水利工程總?cè)芙鈿怏w過飽和問題探討

王皓冉,周卓靈,行亞楠,黃 鑫,藺 港,吳佳陽

(四川大學水利水電學院,四川成都 610065)

高壩泄流容易造成總?cè)芙鈿怏w(total dissolved gas,簡稱TDG)過飽和,TDG過飽和最主要的危害是可直接導(dǎo)致魚類氣泡病的發(fā)生,引起魚類的大規(guī)模死亡,不僅帶來嚴重的經(jīng)濟損失,還會導(dǎo)致漁業(yè)資源衰退[1]。早在20世紀60年代,美國科學家就開始對TDG過飽和問題進行研究,主要是圍繞哥倫比亞斯內(nèi)克河(Columbia and Snake River)上的水利工程泄水產(chǎn)生的TDG過飽和對河流內(nèi)大麻哈魚等珍稀保護魚類的影響開展的,從而引起了人們對水利工程導(dǎo)致TDG過飽和現(xiàn)象的關(guān)注。美國國家環(huán)境保護署也把TDG飽和度作為評價水環(huán)境質(zhì)量的一個標準,并規(guī)定將TDG飽和度110%作為水體中TDG過飽和危害的臨界值。

隨著中國西部大開發(fā)和“西電東送”戰(zhàn)略的實施,紫坪鋪、溪洛渡、向家壩、錦屏等一批高壩已建或在建,另外雙江口、白鶴灘等一批壩高在200m以上的高壩也即將建設(shè)。TDG過飽和的現(xiàn)象將日益顯著,過飽和環(huán)境風險再次被人們普遍關(guān)注。然而在國內(nèi),關(guān)于TDG過飽和的研究剛剛起步,對于TDG的生成與釋放過程、消減措施等方面的研究還不夠系統(tǒng)和全面。筆者通過系列試驗,探究影響水體中TDG過飽和的主要因素和過飽和TDG的釋放過程。

1 TDG飽和度的概念及其主要影響因子

1.1 TDG過飽和的概念

TDG是指液體(主要是水)中的總?cè)芙鈿怏w,主要包括氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳、水蒸氣等。在一定的溫度和壓強條件下,大氣中的一部分氣體會以一定的速度不斷地溶解在水中,與此同時,這些氣體又會以一定的速度不斷地從水中逸散到大氣中,當氣體溶解在水中的速度與氣體從水中逸出的速度達到平衡時的狀態(tài)就是平衡態(tài)。在溫度和壓強一定的情況下,特定氣體在水中的溶解度是相同的。但是在某些情況下水中溶解的氣體量可能會大于氣體在該溫度下的溶解度,這種情況即是TDG過飽和。

1.2 TDG飽和度的計算式

目前多采用下列公式計算水中TDG的飽和度:

式中:LTDG為水中TDG的飽和度;PTDG為TDG的壓強,在實際情況中應(yīng)為液體中各單項氣體分壓之和扣除靜水壓強補償之后的剩余壓強;PB為大氣壓強;P(g)i為第i種氣體在氣相中的分壓;P(l)i為第i種氣體在液相中的分壓[2]。

1.3 TDG飽和度的主要影響因子

影響水體中TDG含量的主要因素有氣體特性、環(huán)境條件及水質(zhì)狀況等,對于空氣在水中的溶解而言,由于空氣成分相對穩(wěn)定,因此影響TDG飽和度的因素主要為環(huán)境條件和水質(zhì)狀況。

1.3.1 環(huán)境條件

影響TDG飽和度的環(huán)境條件主要有水溫和壓強。

1.3.1.1 水溫

氣體的溶解度與水溫成反比,水溫越高,氣體分子運動速率越大,則水中氣體越容易由溶解態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)而從水中逸出,導(dǎo)致氣體溶解度降低,使水體更容易達到TDG過飽和狀態(tài)[1]。圖1表示雅礱江三灘橋斷面水溫和TDG飽和度隨時間的變化關(guān)系。可以看出,水溫和TDG飽和度有著良好的相關(guān)性。

圖1 雅礱江三灘橋斷面TD G飽和度和水溫隨時間變化曲線

為了進一步驗證水體TDG飽和度與水溫的相關(guān)性,在實驗室中進行了水體加溫試驗。試驗中對TDG初始值為117%的過飽和水進行加溫,加溫范圍為14～38℃,并對加溫后的水體進行自然降溫。試驗過程中TDG飽和度隨水溫的變化過程線如圖2所示。

圖2 試驗水體中TDG飽和度隨水溫變化過程線

1.3.1.2 壓強

氣體溶解度與壓強成正比,壓強越大則氣體的溶解度越大。水中氣體的溶解度不僅與氣壓有關(guān),而且與液靜壓有關(guān),即水體深度越深,水體液靜壓越大,氣體的溶解度就越大,就越不易形成TDG過飽和。

1.3.2 水質(zhì)狀況

水體的含鹽量、pH值等也是影響氣體溶解度的重要因素,而水氣界面面積、水體紊動強度等也會對氣體溶解速度產(chǎn)生重要影響,因而水體的具體情況如含鹽量、pH值、水氣界面面積、水體紊動強度等都會對TDG過飽和產(chǎn)生重要影響。

2 TDG過飽和產(chǎn)生原因分析

2.1 不同水體的TDG飽和度觀測

對景觀水、人工湖水、荷花池水等不同水體進行TDG飽和度測量,結(jié)果見表1?？梢?自來水TDG飽和度達到100%,由于污染及水生生物耗氧等因素的影響,景觀水、人工湖水、荷花池水的TDG飽和度均低于100%。

