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煤炭、建材、水泥、电力等行业可排放大量的粉尘颗粒物，对人们的健康与生活环境造成巨大风险，因此，粉尘颗粒物的收集具有重要的现实意义[1]。滤筒除尘器以其除尘效率高、过滤面积大、阻力小、价格低、占地面积小等优点而被广泛运用于除尘领域[2]。除尘器的技术关键在于滤筒清灰，清灰的好坏直接影响着除尘器的长期稳定运行[3-4]。目前，应用最广泛的清灰技术是脉冲喷吹[5]。但是，传统的脉冲喷吹容易造成滤筒上部压力小而清灰失效，及底部压力过大而滤料破损[6-7]。
国内外学者针对脉冲喷吹压力、喷吹时间、喷吹高度和喷吹管直径等众多因素对滤筒脉冲清灰进行了研究[8-13]。在滤筒结构优化方面，LI等[14]在滤筒内部安装圆锥体，通过实验证明了其有利于增加滤筒侧壁压力且清灰均匀性得到改善。杨燕霞等[2]通过对金锥滤筒(滤筒内设置锥形过滤面)脉冲清灰性能的研究，揭示了金锥对脉冲清灰性能的影响机制。张亚蕊等[15]通过对内置锥形体滤筒的数值模拟，将普通滤筒和内置锥形体滤筒的速度云图、压力云图进行对比，得出了内置锥形滤筒的清灰效果会有明显改善的结论。QIU等[16]通过建立褶式金锥滤筒的数值模型，探究了内锥高度对脉喷性能的影响，结果表明，随着内锥高度的增加，滤筒脉喷的均匀性得到改善。
在脉冲喷嘴改进方面，胡峰源等[17]利用数值模拟方法对比了传统喷嘴和拉瓦尔型喷嘴的清灰性能，结果表明，拉瓦尔型喷嘴的平均侧壁压力峰值增大了53.2%。胥海伦等[18]利用数值模拟对比了不同开口形式的散射器的流场分布，结果表明，随着散射器开口增大，气流诱导量也会随之增大(开口散射器上部直径为30 mm时，诱导气流量是无散射器的8.5倍)。刘东等[19]利用实验对比了不同锥度上部开口散射器的清灰性能，结果表明，在一定范围内，锥度的增大能有效增大滤筒清灰强度。虽然单独对滤筒或喷嘴结构的研究都已完善，但对喷嘴和滤筒共同优化的研究鲜有报道。
本研究将普通喷嘴、文丘里喷嘴分别与普通滤筒、金锥滤筒组合，通过数值模拟，研究了4种条件下喷吹压力的时空分布，分析了滤筒内壁测点压力的变化规律，考察了喷吹高度对清灰性能的影响，以期对滤筒除尘器的优化设计提供参考。
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模拟时，参照了图1(a)所示的脉冲喷吹除尘系统，其中除尘器箱体的长、宽、高分别为 1 225、750、1 550 mm，滤筒(无纺布长绒棉涤纶材质)竖直安装在除尘器内部，喷嘴位于滤筒的正上方。金锥滤筒如图1(b)所示，是在普通滤筒(外形长度660 mm，直径240 mm，滤料厚度0.6 mm)的内部增加锥形过滤面，其直径为200 mm，顶部设有金属锥体，锥体高度为40 mm、底部直径为65 mm。文丘里喷嘴如图1(c)所示，是在普通喷嘴(直径25 mm)的基础上增加了诱导口，诱导口顶部距离普通喷嘴7 mm，上部为带有12 mm边沿的中空圆台，其顶部直径、底部直径、高度分别为51、35、10 mm，下部同样为中空圆台，其顶部直径、底部直径、高度分别为35、52、60 mm，中间由35 mm高的中空圆柱体连接。脉冲喷吹使用20 L的气包，初始压力为0.5 MPa，喷吹时长为0.15 s。压力测点布设在滤筒内壁中部，所用传感器为压电陶瓷高频动态压力传感器MYD-1530A(
ϕ7mm×17mm )。 -
为节省计算量，将中心轴对称结构的滤筒简化为二维，同时，将矩形截面的箱体简化为圆柱形箱体，并保持各部位截面积不变。通过计算可知，简化的圆柱形箱体的截面半径为541 mm。为满足对喷吹高度的研究，将模型中箱体的高度增加到2 050 mm。简化后的二维模型如图2所示。
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模拟边界条件如下：将除尘器的顶面和底面设置为压力出口，壁面设置成标准无滑移边界，喷嘴设置为压力入口，滤筒的滤料层设置为多孔介质区。模拟涉及的流体看作为可压缩、非稳态、等温的湍流，选用Realizable k-ε湍流模型和压力-速度耦合算法。喷吹过程中未考虑粉尘的存在和滤筒的形变。
入口压力通过实验获取，实验时，在喷嘴出口下方10 mm处设置高频压力传感器(测试后移走)，传感器可测得喷嘴处喷出气流的压力值，随后可将其与时间的变化曲线进行分段拟合，并得到喷嘴出口压力随时间变化的曲线。按照上述方法，通过更换喷嘴，可分别测试得到普通喷嘴和文丘里喷嘴的出口压力随时间的变化曲线，分别为式(1)和式(2)。
式中：pc为普通喷嘴的出口压力，kPa；pd为文丘里喷嘴的出口压力，kPa；t为时间，s。
将式(1)和式(2)以UDF的形式分别导入普通喷嘴和文丘里喷嘴的模拟中，时间步长设置为0.000 5 s。
由脉冲袋式除尘器手册[1]可知，喷吹气量与过滤面积成正比。由于普通滤筒和金锥滤筒的过滤面积存在差异，故2种条件下的喷嘴出口压力也应该存在系数差，计算过程如下。
通过式(3)和脉冲喷吹前后气包内的绝对压力，可计算得到喷吹实际耗气量[20]。
式中: Qp 为在脉冲时间 t 内喷吹气量，m3·次−1；p0、p1为喷吹前后气包内的绝对压力，MPa；pa为当地的标准大气压力，取 0.099 91 MPa；V 为气包容积，20×10−3 m3；k为绝热指数，空气取k=1.4。
由实验测试结果可知，普通喷嘴条件下，初始气包压力为0.50 MPa，喷吹剩余压力为0.32 MPa，喷嘴出口最大压力为95.31 kPa。而金锥滤筒的过滤面积为普通滤筒的1.62倍，可求得金锥滤筒的初始气包压力应为0.72 MPa，对应的喷嘴出口压力峰值为171.21 kPa，即金锥滤筒对应的喷嘴出口压力应为同等条件下普通滤筒的1.80倍。
