池塘和湖泊外文翻译资料

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十章 池塘和湖泊

10.1简介

池塘和湖泊是开放性水体的人造部分，他们由具有出水堰的简单水坝围墙组成或在自然水体水位以下开挖形成。这些水体的水深通常超过1.5米，而且尽管新系统进行立管出口设计时考虑到延长滞留和更长的水流暂时储存时间，水位仍有小的波动。水生植被对池塘和湖泊的水质处理具有重要的作用。尽管潜水植物可能在开放水区出现，因为水深的问题，大型水生植物通常仅限于边际。潜水植物对生物处理过程和水质的维护十分重要。他们为溶解性氮吸附提供了界面并且为能够捕食藻类植物的浮游动物提供食物和生存场所。动物呼吸和降解有机物消耗水中溶解氧，光合作用对维持水中溶解氧很重要。植物还可以帮助固定沉积物，减少再悬浮过程中氮营养盐的释放。池塘很少单独用于雨水处理，而是经常和人工湿地联用，用于排入开放水体的处理前池。多数情况下，这些池塘成为需要水质保护的观赏水体。

池塘和湖泊通常是洪水截留系统的一部分，并且它的设计要求通常和水流输送及减弱洪水的水力结构结合起来。本文献不包括这些内容而是只有和系统水质有关的设计要素。

多数情况下，观赏性池塘和湖泊的水质问题通常由差的进水水质，特别是高有机负荷和混合搅拌不足引起。详细的模型可以跟踪营养盐和藻类在有连续水流流入（有较长的停留时间）的水体中变化情况。常规情况下，湖泊的周转周期通常为20到50天（取决于水温），或者至少是这些时间的80%。如果周转时间不能满足，有必要采用一个湖泊处理计划来降低干旱季节的藻类膨胀风险。对大型水体的初步设计步骤包括人工湖泊、湿地前池和保持池塘水质的水循环的设计。需要更深入的调查来解决处理过的案例中遇到的问题，比如堤坝稳定和细节设计。这些将在处理案例中讨论。

设计步骤主要考虑了藻类爆发风险和这些系统的健康风险。有害绿藻可能比海藻水华发生的更频繁，这会影响系统的便利，特别是在住宅区。在任何水体设计、建设及交接过程中这些问题都有必要考虑。为了减少海藻的生长，在开放水体的计划和设计中还有一些另外的措施可以采用：

• 确保雨水的预处理能够防止大的峰值营养物进入系统。
• 潜水植物应该至少覆盖湖泊面积和体积的50%。建议覆盖的面积越大越好。
• 湖泊朝向应该和夏秋主导风一致来促进混合，边处理的设计应能防止水波的危害。

随着湖泊系统的老化，居民和当局管理者应该意识到它更加有可能发生藻类生长和爆发的问题。如果藻类爆发成为一个持久性的问题，那么湖泊系统可能需要清淤和整体的重置。

10.2处理能力的验证

图10.1中的曲线显示了在墨尔本（参考地区）人工湖和池塘的总悬浮固体、总磷、总氮的去除效果。该曲线假设湖泊获得直接径流并且具有以下特点：

• 平均水深2米。
• 系统溢流通过溢流坝。

这些数据可以和第二章讨论的水温区域化程序推断出的调整因素一起使用来验证人工湿地对TSS、TN、TP的去除效果。

10.3设计步骤：池塘和湖泊

设计需要考虑以下几个方面:

1. 计算保证池塘体积和水文汇水流域相匹配。
2. 池塘的布局和进水区的结构，包括进水区和开放水体间的过渡结构使水力效率得到优化。
3. 水力结构设计包括:

• 进水结构需要考虑百年一遇的洪峰流量。
• 池塘出水结构的设计。

1. 景观设计包括：

• 边缘处理。
• 植物种类和种植密度。

1. 营养物供给。

图10.2总结了池塘/湖泊的设计要素。以下章节将讲述池塘和湖泊的设计步骤。

10.3.1水文学
池塘和湖泊的水文学操作是为了安全的把百年一遇的雨水引入池塘和湖泊系统，池塘和湖泊的出水通过联合暗渠（低流速）和溢流管实现。

10.3.1.1洪水预测

许多水文方法可以用来估计设计流量。如果典型集水区很小，合理方法设计步骤是用来预计设计流量的合适方法。可是严格来讲，合理方法设计步骤只能用来设计出水水力结构（比如出水管、溢流管和堤坝高度）。

