CN101642071B

CN101642071B - 水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的装置

Info

Publication number: CN101642071B
Application number: CN2009101642993A
Authority: CN
Inventors: 李然; 黄翔; 李克锋; 易文敏; 李嘉; 邓云; 冯镜洁; 曲璐; 梁瑞峰
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: CN101642071A

Abstract

本发明涉及一种可控温水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置。该装置包括高压釜及其上的进气口，调节气阀、安全气阀，气压表，进水口和出水口；包括设置有温控仪的水池及与其依次相连接的水泵，第一球阀，第一流量计及进水口；空压机连接进气口；出水口依次与第二球阀，第二流量计及水槽相连接，总溶解气体测定仪和水质监测仪设置在水槽外，水槽经乳胶管与水池连通。本发明通过高压釜密闭加压产生总溶解气体过饱和的水体，整个装置采用循环水并控制其水温恒定；可实现对水温、水体压力、掺气量、流量等影响总溶解气体过饱和生成主要物理参数测量的控制，以便定量分析总溶解气体过饱和的生成机理并研究其对鱼类的影响。

Description

水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的装置

技术领域

本发明涉及一种水体总溶解气体过饱和生成技术，特别涉及一种可控温的、能用于模拟高坝泄水导致下游水体总溶解气体过饱和的产生，并研究其对鱼类影响的实验装置，属于水利工程对生态环境影响的技术领域。

背景技术

许多大型水利工程由于其调节径流、防洪发电等方面的综合作用，需根据水量调度需求，通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水。大量资料表明，高坝泄水使下游水体中溶解气体如O₂、N₂和CO₂等气体压力总和超过当地大气压下的相对饱和度，就会形成总溶解气体(total dissolve gas，简称TDG)过饱和，致使鱼类等水生生物患气泡病，甚至造成鱼类等水生生物大量死亡，从而对河流水生生态系统造成严重危害。

高坝下游TDG过饱和的产生主要与泄洪流量、泄洪消能方式以及坝下水垫塘深度等诸多因素有关，属于复杂的水气两相流问题。它涉及到水工水力学、气液界面传质等领域并延伸到了生态环境的领域，其研究难度极大。因此，目前关于水体TDG过饱和产生及其对鱼类影响的机理研究和实验装置都相当匮乏。

目前，对水利工程中TDG过饱和问题通常采用原型观测、物理模型实验、室内模拟实验等研究手段。这些研究手段在高坝泄水导致TDG过饱和问题的研究中均存在不同程度的困难和限制性因素。原型观测要求观测者必须到正在泄水的大坝现场观测，极为不便。且这种研究手段一方面在高坝泄洪中水体流量、流速、掺气量、下游压力、水深等诸多物理因素和物理条件均存在着不可重复性或不可控制性；另一方面，还要为保证水利工程发电、灌溉等综合效益的发挥，高坝泄水频率较少，且时间短，这又限制了原型观测工作的开展。同时由于坝下水垫塘中流速大，流场、掺气场变化剧烈，所述原型观测手段尚无法对坝下水垫塘中三维流场、压力场及掺气浓度场等实施高精度测量，因此对高坝下游TDG饱和问题的研究仅仅依靠原型观测是远远不够的。

采用小比尺物理模型实验研究水利工程中TDG过饱和问题的主要困难在于实验模型尺度小、掺气量少、掺入气体承压小等因素，难于产生TDG过饱和现象；坝下水垫塘中复杂的水流现象、掺气及总溶解气体分布等物理参数在模型与实际原型的相似律问题尚未解决。而目前室内实验模拟水体TDG过饱和的生成主要有：(1)混合热水与冷水利用气体在不同水温下溶解度差异产生TDG过饱和；(2)通过鼓风机向高水柱内鼓气产生TDG过饱和；(3)通过抽气减压改变气体溶解度产生TDG过饱和。以上产生TDG过饱和的方式或者不能控制水体温度恒定，或者不能同时产生不同浓度的TDG饱和度并使其TDG饱和度稳定，或者实验装置过于复杂不易操作等，都存在许多局限性。因此，针对上述不足设计此实验装置，以满足室内实验的需要。

对于TDG影响鱼类生理生态的野外研究而言，在河流水库中捕获的死亡鱼类是否与其患气泡病有直接关系，捕获患气泡病鱼类是否具有代表性，患气泡病鱼类数量是否具有统计意义等问题都存在争议。为此，需要在室内通过实验装置进行重复实验，以控制实验条件，从而分析研究TDG过饱和对鱼类生理生态的影响。