过滤材料区域(多孔介质层)的计算通过在标准流体方程上附加动力源
Δp 来实现，该动力源由黏性损失项和惯性损失项组成，计算方法见式(4)。式中：
Δp 为压力；μ 为层流黏度；α 为渗透率；C2为压强跃升系数；v为法向加速度；Δh 为介质厚度；ρ 为空气密度。另外，根据已有研究[21]，可用达西公式表示有限厚度的多孔介质的黏性损失项，而对于多孔介质内部速度较低的流动，其惯性损失项可忽略。经实验测试与计算，所用滤料的厚度为0.6 mm，在过滤风速为0.5 m·min−1时压降为17.9 Pa，故其黏性损失系数
1/α 为2.0×1011 m−2。 -
网格划分采用结构化网格，划分后网格节点总数为24.14×103 个、元素23.74×103 个，划分结果如图3所示。为了验证网格的独立性，对网格进行了加密处理，加密后的网格节点总数为33.34×103 个、元素32.84×103 个。
在气包初始压力为0.5 MPa、脉冲宽度为0.15 s、喷吹高度为250 mm、普通喷嘴和普通滤筒组合的条件下，滤筒内壁中间测点压力的模拟结果如图4所示。对比网格加密前后滤筒内壁中间测点压力值的变化情况，发现网格加密前后压力的模拟值基本吻合。由此可知，加密前的网格已经符合网格独立性的要求，因此，本研究采用加密前的结构化网格。
为进一步研究喷吹高度的影响，对除尘器的净化室进行了加高，并将除尘器的实际出入口简化为箱体顶面和底面。模拟结果表明，增加净化室高度前后以及出入口简化前后的模拟结果基本一致，可认为增加的净化室高度以及除尘器出入口的简化对所关注的滤筒内部气流的影响可以忽略。
由图4中模拟值与实验值的对比结果可知，二者的变化趋势整体吻合，压力均值基本相同，主要的不同是模拟的数值波动弱于实验值。这可能是模拟过程中并未考虑滤筒侧壁区域的流固耦合，而实际脉冲喷吹过程中筒壁会在脉冲喷吹的冲击波作用下发生振动，并由此引起传感器运动，导致测试数据的波动。
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图5为模拟得到的喷吹高度为250 mm时，滤筒在脉冲喷吹过程中的静压力变化及流场流线变化。
在普通喷嘴和普通滤筒的组合(图5(a))的情况下，气流从喷嘴处喷出，产生卷吸作用，诱导周围气流进入滤筒。随后，高速的气流撞击到普通滤筒的底部，静压从底部开始往上蓄积，使得滤筒底部静压较大而顶部较小。在约0.04 s时，滤筒内压力达到最大并维持一段时间；在0.155 s之后，滤筒内部压力逐渐下降。滤筒顶部常常喷吹压力过小，甚至出现负压，造成清灰不足。
与普通喷嘴和普通滤筒的组合情况相比，文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下(图5(b))，虽然滤筒内压力蓄积的过程基本相同，但滤筒内蓄积的压力更大，上部清灰不足的区域更小，且滤筒内压力在约0.08 s时达到稳定，约0.170 s时开始降低。
本研究进一步对比了4种组合(普通喷嘴和普通滤筒、文丘里喷嘴和普通滤筒、普通喷嘴和金锥滤筒、文丘里喷嘴和金锥滤筒)达到稳定状态时，除尘器内的静压力云图和流线图(图6)。图7为在初始条件下，4种组合对应的滤筒内部的质量流量随时间变化的曲线。
由脉冲喷吹过程中普通滤筒和金锥滤筒内压力和流线变化(图6(a)和(c)或图6(b)和(d))的对比结果可知，金锥滤筒内喷吹压力的蓄积效果更好，清灰不足的区域更小。造成这种现象的主要原因：与普通滤筒相比，金锥滤筒的过滤面积更大而内部空间更小，因而单位滤筒空间进入的喷吹气流更多，产生的气流压能更强。
由普通喷嘴和文丘里喷嘴的压力云图和流线图(图6(a)和(b)或图6(c)和(d))的对比结果可知，无论是在普通滤筒还是在金锥滤筒的条件下，文丘里喷嘴产生的喷吹压力都要强于普通喷嘴。由对应滤筒内部的质量流量变化(图7)可知，文丘里喷嘴通过诱导口诱导周围二次气流，可增加滤筒内部的喷吹气量。此外，文丘里喷嘴的缩扩结构能够加速喷吹气流，并且能够阻碍从喷嘴处喷出的气流的扩散作用，减少动能的耗散。在普通滤筒条件下，扩散后的气流在喷嘴下方收缩并产生局部漩涡，因而消耗较多气流能量；而在金锥滤筒条件下，由于金锥的导流作用，扩散后的喷吹气流能直接进入滤筒内部而存在较少的局部漩涡，气流阻力相对更小。
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为进一步比较4种情况下滤筒内的压力分布，分别选取滤筒内部距离滤筒上沿110、220、330、440和550 mm的5个点(图5)，并绘制各测点的侧壁压力随时间的变化图(图8)。
在普通喷嘴条件下(图8(a)和图8(b))，滤筒内的压力分布均在约0.040 s时达到峰值，且持续一段时间后，在约0.155 s时开始降低；而在文丘里喷嘴条件下(图8(c)和图8(d))，滤筒内的压力分布到0.080 s才能达到最大值，并持续到0.170 s时开始减弱，这种压力随时间的变化趋势与第2.2节所述的一致。
4种组合均为P3~P5测点压力相近且最大，P2测点次之，P1测点压力最小。在普通喷嘴和普通滤筒组合条件下，P3~P5测点压力峰值为1 525~1 695 Pa，P2为949 Pa，P1为381 Pa；文丘里喷嘴和金锥滤筒组合时，P3~P5测点压力为2 465~2 812 Pa，P2为1 882 Pa，P1为588 Pa。由普通滤筒条件下各测点的压力分布可知，使用文丘里喷嘴时，滤筒内中下部的压力峰值显著上升，而上部压力峰值不及普通喷嘴。
