一种研究过饱和气体在河道中全程释放规律的装置及方法与流程

本发明属于生态水利工程领域，尤其涉及一种研究过饱和气体在河道中全程释放规律的装置及方法。

背景技术：

在中国应对全球快速增长的能源消费需求，提出大力发展水电以及水电基地化建设的战略背景下，为了提高水电开发效益，高坝大库和龙头水库的建设成为我国水电开发的重要模式。但是，高坝的运行会对水生生物的生境尤其是鱼类生境产生重大影响。由于高坝泄洪时大量的空气进入下游水垫塘，同时由于水垫塘水深较大，进入的空气受静水压强的作用，大量溶解在水中，导致总溶解气体浓度超过水体的饱和浓度，形成气体过饱和。过饱和溶解气体在下游河道随水流输移过程中，释放过程比较缓慢，导致下游河道鱼类患“气泡病”，甚至大量死亡。因此，研究总溶解气体在河道中的释放过程可以为寻求减缓气体过饱和危害、改善鱼类生境的措施提供理论基础与技术依据，具有重要意义。

目前，针对过饱和气体在河道中释放过程的研究主要是采用原型观测、室内实验及数值模拟等技术手段。原型观测是通过对现场的实测资料，分析高坝泄水时下游河道过饱和气体的释放过程。一方面由于电站的运行需要满足防洪、灌溉、发电等要求，故高坝电站通常在库容无法满足安全要求的情况下进行泄洪，泄洪频率低，持续时间短，因此不利于开展原型观测；另一方面，过饱和气体的释放过程与河道的形态、水面风速及含沙量等特性有关，原型观测是针对某一具体的河道进行分析，河道特性各有不同，观测结果不具有普适性。室内实验主要有两种方法，一种是通过搅拌气体过饱和水体，监测总溶解气体压力的变化情况，对水动力特性与气体释放速率之间的内在联系进行定性分析；另一种是通过监测过饱和气体在矩形水槽内的释放过程进行研究，但是受场地限制，水槽长度有限，同时由于气体释放较慢，因此只能分析短时间、短距离的气体释放过程，无法掌握长序列全程释放过程。数值模拟是通过建立过饱和气体输移扩散流模型进行分析计算，但是数值模型的建立以及模型中大量参数的率定是基于原型观测和室内实验的结果之上，对实测数据依赖性较高。

申请号为201310424227.4的专利申请文件公开了一种坝下河道过饱和气体加速释放研究的实验装置，包括依次连接的循环水池、变频水泵、高压釜、可变坡的恒温水槽和沉砂池，所述沉砂池的出水口与所述循环水池进水口连接形成水循环；所述高压釜还与向所述高压釜输入氧气的供气箱连接；所述高压釜上设置有调节气阀、安全气阀、气压表以及总溶解气体测定仪；所述恒温水槽的两侧壁顶部设置有输沙箱；所述恒温水槽中还设置有紊动加速装置、节点模型、前端总溶解气体测定仪、后端总溶解气体测定仪、前端adv三维流速测量仪和后端adv三维流速测量仪。其能满足水体紊动、泥沙和不同河道节点边界、水温等各因素对坝下河道中过饱和气体释放的机理研究。但是该发明中的恒温水槽采用的是可变坡的，其缺点是采用顺直水槽或者变坡水槽进行研究，只能得到饱和度在短时间内的变化情况，由于过饱和气体释放速率先快后慢，当饱和度在120％附近时，气体释放耗时较长，顺直水槽内气体饱和度变化幅度不大，影响得到的关于气体释放规律结论的准确性。因此，要研究过饱和气体释放完整过程与水动力特性、温度、含沙量等因素之间的定量响应关系，此发明具有一定的局限性。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有过饱和气体释放研究的实验装置可行性不高、计算结果精确度较低、且不能研究全程释放规律的缺陷，提出一种研究过饱和气体在河道中全程释放规律的装置及方法。

技术方案：本发明所述的研究过饱和气体在河道中全程释放规律的装置，包括水槽、总溶解气体压力测定仪和流速仪，还包括电机、传动轴、螺旋桨、稳流器和排水口，所述电机设置于所述水槽直道上方，所述螺旋桨通过所述传动轴连接所述电机，并置于所述水槽内，所述总溶解气体压力测定仪设置于所述水槽的另一直道内，所述流速仪数量若干，均匀分布于所述水槽的直道内，所述排水口布置于水槽底部；所述水槽为圆角方环形水槽，圆角处设有稳流器。