发明内容

本发明的目的是针对所述现有技术中存在的缺陷与不足，提供一种能模拟高坝泄水时导致下游水体TDG过饱和的装置，可实现对水体温度、压力、掺气量等影响水体过饱和总溶解气体生成的主要物理条件和因素的控制，并对水体中相关水质参数进行测量，进而进一步研究TDG过饱和对鱼类的影响。通过本发明能达到对水体TDG过饱和产生和对鱼类影响的定量研究，为保护河流水生生态环境，建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。

为实现本发明的目的，本发明是通过以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置，依照本发明，该装置包括高压釜及其上设置的进气口，调节气阀，安全气阀，气压表，进水口和出水口；水池，水泵，第一球阀和第二球阀，空压机，第一流量计和第二流量计，总溶解气体测定仪，水质监测仪，温度控制仪，水槽及其外壁上的乳胶管；所述空压机连接高压釜上进气口，水池中设置温度控制仪，水池与水泵进水口连接，水泵出水口连接第一球阀，第一球阀再连接第一流量计，第一流量计连接到高压釜上进水口，高压釜上出水口连接第二球阀，第二球阀连接第二流量计，第二流量计与水槽相连接，总溶解气体测定仪和水质监测仪设置在水槽外，水槽通过其外壁上的乳胶管与水池连通。

上述技术方案中，所述水池和水槽的顶端均为敞口，并与大气相通。

上述技术方案中，所述水池与水槽间的设置其落差不小于1m。

上述技术方案中，所述水槽的外壁设置有均匀的刻度。

上述技术方案中，所述水槽外壁上的乳胶管一端通过小孔与外壁上的每个刻度连接，该乳胶管另一端置于敞口的水池中连通。

本发明与现有技术相比具有的特点及有益技术效果：

1、本发明实验装置中采用循环水并通过温度控制仪使水温恒定。

2、利用本发明的实验装置，可方便控制水体压强、掺气量等影响总溶解气体过饱和的一系列重要因素，可实现对TDG过饱和问题的定量研究。

3、利用本发明的实验装置，可控制TDG过饱和水体的饱和度范围、流量及温度，以模拟并研究TDG过饱和对鱼类的影响。

4、利用本发明的实验装置，可生成原型观测中所能观测到的TDG饱和度最高值，弥补了小比尺物理模型实验难于产生TDG高过饱和度的问题。

5、本发明实验装置相比原型观测中，不仅解决了奔波于不同水电站开展原型观测的问题；也解决了高坝泄水频率少、持续时间短不能重复长期测量的问题。

6、本发明实验装置的安装和测量都极为方便；所需材料及设备投资小、占地少、成本低、且操作简单。

附图说明

图1本发明水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置结构示意图；

图2为图1的实验装置在恒定掺气量、恒定水体流量、恒定温度条件下TDG饱和度与压强关系图；

图3为采用图1的实验装置研究两种鱼类在不同TDG饱和度下随时间的耐受性关系图。

图中，1水池，2水泵，3第一球阀，4第一流量计，5高压釜，6进水口，7进气口，8调节气阀，8#安全气阀，9气压表，10出水口，11空压机，12第二球阀，13第二流量计，14水槽，15乳胶管，16总溶解气体测定仪，17水质监测仪，18温度控制仪。

具体实施方式

下面结合附图、并通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着对本发明内容的任何限定。

本发明水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置，其总体结构如图1所示，图1中，所述高压釜5上设置有进气口7，调节气阀8，安全气阀8#，气压表9，进水口6和出水口10；所述空压机11通过管道与高压釜上进气口7相通并向高压釜5内鼓气，鼓气量大小可根据需要由空压机11上自带阀门控制；在水池1中设置有温度控制仪18，水池1通过管道与水泵2进水口连接，水泵2出水口与第一球阀3连接，第一球阀3另一端与第一流量计4连接，第一流量计4通过管道与高压釜上进水口6连接，高压釜上出水口10通过管道与第二球阀12连接，第二球阀12与第二流量计13连接，第二流量计再通过管道与水槽14相连接，总溶解气体测定仪16和水质监测仪17设置在水槽14外面，水槽14其外壁上的乳胶管15一端通过小孔与外壁上的每个刻度连接，乳胶管另一端置于敞口的水池1中。

本发明实验装置采用水槽14外面设置的总溶解气体测定仪16和水质监测仪17可分别测量水槽14中水体总溶解气体饱和度及DO、水温、pH值、浊度、盐度等水质参数；并采用水池中设置的温度控制仪18控制水池1中水温，使其恒定。