由普通喷嘴条件下各测点的压力分布可知，金锥滤筒对所有测点的压力峰值均具有加强作用。在文丘里喷嘴与金锥滤筒组合及普通喷嘴与普通滤筒组合条件下，由各测点的压力分布可知，文丘里喷嘴与金锥滤筒组合条件下，各测点的压力峰值均会得到明显提升，其中P2点的提升尤为显著，提升了1.98倍。
综上可知，文丘里喷嘴可以加强滤筒内中、下部的压力，并且在与金锥滤筒的组合条件下，也能提高上部的喷吹压力，即文丘里喷嘴和金锥滤筒能够协同优化脉冲喷吹的性能。
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为进一步研究文丘里喷嘴和金锥滤筒的协同作用，分析了喷吹性能随喷吹高度的变化(图9)。
喷吹性能常用喷吹强度和变异系数来描述。喷吹强度是指滤筒内各测点正压力峰值的平均值，其值与喷吹强度成正比；变异系数是描述滤筒内压力分布的均匀性指标，用标准差和平均值的比值来表示，变异系数越小，滤筒内压力分布的均匀性越好[22-23]。
由图9可知，4种组合均表现为，喷吹强度随喷吹高度的增大先增大后减小，并在喷吹高度为550 mm时达到最大值。由文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下各高度的质量流量(图10)可知，这主要是由不同高度下喷嘴诱导气流流量发生变化所导致的。从文丘里喷嘴喷出的气流会在压差的作用下诱导周围空气，高度的改变造成周围流量的变化，进而改变了滤筒内气流的质量流量；并且，脉冲气流的诱导作用存在最大值，在高度超过550 mm时，周围气流并不能被全部诱导，因此造成质量流量的下降。
随着喷吹高度的增大，变异系数逐渐变小，即滤筒内压力分布的均匀性越来越好。这主要是由于，喷吹过程中，从喷嘴喷出的气流会以一定的角度扩散，使得喷吹气流的横截面不断变大。喷吹高度的增加，使到达滤筒顶部的气流的截面积变大，增强了上部清灰效果，从而造成了均匀性的改善。
由普通喷嘴和文丘里喷嘴(图9(a)和(b)或图9(c)和(d))条件下喷吹性能的对比结果可知，在普通滤筒和金锥滤筒条件下，文丘里喷嘴的喷吹强度的平均值是普通喷嘴的1.32和1.17倍，文丘里喷嘴的变异系数的平均值是普通喷嘴的1.20和0.97倍。虽然文丘里喷嘴的喷吹强度要优于普通喷嘴，但变异系数(尤其是喷吹高度较小时)要大于普通喷嘴，即滤筒内的压力分布不如普通喷嘴均匀。
由普通滤筒和金锥滤筒(图9(a)和(c)或图9(b)和(d))条件下喷吹性能的对比结果可知，在普通喷嘴和文丘里喷嘴条件下，金锥滤筒的喷吹强度是普通滤筒的1.39和1.23倍，金锥滤筒的变异系数是普通滤筒的0.74和0.60倍。金锥滤筒条件下不仅喷吹强度得到提升，相较于普通滤筒，金锥滤筒的变异系数也要更小。这说明，金锥滤筒对进入滤筒的气流具有导流作用，可以使其更加均匀，这与第2.3节中的论述一致。
将文丘里喷嘴和金锥滤筒组合(图9(d))条件下的喷吹性能分别与文丘里喷嘴和普通滤筒(图9(b))以及普通喷嘴和金锥滤筒(图9(c))相对比，可以发现，在喷吹强度上，文丘里喷嘴和金锥滤筒组合分别是文丘里喷嘴和普通滤筒以及普通喷嘴和金锥滤筒的1.23和1.17倍，变异系数分别是0.60和0.97倍。文丘里喷嘴和金锥滤筒的组合无论是在喷吹强度，还是在压力分布的均匀性上，都是最好的。这说明，两者的组合具有协同作用，可以优化脉冲喷吹性能。
综合分析可知，文丘里喷嘴主要有利于提升喷吹强度，金锥滤筒主要改善喷吹气流的均匀性，文丘里喷嘴和金锥滤筒的组合则同时提高喷吹强度和喷吹均匀性。并且，在所研究的喷吹高度范围内，相比于同高度的普通喷嘴和普通滤筒组合，文丘里喷嘴和金锥滤筒组合在喷吹高度为150~350 mm时喷吹强度提升最显著，在350~550 mm时喷吹均匀性改善效果最好。为此，建议在文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下采用喷吹高度350 mm以获得最佳喷吹性能，此时其喷吹强度为2 501.27 Pa，变异系数为0.19，分别是普通喷嘴和普通滤筒组合时的1.73倍和0.51倍。
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1)在普通喷嘴与普通滤筒、文丘里喷嘴与普通滤筒、普通喷嘴与金锥滤筒及文丘里喷嘴与金锥滤筒4种组合中，脉冲喷吹气流均为自底部向上蓄积，滤筒内侧壁压力分布均表现为底部压力大而上部压力小的趋势。
2)与普通喷嘴相比，文丘里喷嘴主要通过增强气流的卷吸作用、加大进入滤筒内的喷吹气量，进而提高喷吹强度；与普通滤筒相比，金锥滤筒内的金锥主要通过对喷吹气流进行导流、改善滤筒内流场分布，进而提高喷吹均匀性；文丘里喷嘴和金锥滤筒可实现组合式优化喷吹性能。
3)文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下，在喷吹高度为150~350 mm时喷吹强度最佳，而喷吹均匀性在喷吹高度为350~550 mm时最好。因此，建议文丘里喷嘴和金锥滤筒组合时采用喷吹高度350 mm以实现最佳喷吹性能。
文丘里喷嘴改进金锥滤筒脉喷清灰性能的数值模拟
Numerical simulation of the performance of pulse jet dust cleaning of venturi nozzle improved golden cone filter