其中，所述流速仪(3)数量为4个，每一直道内分布1个。所述流速仪(3)具体为旋浆流速仪。

本发明所述的采用上述装置研究过饱和气体在河道中释放规律的方法，核心是将整个水槽作为是河道一个断面的概化，将水槽在某一时刻的溶解气体压力作为概化河道断面在该时刻下的溶解气体压力，将某一时刻水槽的平均水动力特性作为在该时刻下概化河道断面的平均水动力特性，根据释放时间和平均流速，推求气体完全释放需要流经的河段长度，根据记录的每时刻下气体饱和度，确定该河道全程释放规律。

本发明所述的采用上述装置研究过饱和气体在河道中全程释放规律的方法，主要操作步骤包括：

(1)向水槽内注入气体过饱和水体至目标水位；

(2)将总溶解气体压力测定仪放置于水槽的与螺旋桨所在直道不同的另一直道内，实时监测水槽该位置处的总溶解气体压力，并以此压力值作为水槽平均总溶解气体压力值；

(3)开启电机调至目标转速，驱动水体在目标流速下流动；

(4)待水流稳定后，采用流速仪测量水槽各点的流速，并求平均流速；

(5)待总溶解气体压力降至目标压力时，停止记录总溶解气体压力，关闭电机；

(6)打开水槽底部阀门放水，待水排干，擦干边壁；

(7)设定新的目标水位、电机目标转速、水体目标流速和总溶解气体目标压力，并重复(1)～(6)，直至完成所有工况；

(8)根据释放时间和平均流速，得出各工况下，气体释放至目标压力需要流经的河段长度；

(9)根据各工况过饱和气体全程释放过程记录的数据，计算每一时刻的释放速率；

(10)对各工况过饱和气体全程释放过程记录的气体饱和度变化数据进行拟合，得到过饱和气体在河道中的释放速率。

其中，所述目标水位为实现实验目的设置的不同工况下注水需要达到的水位高，具体根据湿周、水力半径对目标水位进行设置，且目标水位至少高于螺旋桨叶片转动最高点2cm。所述降至目标压力具体为饱和度100％对应的气体压力。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明创新性地提出圆角方形环状水槽对天然河道断面进行概化，即将某一时刻整个水槽作为一个整体，看做是某一时刻河道的过水断面(截面)，将水槽在某一时刻的平均总溶解气体压力作为河道断面在该时刻下的总溶解气体压力，随着时间推移，不同时间的断面就构成了空间上的“长度”，类似水体流经有长度的河道。这种方法具有断面平均流速沿程不变，断面尺寸沿程不变的特性，把水槽内各点的流速相加再进行平均得到水槽内的平均流速，并以此平均流速作为概化河道断面平均流速，计算结果更精确。而变坡水槽或顺直水槽是直接模拟天然河道，而不是河道断面，因此流速不平均，导致断面尺寸沿程会有改变，流速平均值计算可能不准确；

(2)相比现有技术的顺直水槽或者变坡水槽对水槽长度要求过高，环形水槽占地面积非常小，长度两米左右即可，可行性高；

(3)圆角方形环状水槽改变了水方向，对水动力有影响，稳流器可以克服该方向改变产生的水体紊动，消除紊动对气体释放过程的影响；

(4)本发明结构简单、成本较低，所用环形水槽购买简单；

(5)本发明提出的研究方法，不仅可以用于定量研究水动力特性与过饱和气体释放速率之间关系，还可以用于其它与河道过饱和气体释放过程相关的研究，为促进过饱和气体的释放，降低水利工程泄水导致气体过饱和对鱼类的影响具有重要意义。

附图说明

图1为本发明提供的装置的结构示意图；

图2为图1的剖面示意图；

图3为稳流器剖面示意图；

图4为三种工况下饱和度随时间的变化示意图；

图5为释放系数与雷诺数的关系示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种研究过饱和气体在河道中释放规律的装置，如图1和图2所示，包括水槽1、总溶解气体压力测定仪2、流速仪3、电机4、传动轴5、螺旋桨6、稳流器7和排水口8。其中，水槽1为圆角方形环状水槽，圆角处设有稳流器7，稳流器7剖面如图3所示。整个水槽作为河道断面的概化，将水槽在某一时刻的平均溶解气体压力作为概化河道断面在该时刻下的溶解气体压力。电机4设置于环形水槽1的直道上方，即c点所在直道上方，螺旋桨6通过传动轴5连接电机4，并置于环形水槽1内。电机4、传动轴5和螺旋桨6构成驱动装置，驱动水体进行沿环形水槽流动。总溶解气体压力测定仪2设置于环形水槽1的另一直道内，流速仪3具体为旋浆流速仪，数量若干，可以是4个，每一直道分布一个，例如图1中的a,b,c,d点，当水槽较长时，也可以为8个，均匀分布即可。

