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水坝泄水溶解气体过饱和规律及减缓技术研究


水坝泄水溶解气体过饱和规律及减缓技术研究

作  者:李然,冯镜洁,李克锋

出 版 社:科学出版社

出版时间:2022年04月

定  价:168.00

I S B N :9787030694218

所属分类: 专业科技  >  工业技术  >  水利工程    

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TOP内容简介

水坝泄水产生的过饱和溶解气体可导致鱼类等水生生物患气泡病甚至死亡,成为威胁水坝安全运行的重要生态风险。《水坝泄水溶解气体过饱和规律及减缓技术研究》对气体在水中的溶解、溶解气体过饱和概念以及过饱和溶解气体对鱼类的影响等基础理论和背景知识进行介绍,综合采用原型观测、机理试验和数学模型等手段,对水坝泄水特别是高坝泄水的溶解气体过饱和形成和释放机制及其预测方法开展系统深入的研究,并提出一系列溶解气体过饱和问题的减缓技术。

TOP目录

目录 \n
1 水坝泄水溶解气体过饱和研究概述 1 \n
1.1 引言 1 \n
1.2 水体中溶解气体过饱和的危害 2 \n
1.2.1 气泡病症状及危害 2 \n
1.2.2 不同溶解气体的致病作用 4 \n
1.3 鱼类对过饱和气体的探知和躲避能力 5 \n
1.3.1 水平躲避能力 5 \n
1.3.2 水深补偿作用与垂向躲避能力 6 \n
1.4 鱼类对过饱和TDG的耐受性规律 8 \n
1.4.1 鱼类耐受性与TDG过饱和暴露条件的关系 8 \n
1.4.2 不同鱼类对TDG过饱和的耐受性差异 10 \n
1.4.3 鱼类不同生长阶段对过饱和TDG的耐受性差异 11 \n
1.4.4 鱼类对过饱和TDG的耐受性标准 12 \n
1.5 水坝泄水溶解气体过饱和规律研究的历史沿革 12 \n
1.5.1 溶解气体过饱和生成过程研究 12 \n
1.5.2 过饱和溶解气体释放过程研究 14 \n
1.6 溶解气体过饱和减缓技术的发展 15 \n
1.6.1 工程措施 15 \n
1.6.2 调度措施 16 \n
1.6.3 重点区域生态功能利用措施 16 \n
1.7 发展动态分析 16 \n
2 气体溶解与溶解气体过饱和现象 18 \n
2.1 空气组分与各组分气体的溶解度 18 \n
2.1.1 空气组分 18 \n
2.1.2 空气中各组分气体在水中的溶解度 19 \n
2.1.3 环境条件对气体溶解度的影响 21 \n
2.2 溶解气体过饱和的概念 23 \n
2.2.1 溶解气体饱和度 23 \n
2.2.2 溶解气体过饱和 25 \n
2.2.3 总溶解气体过饱和 26 \n
2.3 自然界溶解气体过饱和现象 27 \n
2.3.1 水温突升 27 \n
2.3.2 光合作用 28 \n
2.3.3 地下水开采 28 \n
2.3.4 冰冻作用 28 \n
2.3.5 海洋波浪作用 28 \n
2.3.6 瀑布跌水 28 \n
2.3.7 水坝泄水 29 \n
2.4 天然水体中不同气体组分饱和度之间的关系 31 \n
2.5 水体中溶解气体含量的分析与测量方法 33 \n
2.5.1 溶解氧 33 \n
2.5.2 溶解氮 35 \n
2.5.3 总溶解气体 36 \n
2.6 小结 37 \n
3 水坝泄流消能与过饱和TDG生成机制 38 \n
3.1 水坝泄流消能型式 38 \n
3.1.1 底流式消能 39 \n
3.1.2 挑流式消能 42 \n
3.1.3 面流式消能 42 \n
3.1.4 其他消能型式 44 \n
3.2 高坝泄流消能与溶解气体过饱和特点 48 \n
3.2.1 高坝泄流消能特点 48 \n
3.2.2 高坝泄流溶解气体过饱和特点 50 \n
3.3 过饱和溶解气体生成机制 51 \n
3.3.1 掺气对过饱和溶解气体生成影响的试验研究 51 \n
3.3.2 承压对过饱和溶解气体生成影响的试验研究 62 \n
3.3.3 高压掺气条件下过饱和溶解气体生成过程研究 64 \n
3.3.4 含沙量对过饱和TDG生成影响的试验研究 73 \n
3.4 TDG过饱和水流的生成装置 74 \n
3.4.1 产生TDG过饱和水流的高压釜装置 75 \n
