CN105588928B - 利用阻水介质促进过饱和总溶解气体释放的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用阻水介质促进水体中过饱和TDG释放的方法，属于水利工程溶解气体过饱和技术领域。该方法通过在实验水槽内过水通道中加入阻水介质来实现过饱和TDG的释放。本发明所用阻水介质排列密度越大、表面越粗糙，越能促进TDG释放；阻水介质交错排列对TDG释放的促进效果更加优于正列排列的促进效果。本发明对减缓水利工程泄水及水产养殖中产生的总溶解气体过饱和以及对鱼类的不利影响等方面的研究工作具有重要的理论价值和工程意义；同时也对过饱和TDG影响的减缓措施研究提供了基础数据和理论依据。

Description

利用阻水介质促进过饱和总溶解气体释放的方法
技术领域
本发明涉及一种过饱和总溶解气体技术，特别涉及一种利用阻水介质来促进水中过饱和总溶解气体释放的新方法及其实验装置，属于水利工程溶解气体过饱和技术领域。
背景技术
我国高坝众多，当这些高坝在汛期通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水时，气体将被卷吸入水体，并在水垫塘的高压环境中溶解入水中。当水垫塘中的水体流入下游河道后，由于压力降低，水体中的总溶解气体(Total Dissolved Gas，简称TDG)将会逐渐析出，造成下游河道TDG过饱和。由于过饱和TDG在随水流向下游输移的过程中，释放速度缓慢，将使河道水体在较长时间内处于TDG过饱和状态。这可能使得河道中鱼类患“气泡病”，甚至死亡。另外，因为部分渔业和鱼类增殖站的水源均来自高坝泄水，所以过饱和TDG也会对这些鱼类、鱼类养殖产生不利影响。
大坝下游河道水体过饱和TDG的释放快慢受水深、紊动强度、水温、含沙量、河流形态等诸多因素影响。该过程涉及水工水力学、环境水力学、气液界面传质等许多领域，属于复杂的水气两相流问题，研究难度较大。因此，目前关于促进过饱和TDG释放方面的研究仍较为匮乏。
现阶段，解决泄水产生的过饱和TDG问题通常采用的手段是改善泄水建筑物设计及优化泄水运行方式，但其存在诸多的限制性因素：(1)我国多是已建高坝，受到技术和经济双方面限制，不宜采用导流装置；(2)动态调度研究主要基于减少弃水，减缓下游气体过饱和现象的目标进行调度，未综合考虑防洪、航运、发电、生态及库区泥沙淤积的影响；(3)现有研究多集中在降低过饱和TDG的生成方面，而关于如何加快促进过饱和TDG在下游河道释放的措施研究尚少见报道。
因此，为了加快过饱和TDG的释放，减缓其不利影响，本课题组提出一种利用阻水介质来促进水体中过饱和TDG释放的新方法，并在试验室内通过实验装置，利用不同材料的阻水介质及其不同的排列方式和疏密度进行过饱和TDG释放的研究，通过实验证明利用阻水介质能够明显促进水体中过饱和TDG的释放。
发明内容
本发明的目的正是针对现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种利用阻水介质促进水体中过饱和TDG释放的新方法。该方法通过在过水通道中加入阻水介质来实现水体中过饱和TDG的释放。所述阻水介质的加入，一方面能增大水体的紊动强度，另一方面能增加固液接触面积，这两方面均能促进过饱和TDG的释放。该方法对减缓水利工程泄水及水产养殖中产生的总溶解气体过饱和以及对鱼类的不利影响等方面的研究工作具有重要的理论价值和工程意义；同时也对过饱和TDG影响的减缓措施研究提供了基础数据和理论依据。
为实现本发明的目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。
本发明提出的一种利用阻水介质促进过饱和TDG释放的方法，采用在实验水槽内过水通道中布置阻水介质，以实现促进过饱和总溶解气体释放的方法，包括以下具体步骤：
(1)向实验水槽内注入TDG过饱和水，其饱和度为125％、130％，或135％之一；流量为0.0006m3/s；
(2)待实验水槽内的水流流态稳定后，用TGP测定仪分别测量步骤(1)中实验水槽内上游和下游水体中的TDG；
(3)所述步骤(2)的测量完成后，放空实验水槽内的TDG过饱和水，然后待实验水槽完全干燥后，利用玻璃胶在实验水槽内的阻水介质布置区域中布置并固定好阻水介质；