实施例1

本发明水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置所用仪器设备：

1、高压釜5由实验用密封高压釜自行改装，该高压釜能承受压力为0.6Mpa，其高度为55cm，直径为40cm；高压釜上设置有直径为0.8cm的进气口7、直径为0.8cm、高度为10cm的调节气阀8和直径为0.5cm的安全气阀8#、直径为1.5cm的进水口6，直径为1.5cm的出水口10和量程为0.6Mpa、精度为0.02Mpa的气压表9，气压表为富阳市四方仪表厂生产的压力表；

2、空压机11为昆山金诚机电设备有限公司生产的TA-65活塞式空气压缩机；

3、水泵为天津源天泵业制造有限公司生产的WQ型不锈钢水泵；

4、第一流量计4和第二流量计13为上海银环流量仪表公司生产的LZB-15型玻璃转子流量计；

5、总溶解气体测定仪16为美国YSI公司生产的TDG测定仪；

6、水质监测仪17为美国YSI公司生产的水温、水质多参数测定仪；

7、温度控制仪18为上海德兆仪器仪表有限公司生产的瓯龙温度调节仪；

8、水池1容积设定为1000L。

本发明实验装置模拟高坝泄水时导致水体总溶解气体过饱和的原理是：在高压条件下使大量气体溶入水中，形成总溶解气体过饱和。所以在水体温度、流量及掺气量恒定的条件下，总溶解气体饱和度与压强成正比。即通过增大或减小高压釜内压强，就可生成相应饱和度的总溶解气体过饱和水体。

水体总溶解气体过饱和生成实验步骤及操作条件和操作过程如下：

1、按照图1所示布置连接好各部件；

2、在水池1中装满自来水并充分曝气24h；

3、由温度控制仪18控制并恒定实验水温在25℃；

4、打开空压机11，同时打开水泵2，使空气和水分别由高压釜上进气口和高压釜上进水口进入高压釜5中，水的流量由第一球阀3控制为4L/min，掺气量由空压机上自带阀门控制在0.05m³/min；

5、为安全起见，通过调节气阀8控制高压釜内压强不超过0.2Mpa；

6、经高压釜5充气加压后的水体由高压釜上出水口10流入水槽14中，此时可见水槽水体中有大量微小气泡，当高压釜内压强大于0.1Mpa时，水槽水体中可见水雾化现象；

7、开启水槽14外壁上0.4m刻度处乳胶管15，将乳胶管另一端置于敞口的水池1中，关闭其他刻度处乳胶管15，以控制水槽中水位于0.4m；

8、将设置在水槽14外面的总溶解气体测定仪16和水质监测仪17的探头，放入水槽中，以测定水体TDG饱和度值和DO、水温、pH值、浊度、盐度等水质参数；

9、如TDG饱和度测定值高于或低于实验所需饱和度值，本实验定为130％、125％、115％，则通过高压釜上调节气阀8来减小或增大高压釜内压强以得到所需饱和度值；

10、待水槽中水体TDG饱和度稳定于实验所需数值时，将实验鱼放入水槽中，观测鱼类受TDG饱和度影响下的存活情况并记录DO、水温、pH值、浊度、盐度等水质参数，直到放入水槽中实验鱼死亡一半后停止实验。

通过实施例1所得实验数据如表1-表5所示，表1是水体温度为25℃、流量为4L/min、掺气量为0.05m³/min总溶解气体饱和度与压强的关系。表2是在水槽14中对实验鱼进行不同TDG过饱和耐受性的实验数据。表3-表5分别是TDG饱和度为130％、125％、115％时，放入实验鱼后水槽中水体DO、水温、pH值、浊度、盐度等水质参数值。

表1

绝对压强(Mpa)	饱和度(100％)
		0.16	148
0.13	139
		0.10	134
0.075	130

0.05	125
		0.012	115

表2

TDG饱和度(100％)	实验鱼种A数量(尾)	实验鱼种A半数死亡时间	实验鱼种B数量(尾)	实验鱼种B半数死亡时间
					130	24	390min	24	355min
125	24	935min	24	895min
					115	24	未出现死亡	24	未出现死亡

表3

Time(h)	DO(mg/L)	pH	℃	TDS(NTU)	Sal(ppt)	NH₄ ⁺(mg/L)	NO₃ ^-(mg/L)
								2	9.86	6.80	24.6	0.043	0.03	0.018	0.003
4	9.85	6.81	24.6	0.043	0.03	0.018	0.003
								6	9.84	6.82	24.7	0.046	0.03	0.018	0.003
8	9.82	6.81	24.9	0.047	0.03	0.018	0.004