3.4.2 水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的装置 75 \n
3.5 小结 76 \n
4 泄水过饱和TDG生成模型 77 \n
4.1 泄水过饱和TDG经验关系 77 \n
4.2 泄水过饱和TDG水动力学解析模型 78 \n
4.2.1 Roesner坝面溢流溶解氮气解析模型 78 \n
4.2.2 Johnson坝面溢流动力学解析模型 83 \n
4.2.3 挑流泄水过程解析模型 86 \n
4.2.4 挑流泄水传质动力学模型 92 \n
4.3 泄水过饱和TDG紊流数学模型 99 \n
4.3.1 基于气泡正态分布的过饱和TDG两相流模型 99 \n
4.3.2 基于紊动掺气的过饱和TDG两相流模型 106 \n
4.4 过饱和TDG生成水平与泄流消能型式的关系讨论 118 \n
4.5 小结 119 \n
5 水体中过饱和TDG释放机制 120 \n
5.1 天然水体过饱和TDG释放动力学过程 120 \n
5.2 天然水体过饱和TDG释放系数分析 123 \n
5.3 过饱和TDG释放系数与复氧系数的关系分析 124 \n
5.3.1 试验装置及方法 124 \n
5.3.2 试验结果分析 125 \n
5.3.3 采用替代释放系数引起的误差分析 126 \n
5.4 过饱和TDG释放系数的确定方法研究 128 \n
5.4.1 水深对过饱和TDG释放过程的影响 128 \n
5.4.2 紊动对过饱和TDG释放过程的影响 129 \n
5.4.3 基于水动力学条件的释放系数计算方法研究 129 \n
5.5 环境条件对过饱和TDG释放过程的影响 132 \n
5.5.1 初始饱和度 132 \n
5.5.2 水温 132 \n
5.5.3 风速 137 \n
5.5.4 含沙量 140 \n
5.5.5 壁面介质 144 \n
5.6 小结 152 \n
6 过饱和TDG输移释放模型 153 \n
6.1 河道纵向一维过饱和TDG输移释放模型 153 \n
6.1.1 模型方程 153 \n
6.1.2 模型验证 155 \n
6.2 交汇区深度平均平面二维过饱和TDG输移释放模型 157 \n
6.2.1 模型方程 157 \n
6.2.2 模型验证 158 \n
6.2.3 模型应用 159 \n
6.3 深水库区宽度平均立面二维过饱和TDG输移释放模型 161 \n
6.3.1 模型方程 161 \n
6.3.2 模型验证 163 \n
6.3.3 模型应用 166 \n
6.4 壁面介质影响的三维过饱和TDG输移释放模型 169 \n
6.4.1 模型方程及源项 169 \n
6.4.2 模型验证 170 \n
6.5 小结 172 \n
7 引水发电对过饱和TDG的影响研究 174 \n
7.1 引水发电系统概况 174 \n
7.2 引水发电对过饱和TDG影响的原型观测研究 175 \n
7.3 引水发电对过饱和TDG影响的模拟分析研究 176 \n
7.3.1 引水通道内溶解气体饱和度变化分析 176 \n
7.3.2 水轮机内溶解气体饱和度变化分析 177 \n
7.3.3 尾水管道中溶解气体饱和度变化模拟 177 \n
7.4 发电尾水与泄流的过饱和TDG掺混作用研究 178 \n
7.4.1 数学模型 178 \n
7.4.2 发电调度对过饱和TDG分布的影响模拟 179 \n
7.5 小结 181 \n
8 过饱和TDG减缓措施研究 183 \n
8.1 低流量水流的TDG过饱和处理措施 183 \n
8.1.1 虹吸法 183 \n
8.1.2 填料柱 184 \n
8.2 减缓泄水TDG过饱和的工程措施 185 \n
8.2.1 导流坎 185 \n
8.2.2 消能墩 188 \n
8.2.3 阶梯溢流坝 193 \n
8.3 减缓泄水TDG过饱和的调度措施 200 \n
8.3.1 合理协调发电与泄水流量 200 \n
8.3.2 优选泄水建筑物 201 \n
8.3.3 分散泄水方式 206 \n
8.3.4 非连续泄水方式 209 \n
8.4 重点区域生态功能利用 214 \n
8.4.1 交汇区生态功能利用 215 \n
8.4.2 局部区域曝气 220 \n
8.5 小结 229 \n
参考文献 230 \n
主要符号表 242 \n
附录 248