(4)再向实验水槽内注入与步骤(1)的饱和度相同的TDG过饱和水，其流量为0.0006m3/s；
(5)同样使用TGP测定仪分别测量实验水槽内固定阻水介质后其上游和下游水体中的TGP。
上述方案中，所述在实验水槽内阻水介质布置区域中布置固定的阻水介质的布置形式分为疏密程度布置；其排列形式分为正列布置和交错布置。
上述方案中，所述阻水介质布置的疏密程度分为稀疏与加密两种形式；其量化方式为比表面积，即阻水介质所占面积与实验水槽的底面积之比。
上述方案中，所述阻水介质布置的稀疏程度的比表面积比为4‰，其加密程度的比表面积为7.6‰。
上述方案中，所述在实验水槽内阻水介质布置区域中布置固定的阻水介质，其排列形式分为正列布置，即阻水介质按每行2根对齐排列；还分为交错布置，即阻水介质按每行2根与每行3根交替错开排列。
上述方案中，为了保证实验水槽内阻水介质布置区域中交错布置时阻水介质的稀疏程度与正列布置相同，当实验水槽内阻水介质布置区域中每行为三根阻水介质时，其边上两根阻水介质的横截面积仅为中间的一根阻水介质的一半。
本发明所述阻水介质的实验材料可选用木材、或多孔木材、或有机玻璃材料、或PVC材料等中的一种，也可选用其他材料作为阻水介质；所述多孔木材即是在木材表面用铁钉钻扎若干小孔。
本发明所述的利用阻水介质促进过饱和TDG释放的方法的进一步技术特征还在于，利用阻水材料，在加强水体紊动的同时，还增大了固液接触面积，进而促进了水体TDG的释放。
本发明与现有技术相比较具有以下优点及有益的技术效果：
1、本发明首次提出利用阻水介质促进水体中过饱和TDG释放的方法，为过饱和TDG影响的减缓措施的研究提供基础数据和理论依据。
2、本发明所用的阻水介质成本低，且市场上易于购买，且在实验水槽中易于布置。
3、本发明通过在实验水槽内过水通道内加入阻水介质能促进TDG的释放；并证明阻水介质排列密度越大、表面越粗糙，越能促进TDG释放；阻水介质交错排列对TDG释放的促进效果更加优于正列排列对TDG释放的促进效果。
4、本发明所述方法对大坝下游水体中的过饱和TDG的释放效果好，以及对于减缓水利工程泄水及水产养殖中产生的总溶解气体过饱和对鱼类的不利影响具有重要的工程意义。
附图说明
图1本发明实现所述利用阻水介质促进过饱和TDG释放方法的实验装置结构示意图；
图2本发明实现所述以正列布置的阻水介质来促进过饱和TDG释放方法的实验装置结构示意图；
图3本发明实现所述以交错布置的阻水介质来促进过饱和TDG释放方法的实验装置结构示意图；
图4本发明实施例中所述阻水介质在实验水槽内为加密交错布置的结构示意图；
图5本发明实施例中所述阻水介质在实验水槽内为加密正列布置的结构示意图；
图6本发明实施例中所述阻水介质在实验水槽内为稀疏正列布置的结构示意图；
图7本发明实施例中不同疏密程度的阻水介质在实验水槽内释放系数对比曲线图，此时所述阻水介质为有机玻璃，以正列布置为例；
图8本发明不同阻水介质材料的释放系数对比曲线图，此时以加密交错布置为例；
图9本发明实施例中阻水介质材料以交错排列与正列布置的释放系数对比曲线图，此时阻水介质以木材为例。
图中，1实验水槽，2直角三角堰，3静水池挡板，4阻水介质，5TGP测定仪，6阻水介质布置区域。
具体实施方式
下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容，即并不意味着是对本发明保护内容的任何限定。
实现本发明所述利用阻水介质促进过饱和TDG释放方法的实验装置，其结构如图1所示，包括实验水槽1，静水池挡板2，直角三角堰3，阻水介质4，TGP测定仪5，阻水介质布置区域6；实验水槽1为整个实验装置主体，其最上游设有直角三角堰3，用以测量实验水槽内水流量；直角三角堰3后面设有静水池挡板2，在直角三角堰和静水池挡板之间形成静水池以保证水流流态的稳定均匀；直角三角堰与静水池挡板均以玻璃胶固定。在静水池挡板2下游10cm处以及实验水槽1末端即下游处，采用TGP测定仪5分别用以测量其两处，即实验水槽1内上、下游水体的TDG过饱和程度。在静水池挡板2下游0.5～2m距离为阻水介质布置区域即实验区域段，以玻璃胶在该区域段固定阻水介质4。