表1 不同類型水體TDG含量對比

對成都市九眼橋橡膠壩上下游水體的TDG含量進行測定。九眼橋橡膠壩位于成都市府南河九眼橋河段,橡膠壩長 72 m,壩高 3.7 m,壩袋容積1766.4m3。泄流過程中,分別在橡膠壩上游20m揣和下游100m處設(shè)立2個觀測點。對觀測點處水體TDG飽和度的測量結(jié)果表明,下泄水體中TDG飽和度為 104%,明顯高于壩前水體TDG的飽和度(101%),最大差值約3%。由此說明,泄流可以導(dǎo)致水體溶解氣體含量增加甚至過飽和。

2.2 水利工程泄流中TDG過飽和形成的條件分析

通常情況下,水利工程泄流導(dǎo)致水體TDG過飽和依托于2個必要條件——摻氣和加壓。高速下泄的水流將空氣以氣泡的形式帶至水體深處,即摻氣過程;同時,由于水壓的作用,致使氣泡周圍水體TDG含量迅速升高,即加壓過程。之后在水流摻混作用下,生成的含高濃度溶解氣體的水流被帶入到下游水較淺處(水壓較小),相對于當?shù)貕毫Χ?就出現(xiàn)了TDG水體過飽和現(xiàn)象。

當然,高壩泄洪導(dǎo)致的氣體過飽和還與泄洪道高度、單寬流量等因素有關(guān),這些因素的變化均會改變水體摻氣和壓力條件,從而影響大壩下游水體中TDG的飽和度。

3 影響TDG釋放的關(guān)鍵因素探究

大壩泄流產(chǎn)生的TDG過飽和水流,一般情況下TDG釋放較為緩慢,如靜置的TDG飽和度為140%的水體,恢復(fù)至飽和水平通常需要50h,而河道(如長江中游)天然情況下溶解氧過飽和恢復(fù)速度為平均每100km降低約5%[3]。研究表明,紊動強度和水體溫度對TDG的釋放有著顯著的作用。為了探究過飽和TDG的釋放與紊動強度及水體溫度的關(guān)系,筆者在實驗室中分別進行了擾動試驗和加溫釋放試驗,研究不同紊動條件和水溫條件下過飽和TDG的釋放過程。

3.1 擾動試驗

3.1.1 試驗方法

試驗裝置如圖 3所示,裝置包括玻璃容器、P4 tracker水質(zhì)分析儀、可變速攪拌器和空壓機,其中玻璃容器高27.5cm、直徑24cm。

圖3 擾動釋放試驗裝置示意圖

試驗開始之前對TDG飽和度為100%的自來水進行處理。開啟空壓機,通過向自來水中加壓泵氣,使水中溶解氣體迅速過飽和。用P4 tracker水質(zhì)分析儀對水樣的飽和度進行測定,取TDG飽和度為140%的過飽和水作為擾動試驗用水。通過調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速,分別測量在200r/min,400r/min,600r/min時TDG飽和度隨時間的變化情況。

3.1.2 試驗結(jié)果分析

不同轉(zhuǎn)速下TDG飽和度隨時間的變化情況如圖4所示。從TDG釋放過程可以觀察到,隨著攪拌器轉(zhuǎn)速的增加,TDG由過飽和狀態(tài)降至飽和狀態(tài)的時間逐漸縮短,表明水體紊動強度的大小是影響TDG釋放快慢的關(guān)鍵因素。從整個釋放過程分析,TDG釋放速率隨時間逐漸變緩。

3.2 水溫對過飽和TDG釋放的影響試驗

圖4 不同紊動條件下TDG釋放過程

在擾動試驗的基礎(chǔ)上,在過飽和水容器內(nèi)放入加熱棒,用以控制試驗水溫。分別進行16.7℃,25.5℃,33.8℃水溫條件下的TDG釋放試驗。3組試驗中攪拌器轉(zhuǎn)速均為400 r/min。不同水溫條件下,TDG飽和度隨時間的變化情況如圖5所示。

試驗表明,在紊動強度等其他條件一定的情況下,水溫是影響水體TDG釋放速率的關(guān)鍵因素。水溫越高,TDG由過飽和降至飽和的時間越短,總?cè)芙鈿怏w釋放速率越快。

圖5 不同水溫條件下TDG的釋放過程

4 結(jié) 語

通過對不同水體TDG飽和度進行觀測對比,發(fā)現(xiàn)泄流可以導(dǎo)致水體溶解氣體含量增加甚至過飽和。在此基礎(chǔ)上,采用試驗方法探討了TDG過飽和產(chǎn)生的原因及其釋放過程,結(jié)果表明水利工程泄流引起的TDG過飽和與泄洪摻氣、壓力、紊動強度、水溫等因素相關(guān)。為了減少TDG過飽和的影響,在水利工程調(diào)度過程中,建議通過減少水庫泄流流量、泄流頻率及泄流歷時,盡可能地泄放高溫水,減緩水利工程中溶解氣體過飽和的影響。

TDG過飽和問題是一個復(fù)雜的熱點和難點問題,我國對此問題的研究開展較晚,理論認識不夠成熟和完善。目前,關(guān)于高壩水利工程TDG過飽和的影響研究,比較缺乏長期系統(tǒng)的原型觀測。因此,建議對已建高壩水利工程加強泄水過程中過飽和TDG的原型觀測研究;對于待建的高壩水利工程,開展TDG過飽和的影響預(yù)測及減緩措施研究。

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