10.3.1.2水体停留时间

进水水质、有机负荷和水循环特点综合起来会对池塘水质造成影响。因为水体没有得到足够的进水用来循环或者更换贮存在湖泊中的水，大湖泊的水质问题典型出现在小的上游流域。较长的停留时间会使蓝藻爆发。

对一些开放水体的管理经验表明，大量藻类爆发的前提是长期没有或有很少的水流流入。对水体是否处在发生水质问题（特别是相关藻类的生长）的风险中，水体停留时间（或者叫做交换频率）分析是一个很有用的指示。

流通量分析可以通过使用月蒸发率和降雨量或历史降雨量来分析，后者更加严格。平均停留时间可通过湖泊进出水连续流模拟进行计算。在湖泊的每日模型中，每日出水量加起来然后得到平均每日停留时间。

降雨量的季节分布和每年平均径流量相关水体体积变化会决定水体停留周期类型。例如，具有较大集水区的小水体会有较小的停留时间，因为对于每年平均流出量的体积来说水体体积是很小一部分。可是，较大水体可能对季节降雨量更加敏感，因此有更大的水体长期停留进而产生水质问题的风险。

水体停留时间的累积概率分布可通过流出量的统计推导出。（例如图10.3）

在有利条件下，绿藻可以很快生长。蓝细菌（蓝藻）生长（爆发）在自然水体和人造水体中都可以发生。在人造水体中，确保采取措施限制藻类生长很重要。藻类爆发会对水生植物生态系统的作用、美感和公共舒适度会造成不利影响。有些种类的藻类有产生毒素的可能，因此需要特别关注它们。

影响藻类生长的因素如下：

• 光线强度
• 水温
• 营养物浓度
• 水流
• 层理
• 流域水文学
• 浮游生物摄食
• 生物学

藻类过度生长到浓度为15000个/毫升被认为是“水华预警”。

假设有足够的光照和营养物，可得出不同温度下藻类生长率和时间的简单关系模型。这个简单模型可用来决定藻类数量要多久到达水华状态（15000个/毫升），从而对水体水力停留时间进行指导。

以季节假设为基础的分析模型表明在理想状态下藻类爆发取决于混合状态。图10.4和图10.5是假设池塘设计为“最佳状态”下得出的。这包括池塘有较浅的深度、平的底部和良好的混合状态。一个合理的假设就是在较好的管理惯例下水力条件在完全混合和部分混合之间。

这个曲线展示了维多利亚夏季水温的三个不同的水温区域如下：

• 15℃用于东部和西部的高地
• 20℃用于大分水岭南部的低地
• 25℃用于大分水岭北部的低地

采用模型方法被认为相当的保守。比如，它采用了：

• 不无限制营养物和有效光线
• 已知有害生物的生长率
• 夏季水温数据（主要危险期）
• 较高起始浓度（50个/毫升）

因此，概率方法中推荐使用标准停留时间。对于有利于藻类生

长的其他风险因素来说，20%的超过率是可以接受的。对于特定的停留时间来说，20%的超过率并不意味着会发生藻类爆发；如果所有其他可疑危险因素都是有利的，仅当停留时间（给定温度范围内）超过一定范围时藻类才会呈指数增长并达到爆发预警的浓度15000个/ml。澳大利亚环境中，在总体生态因素变化中，20%的超过数是一个相当保守的估计。

10.3.1.3 流量设计标准

停留时间建议遵守以下原则。对夏季水温在以下范围内的水体，停留时间不应超过给定时间的20%：

• 50天（15℃）
• 30天（20℃）
• 20天（25℃）

这些数据和已出版文献中用来防止藻类爆发危害的停留时

间相一致，并且和工业经验相一致。

10.3.1.4 湖泊水水位变化分析

水位变化分析是另一需要被从事的重要分析，因为水位可能对湖泊边缘景观设计有重要影响。在水体流量分析的同时，水位分析可以通过使用月蒸发量和降雨量数据或日平均降雨量数据，然后进行严格分析来完成。通过连续模拟，很多模型都可以用来预测水位变化。一个典型的分析就是确定夏季湖泊中10%、50%和90%的水深。