TGP测定仪(Total Dissolved Gas Pressure简称TGP)是用以测量表征水体TDG过饱和程度的值。
实施例
本实施例采用矩形实验水槽作为试验河道，在四川大学山区河流开发与保护国家重点实验室水环境实验厅进行。
按图1的实验装置布置连接好各部件及仪器，所述实验水槽1长250cm，宽20cm，高30cm，其坡度为4‰；实验水槽1内，设有直角三角堰3以测量水流量，直角三角堰下游设有静水池挡板2，形成静水池以保证水流流态的稳定均匀。
本实施例对24个工况进行实验，所用阻水介质材料4为木材、多孔木材，有机玻璃和PVC材料；分别将它们在不同工况中先后固定在实验水槽1内的阻水介质布置区域6中，对于木材、多孔木材和有机玻璃材料，阻水介质为长1cm，宽1cm，高20cm的正四棱柱；对于PVC材料，阻水介质为直径1.5cm，长20cm圆柱体。
测量水体过饱和程度的TGP测定仪5采用丹麦Oxyguard公司生产的Polaris TGP测定仪，其量程为0～200％，其精度为±1％。
整个实验具体操作步骤如下：
(1)对24个工况进行实验开始前，向实验水槽1内注入由TDG过饱和水生成系统生成的过饱和水，其流量为0.0006m3/s。其中，工况1-工况3实验水槽内为没有固定阻水介质，工况1的水体过饱和度为135％，工况2的水体过饱和度为130％，工况3的水体过饱和度为125％；
(2)待实验水槽1内过饱和水水流的流态稳定后，用TGP测定仪5分别测量实验水槽内上游和下游水体的TDG过饱和度，并记录好实验数据；
(3)所述步骤(2)中实验水槽1内上下游水体的TDG过饱和度测量完毕后，放空实验水槽1内的过饱和水，然后待实验水槽完全干燥后，用玻璃胶将阻水介质材料布置并固定在实验水槽1内的阻水介质布置区域6中；
对于阻水介质的布置排列形式如下：
工况4～工况9、工况13～工况15为正列布置；
工况10～工况12、工况16～工况24为交错布置；
对于阻水介质的布置疏密程度如下：
工况4～工况6为稀疏布置，工况7～工况24为加密布置；
对于所用阻水介质的材料：
工况4～工况12为有机玻璃，工况13～工况18为木材，工况19～21为多孔木材，工况22～24为PVC材料；对于所述有机玻璃、木材和多孔木材，阻水材料为长1cm，宽1cm，高20cm的正四棱柱，对于所述PVC材料为直径1.5cm，高20cm的圆柱体；
(4)待实验水槽1中固定阻水介质的玻璃胶完全干燥后，向实验水槽内注入流量为0.0006m3/s的TDG过饱和水，对于工况4、工况7、工况10、工况13、工况16、工况19、工况22的水体过饱和度为135％，对于工况5、工况8、工况11、工况14、工况17、工况20、工况23的水体过饱和度为130％，对于工况6、工况9、工况12、工况15、工况18、工况21、工况24的水体过饱和度为125％；
(5)采用TGP测定仪分别测量实验水槽内固定阻水介质后其上游、下游水体的TDG过饱和度，各工况的实验情况如下表1所示。
表1 各工况的实验情况表
如图4所示，对于阻水介质材料加密交错的排列方式，每两根阻水介质材料的纵向间距为20cm，横向间距为6cm，排列方式为每行3根阻水介质材料与每行2根阻水介质材料交替排列；同时，为了保证比表面积，即阻水介质材料总横截面积与阻水介质布置区域面积之比为7.6‰，当3根阻水介质材料为一行时，位于两边的阻水介质材料面积减少一半；如图5所示。对于阻水介质材料加密正列的排列方式，阻水介质材料纵向间距为10cm，横向间距为14cm，进行无量纲化处理得表面积比为7.6‰；如图6所示。对于阻水介质材料稀疏正列的排列方式，阻水介质材料纵向间隔为20cm，横向间隔为14cm。对其进行无量纲化处理得阻水介质材料总横截面积与阻水介质布置区域面积之比为4‰。
我国由于对高坝溶解气体过饱和问题的认识不够成熟，目前水环境质量标准中对TDG上限无明确规定。故采用美国国家环保局(United States Environmental ProtectionAgency，简称EPA)及其Washington State、Oregon State等一些州在其水质标准中均规定了TDG饱和度上限要求110％。美国陆军工程兵团根据大量的原型观测成果，提出了过饱和TDG的释放服从一阶动力学过程，其公式表达为：
