黑河金盆水库属于典型的峡谷分层型水库,是西安市最重要的供水水源,日平均供水80万m3。然而,近年来水体分层造成的底层缺氧和内源污染、表层藻类爆发以及暴雨径流对水库水质产生了显著影响。本文以黑河金盆水库水体分层的季节性变化为切入点,在大量现场监测的基础上,重点研究了:(1)黑河金盆水库热分层形成和混合规律;(2)暴雨径流潜流演变特征及对水库水质影响;(3)暴雨径流与水库潜流相关性及汛期调度方案研究;(4)扬水曝气系统技术改进;(5)不同运行工况下水库水质原位改善效果及运行优化。主要结论和成果包括:(1)4-5月为热分层形成期,期间表层水温迅速升高,垂向温差逐渐增大同时硅藻开始大量繁殖;6-9月为稳定分层期,期间表层水温进一步升高,6月底水库底部出现厌氧,沉积物中N、P、Fe、Mn、硫化物等开始释放,同时上层水中蓝藻开始转变为优势藻种,此间暴雨径流会对水库的热分层结构、水质产生显著影响;10月初随气温降低,温度分层开始削弱。自然混合时间一般在12月底或来年的1月初,完全混合初期水质恶化,随后水库完全混合状态基本保持至3月底。(2)高洪峰流量(入库流量大于1500m3/s)入库由底层潜入,潜流影响区域浊度高达3000NTU以上。高入库径流潜流破坏了潜流影响区域的分层结构,径流携带的悬浮物质及腐殖质造成潜流影响区域氨氮、总磷、总有机碳、高锰酸盐指数等指标全部升高。大入库流量(500-1500m3/s)由中部潜入,等温度层潜流强度沿程衰减较快,对主库区影响较小。尤其值得注意的是,暴雨径流一方面提升水体溶解氧,另一方面水中携带的污染物加剧了溶解氧的消耗,带来水质污染风险。(3)建立了不同季节入库径流量-含沙量-水温-入流密度关系,确定了不同季节、不同入流强度下潜流位置及基本变化规律,提出了汛期优化调度方案,实现水库汛期排浊蓄清、分层取水、优水优供,有效规避高浊、高有机负荷原水对水厂运行的冲击,保证水厂的安全稳定运行。得出近9年入库流量Q和入库含沙量S的拟合关系为:S=0.4655×e0.0024Q(R2=0.7114);上游水文监测断面入库含沙量S和主库区控制断面含沙量S主峰值的拟合关系为:S主=0.034×e0.233S(R2=0.768)。对近9年不同季节、不同入库流量条件下入流水温进行汇总,由入流水温和主库区控制断面含沙量可以估算入流密度,根据典型月温度-密度分布可推算出潜流位置,潜流位置计算值与实测结果吻合良好。汛期取水应避开高浊潜流水层并充分利用潜流位置在高程545m附近的潜流泄洪,实现优水优供、排浊蓄清。(4)对扬水曝气系统进行技术改进:依据CFD模拟结果,降低设备导流高度,以满足低水位运行和提高混合效率;利用发明专利增设输气管路稳压系统以解决输气管路变形问题;依据CFD模拟结果,在不引起底部泥沙再悬浮的条件下降低设备底部距库底高度,同时更换微孔曝气装置,以提高底层水体溶解氧传质速率;通过理论计算及生产性实验,在曝气室顶部增设35个2mm微孔,以实现单独等温层充氧。(5)等温层充氧运行15天,底部厌氧层高度由17m降低至3.2m,等温层充氧过程未造成中上层水体浊度提升;控藻运行40天,表层藻类由运行前的9000万个/L降低至300万个/L以下,削减96.6%,系统运行期间底层溶解氧升高至10mg/L以上,内源污染物释放得到抑制;2013~2015年每年9月底至10月,系统全层混合充氧,运行35天后,水库实现提前混合,垂向水体总磷、铁分别降低至0.015mg/L和0.1mg/L以下,平均削减74%和80%,系统运行增强了水中微生物的代谢活性和水体自净能力,提高了脱氮细菌的脱氮能力,运行前后底层总氮削减20.5%。初秋季节通过扬水曝气系统运行实现水体提前2个多月混合,利用秋冬季节气温降低的条件,实现了扬水曝气系统运行与诱导自然混合过程的衔接,使水库良好的水质状态延长至6个月以上,有效改善了水库水质。