10.3.1.5 较大水体的选择

通常情况下，较大的开放水体会被景观和城市设计者提议改变成观赏性湖泊。这意味着为了保持健康的水体并提供低风险的藻类生长可能，长远的设计和经营考虑是很有必要的。

如果分析显示水体处于藻类爆发的危险期，则需要采用湖泊流量应对策略。另外，需要制定湖泊管理计划，并且采用像综合研究中心对淡水生态湖泊的模型一样包含更多的细节的模型。

10.3.2 池塘设计

10.3.2.1 大小和规模

为了优化水力效率，最好采用较高的长宽比和避免水体滞留。长宽比的不同取决于系统的大小和进出水的位置特点，而且池塘的整体形状会影响水体滞留区的存在及范围。为了简化设计和土方工程，较小的系统倾向于采用长宽比数据范围中的较小值。这通常会导致较差的水力条件。

佩尔松（1999）采用术语“水力效率”来定义对一系列雨水贮存系统的期望水力特征。澳大利亚工程师协会（2003）介绍了对一系列抽象形状、尺寸比和进出水布置在雨水系统之内的停留系统的期望水力效率并且要求这种系统的lambda;值不低于0.5，并且应该被设计成可促进水力效率高于0.7的值（见图10.7）。lambda;值通过图10.7根据水池结构进行估计。

图10.7 水力效率—lambda;—人工湿地和湖泊的水动力条件测量；从0到1变化，1 代表雨水处理的最佳水动力条件

图10.7中的数字表明lambda;值可用来估计方程式4.2（见第四章）或者方程式10.2（见10.3.2.2）中的水流参数n。图9.6中，图O和P中的“○”代表水体中的小岛，图Q中的双线代表均匀分配水流的结构。

水体通常有几个并列的入口，而且这些入口相对于出口结构的位置会影响系统的水力效率。入口结构的设计是必要的，因为可以减少局部水体的涡流并且促进附近水体的良好混合，进水区的使用是入口设计的一个普遍方法。

10.3.2.2 进水区

这是用来去除进入池塘和湖泊的雨水中的沉淀物、有机物和含氮化合物的一个很好的设计。进水区可以有很多不同的形式，随系统的不同而变化，在短暂性的浅层湿地中发挥沉淀池的作用。这是进入池塘深水区的过渡区。一些进水区可以作为与深水区的转换，它由透水路堤组成，并且可以促进流入开放水体的水流分配。

进水区的深度会在10到20m的距离内逐渐从高于恒水位0.2m变化到低于恒水位0.3m。

尽管设计者可能考虑使用透水路堤来促进流入开放水体的水流分配，通常情况下，对于湖泊开放水体部分，水力结构一般不需要单独的进水区。应该提供低流动的沼泽地来运输旱季流量和枯水量到开放水体。

进水区的理论面积可以通过沉降理论计算（见第四章），在一年的洪峰流量中找到直径为125的沉淀物（沉降速度为11）。

沉淀池所需面积的大小可通过菲尔和盖尔（1954）总结的污水沉淀池面积公式计算：

（公式10.1）

式中 ——去除沉积物的比例

——沉积物的沉降速度

——池表面负荷

——紊流参数

以上沉淀表达式中把作为紊流参数。图10.7提供了一种选择合适值的方法（根据水池的结构）。值通过以下关系式选择：

（公式10.2）

图10.8有植物的开放水体

公式10.1对没有永久池的系统严格成立，并且通常情况下对沉淀池的面积估计偏大。因此这个公式通常用来为沉淀池面积尺寸提供一个上限。

进水区的设计中得出的良好经验包括使用一个永久池来降低水流速度并且为沉积物提供贮存场所。永久池的出现减少了沉淀池的水流速度并因此增加了停留时间。出水构筑物在沉淀池池底上方一定距离，因此要高效截留沉淀物没有必要使颗粒沉淀到池底。假设沉积物只需要沉淀到少于池深的有效深度，这个深度大约为永久池水面下1米。因此公式10.1可以按下式来解释永久池容积的影响：

（公式10.3）

式中 ——永久池水面上的超高（m）

——永久池深度（m）

表格10.1列举了沉积物的典型沉降速度。是湖泊常水位以下的深度，能够截留目标沉积物的深度——取1.0m和中的较大值。

10.3.2.3 横截面

处理过程中的斜坡和在水面以下的配置需要考虑公共安全。软性和硬性

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