G-Geq＝(G0-Geq)e-K (1)
式中，G为计算时刻的TDG饱和度，％；G0为TDG初始饱和度，％；Geq为TDG平衡饱和度，％；t为释放时间，s；K为释放系数，s-1，各工况实验的释放系数如表2所示。
表2 各工况释放系数
工况编号 释放系数K(s-1) 阻水介质布置排列情况 水体过饱和度
1 0.0058 无阻水介质， 135％
2 0.0037 无阻水介质， 130％
3 0.00070 无阻水介质， 125％
4 0.021 有机玻璃柱稀疏正列， 135％
5 0.019 有机玻璃柱稀疏正列， 130％
6 0.017 有机玻璃柱稀疏正列， 125％
7 0.026 有机玻璃柱加密正列， 135％
8 0.025 有机玻璃柱加密正列， 130％
9 0.022 有机玻璃柱加密正列， 125％
10 0.027 有机玻璃柱加密交错， 135％
11 0.027 有机玻璃柱加密交错， 130％
12 0.024 有机玻璃柱加密交错， 125％
13 0.032 木材加密正列， 135％
14 0.028 木材加密正列， 130％
15 0.025 木材加密正列， 125％
16 0.040 木材加密交错， 135％
17 0.038 木材加密交错， 130％
18 0.037 木材加密交错， 125％
19 0.043 多孔木材加密交错， 135％
20 0.041 多孔木材加密交错， 130％
21 0.037 多孔木材加密交错， 125％
22 0.024 PVC材料加密交错， 135％
23 0.020 PVC材料加密交错， 130％
24 0.020 PVC材料加密交错， 125％
根据以上实验结果，从图7所示可见：阻水介质的加入，使得水体TDG释放加快，且阻水介质排列密度越大，水体TDG释放越快。因此阻水介质的加入可以减小鱼类因长时间处于高饱和度水体中而导致气泡病的机率。
此外，从图8可见：所用阻水介质表面越粗糙，外形越不平滑，对水体TDG释放的促进效果更明显；从图9可见：阻水介质交错布置对水体TDG释放的促进效果更优于其正列布置的效果。

Claims (3)

1.一种利用阻水介质促进过饱和TDG释放的方法，其特征在于采用在实验水槽(1)内过水通道中布置阻水介质，以实现过饱和总溶解气体释放的方法，包括以下具体步骤：
(1)向实验水槽(1)内注入TDG过饱和水，其饱和度为125％、130％，或135之一；流量为0.0006m3/s；
(2)待实验水槽(1)内水流流态稳定后，用TGP测定仪(5)分别测量步骤(1)中实验水槽(1)内上游和下游水体的TDG；
(3)所述步骤(2)的测量完成后，放空实验水槽(1)内的TDG过饱和水，然后待实验水槽(1)完全干燥后，利用玻璃胶在实验水槽(1)内的阻水介质布置区域(6)中布置并固定好阻水介质(4)；
(4)再向实验水槽(1)内注入与步骤(1)的饱和度相同的TDG过饱和水，其流量为0.0006m3/s；
(5)同样使用TGP测定仪(5)分别测量实验水槽(1)内固定阻水介质(4)后其上游和下游水体的TDG；
所述实验水槽(1)内阻水介质布置区域(6)中布置固定的阻水介质(4)的布置形式分为疏密程度布置；其排列形式分为正列布置和交错布置；
所述阻水介质(4)布置形式的疏密程度分为稀疏与加密两种形式；其量化方式为比表面积，即阻水介质(4)所占面积与实验水槽(1)的底面积之比；
所述布置的稀疏程度的比表面积为4‰，其加密程度的比表面积为7.6‰。
2.根据权利要求1所述利用阻水介质促进过饱和TDG释放的方法，其特征在于所述在实验水槽(1)内阻水介质布置区域(6)中布置固定的阻水介质(4)，其排列形式为正列布置时，即按每行2根对齐排列；为交错布置时，即按每行2根与每行3根交替错开排列。
3.根据权利要求1或2所述利用阻水介质促进过饱和TDG释放的方法，其特征在于为保证实验水槽(1)内阻水介质布置区域(6)中交错布置时阻水介质(4)的稀疏程度与正列布置相同，当实验水槽内阻水介质布置区域(6)中每行为三根阻水介质时，其边上两根阻水介质(4)的横截面积仅为中间的一根阻水介质(4)的一半。
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