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摘要: 针对除尘滤筒脉冲反吹清灰均匀性差、强度不足的缺点，构建了脉冲喷吹滤筒除尘器CFD数值模型，考察了文丘里喷嘴和金锥滤筒组合条件下的清灰性能。结果表明，无论是文丘里喷嘴还是金锥滤筒的使用或二者组合使用，滤筒内喷吹压力均为底部大而上部小；文丘里喷嘴和金锥滤筒可单独或组合式优化喷吹性能；在喷吹高度为150~550 mm时，喷吹强度和均匀性整体上随喷吹高度的增大而逐渐增强，当喷吹高度为350 mm时，文丘里喷嘴和金锥滤筒组合使用的优化效果最佳，喷吹强度和均匀性分别提高了1.72和1.96倍。本研究结果可为脉喷清灰滤筒除尘器的优化提供参考。Abstract: The pulse injection of the traditional dust collector has the disadvantages of poor uniformity and insufficient strength. In this study, a CFD model of the pulse-jet filter cartridge was constructed. The dust removal performance under the combined conditions of venturi nozzle and golden cone filter cartridge was investigated. The result showed that, for venturi nozzle, golden cone filter cartridge or their combination, the pressure in the filter cartridge was large at the bottom and small at the top. Venturi nozzle, golden cone filter could or their combination could optimize the injection performance. When the blowing distance was 150~550 mm, both the pulse-jet intensity and uniformity totally increased with the blowing distance. When the blowing distance was 350 mm, the best pulse-jet performance occurred with the combination of venturi nozzle and golden cone filter cartridge, the pulse-jet intensity and uniformity increased by 1.72 and 1.96 times, respectively. The research can provide a reference for the optimization of the pulse-jet dust collector.
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Key words:
- dust collector /
- pulse-jet /
- dust removal performance /
- venturi nozzle /
- gold cone filter /
- numerical simulation
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水库具有养殖、航运、灌溉、防洪和供水等多种生态功能，是我国重要的地表水源[1]。相比于江河，水库流速缓慢、水面宽阔、水体较深，库内水体更替缓慢，各种有机物、营养盐等物质易于在库区富集，进而引起水华季节性爆发等问题[2]。根据平均水深可将水库湖泊分为三类：浅水型 (<10 m) 、亚深水型 (10~50 m) 和深水型水库 (>50 m) 。水库环境和生态系统受水深影响显著，其中深水型水库在夏秋季节更容易出现垂直热分层现象，从而抑制热量、氮磷营养盐及溶解氧的纵向输移，影响水质及藻类群落的分布[3-4]。另外，由于水库本底营养盐水平较高，库底沉积物中的氮磷营养物质易于在夏季释放至水体中，从而造成深水型水库水华现象频发。罗婧等[5]对红枫湖沉积物磷释放通量的估算后发现，磷在夏季的释放通量达到6.3~8.0 t，约占水体磷物质总量的22%~28%。曾明正等[6]对我国北方地区周村水库进行研究后发现，水体分层期处于4—11月，此时优势藻属由绿藻门 (45.9%) 变化为硅藻门 (58.4%) ；混合期为12月至来年3月。因此，深水型水库分层现象导致的水质因子变化是影响藻类群落演替与爆发的主要因素，明晰水库垂向分布水质因子和藻类群落变化规律有助于防范和治理水库“藻华”现象的发生。
近年来，国内相关深水型水库藻类爆发问题频发，对水库生态环境造成严重影响[7-8]。东圳水库位于莆田市，核准水位为88.1 m，总库容为4.35
×108 本研究以2019年12月至2020年6月间东圳水库水质和藻类群落监测数据为基础，探究水库不同时期环境因子和藻类群落的垂向分布特征，通过RDA分析(redundancy analysis, RDA)明确二者之间的相互作用。根据不同季节环境因子与藻类群落垂向变化的分布热图，进一步探讨环境因子变化造成水库藻类爆发的关联机制，并提出防范水库“水华”的相关措施，以期为该水库“水华”现象的精准防控提供参考。
1. 材料与方法
1.1 研究区域
