钱进【摘要】In order to study the influence of pollution discharge of Zoumatang Channel of Yangtze-Taihu Water Diversion on the water quality of the source area,a three-dimensional fluid hydrodynamic model of Cheng Tong section of Yangtze River was estabhshed based on EFDC model.The model was calibrated and validated by the field measured tidal and velocity data.The simulated result showed that calculated values are consistent with the measured values,and the model has good ability of simulation precision and prediction..This paper simulated the influencing range of the sewage diffused in Zoumatang Channel in dry season and wet season using CODMn as the index.The results indicated that the diffusion range is larger during ebb tide period than that during flood tide period,and in dry season,the diffusion range is larger than that in wet season.Beside,wet season is more conducive to the dilution and diffusion of sewage.Throughout the whole simulation period,the water quality of the diversion intake of Wangyu River meet the requirements in scheduling and planning program stipulated by Taihu Basin Agency,with the concentration of CODMn in water source area not higher than 6 mg/L.%为更好地研究“引江济太”工程走马塘河道排污对“引江济太”引水水源地水质的影响,采用EFDC 模型,建立了长江澄通江段三维水动力模型,并利用实测潮位数据及流速数据对模型参数进行了率定和验证.结果表明计算值与实测值能够较好的吻合,模型具有较好的模拟精度与预测能力.在此基础上以CODMn为例对走马塘输水河道枯、丰水期排污水扩散影响范围进行了预测模拟,模拟结果显示落潮期间扩散范围大于涨潮期间；枯水期扩散范围大于丰水期,丰水期更有利于污染物的稀释扩散.在整个模拟时段内,望虞河引水口水质满足太湖流域调度规划方案所规定的水源地CODMn浓度不高于6 mg/L的要求.【期刊名称】《四川环境》【年(卷),期】2013(032)003【总页数】8页(P77-84)【关键词】感潮河段;EFDC;水动力模型;污染扩散【作者】王超;黄超;朱华刚;王沛芳;侯俊;钱进【作者单位】河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京210098;河海大学环境学院,南京210098;河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京210098;河海大学环境学院,南京210098;河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京210098;河海大学环境学院,南京210098;河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京210098;河海大学环境学院,南京210098;河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京210098;河海大学环境学院,南京210098;河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,南京210098;河海大学环境学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】X5241 引言走马塘拓浚延伸工程是太湖流域水环境治理的引排工程之一，主要任务是解决“引江济太”期间望虞河西岸地区的排水出路问题。