TOP书摘

1水坝泄水溶解气体过饱和研究概述 \n
  1.1引言 \n
  水体中溶解气体过饱和是指由于自然或人为因素引起的水体中溶解气体饱和度高于100%的现象。在这种条件下,水体中溶解气体的浓度大于当地气压条件对应的溶解气体的溶解度。在自然界中,水温突升、光合作用、水坝泄水等过程均可能导致水体中出现溶解氧(dissolved oxygen,DO)和溶解氮(dissolved nitrogen,DN)等单一气体组分的溶解气体或总溶解气体(total dissolved gas,TDG)过饱和,并可能使水体中鱼类等水生生物患气泡病(gas bubble disease,GBD)甚至死亡。虽然水体中溶解气体过饱和导致的鱼类气泡病问题早在20世纪初即被认识(Gorham,1901),但直至20世纪60年代,随着美国哥伦比亚河水坝的泄水运行,气体过饱和问题及其对鱼类的影响才得到社会广泛关注和研究(Lindroth,1957;Weitkamp and Katz,1980)。在其后的几十年间,美国陆军工程兵团(USACE,2001a,b)、华盛顿州生态部(Pickett et al.,2004)、美国太平洋西北国家实验室(Perkins et al.,2004)、帕洛马斯(Parametrix Inc.)(2005)以及爱荷华大学(Politano et al.,2009)、明尼苏达大学(Urban et al.,2008)、爱达荷大学(Johnson et al.,2010)、华盛顿大学(University of Washington,2000)、阿尔伯塔大学(Kamal et al.,2020)等研究机构都先后开展了卓有成效的研究。在20世纪80年代葛洲坝运行初期,我国曾有文献报道葛洲坝泄水的溶解气体过饱和问题(长江流域水资源保护局,1983)。李玉梁等(1994)研究指出,水工泄水建筑物存在超饱和复氧状态,且与非饱和复氧规律不同。随着近年来越来越多高坝工程的建成运行,高坝泄水气体过饱和问题的研究逐渐发展和丰富。清华大学(陈永灿等,2009)、中山大学(程香菊等,2009)、武汉大学(Fu and Zhang,2010)和中国水利水电科学研究院(中国水利水电科学研究院等,2009)等研究机构针对三峡工程及葛洲坝工程泄流中溶解氧过饱和问题进行了大量研究。四川大学自2006年以来先后对紫坪铺电站、三峡电站、二滩电站、小湾电站、漫湾电站、瀑布沟电站、大岗山电站、溪洛渡电站、向家坝电站和乌东德电站等工程泄水开展了TDG过饱和原型观测,对过饱和溶解气体生成和释放机制以及预测方法进行了研究(Lu et al.,2019;Feng et al.,2014),并针对性地开展了长江上游特有鱼类对气体过饱和的响应机制研究(Wang et al.,2020),对气体过饱和减缓措施进行了探索。 \n
  接下来本章将通过对国内外文献的梳理分析,让读者认识溶解气体过饱和的危害,阐述鱼类对溶解气体过饱和的耐受性和躲避能力,在此基础上,回顾水坝泄水溶解气体过饱和生成与释放过程研究的历史,介绍减缓溶解气体过饱和影响技术的进展,明晰国内外技术发展动态。 \n
  1.2水体中溶解气体过饱和的危害 \n
  水体中溶解气体过饱和可能导致鱼类以及虾、蟹等水生动物患气泡病甚至死亡。 \n
  1.2.1气泡病症状及危害 \n