根据东圳水库面积大小、形态特点及项目研究需要，结合实地考察，确定布设水环境采样点S1 (118°58’37”N, 25°29’2”E) 为分层采集样品点位。自水面至水底均匀分为3层，分别取采集表层 (水下0.5 m) 、中层 (水下10 m) 、深层 (水下20 m) 的样品。
1.2 样品采集
据《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ493-2009)相关规范，采取瞬时水样，每层采水样3 L，装入有编码的样品袋，4 ℃冷藏保存带回实验室。水深、水温、溶解氧 (dissolved oxygen，DO)、pH现场检测记录，总氮 (total nitrogen，TN) 、总磷 (total phosphorus，TP) 、化学需氧量 (chemical oxygen demand，CODMn) 等指标带回实验室监测分析。
1.3 水质参数测定
水质分析方法参照《水和废水监测分析方法》 (国家环境保护总局编委会，2002) 。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 (HJ 636-2012) 测定；TP采用钼酸铵分光光度法 (GB 11893-89) 测定；CODMn采用高锰酸盐指数的测定方法 (GB 11892-89) 测定；叶绿素a (Chlorophyll a，Chl-a) 采用丙酮法 (SL 88-2012) 测定。
1.4 浮游藻类鉴定及计数
取混匀水样50 mL，加入5%甲醛溶液固定保存样品，依据《中国淡水生物图谱》、《中国淡水藻志》和《中国淡水藻类—系统、分类及生态》进行藻类种类鉴定。浮游植物定量检测时，吸取0.1 mL置于0.1 mL计数框内 (面积20 mm×20 mm) 进行计数，在10×40倍镜下选择3~5行逐行计数。若部分点位浮游植物数量很少，则全片计数。各样品均计数2片，取平均值。藻类数量计算见式 (1) 。
N=N0N1×V1V0×Pn (1) 式中：N为1 L水样中浮游植物的数量，个；N0为计数框总格数，个；N1为计数过的方格数，个；V1为1 L水样经浓缩后的体积，mL；
V0为 Pn 1.5 数据处理与分析
采用CANOCO 5.0对各项指标进行RDA分析，分析前利用蒙特卡罗检验排除贡献小的环境因子。采用Origin 2017中的数据拟合功能实现对水环境因子及藻类群落的垂向分布拟合。
2. 结果与讨论
2.1 水质变化分析
如表1所示，东圳水库水温随季节变化较大。12月、1月和3月水温平均值分别为 (16.33±0.21) ℃、 (13.77±0.15) ℃和 (16.97±0.23) ℃。此阶段属于水库混合期，水温垂向差异较小。4月—6月水温平均值分别为 (18.43±2.50) ℃、 (21.03±5.37) ℃和 (26.60±4.47) ℃。此阶段属于水库分层期，水温垂向差异较大。pH与水深呈负相关，表层水体呈弱碱性，而深层水体呈弱酸性；且分层期pH的降幅更为明显，6月份最为显著，表层、中层和深层pH分别为8.23、6.00和5.73。这是由于分层期表层水体光照充足，水温较高，导致藻类数量较多、活性较强，大量藻类的光合作用改变了水体中的碳酸盐平衡，导致pH较高[14]；而底层水体由于温度升高、DO较低，底部沉积物水解酸化加剧，导致深层水体pH远低于表层水体。溶解氧 (DO) 随深度增加不断降低，混合期 (12月—3月) DO随水深变化较弱，分层期 (4月—6月) 受水深影响显著，呈现表层浓度高，深层浓度低的规律。此现象与高锐等[15]对潘家口水库DO与温度呈正相关，且受热分层影响显著的研究结论一致。TN和TP垂向差异较小， TN在5月最低，平均质量浓度为 (0.21±0.08) mg·L−1；在6月最高，平均质量浓度为 (0.55±0.04) mg·L−1。TP为0.01~0.03 mg·L−1，深层水体TP略高于表层水体，这可能是由于厌氧条件下水库沉积物中磷物质的释放所致[16-17]。由此可见，东圳水库TP释放浓度较低，且季节性变化不明显，水库平均N/P达到32.4 (最低值为10，最高值为59) ，属于典型的磷限制型水库 (N/P>16)[18]。
表 1 东圳水库2020 年12月至2021年6 月期间水质参数变化特征Table 1. Variation characteristics of water quality parameters of Dongzhen Reservoir from Dec. 2020 to Jun. 2021垂直分布 月份 水温/ pH DO/ TN/ TDN/ NO3-N/ NH3-N/ TP/ CODMn/ Chl-a/( ℃ (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) Cells·L−1) 表层 0.5 m 12 16.50 7.01 7.26 0.41 0.39 0.26 0.37 0.01 2.68 3.61 1 13.60 5.32 7.88 0.30 0.26 0.27 0.03 0.01 2.63 6.97 3 17.10 6.85 8.94 0.27 0.26 0.25 0.06 0.01 4.38 3.22 4 20.90 7.99 9.45 0.34 0.23 0.31 0.04 0.01 3.12 7.59 5 27.00 9.15 9.24 0.14 0.13 0.07 0.05 0.03 4.57 12.08 6 31.30 8.23 8.4 0.52 0.38 0.44 0.03 0.01 4.62 5.82 中层10 m 12 16.40 6.96 7.1 0.47 0.36 0.23 0.31 0.02 2.87 3.00 1 13.80 5.08 7.94 