水利工程总溶解气体过饱和问题探讨

王皓冉,周卓灵,行亚楠,黄 鑫,蔺 港,吴佳阳

(四川大学水利水电学院,四川成都 610065)

高坝泄流容易造成总溶解气体(total dissolved gas,简称TDG)过饱和,TDG过饱和最主要的危害是可直接导致鱼类气泡病的发生,引起鱼类的大规模死亡,不仅带来严重的经济损失,还会导致渔业资源衰退[1]。早在20世纪60年代,美国科学家就开始对TDG过饱和问题进行研究,主要是围绕哥伦比亚斯内克河(Columbia and Snake River)上的水利工程泄水产生的TDG过饱和对河流内大麻哈鱼等珍稀保护鱼类的影响开展的,从而引起了人们对水利工程导致TDG过饱和现象的关注。美国国家环境保护署也把TDG饱和度作为评价水环境质量的一个标准,并规定将TDG饱和度110%作为水体中TDG过饱和危害的临界值。

随着中国西部大开发和“西电东送”战略的实施,紫坪铺、溪洛渡、向家坝、锦屏等一批高坝已建或在建,另外双江口、白鹤滩等一批坝高在200m以上的高坝也即将建设。TDG过饱和的现象将日益显著,过饱和环境风险再次被人们普遍关注。然而在国内,关于TDG过饱和的研究刚刚起步,对于TDG的生成与释放过程、消减措施等方面的研究还不够系统和全面。笔者通过系列试验,探究影响水体中TDG过饱和的主要因素和过饱和TDG的释放过程。

1 TDG饱和度的概念及其主要影响因子

1.1 TDG过饱和的概念

TDG是指液体(主要是水)中的总溶解气体,主要包括氮气、氧气、氩气、二氧化碳、水蒸气等。在一定的温度和压强条件下,大气中的一部分气体会以一定的速度不断地溶解在水中,与此同时,这些气体又会以一定的速度不断地从水中逸散到大气中,当气体溶解在水中的速度与气体从水中逸出的速度达到平衡时的状态就是平衡态。在温度和压强一定的情况下,特定气体在水中的溶解度是相同的。但是在某些情况下水中溶解的气体量可能会大于气体在该温度下的溶解度,这种情况即是TDG过饱和。

1.2 TDG饱和度的计算式

目前多采用下列公式计算水中TDG的饱和度:

式中:LTDG为水中TDG的饱和度;PTDG为TDG的压强,在实际情况中应为液体中各单项气体分压之和扣除静水压强补偿之后的剩余压强;PB为大气压强;P(g)i为第i种气体在气相中的分压;P(l)i为第i种气体在液相中的分压[2]。

1.3 TDG饱和度的主要影响因子

影响水体中TDG含量的主要因素有气体特性、环境条件及水质状况等,对于空气在水中的溶解而言,由于空气成分相对稳定,因此影响TDG饱和度的因素主要为环境条件和水质状况。

1.3.1 环境条件

影响TDG饱和度的环境条件主要有水温和压强。

1.3.1.1 水温

气体的溶解度与水温成反比,水温越高,气体分子运动速率越大,则水中气体越容易由溶解态转变为游离态而从水中逸出,导致气体溶解度降低,使水体更容易达到TDG过饱和状态[1]。图1表示雅砻江三滩桥断面水温和TDG饱和度随时间的变化关系。可以看出,水温和TDG饱和度有着良好的相关性。

图1 雅砻江三滩桥断面TD G饱和度和水温随时间变化曲线

为了进一步验证水体TDG饱和度与水温的相关性,在实验室中进行了水体加温试验。试验中对TDG初始值为117%的过饱和水进行加温,加温范围为14～38℃,并对加温后的水体进行自然降温。试验过程中TDG饱和度随水温的变化过程线如图2所示。

图2 试验水体中TDG饱和度随水温变化过程线

1.3.1.2 压强

气体溶解度与压强成正比,压强越大则气体的溶解度越大。水中气体的溶解度不仅与气压有关,而且与液静压有关,即水体深度越深,水体液静压越大,气体的溶解度就越大,就越不易形成TDG过饱和。

1.3.2 水质状况

水体的含盐量、pH值等也是影响气体溶解度的重要因素,而水气界面面积、水体紊动强度等也会对气体溶解速度产生重要影响,因而水体的具体情况如含盐量、pH值、水气界面面积、水体紊动强度等都会对TDG过饱和产生重要影响。

2 TDG过饱和产生原因分析

2.1 不同水体的TDG饱和度观测

对景观水、人工湖水、荷花池水等不同水体进行TDG饱和度测量,结果见表1。可见,自来水TDG饱和度达到100%,由于污染及水生生物耗氧等因素的影响,景观水、人工湖水、荷花池水的TDG饱和度均低于100%。