长江水质的评价和预测数学建模比赛优秀论文
承诺书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。
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首先，根据各项目检测数据的平均值评出各地区的综合水质等级，分析各地区水质的污染状况，并综合评价长江近两年多的水质状况为Ⅰ类水占5.88%，Ⅱ类水占64.71%，Ⅲ类水占23.52%，无Ⅳ类水，Ⅴ类水，劣Ⅴ类水占5.88%。
根据各种污染物随时间的变化规律建立微分方程，解出污染物的量的在各观测站间的状态转移结果。
根据各观测站实测污染物的量与实际排放污染物的量之间的关系，求出了各观测站实际排放的污染物的量，得到各主要污染物的污染源是湖南城陵矶及湖北宜昌南津关。
对枯水期、丰水期、水文年的水质情况分别讨论，作出每一类水对应的年份—流量散点图，并作出年份—废水的年排放量散点图，进行曲线拟合，并用F—检验验证了拟合误差在可接受范围内。
根据拟合曲线，预测长江未来十年的水质状况，其中未来第十年的各类水所占百分比分别为0.1482%、24.7329%、30.6432%、15.0467%、8.9453%、20.4837%。
引入空间修正入河系数的改进输出系数模型研究——以长江流域为例
引入空间修正入河系数的改进输出系数模型研究——以长江
流域为例
张景琳;张艳军;王素描;乔飞;罗兰
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】针对长江流域开展面源污染负荷研究具有重要实践意义。
传统输出系数模型为集总式模型,无法体现污染物的空间差异性,且未考虑污染源和受纳水体之间的污染物迁移损失,计算结果常为产污量而非入河量。
为了降低区域自然地理条件差异造成的模拟结果的误差,综合考虑污染物在输移过程中受降雨、地形、植被和距离等因子的影响,对传统的Johnes输出系数模型引入空间修正的入河系数,构建具有空间分布性的改进输出系数模型。
将改进后的输出系数模型应用于长江流域,对长江流域干流自上至下9个监测断面的总磷、化学需氧量进行模拟。
分别将集总式输出系数模型和引入空间修正入河系数的改进输出系数模型的模拟结果与实测值进行比较,结果显示改进后的输出系数模型模拟精度较改进前显著提高,为流域面源污染综合治理提供参考依据和理论支撑。
【总页数】9页(P78-85)
【作者】张景琳;张艳军;王素描;乔飞;罗兰
【作者单位】武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室;中国环境科学研究院【正文语种】中文
【中图分类】TV213.4
【相关文献】
1.基于改进输出系数模型的非点源污染负荷估算——以嫩江流域为例
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近十年来青草沙水库取水口水质变化趋势分析
近十年来青草沙水库取水口水质变化趋势分析作者：***来源：《华东师范大学学报（自然科学版）》2022年第03期關键词：长江;青草沙水库;取水口;水质变化趋势0引言长江口区域是我国最重要的经济、金融、科技和文化中心，人口密度大，优质原水需求量大.2011年6月青草沙水源地建成通水以来，平均每日供应优质原水近500万t，改变了上海市主要依靠黄浦江取水的历史，成为上海市55%左右优质原水供应地，对上海市供水水质安全保障和城市可持续发展具有重要意义.青草沙水源地是上海战略水源地之一，各方对青草沙水源地水质高度关注[1-3].青草沙水库地处长江口南支北港，采用非咸潮期通过上游泵闸从长江江心取水、下游水闸向长江放水、输水泵闸向上海市区供水的运行模式，故库内水质受取水口长江来水影响较大.与此同时，近年来长江上、中、下游各类调控调蓄和调水等水利设施的建设，对流域水文水情造成了一定影响.