0.30 0.28 0.24 0.02 0.01 2.73 6.97 3 17.10 6.95 8.92 0.27 0.22 0.23 0.07 0.01 4.3 1.95 4 18.50 7.25 7.09 0.40 0.14 0.35 0.08 0.01 2.85 2.65 5 19.50 6.80 2.57 0.20 0.18 0.17 0.09 0.02 4.06 6.62 6 26.10 6.00 4.3 0.54 0.41 0.43 0.05 0.01 4.59 11.10 深层20 m 12 16.10 7.03 7.61 0.39 0.38 0.31 0.03 0.01 2.78 4.80 1 13.90 5.12 7.76 0.29 0.20 0.22 0.02 0.01 2.25 7.12 3 16.70 6.90 6.73 0.30 0.33 0.27 0.02 0.01 4.96 1.92 4 15.90 6.82 2.81 0.47 0.25 0.45 0.14 0.02 2.85 3.42 5 16.60 6.70 1.97 0.29 0.23 0.18 0.15 0.01 4.11 1.76 6 22.40 5.73 4.17 0.59 0.36 0.25 0.30 0.01 4.65 6.00 | Show Table
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2.2 藻类群落结构的垂向分层与季节性变化
东圳水库藻类群落结构(属水平)随深度的分布规律如图1 所示。监测期内共检出浮游藻类7门39属，其中硅藻9属、蓝藻6属、绿藻16属、金藻和甲藻各2属、裸藻和隐藻各1属。水库全年浮游藻类群落结构主要以硅藻、蓝藻、绿藻和隐藻为主，且受到水深和季节变化的影响显著。硅藻和隐藻密度在1月份 (混合期) 深层水体达到最高；4月至6月期间，硅藻和隐藻主要集中于中层 (4~10 m) 水体。隐藻由于具有特殊的细胞膜和光合色素，其鞭毛可使其向水层中高营养盐浓度区域迁移以满足生长需求，因此在不同浓度营养盐环境中均能占优势[19-20]。此外，隐藻兼具自养和异养生长功能，高有机质的水体中利于其生长[21]。杨威等[22]对刘桥湖研究发现，秋季湖水透明度较低、营养盐含量较高及适宜的水温，为卵形隐藻的生长提供了条件。东圳水库隐藻门类也可能以卵形隐藻为主，且具有较高生物量。而绿藻因其趋光性较强以及更适宜于较高水温，浓度在6月达到最高，主要集中于表层-中层 (0~10 m) 水体。何少钦等[9]对东圳水库2019—2020年的藻类变化研究也发现，藻细胞浓度在6—8月份后相对处于较低水平。 进一步对藻类属水平的垂向分布可知，在表层水体， 12月和1月份尖头藻 (Raphidiopsis) 和直链藻 (Melosira) 的占比分别达到90.76%和88.26%；在3—4月，直链藻 (Melosira) 和隐藻 (Cryptophyta) 占比之和分别达到95.19%和92.6%；在5—6月，其他藻类占比显著增加，藻类多样性升高，以绿藻和蓝藻为主。中层 (10 m) 水体优势藻类与表层水体大致类似，但藻细胞浓度有所下降，其中针杆藻 (Synedra acus) 和曲壳藻 (Achnanthes) 占比有所升高。深层水体藻类密度和多样性进一步降低，优势藻类仍以直链藻 (Melosira) 、针杆藻 (Synedra acus) 、尖头藻 (Raphidiopsis)、细鞘丝藻 (Lyngbya) 和隐藻 (Cryptophyta) 为主。其中在温度较低的12~1月，直链藻 (Melosira) 、尖头藻 (Raphidiopsis) 之和的占比仍达到94.70%和88.78%；3—5月份主要以直链藻为主，占比分别达到94.21%、97.66%和52.99%；而6月份则又以尖头藻 (Raphidiopsis) 为主，占比达到91.79%。在20 m深的水库水体，直链藻为优势藻类。该藻属于典型硅藻门，常作为优势藻类在我国深水库源中被检测到[23-24]。参照优势藻类分布与水体营养盐判定[25]，东圳水库水体呈现“富营养”状态。
图 1 东圳水库不同时期藻类群落垂向分布 (占比大于1%)Figure 1. Vertical distribution of algae communities in Dongzhen Reservoir at different periods (proportion > 1%)2.3 不同深度藻类与水质因子偶联关系分析
采用RDA分析研究藻类群落与不同水质指标之间的偶联关系。图2 (a) 为藻类群落与环境因子的整体RDA分析结果，其中RDA1占比达到43.54%，RDA2占比达到24.18%，较好地解释了数据总差异。整体来看，水温、DO、pH、TN等水质因子对甲藻、蓝藻、绿藻和裸藻门生长具有一定促进作用，但对硅藻和隐藻门群落影响较弱。水温和TN对藻类群落影响显著[26]，本研究中的绿藻、蓝藻和甲藻门也呈现相似规律，但隐藻和硅藻则与水温、pH、CODMn和TN呈较弱相关性或是负相关。这主要是由于硅藻门和隐藻门的特异性导致。这与甄卓[27]对东圳水库蓝藻群落结构及多样性研究中的RDA分析结果一致。在表层水体 (图2 (b) ) ，绿藻、蓝藻和甲藻门显著受到水温、TN、pH和CODMn的影响。其中，水温是最主要因素，硅藻、隐藻和裸藻则受DO影响较大。在中层水体 (图2 (c) ) ，绿藻门与水温呈现极其显著的相关性 (P<0.01) 。在深层水体 (图2 (d) ) ，蓝藻和绿藻门与环境因子相关性较差，甲藻和裸藻与水温、TN和CODMn相关性显著，隐藻和硅藻则与DO相关性较大。闫苗苗等[28]也发现，表层水体藻类群落与水温、DO、pH、浊度、TP、NH4+-N和Chl-a等多种水质指标因子有关，在水深6 m处的藻类群落主要受到TN、电导率和铁盐的影响。