表4

Time(h)	DO(mg/L)	pH	℃	TDS(NTU)	Sal(ppt)	NH₄ ⁺(mg/L)	NO₃ ^-(mg/L)
								2	9.81	6.81	24.3	0.043	0.03	0.018	0.003
4	9.80	6.80	24.4	0.043	0.03	0.018	0.003
								6	9.80	6.81	24.4	0.045	0.03	0.019	0.003
8	9.79	6.81	24.6	0.047	0.04	0.018	0.004

10	9.78	6.82	24.5	0.046	0.03	0.019	0.004
								12	9.79	6.83	24.6	0.047	0.04	0.018	0.003
14	9.77	6.82	24.7	0.048	0.03	0.020	0.003
								16	9.77	6.83	24.8	0.046	0.03	0.018	0.004

表5

Time(h)	DO(mg/L)	pH	℃	TDS(NTU)	Sal(ppt)	NH₄ ⁺(mg/L)	NO₃ ^-(mg/L)
								2	8.81	6.81	24.5	0.043	0.03	0.018	0.003
4	8.80	6.80	24.6	0.044	0.03	0.018	0.003
								6	8.80	6.82	24.4	0.046	0.03	0.018	0.003
8	8.79	6.81	24.6	0.047	0.03	0.018	0.003
								10	8.78	6.82	24.7	0.047	0.03	0.018	0.003
14	8.79	6.83	24.6	0.047	0.03	0.019	0.003
								18	8.77	6.82	24.5	0.047	0.04	0.018	0.003
24	8.77	6.81	24.7	0.046	0.04	0.019	0.004
								32	8.76	6.82	24.6	0.047	0.004	0.019	0.003

实验结果表明，在水体温度、流量及掺气量恒定的条件下，总溶解气体饱和度与压强成正比且TDG饱和度在相应压强的控制下能长时间稳定；水体温度也较恒定，避免了由于温度变化使气体溶解度改变导致TDG饱和度的变化；温度变化还会影响鱼类新陈代谢的速率，使鱼类在不同温度下出现不同的生理症状，从而干扰TDG过饱和单一影响因子对鱼类的研究。在实验过程，两种实验鱼类由于其种类不同对TDG过饱和的耐受性有所差异，但都表现出存活时间随TDG饱和度的升高而缩短的共同现象。当饱和度达到130％时，实验鱼都在几小时内就出现了死亡，此实验现象经过重复实验也得到相同实验结果。由于在各个饱和度条件下各水质参数未有较大变化，据此可推断实验鱼的死亡是由于TDG过饱和对其造成伤害而引起的。

综上，根据实验所得总溶解气体过饱和度与压强的正比关系，在实际工程中，可以通过设置导流坎、减小泄水流量等措施，尽可能降低坝下水深，减小水流静水压强，以减小掺气量，达到减小坝下总溶解气体饱和度的目的。通过研究鱼类对总溶解气体饱和度的耐受性，可以为制定水环境质量标准中TDG饱和度上限、准确评价高坝工程对水生生态系统的影响及保护下游水生生态环境提供理论依据。

Claims

1.一种可控温水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置，其特征在于包括高压釜(5)及其上设置的进气口(7)，调节气阀(8)，安全气阀(8#)，气压表(9)，进水口(6)和出水口(10)；水池(1)，水泵(2)，第一球阀(3)和第二球阀(12)，空压机(11)，第一流量计(4)和第二流量计(13)，总溶解气体测定仪(16)，水质监测仪(17)，温度控制仪(18)，水槽(14)及其外壁上的乳胶管(15)；所述空压机连接高压釜上进气口，水池中设置温度控制仪，水池与水泵进水口连接，水泵出水口连接第一球阀，第一球阀再连接第一流量计，第一流量计连接到高压釜上进水口，高压釜上出水口连接第二球阀，第二球阀连接第二流量计，第二流量计与水槽相连接，总溶解气体测定仪和水质监测仪设置在水槽外，用于测量水槽中水体，并将实验鱼放入水槽，水槽通过外壁上的乳胶管与水池连通；所述水池和水槽的顶端均为敞口，与大气相通；水池与水槽间的落差不小于1m；水槽外壁有均匀刻度；水槽外壁上的乳胶管一端通过小孔与外壁上的每个刻度连接，乳胶管另一端置于敞口的水池中。