周建军等[4]研究表明，2003—2013年三峡水库蓄水后长江入海泥沙（大通站）相比1990年前减少了72%;娄保锋等[5]对长江干流2000年以来上中下游4个主要断面分析表明，长江干流年输沙量整体呈大幅下降趋势.2016年以来，随着“共抓大保护，不搞大开发”成为长江经济带发展基调以及《长江经济带生态环境保护规划》正式印发实施，长江流域生态环境也在向好的方面发展.张昀哲等[6]对长江入海前最后一个控制断面—徐六泾断面的2009—2018年总氮（TN）、总磷（TP）进行分析发现，TN和TP入海通量主要受上游来水影响，且年际有缓慢下降的趋势.董文逊等[7]对长江干流12个主要水质监测控制断面2008—2018年月度数据分析发现，长江干流水质在不断好转并呈现出持续好转或逐渐稳定的趋势.陈善荣等[8]对长江干流水质变化分析发现，2016年以来政府管理措施极大地改善了长江流域总体水质，也促进了长江干流水质进一步好转.当前有关长江口水质变化趋势的研究[9-11]多基于国家生态环境监测网、相关科学研究专项调查来开展，数据频次为每月1次或数次.本文基于青草沙水库自2010年以来取水口的高频率日监测数据，全面分析了2010—2019年青草沙水库取水口水质变化趋势，旨在系统了解青草沙水库取水口水质发展和长江口水质变化趋势，以期为青草沙水库及其他长江口水源地长期运行提供参考.1材料和方法1.1 研究区域青草沙水库取水口（31°29′28.34″N，121°32′45.69″E）位于长江北港（图1），由取水闸门和取水泵站组成.非咸潮期水库水位低于长江潮位时，采用水闸自流取水;咸潮期取水口盐度未超过饮用水标准且水库水位高于长江潮位时，采用泵站引流取水.该区域属于亚热带季风气候，四季分明，3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12—2月为冬季.1.2 研究方法水质数据源于上海城投原水有限公司实验室.每日9点于取水口区域水深5m以内利用水质采样器取水样，垂向混合良好.其中，部分水样采用便携式仪器现场测定水温、浊度、溶解氧（DO）、pH值和电导率指标，剩余水样存放在采样瓶中，冷藏后于20min内送至化验室对相关指标进行分析，包括氨氮（NH4+-N）、氯化物、硝酸盐氮（NO3–-N）、高锰酸盐指数（CODMn）、总磷（TP）、总硬度和永久硬度，样本总量定为N，具体监测方法见表1.2结果与分析2.1 年际变化趋势2010年以来，青草沙水源地取水口水温、浊度、溶解氧、pH值、氨氮、硝酸盐氮、总磷、高锰酸盐指数、总硬度、永久硬度、电导率、氯化物这12个指标的年际变化情况如图2所示.2.1.1水温2010—2019年，水温年际变化不大（图2（a））.10年间，实测年内最低水温为3.8℃，最高为33.0℃（表2）.其中，青草沙水源地取水口水温多处于10～25℃，占比56.1%;高于25℃和低于10℃的情况占比分别为25.5%和18.4%（N为3264）.取水口水温变化较小有利于水库水温的稳定.2.1.2浊度2010—2019年，浊度呈现比较明显的年际差异（图2（a））.10年间，实测年内最小浊度为6NTU，最大浊度为460NTU（表3）.其中，2017—2019年中位值分别为43、46、40NTU，相较之前明显偏低，表明这3年来水有变清的趋势.10年间，取水口浊度多处于30～80NTU，占比62.2%;浊度为80NTU以上的占比19.5%（N为3270）.这表明青草沙水库是来水浊度较高的水库，水库自净过程中需要更注重水力停留时间.2.1.3溶解氧2010—2019年，溶解氧浓度总体较高且年际变化不大（图2（b））.10年间，实测年内最小浓度值为5.2mg/L，最大值为13.9mg/L（表4），来水溶解氧浓度没有低于5.0mg/L（地表水Ⅲ类标准限值）的情况，共测得8次为5.0～6.0mg/L（6.0mg/L为地表水Ⅱ类标准限值），有81%（N为3263）超过了7.5mg/L（地表水Ⅰ类标准限值），这说明因取水口水体流动性好、污染物少，溶解氧比较充足.2.1.4pH值2010—2019年，取水口的来水pH值总体偏高且年际变化不大（图2（b））.10年间，实测年内最小pH值为7.3，最大为8.7（表5）;pH值小于8.0的情况占比仅为8.6%（N为3268），尤其是2016—2019年，每年低于8.0的情况占比不足5%;而超过8.3的情况占比仅为6.9%;2015—2019年，每年高于8.3的情况占比也不足5%，这表明80%以上的上游来水的pH 值稳定在8.0～8.3.2.1.5氨氮2010—2019年，青草沙取水口氨氮浓度变化幅度在逐年缩小，年最大值也呈下降趋势（图2（c））.