CN108842712B - 利用滚水坝促进过饱和do释放的方法、实验装置及释放规律的研究方法 - Google Patents

利用滚水坝促进过饱和do释放的方法、实验装置及释放规律的研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的方法、实验装置及释放规律的研究方法。通过在下游河道水流入口位置设置沿河道流向的滚水坝，能够促进下游河道水流中过饱和DO的加快释放，且释放效果较为显著；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、以及改善“气泡病”对鱼类养殖的不利影响，具有重要的工程意义；并可用于开展有关滚水坝促进过饱和DO释放规律方面的研究，为过饱和DO影响的减缓措施研究提供重要的基础数据和理论依据。

Description

利用滚水坝促进过饱和DO释放的方法、实验装置及释放规律 的研究方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，涉及水利工程溶解气体过饱和技术的研究，具体涉及一种利用滚水坝来促进水中过饱和溶解氧释放的方法、利用滚水坝促进过饱和溶解氧释放的规律的研究方法以及实验装置。
背景技术
面对目前资源短缺及环境污染的现状，开发绿色无污染的清洁能源是目前能量领域的重要发展方向。水电工程建设成本低且绿色无污染，因此在水力资源丰富的地区建设有很多水电站。随着水电站高坝的建成，随之带来的环境问题也日益引起人们的关注，其中泄洪伴随的溶解气体过饱和引起鱼类患气泡病甚至大规模死亡的问题近年受到广泛关注。
高坝泄水时，大量气体被水舌卷入水垫塘内，并在水垫塘深处的高压环境下溶解入水体中，使水体中的溶解气体，主要包括溶解氧(DO，Dissolved Oxygen)和溶解氮(DN，Dissolved Nitrogen)过饱和，称为水体总溶解气体(Total dissolved gas，TDG)过饱和。过饱和的DO在向下游河道输移过程中并不会很快释放，在此过程中就会对河道内鱼类等水生生物产生不利影响。由于很多渔业和鱼类增殖站的水源均来自高坝泄水，所以过饱和DO会对这些鱼类养殖产生极其不利的影响。
由于泄水导致溶解气体过饱和的生成不可避免，而加快水体中DO的释放将有助于水体快速有效地恢复至正常饱和状态，从而减缓对鱼类等水生生物的不利影响等，对水体生态的维护具有重要的实际应用价值。因此，如何加快水体中DO的释放是目前研究的重点及难点。
发明内容
本发明目的旨在针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的方法，促进下游河道水流中过饱和DO的加快释放，该方法可以有效缓解鱼类因长时间处于DO过饱和状态导致的患“气泡病”、甚至死亡现象，从而避免水利工程泄水对鱼类养殖的不利影响。
本发明的另一目的旨在提供一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置，并利用该装置开展有关滚水坝促进过饱和DO释放规律的研究方法，这对减缓水利工程泄水及水产养殖中产生的DO过饱和、以及对鱼类养殖不利影响等方面的研究具有重要的理论价值和工程意义；同时也可以为过饱和DO影响的减缓措施研究提供重要的基础数据和理论依据。
为了达到上述发明目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现。
本发明提供了一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的方法，在下游河道水流入口位置设置沿河道流向的滚水坝。通过设置滚水坝，可以影响河道的水流深度，而水深会影响过饱和DO释放速率；当河流深度较浅时，过饱和DO释放速率明显加快；此外，滚水坝还会使河床地形发生变化(如使河床出现跌水等现象)，这也会引起水力调节随之发生变化，在跌水过程中增加了水体与大气的接触面积，而且提高了局部水体的紊动，有助于过饱和DO的释放。考虑到河道的宽度以及河道的地势及水流条件，为了更好地促进河道水流中过饱和DO的释放，所述滚水坝的长高比设定为80:1～10:1。
本发明进一步提供了一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置，包括实验水槽、位于实验水槽上游的三角堰、位于三角堰后方的静水池挡板和位于静水池挡板后方的滚水坝；所述滚水坝坝前及坝后分别设置DO测定仪。