实施例2

本实施例提供了一种采用实施例1的装置研究过饱和气体在河道中释放规律的方法。核心是将整个水槽作为是河道一个断面的概化，将水槽在某一时刻的溶解气体压力作为概化河道断面在该时刻下的溶解气体压力，将某一时刻水槽的平均水动力特性作为在该时刻下概化河道断面的平均水动力特性，根据释放时间和平均流速，推求气体完全释放需要流经的河段长度，根据记录的每时刻下气体饱和度，确定该河道全程释放规律。

首先按照实施例1组装实验装置，其中环形水槽的各参数为：高0.6m，两直道长度均为1.68m，两弯道的外半径均为0.6m，内半径均为0.3m，底坡为0；电机转速范围为0～1300r/min；螺旋桨叶片最大直径0.15m。可以看出，水槽长度只需2m即可。

表1实施例实验工况

本实施例目标是研究流速、水深与释放速率及雷诺数与释放速率之间的关系，因此拟定表1中9个工况进行实验。

测量总溶解气体压力的测定仪采用美国hach公司生产的多参数水质分析仪，其量程为400～1300mmhg，精度为范围的±1％，分辨率为1mmhg。

实验步骤如下：

(1)向环形水槽内注入气体过饱和水体至目标水位；

(2)将总溶解气体压力测定仪放置于环形水槽的与螺旋桨不同的另一侧直道内，实时监测水槽该位置处的总溶解气体压力，并以此压力值作为水槽平均总溶解气体压力值；

(3)开启电机调至目标转速，驱动水体在目标流速下流动；

(4)待水流稳定后，采用流速仪测量环形水槽各点的流速，并求平均流速；

(5)待总溶解气体压力降至与过饱和度110％对应的目标压力时，停止记录总溶解气体压力，关闭电机；

(6)打开环形水槽底部阀门放水，待水排干，擦干边壁；

(7)设定新的目标水位、电机目标转速、水体目标流速和总溶解气体目标压力，并重复(1)～(6)，直至完成所有工况；

(8)根据记录数据计算所有工况下的释放速率。

为了分析各工况下过饱和总溶解气体(tdg)释放特性，以释放速率来表征tdg饱和度变化的快慢，即单位时间内tdg饱和度的变化量：

式中vg为tdg饱和度释放速率，dg为饱和度变化量，dt为饱和度变化所用时间。

如图4所示，在同一水深下，流速越大，气体释放越快；但是随着饱和度的下降，气体释放速率也开始下降；当饱和度下降至110％附近时，释放速率有与流速无关并趋于定值的趋势。通过表2可以看出，当饱和度为120％，水深为0.25m时，对于流速范围在0.19m/s～0.45m/s的情况下，释放速率范围是6.37％/h～10.33％/h；当饱和度为120％，水深为0.30m时，对于流速范围在0.13m/s～0.25m/s的情况下，释放速率范围是6.12％/h～8.75％/h；当饱和度为120％，水深为0.35m时，对于流速范围在0.10m/s～0.20m/s的情况下，释放速率范围是3.17％/h～4.79％/h。同时通过观察总溶解气体完整的释放过程，还可以发现，尽管9个工况的流速、水深均不相同，但是当饱和度下降至110％附近时，释放速率逐渐趋于定值1.58％/h。

表2总溶解气体释放速率

(9)对计算得到的释放速率进行拟合，得到过饱和气体在河道中释放规律。

过饱和tdg的释放过程符合一阶动力学变化，具体的表述公式为：

式中g为t时刻下的tdg饱和度，％；g0为tdg初始饱和度，％；geq为tdg平衡饱和度，通常取100％；kt为耗散系数，h^-1；t为时间，h。

将公式对上述9个工况的过饱和tdg释放过程进行拟合，由表3可知，拟合优度r²均大于0.96，拟合程度很好。根据拟合结果，得到各工况下的释放系数，将结果列于表3。通过表3可以发现，工况25c的释放系数最大，为0.411h^-1，工况35a的释放系数最小，为0.142h^-1。主要因为工况25c的雷诺数为32204，最大；而工况35a的雷诺数为8015，最小。雷诺数大意味着水体紊动及交换剧烈，紊动的过程促进过饱和tdg的释放。雷诺数与释放速率之间的关系见表3及图5。可以发现，雷诺数与释放速率之间呈线性正相关，随着水体雷诺数的增大，释放速率也呈线性增加。释放速率与雷诺数之间的拟合关系式为：kt＝0.00001re+0.0426，拟合优度为0.9734。

表3总溶解气体释放系数