除2010年外，其余9年实测浓度最高值均在0.50mg/L（地表水Ⅱ类标准限值）以下（表6）.10年间，取水口氨氮浓度在0.15mg/L以下（地表水Ⅰ类标准限值）的天数占比86.6%（N为3264），特别是2016—2020年，0.15mg/L以下的天数高达同期样本量的95.7%，说明2016年以来上游来水氨氮均处于较低浓度.2.1.6硝酸盐氮2010—2019年，青草沙取水口的硝酸盐氮浓度呈先增加后减少的趋势，总体为1.2～2.0mg/L，占比70.8%（N为2966）（图2（c））.2010—2014年，青草沙取水口的硝酸盐氮浓度无论是最大值、中位值还是年均值均呈现上升趋势，而2015年以后又整体呈现下降趋势（表7）;特别是2019年的最大值、中位值以及年均值，均是过去10年中最低的，与长江干流的氨氮浓度[8-9]、徐六泾断面的总氮浓度[6]年际均呈现下降趋势的结果一致.2.1.7总磷2010—2019年，青草沙取水口的总磷浓度大体呈减少趋势，为0.01～0.34mg/L（图2（c））.其中，监测值在0.1mg/L以下（地表水Ⅱ类标准限值）的约占24.6%（N为2758）;0.1～0.2mg/L（地表水Ⅲ類标准限值）的约占70%（N为2758）.与硝酸盐氮类似地，2012—2014年的总磷浓度无论是最大值、中位值还是年均值均呈现上升趋势，而2015年的开始整体呈现下降趋势（表8）.特别是2017—2019年，监测值小于0.1mg/L以下的约占同期样本总量的46.7%，较之前有明显上升，说明青草沙取水口的总磷浓度明显下降，这与陈善荣等[9]研究的长江干流总磷自2015年开始呈现下降趋势的结果一致.2.1.8高锰酸盐指数2010—2019年，青草沙取水口高锰酸盐指数浓度为1.1～4.9mg/L（图2（c））.其中，监测值在2.0mg/L以下（地表水I类标准限值）的约占18.7%（N为3266），2.0～4.0mg/L（地表水Ⅱ类标准限值）的约占80%，而超过4.0mg/L的仅占1.3%，这表明青草沙取水口高锰酸盐指数浓度整体较低.与硝酸盐氮、总磷年际变化规律类似地，2015年开始，高锰酸盐指数浓度无论是最大值、中位值还是年均值均整体呈现下降趋势（表9）;特别是2017—2019年，监测值中小于2.0mg/L以下的约占同期样本总量的35.4%，较之前有明显上升，表明青草沙取水口高锰酸盐指数浓度明显下降，这与长江干流总体有机物年际变化趋势一致[9].2.1.9总硬度、永久硬度、电导率和氯化物2010—2019年，总硬度、永久硬度、电导率和氯化物变化趋势总体一致（图2（d））.4个指标在2010—2014年变化幅度较大，2015—2019年变化幅度明显减小（表10），这与青草沙取水口遭受到的海水入侵影响明显相关.根据运行统计，2010—2014年，青草沙水库取水口共计遭受43次海水入侵影响（包括北支倒灌和正面上溯）;2015—2019年共计遭受15次海水入侵影响（包括北支倒灌和正面上溯），相比前5年大幅减少.2.2 季节变化趋势2010—2019年，青草沙水源地取水口的水温、浊度、溶解氧、pH值、氨氮、硝酸盐氮、总磷、高锰酸盐指数、总硬度、永久硬度、电导率、氯化物这12个指标季节统计情况见图3.其中，水温、溶解氧、pH值存在明显的四季变化;而总硬度和永久硬度的冬、春季变化幅度明显高于夏、秋季;电导率和氯化物的秋、冬季变化幅度明显高于春、夏季;总磷的夏季变化幅度明显高于其他三季;其余指标随四季变化的差异不明显.总体而言，受气温影响，青草沙取水口四季水温顺序为夏季>秋季>春季>冬季.而由于来水中氨氮、高锰酸盐指数等处于较低水平，所以水体溶解氧主要受水温影响[12]，四季变化趋势刚好跟水温相反，呈现出夏季<秋季<春季<冬季的特点.冬季由于大通流量相对偏低，取水口易受海水入侵影响，总硬度、永久硬度、电导率和氯化物4个指标表现出冬季变幅较大，夏季变幅相对较小的特点.2.3 相关指标关联性分析2.3.1水温与溶解氧之间的关系水温和溶解氧是描述水生生态系统的两个重要水质因子，且水温是影响水中溶解氧浓度变化的重要因素.青草沙取水口水温与溶解氧之间的变化关系（N为3263）如图4所示.