图 2 水库不同水层藻类功能群组结构与环境因子的冗余分析Figure 2. Redundancy analysis of algae functional group structure and environmental factors in different water layers of reservoir图3表示不同时期水质因子与藻类群落的垂向交互影响。如图3 (a) 所示，水库在12月至次年3月的混合期垂向温度差异较小；而4—6月的分层期水温垂向最大温差可达7.9 oC。李衍庆等[29]在对陕西李家河水库的研究中也发现类似现象。水温是影响水库水质的重要因子，温度差异导致水体分层，影响营养盐扩散，同时也影响藻类同化作用、细胞酶活性和代谢速率，进而改变藻类群落生长和分布特征[30]。根据图3中不同门类藻的垂向分布变化可知，混合期硅藻门和隐藻门在深层水体的密度高于表层水体，绿藻门则呈现相反规律；在分层期，表层水体中硅藻、隐藻和绿藻门的生物量明显高于深层水体，且与水温呈显著正相关关系。如图3 (d) 所示，混合期DO同水温呈现相似规律，DO垂向差异较小；分层期DO的垂向分布差异显著。尤其在6月份，DO在0~1 m的区域较高，水深大于1 m的水体DO骤降。这主要是因为表层水体与空气接触密切，易于与外界交换补充溶解氧，而较深水域光照强度较弱，水体结构较稳定，DO沿水体垂向混合作用较弱。硅藻、绿藻、隐藻、蓝藻和裸藻在5—6月达到最高，且主要分布于2~8 m处。如图3 (k) 和图3 (d) 所示，甲藻数量主要在6月达到最高，且主要分布于水体0~2 m，其垂向分布与DO呈现一致性。
图 3 不同时期东圳水库典型水质因子与主要藻类群落的垂向分布及变化Figure 3. Changes of typical water quality factors and main algae communities in Dongzhen Reservoir in different periods图3还表明，混合期TN受水深影响较小，而分层期TN随着水深增加明显升高，水库在6月份表层、中层和深层TN浓度分别达到0.523、0.536和0.589 mg·L−1。这主要是因为分层期水库水温升高，但溶解氧的置换作用减弱，下层水体以酸性厌氧环境为主，有利于水库沉积物中氮物质的释放，导致下层总氮浓度偏高。另外，值得注意的是，3—6月水库TN整体呈现上升趋势，但在5月份时，表层、中层和深层的TN均骤降。曾明正等[6]在对周村水库水体季节性分层现象及其水质响应特性的研究中也发现类似现象。分析其原因是周村水库4—5月期间，浮游植物密度不断上升，TN持续下降。根据图3 (f) ，在3月、5月和6月， CODMn整体呈现上升趋势，并在6月达到最高。但在4月份时水库CODMn骤降，混合期CODMn远低于分层期，较TN骤降提前了一个月。这可能与藻类将水体中的NO3-N转化为NH4+-N才能利用有关[31]，NO3−-N被吸收转化为藻细胞内部氨基酸或含碳化合物的同时，伴随部分当量化合物和骨架碳等物质的消耗[32]。
图4表示监测期间水库中不同形态氮的转化比例。在12月份，表层、中层和深层水体NH4+-N的质量浓度分别为0.37、0.31和0.03 mg·L−1，明显高于其他月份，这可能与外源输入有关。在1—3月，TN不断升高；而在4—5月，TN整体下降，其中NO3−-N质量浓度明显下降，NH4+-N质量浓度却略有升高。NH4+-N质量浓度在表层、中层和深层水体分别上升20.0%、11.1%和6.7%，NO3−-N质量浓度分别下降77.4%、51.4%和60.0%。此现象与藻类生长爆发有关，5月份表层和中层水体叶绿素a质量浓度相对4月分别上升了37.2%和60.0%，深层水体叶绿素a质量浓度降低了94.3%。陈文煊等[33]在对富营养化藻类爆发过程中不同形态氮的利用研究中发现，随着微囊藻生物量的上升，NH4+-N质量浓度在前期呈现较大波动，后期缓慢上升；而NO3−-N质量浓度则在一开始就呈现不断降低的规律现象。这说明藻类主要利用NO3−-N，表层水体由于光照充足、DO高，NO3−-N被藻类的利用率也最高。
图 4 东圳水库2019年12月—2020年6月不同形态氮的转化Figure 4. Nitrogen transformation of Dongzhen Reservoir in different periods2.4 针对水质因子垂向分层与季节性变化的藻类防控措施
深水型水库随季节变迁具有明显的水体分层特征和水质时空差异性，影响东圳水库浮游植物群落分布的环境因子主要有光照、水温、DO、pH和氮素等。东圳水库藻类群落垂向分布及氮形态转化过程如图5所示。水库氮素污染由外源输入和内源释放为主，混合期主要为NH4 +-N输入过程，表层好氧环境下NH4 +-N转化为NO3−-N，向水库底部沉积。在分层期，表层仍以外源性氮输入为主，而深层水体沉积物发生氮的内源性释放，且随着条件变化NH4 +-N和NO3−-N形态间发生转化。如图5 (a) 所示，混合期优势藻类为硅藻和隐藻，且在垂向均匀分布。水温、光照等因子主要影响水体藻-菌联合体系对氨氮和硝态氮的吸收转化速率，进而影响藻类群落分布及变化规律[34]。如图5 (b) 所示，分层期由于水热分层现象的发生，表层水体受光照、水温和DO等物理因素与氮、磷和CODMn等化学因素的综合影响，外源输入的NH4+-N在好氧环境下发生硝化反应，转换为NO3−-N，因此藻细胞质量浓度达到最高，优势藻类以趋光性较强的绿藻门和蓝藻门为主。