上述利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置，实验水槽为整个实验装置的主体，其上游设置的三角堰用于测量实验水槽内水流量，本发明采用的三角堰为直角三角堰。在三角堰后方设置静水池挡板，从而在三角堰与静水池挡板之间形成静水池以保证实验水槽内水流流态的稳定均匀。所述滚水坝起始位置位于静水池挡板后方1.0m位置；在优选的实施方式中，所述滚水坝的宽与实验水槽内侧宽度相等，滚水坝长高比为80:1～10:1。所述滚水坝坝前及坝后分别设置DO测定仪，用以测量实验水槽内滚水坝坝前和坝后水流稳定段水体中DO饱和度值。
本发明还进一步提供了一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的释放规律的研究方法，采用上述实验装置按照以下步骤进行：
(1)在实验水槽内自上游开始依次设置三角堰、静水池挡板，并向实验水槽内注入DO过饱和水；
(2)待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪分别测量实验水槽内上游及下游水流稳定段水体中的DO饱和度值，并记录好实验数据；
(3)在实验水槽内静水池挡板后方1.0m位置设置滚水坝；
(4)待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪分别测量实验水槽内滚水坝坝前及坝后水流稳定段水体中的DO饱和度值，并记录好实验数据；
更换不同尺寸的滚水坝，重复步骤(3)-(4)，得到不同工况下过饱和DO随滚水坝尺寸变化的释放规律。
上述利用滚水坝促进过饱和DO释放的释放规律研究方法，所述DO过饱和水流量为2.4～9.7L/s；所述DO过饱和水中DO饱和度为180％～185％。
本发明通过在下游河道中设置滚水坝，当水流流经滚水坝时，滚水坝会对水流产生阻滞作用，雍高上游水位，同时在水流流经坝体时迅速降低水深，在尾水形成跌水以及水跃，加强了水体紊动，从而促进水体中过饱和DO的释放。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1、本发明首次提出利用滚水坝促进河道水流中过饱和DO释放的方法，通过在下游河道水流入口设置滚水坝，能够促进下游河道水流中过饱和DO的加快释放，且释放效果较为显著，对于减缓水利工程泄水及水产养殖中产生的DO过饱和、以及改善“气泡病”对鱼类养殖的不利影响，具有重要的工程意义；
2、本发明利用滚水坝促进过饱和DO释放的方法，滚水坝坝长一定时，坝高越高，促进效果越佳；滚水坝坝高一定时，坝长越长，促进效果越佳；
3、本发明提供的利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置，可用于开展有关滚水坝促进过饱和DO释放的释放规律方面的研究，为过饱和DO影响的减缓措施研究提供重要的基础数据和理论依据。
附图说明
图1为本发明实施例中利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置结构示意图。
图2为本发明实施例中挡板对照组实验装置结构示意图。
图3为本发明实施例实验水槽中上下游水体中DO饱和度的差值(即DO饱和度差值)随滚水坝长变化的曲线图。
图4为本发明实施例实验水槽中上下游水体中DO饱和度的差值(即DO饱和度差值)随滚水坝高变化的曲线图。
图5为本发明实施例中不同工况下过饱和DO的释放系数随滚水坝长变化的曲线图。
图6为本发明实施例中不同工况下过饱和DO的释放系数随滚水坝高变化的曲线图。
其中，1-实验水槽，2-三角堰，3-静水池挡板，4-对照挡板，5-滚水坝，6-DO测定仪。
具体实施方式
以下将对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例
DO测定仪为德国WTW Oxi3210型便携式溶解氧仪。
(一)利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置
本实施例提供的利用滚水坝促进过饱和总溶解气体释放的实验装置，如图1所示，包括实验水槽1、三角堰2、静水池挡板3、滚水坝5和DO测定仪6。实验水槽为整个实验装置的主体，其形状为矩形实验水槽，长1.42m、宽0.5m，高0.3m，坡度4‰。三角堰2为直角三角堰，位于实验水槽1最上游，用以测量实验水槽内的水流量。三角堰2后方设置有静水池挡板3，在三角堰与静水池挡板之间形成静水池以保证水流流态的稳定均匀。三角堰和静水池挡板均用玻璃胶固定于实验水槽底部。在距离静水池挡板3下游1.0m处设置滚水坝5。在滚水坝坝前和坝后水流稳定段用DO测定仪6测量水体中DO的饱和度。
(二)挡板对照组实验装置