从图中可以看出，溶解氧与水温具有很好的线性关系，这表明水体中能消耗或产生溶解氧的化学、生物过程较少，溶解氧主要受大气复氧这一物理过程影响[12-13]，也表明来水水质较好.2.3.2氯化物与电导率、总硬度、永久硬度之间的关系氯化物与电导率（N为3264）、总硬度（N为3257）和永久硬度（N为3257）之间的变化关系如图5所示.可以看出，氯化物和电导率、总硬度、永久硬度均具有非常好的线性关系，表明取水口的电导率、总硬度和永久硬度变化主要受海水入侵影响，上游来水中的钙、镁等离子含量相对较少.同时，对比图4中各线性方程可以看出，氯化物对电导率、总硬度和永久硬度的影响大小顺序为电导率（斜率k为3.076）>总硬度（k为0.322）>永久硬度（k为0.307）.2.3.3浊度与水温、大通流量之间的关系浊度代表了水体中悬浮颗粒物含量[14]，而水体中的悬浮颗粒物又容易受到来水流量、水温等季节性因素影响，图6表明了浊度与水温（N为3264）、大通流量（N为3270）之间的关系.可以看出，浊度与水温、大通流量无明显的函数关系，表明可能存在其他因素对青草沙取水口浊度影响更显著.主要影响因素可能是潮汐和风，长江的潮汐存在明显大小潮变化，潮汐和风导致底部泥沙再悬浮，水体泥沙含量发生变化，进而影响浊度.2.3.4总磷与浊度、大通流量之间的关系图7表明了总磷与浊度（N为2758）、大通流量（N为2758）之间的关系.因为长江中磷主要以颗粒态存在[15]，部分颗粒态磷在重力作用下随着迁移逐渐沉降，因此，总磷随着浊度的减小而呈现下降趋势，但函数关系不明显，这可能是由于伴随着沉降过程，颗粒态磷与水界面还会发生吸附-释放、沉降-再悬浮、混合-稀释等综合作用[16];另一方面，随着大通流量的增大，在一定程度上具有稀释作用，总磷有下降的趋势，但函数关系也不明显.2.3.5高锰酸盐指数与大通流量、浊度之间的关系高锰酸盐指数是反映水体中受有机污染和还原性无机污染程度的综合指标[17].图8表明了高锰酸盐指数与大通流量（N为3266）、浊度（N为3266）之间的关系.由图可见，高锰酸盐指数随大通流量变化趋势不明显，但随着浊度的增加而呈现上升趋势，这可能是由于水体中的有机污染物和无机还原性物质吸附在水中的悬浮颗粒上，当浊度增加时，高锰酸盐指数随之增加.2.3.6硝酸盐氮与大通流量之间的关系根据监测，长江上游来水中氮主要以硝酸盐氮形态存在，比例可达70%左右.图9表明了硝酸盐氮与大通流量之间的关系（N为2966），随着大通流量的升高，硝酸盐氮总体上呈现下降趋势，可能是由于硝酸盐氮在一定程度上得到了稀释[18]，这与张昀哲等[6]关于长江徐六泾断面枯水期总氮浓度比丰水期高的结论一致.3结论通过对青草沙水库取水口2010—2019年这10年的日监测数据分析，主要结论如下：（1）青草沙水库取水口溶解氧浓度始终保持较高水平，其中80%以上大于7.5mg/L;pH值呈现弱碱性，整体为8.0～8.3.（2）青草沙水库取水口氨氮浓度较低，整体在0.15mg/L以下，硝酸盐氮浓度为1.2～2.0mg/L，总磷浓度为0.1～0.2mg/L，高锰酸盐指数浓度整体为2.0～4.0mg/L，且这4项指标均从2015年开始呈下降趋势，表明来水水质进一步变好.（3）水温、溶解氧、pH值存在明显的四季变化;受海水入侵影响，总硬度、永久硬度、电导率和氯化物这4个指标变化趋势大体一致，且在大通流量相对较低的冬季变化幅度明显高于夏季;其余指标随四季变化的差异不明显.（4）总磷浓度、高锰酸盐指数浓度随着浊度的升高而升高;总磷浓度、硝酸盐氮浓度随着大通流量增加而呈现下降趋势.。
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５４
暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１３年第４３卷第８期
长江水质对水源热泵换热铜管影响的实验研究
南京丰盛新能源科技股份有限公司 罗 磊☆ 马宏权摘要
以南京市鼓楼国际服务外包产业园江水源热泵区域供冷供热项目为对象，搭建了
测试平台，针对波纹铜管和光管两种换热铜管进行了模拟实际运行，并进行了相关换热测试。对测试数据进行了处理和分析，结果表明，光管的污垢热阻平均值仅为高效管的５７％
，但是即
使考虑污垢热阻的影响，在实验末期，高效管的换热能力仍然比光管要高出约３０％～３５％
。
关键词 江水源热泵 换热试验 换热管 水质 污垢热阻
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ ｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙ ｏｎ ｗａｔｅｒ－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｔｕｂｅ
Ｂｙ Ｌｕｏ Ｌｅｉ★ａｎｄ Ｍａ ＨｏｎｇｑｕａｎＡｂｓｔｒａｃｔ Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｔｅｓｔ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｆｏｒ ｒｉｖｅｒ－ｗａｔｅｒ－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｇｕｌｏｕ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｏｕｔｓｏｕｒｃｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐａｒｋ，ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅｄ ａｎｄ ｂａｒｅ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅｓ ａｎｄ ｔｅｓｔｓ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｆｏｕｌｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｂａｒｅ ｃｏｐｐｅｒ ｔｕｂｅ ｉｓ ５７％ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｔｕｂｅ，ｂｕｔ ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｔｕｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｆｏｕｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ３０％ｔｏ ５０％ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｂａｒｅ ｔｕｂｅａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｒｉｖｅｒ－ｗａｔｅｒ－ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ，ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｕｂｅ，ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ
，
ｆｏｕｌｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
★Ｎａｎｊｉｎｇ ＦｕｌｌＳｈａｒｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ①０
引言
随着水源热泵技术的快速发展，大规模地集中利用地表水源进行区域供冷供热越来越普遍。发展水源热泵技术的关键在于热泵机组换热器的选择以及水质对换热器换热效果的影响。如果采用板式换热器二次换热，将增加换热温差，导致系统效率降低，在冬季还将减少可利用热量；而如果采用地表水直接进入热泵机组，则受到地表水对换热铜管造成的结垢、腐蚀、磨损等的影响。本文以南京市鼓楼国际服务外包产业园江水源热泵区域供冷供热项目为基础，对长江南京段的水质进行了分析调查，并搭建了测试平台，研究了江水在光管及高效管内长期运行的结垢、磨损、腐蚀情况以及污垢对换热的影响。南京鼓楼国际服务外包产业园区位于南京河西新城区北部，总占地面积１１９万ｍ２
，规划总建筑
面积２３１．７１万ｍ２
，建筑功能主要为软件业研发办
公楼，是南京市河西规划区内的重要产业研发园项目。项目设计采用江水源热泵＋冰蓄冷＋区域供冷供热方案。一期设计冷负荷９０ＭＷ
，设计热负
荷４３ＭＷ
。
１
水源概况
项目采用长江南京夹江段江水作为空调冷热源，为分析其水质对热泵机组换热器运行性能的影响以及需要采取的措施，对当地的水质情况进行了调研。表１列出了２００７年《水资源论证报告》中城南水厂水质主要污染物监测资料以及从项目取水段下游５００ｍ处北河口水厂的实测数据，并将采用地表水的水源热泵机组推荐的水质要求作了对比。