相关研究也表明[35]，水库春季多以低温、小型且高比表面积型的绿藻、硅藻和甲藻为主；而夏季多以高温、大型或团状且低比表面积型的蓝藻、绿藻和硅藻为主。深层水体由于水温升高，但DO较低，厌氧条件加剧底层沉积物水解酸化、氮磷释放，优势藻类以硅藻和隐藻为主，造成藻类群落演替的主要因素为氮、磷物质，其中氮形态仍以NO3−-N为主，但由于异化还原为铵 (dissimilatory nitrate reduction to ammonium, DNRA) 作用，NH4+-N占比升高，此现象在深层水体最为明显。根据2017年对东圳水库氮磷污染源的调查结果[36]，水库TP、NH4+-N和TN的外源性输入总量分别达到20.54、83.25和135.43 t，流域主要污染物为NH4+-N和TN，其中农业面源污染贡献总氮符合达到66.3%，农村生活污水贡献占比达到11.6%。相关学者对东圳水库2018年污染负荷的预测也发现，由农业面源导致流域内TP、NH4+-N和TN的污染负荷分别占入库总量的66.6%、65.4%和67. 9%，污染源以流域内分布的57.33 km2枇杷树为主，果园每平方千米年平均化肥施用量达307.5 t[37]。
图 5 东圳水库不同水深下的藻类群落分布及氮形态转化Figure 5. Distribution of Algae Community and Transformation of Nitrogen Species at Different Water Depths in Dongzhen Reservoir综上所述，东圳水库在时间上分为混合期和分层期2个阶段，水库主要受到来自农业面源的氮污染，季节变化使得水温、DO和光照等环境因子发生变化，导致氮的浓度和形态发生变化。尤其在夏季，库体水温和DO升高、光照增强，水库发生明显分层现象，由外界输入至表层的外源性氮素无法沉淀到底部，底部沉积物中的内源性氮发生释放，为藻类提供营养条件，属于水华风险易发期。水华治理可将水体水质因子与浮游植物生长策略相结合[38]。针对东圳水库水华防治方案见图6。具体措施有如下4点。1) 严控点源污染：通过现场水处理站对当地农业、工业等排放的点源性高浓度污染物集中处理后再排放，直接减少污染物向水库的直接输入。2) 降低农业面源污染输入[39]：通过对流入水库的水体进行前置处理可有效减轻水库水质污染，降低入库水体浊度，削减水库氮、磷输入量，是水库生态系统良性发展的重要措施。边博等[40]采用复合型前置库减少塘马水库污染物输入量时发现，系统滞水1天，入库水体氮、磷、COD平均削减率可分别达67.2%、68.2%及89.3%。3) 建设水力扰动设施：东圳水库属于深水型水库，夏季具有明显分层现象，水力扰动可有效破坏库体热分层结构、改善光照条件以及抑制深层水体氮磷营养盐的释放作用，从而改变藻类生境条件，降低水华现象的发生风险。目前该技术在天津于桥水库、西安黑河水库和太原汾河水库等水体的水华防治工程中见到显著效果[41-43]。4) 增设原位修复装置[44-45]：当发生水华时，可通过机械除藻、黏土除藻、控造船原位打捞等技术，实现水库水华的修复与治理。
3. 结论
1) 东圳水库共检出浮游藻类7门39属，其中硅藻9属、蓝藻6属、绿藻16属、金藻和甲藻各2属、裸藻和隐藻各1属。全年浮游藻类群落结构主要以硅藻、蓝藻、绿藻和隐藻为主。
2) 藻类群落垂向分布受不同水质指标影响，且呈显著差异性。表层水体藻类群落显著受水温、TN和CODMn影响。在中层水体，绿藻、蓝藻和甲藻门与水温和TN呈显著相关性，硅藻、隐藻和裸藻门与DO和pH值呈负相关性。在深层水体，蓝藻和绿藻门与环境因子相关性较差，甲藻和裸藻主要受水温、TN和CODMn的影响，DO是影响隐藻和硅藻的主要水质因子。
3) 水温、pH和溶解氧是影响氮形态转化的关键因子，进而影响藻类群落。分层期表层水体优势藻类以绿藻门和蓝藻门为主；深层水体由于厌氧条件以及水温升高等因素驱动沉积物中的氮释放及其形态转化，优势藻类以硅藻和隐藻为主。
4) 东圳水库氮磷污染物来源以农业输入为主，水华风险易发生于夏季分层期，垂向分布于0~10 m水体范围内。当地政府可通过严控点源污染、减少农业面源输入、建设水力扰动设施和增设原位修复装置等措施，全方位加强水库富营养化治理，防控东圳水库水华现象的发生。
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图 5 喷吹过程中除尘器内压力云图与流线图
Figure 5. Pressure contours and streamline in dust collector during pulse-jet
图 6 脉冲喷吹达到稳定时除尘器内的压力云图和流线图
Figure 6. Pressure contours and streamline in the dust collector when the pulse-jet was stable
图 8 脉冲喷吹过程中的测点压力随时间的变化
Figure 8. Change of pressure at measuring point with time during pulse-jet
图 9 4种情形下脉冲喷吹过程中的压力随喷吹高度的变化
Figure 9. Change of pressure with injection height in the pulse-jet process under four conditions
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