为了便于通过实验证明利用滚水坝对水体中过饱和DO释放的促进作用，本实施例进一步提供了挡板对照组实验装置，如图2所示，该实验装置与利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置，其不同之处在于，在距离静水池挡板3下游1.0m处设置对照挡板4，对照挡板4与相应滚水坝5高度和宽度一致；其他设置与图1的利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置相同。
本实施例所以滚水坝是由宽0.5m、长1.0m、高0.05m的模块叠加组合而成，以满足不同工况条件下对滚水坝高度、长度要求的。
本实施例利用上述实验装置进行利用滚水坝促进过饱和DO释放规律的研究，具体实验过程如下：
(1)在实验水槽内自上游开始依次设置三角堰、静水池挡板，并向实验水槽内注入总溶解气体过饱和水生成系统生成的DO过饱和水，并控制实验水槽内水流流量为5.7L/s，过饱和度为180％～185％；
(2)待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪分别测量实验水槽内上游及下游水流稳定段水体中的DO饱和度值，并记录好实验数据；
(3)在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置对照挡板4；
(4)待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪测量实验水槽内对照挡板前及对照挡板后水流稳定段水体中的DO饱和度值，并记录好实验数据；
(5)在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置与对照挡板相应的且等高的滚水坝5；
(6)待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪测量实验水槽内滚水坝坝前及滚水坝坝后水流稳定段水体中的DO饱和度值，并记录好实验数据；
更换不同尺寸的对照挡板和滚水坝，重复步骤(3)-(4)或(5)-(6)，得到不同工况下过饱和DO随滚水坝尺寸变化的释放规律。
本实施例设计了11种工况，具体如下：
对照挡板和滚水坝的宽与实验水槽宽一致，均为0.5m。
工况1：空白对照组，即在未设置对照挡板和滚水坝的情况下，待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪分别测量实验水槽内上游及下游水流稳定段水体中的DO饱和度值；
工况2：在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置对照挡板，挡板厚0.006m，高0.1m；
工况3：在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长4m，高0.1m；
工况4：在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长3m，高0.1m；
工况5：在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长2m，高0.1m；
工况6：在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长1m，高0.1m；
工况7：在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置对照挡板，挡板厚0.006m，高0.05m；
工况8:在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长4m，高0.05m；
工况9:在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长3m，高0.05m；
工况10:在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长2m，高0.05m；
工况11:在实验水槽内静水池挡板后方1.0m处设置滚水坝，坝长1m，高0.05m。
通过上述实验过程，得到的各工况下的测量分析数据如表1所示。
表1各工况下测量得到的溶解氧气含量及DO饱和度差值
Figure BDA0001674598700000051
从表1中分析数据可以看出，相对于空白对照组和挡板对照组，设置滚水坝能够使实验水槽上下游DO饱和度差值增加，说明能够更好地促进水体中溶解氧气的释放。