①☆罗磊，男，１９８２年２月生，硕士研究生，工程师
２１００１２南京市雨花台区软件大道１８８号（０）１３９０５１５１４８７
Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｃｉｌｕｏ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１２－０９－２９
修回日期：２０１２－１１－２６２０１３（８）罗
磊，等：长江水质对水源热泵换热铜管影响的实验研究
５５
表１ 长江水水质与水源热泵机组推荐的水质要求比较参数当地江水数值ＧＢ ５００１９
—
２００３
推荐值
ｐＨ值７．３２～７．９８ ６．５～８．５总硬度／（ｍｇ／Ｌ）（以ＣａＣＯ３计）１０５～１４７＜３５７
总碱度／（ｍｇ／Ｌ）６０～１０８
溶解氧／（ｍｇ／Ｌ）７～９
矿化度／（ｇ／Ｌ）
＜１．３０＜３
Ｃｌ－质量浓度／（ｍｇ／Ｌ）１３＜１００
ＳＯ２－４质量浓度／（ｍｇ／Ｌ）３６＜２００Ｆｅ２＋质量浓度／（ｍｇ／Ｌ）０．０３７＜１
总固体质量浓度／（ｍｇ／Ｌ）２１５
含砂量／（ｍｇ／Ｌ）１７９（平均）１０
从表１可以看出，项目段江水除了含砂量外其
他水质条件均达到了直接利用的要求，而含砂量过高，容易造成换热器铜管结垢，严重影响换热效率，并增加铜管磨损，缩短使用寿命。２
实验系统及原理
２．１
实验系统
实验系统原理如图１所示，设备主体为由数个换热铜管（内管）及镀锌钢管（外管）组成的套管式换
图１ 实验原理图热器，换热铜管分别为光管和内壁有螺旋槽的高效波纹管，以分析江水对不同形式换热管的影响。为模拟水源热泵长期实际运行时水源侧换热铜管内的运行情况，利用项目地点附近的取水泵站引出一股长江水经过粗效过滤后，以一定流速分别进入高效管和光管，换热后直接排出。实验为长期实验，通过保持换热铜管内长时间持续通过江水模拟江水源热泵长期运行时换热铜管内情况，采用间隔时间进行换热量测试，分析污垢热阻变化及其对换热的影响。４根换热铜管（２根高效管、２根光管）均采用外径１９ｍｍ
、壁厚１．１３ｍｍ、内径１６．７４ｍｍ、有效
换热长度２ ０００ｍｍ
、套管管径ＤＮ３２的镀锌钢管
（见图２）。套管内的循环水采用自来水，电加热器
根据测得的江水入口温度控制加热量，维持循环水与江水之间的传热温差，用于计算并比较不同时段铜管换热量的变化，分析热阻的大小。在换热管和循环水进出口布置测温点，使用Ｐｔ１００铂电阻测量温度，其允许误差为±
（０．１５℃＋０．００２｜ｔ｜）（
ｔ为
实测温度值），采用８路温度巡检仪巡检显示；流量测量采用涡轮流量计，量程范围１～１０ｍ３／ｈ
，精度
０．５％。套管循环水侧的加热由一套恒温电加热装
置负责，该装置将变频水泵、电加热器、自控装置、数据采集设备等集成在一起，可精确获得所需要的循环水量和水温，并能采集储存必要的实验数据。
图２ 测试仪器实物图２．２
计算方法与思路
２．２．１
换热器换热量
即单位时间内循环水通过换热铜管传递给江水的热量Ｑ
，可由牛顿冷却公式求得。
Ｑ＝ρｑｖｃｐ（ｔｆｏ－ｔｆｉ
）（１）
Ｑ′＝ρｑｖｃｐ（ｔ′ｆｏ－ｔ′ｆｉ
）（２）
式（１），（２）中 Ｑ为清洁状态下换热器的换热量，Ｗ；ρ为江水密度，ｋｇ／ｍ３；ｑｖ为江水流量，ｍ３／ｓ；ｃ
ｐ
为江水的比定压热容，ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）；ｔｆｏ为江水出口
水温，℃；ｔｆｉ为江水入口水温，℃；上标“′”
表示结垢
状态。２．２．２
换热器传热系数
Ｋ＝
Ｑ
ＡΔｔｍ
（３）
Ｋ′＝
Ｑ′
ＡΔｔ′ｍ
（４）
Ａ＝πｄｏＬ（５）Δｔｍ＝（ｔｗｉ－ｔｆｉ）－（ｔｗｏ－ｔｆｏ）
ｌｎｔｗｉ－ｔｆｉ
ｔｗｏ－ｔｆｏ
（６）
Δｔ′ｍ＝（ｔｗｉ－ｔ′ｆｉ）－（ｔｗｏ－ｔ′ｆｏ）ｌｎｔｗｉ－ｔ′ｆｉ
ｔｗｏ－ｔ′ｆｏ
（７）
式（３）～（７）
中 Ｋ为清洁状态下换热器的传热系
数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；Ａ为换热器传热面积，ｍ２；
Ｋ′为
结垢状态下换热器的传热系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；
Δｔ
ｍ
为清洁状态下的对数平均温差，℃；ｔｗｉ为循环水进
口温度，℃；ｔｗｏ为循环水出口温度，℃；Δｔ′ｍ为结垢状态下的对数平均温差，℃；ｄｏ为换热铜管内径，ｍ；Ｌ为换热铜管有效换热长度，ｍ。