表1 不同类型水体TDG含量对比

对成都市九眼桥橡胶坝上下游水体的TDG含量进行测定。九眼桥橡胶坝位于成都市府南河九眼桥河段,橡胶坝长 72 m,坝高 3.7 m,坝袋容积1766.4m3。泄流过程中,分别在橡胶坝上游20m揣和下游100m处设立2个观测点。对观测点处水体TDG饱和度的测量结果表明,下泄水体中TDG饱和度为 104%,明显高于坝前水体TDG的饱和度(101%),最大差值约3%。由此说明,泄流可以导致水体溶解气体含量增加甚至过饱和。

2.2 水利工程泄流中TDG过饱和形成的条件分析

通常情况下,水利工程泄流导致水体TDG过饱和依托于2个必要条件——掺气和加压。高速下泄的水流将空气以气泡的形式带至水体深处,即掺气过程;同时,由于水压的作用,致使气泡周围水体TDG含量迅速升高,即加压过程。之后在水流掺混作用下,生成的含高浓度溶解气体的水流被带入到下游水较浅处(水压较小),相对于当地压力而言,就出现了TDG水体过饱和现象。

当然,高坝泄洪导致的气体过饱和还与泄洪道高度、单宽流量等因素有关,这些因素的变化均会改变水体掺气和压力条件,从而影响大坝下游水体中TDG的饱和度。

3 影响TDG释放的关键因素探究

大坝泄流产生的TDG过饱和水流,一般情况下TDG释放较为缓慢,如静置的TDG饱和度为140%的水体,恢复至饱和水平通常需要50h,而河道(如长江中游)天然情况下溶解氧过饱和恢复速度为平均每100km降低约5%[3]。研究表明,紊动强度和水体温度对TDG的释放有着显著的作用。为了探究过饱和TDG的释放与紊动强度及水体温度的关系,笔者在实验室中分别进行了扰动试验和加温释放试验,研究不同紊动条件和水温条件下过饱和TDG的释放过程。

3.1 扰动试验

3.1.1 试验方法

试验装置如图 3所示,装置包括玻璃容器、P4 tracker水质分析仪、可变速搅拌器和空压机,其中玻璃容器高27.5cm、直径24cm。

图3 扰动释放试验装置示意图

试验开始之前对TDG饱和度为100%的自来水进行处理。开启空压机,通过向自来水中加压泵气,使水中溶解气体迅速过饱和。用P4 tracker水质分析仪对水样的饱和度进行测定,取TDG饱和度为140%的过饱和水作为扰动试验用水。通过调节搅拌器转速,分别测量在200r/min,400r/min,600r/min时TDG饱和度随时间的变化情况。

3.1.2 试验结果分析

不同转速下TDG饱和度随时间的变化情况如图4所示。从TDG释放过程可以观察到,随着搅拌器转速的增加,TDG由过饱和状态降至饱和状态的时间逐渐缩短,表明水体紊动强度的大小是影响TDG释放快慢的关键因素。从整个释放过程分析,TDG释放速率随时间逐渐变缓。

3.2 水温对过饱和TDG释放的影响试验

图4 不同紊动条件下TDG释放过程

在扰动试验的基础上,在过饱和水容器内放入加热棒,用以控制试验水温。分别进行16.7℃,25.5℃,33.8℃水温条件下的TDG释放试验。3组试验中搅拌器转速均为400 r/min。不同水温条件下,TDG饱和度随时间的变化情况如图5所示。

试验表明,在紊动强度等其他条件一定的情况下,水温是影响水体TDG释放速率的关键因素。水温越高,TDG由过饱和降至饱和的时间越短,总溶解气体释放速率越快。

图5 不同水温条件下TDG的释放过程

4 结 语

通过对不同水体TDG饱和度进行观测对比,发现泄流可以导致水体溶解气体含量增加甚至过饱和。在此基础上,采用试验方法探讨了TDG过饱和产生的原因及其释放过程,结果表明水利工程泄流引起的TDG过饱和与泄洪掺气、压力、紊动强度、水温等因素相关。为了减少TDG过饱和的影响,在水利工程调度过程中,建议通过减少水库泄流流量、泄流频率及泄流历时,尽可能地泄放高温水,减缓水利工程中溶解气体过饱和的影响。

TDG过饱和问题是一个复杂的热点和难点问题,我国对此问题的研究开展较晚,理论认识不够成熟和完善。目前,关于高坝水利工程TDG过饱和的影响研究,比较缺乏长期系统的原型观测。因此,建议对已建高坝水利工程加强泄水过程中过饱和TDG的原型观测研究;对于待建的高坝水利工程,开展TDG过饱和的影响预测及减缓措施研究。

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