根据表1中各工况下的分析数据，分别得到DO饱和度差值随滚水坝长度和高度的变化曲线，如图3和图4所示。从图3可以看出设置具有一定长度的滚水坝，能够使实验水槽内DO饱和度差值增加，而且上下游DO饱和度差值随着坝长的增加呈现明显增大的趋势。同样，从图4可以看出，实验水槽上下游DO饱和度差值随着滚水坝高度的增加而增加。因此，在河道下游入河口设置具有一定长度和高度的滚水坝可以促进水体中过饱和总溶解气体的释放，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。
经研究，过饱和DO在下游河道的释放服从于一阶动力学过程，公式如下所示：
Figure BDA0001674598700000061
式中，G为计算时刻的DO饱和度(％)；Geq为DO平衡饱和度(％)；t为滞留时间(h)；KT为释放系数(h-1)。
在本次实验过程中，将释放系数的估算公式采用一维计算公式，具体表示如以下公式：
Figure BDA0001674598700000062
式中，G为计算时刻的DO饱和度(％)(本实施例中为测量的下游水体DO饱和度)；Geq为DO平衡饱和度(％)(平衡饱和度为100％)；G0为起始时刻的DO饱和度(％)本实施例中为测量的上游水体DO饱和度；t为滞留时间(s)；KT为释放系数(s-1)。
采用公式(2)计算得到各工况下DO过饱和度释放系数，计算结果如表2所示。
表2各工况计算得到的释放系数
工况编号 滞留时间 释放系数 备注
1 49 0.00102 空白对照组
2 53 0.00070 挡板厚0.006m，高0.05m
3 53 0.00143 坝长1m，高0.05m
4 53 0.00119 坝长2m，高0.05m
5 53 0.00195 坝长3m，高0.05m
6 53 0.00200 坝长4m，高0.05m
7 53 0.00093 挡板厚0.006m，高0.1m
8 55 0.00165 坝长1m，高0.1m
9 52 0.00120 坝长2m，高0.1m
10 52 0.00201 坝长3m，高0.1m
11 55 0.00243 坝长4m，高0.1m
根据表2中各工况下的DO过饱和度释放系数，分别得到DO过饱和度释放系数随滚水坝长度和高度的变化曲线，如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，设置的滚水坝坝长越长，坝高越高，对水体DO释放的促进效果更显著。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的方法，其特征在于在下游河道水流入口位置设置沿河道流向的滚水坝；滚水坝整体为长方体结构；通过设置滚水坝，影响河道的水流深度，而水深会影响过饱和DO释放速率；当河流深度较浅时，过饱和DO释放速率明显加快；此外，滚水坝还会使河床地形发生变化，这也会引起水力调节随之发生变化，在跌水过程中增加了水体与大气的接触面积，而且提高了局部水体的紊动，有助于过饱和DO的释放；考虑到河道的宽度以及河道的地势及水流条件，为了更好地促进河道水流中过饱和DO的释放，所述滚水坝的长高比为80:1~10:1。
2.一种利用滚水坝促进过饱和DO释放的实验装置，其特征在于包括实验水槽（1）、位于实验水槽（1）上游的三角堰（2）、位于三角堰（2）后方的静水池挡板（3）和位于静水池挡板（3）后方的滚水坝（5）；滚水坝是由宽0.5m、长1.0m、高0.05m的模块叠加组合而成；所述滚水坝（5）起始位置位于静水池挡板（3）后方1.0米位置；所述滚水坝坝前及坝后分别设置DO测定仪（6）；所述滚水坝（5）的宽与实验水槽（1）内侧宽度相等，滚水坝长高比为80:1~10:1；所述三角堰（2）为直角三角堰。
3.一种利用滚水坝促进过饱和DO释放规律的研究方法，其特征在于采用权利要求2所述的实验装置按照以下步骤进行：
（1）在实验水槽内自上游开始依次布置三角堰、静水池挡板，并向实验水槽内注入DO过饱和水；
（2）待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪分别测量实验水槽内上游及下游水流稳定段水体中的DO饱和度值，并记录好实验数据；
（3）在实验水槽内静水池挡板后方1.0米位置布置滚水坝；
（4）待实验水槽内水流流态稳定后，用DO测定仪分别测量实验水槽内滚水坝坝前及坝后水流稳定段水体中的DO饱和度值，并记录好实验数据；
更换不同尺寸的滚水坝，重复步骤（3）-（4），得到不同工况下过饱和总溶解气体随滚水坝尺寸变化的释放规律。
4.根据权利要求3所述的利用滚水坝促进过饱和DO释放规律的研究方法，其特征在于步骤（1）中，所述DO过饱和水流量为2.4~9.7L/s；所述DO过饱和水中DO过饱和度为180%~185%。
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