  气泡病属于由物理性因素诱发的一种非传染性疾病。关于气泡病及致病原因较完整的描述*早见于20世纪初美国渔业局的相关研究及文献报道中(Gorham,1901)。当鱼类等无脊椎动物在水体中承受过高的溶解气体压力且得不到环境压力补偿的情况下,水体中的溶解气体会析出成为气泡。一方面,大量气泡在血管或组织内聚集形成气泡和气栓,造成血管阻塞,继而引发气肿、组织出血以及其他异常,严重时可能致鱼类死亡(Weitkamp and Katz,1980;史为良,1998);另一方面,气泡在鱼体表黏附产生的浮力会影响鱼的平衡和游动能力,以及在水体中的栖息深度,特别是对仔鱼和幼鱼的影响*为突出。另有研究指出,对于TDG饱和度为125%~140%的急性暴露,鱼类在外部病症出现前,体内可能首先形成气泡和气栓(Mesa et al.,2000);而在TDG饱和度为116%以下的水体中长时间慢性暴露会对鱼类生长发育产生抑制作用(刘晓庆,2011)。 \n
  鱼类气泡病典型症状如图1-1所示。 \n
  图1-1鱼类气泡病典型症状照片 \n
  过饱和溶解气体除对鱼产生影响外,还可能对虾、蟹、贝壳类等无脊椎动物造成不同程度的伤害(Weitkamp and Katz,1980)。Marsh和Gorham(1905)研究发现,在同等的气体过饱和条件下,美国龙虾(Homarus americanus)和马蹄蟹(Limulus sp.)等甲壳纲动物的存活时间比鱼类长;海蜘蛛(Anoplodactylus sp.)患气泡病后,腿部充满气泡,颜色苍白;软体动物、绿藻和水螅虫患气泡病后,会产生并释放气泡。Malouf等(1972)发现,患气泡病的牡蛎(Crassostrea gigas和C.virginica)在壳周围先形成贝壳状气泡,同时在壳外表面及鳃丝均出现气泡,有时在贝壳空隙处也会充满贝壳状气泡。患气泡病的蚌(Mercenaria mercenaria)鳃部充满气泡,阻止血液正常循环。Lightner等(1974)以及Supplee和Lightner(1976)报道,加利福尼亚褐虾(Penaeus aztecus)患气泡病后,在鳃及体表会出现气泡,并出现行为异常,游动缺少方向性,随后昏迷并漂浮在水面直至死亡。尽管上述研究表明,气体过饱和对鱼类以外的其他水生生物有不同程度的影响,根据已有文献分析,与溶解气体过饱和影响有关的研究仍主要针对鱼类开展。 \n
  溶解气体过饱和导致的鱼类气泡病问题随着美国哥伦比亚(Columbia)河上水坝泄水运行而受到高度关注(Weitkamp and Katz,1980)。1962年麦克纳里(McNary)水坝下游的麦克纳大鳞大麻哈鱼(Oncorhynchus tshawytscha)产卵通道出现因取用哥伦比亚河中气体过饱和水源引发的气泡病问题(Westgard,1964)。1968年监测发现,约翰迪(John Day)水坝下游溶解氮气饱和度达到145%。在捕获的鱼类中,25%的虹鳟(Salmo gairdneri)幼鱼、46%的大鳞大麻哈鱼幼鱼、68%的科霍鲑鱼(Oncorhynchus kisutch)幼鱼出现气泡病症状,其中在鱼类死亡数量*多的6月29日,有13条红大麻哈鱼(Oncorhynchus nerka)和365条大鳞大麻哈鱼幼鱼死亡。加之鱼梯过鱼效果限制,据俄勒冈州渔业委员会估计,1968年夏天产卵的大麻哈鱼幼鱼数量减少达20000尾(Beininggen and Ebel,1970)。1994年8月阿根廷Yacyretá水坝开闸运行时出现因总溶解气体过饱和导致水坝下游大量鱼类患气泡病死亡(Angelaccio et al.,1997)。Duvall和Clement(2002)报道,在1996~2002年普里斯特?拉皮德斯(Priest Rapids)水坝下游TDG饱和度为113%~130%期间,捕获的大麻哈鱼幼鱼中有1.7%~8.5%出现了气泡病症状。 \n
  在国内,长江流域水资源保护局1983年调查发现,葛洲坝泄水导致的TDG过饱和使鱼类患气泡病(长江流域水资源保护局,1983)。1994年6月15~21日,新安江水库两次开闸泄洪(平均流量3400m3/s),电站大坝下游3km的建德市虹鳟场网箱中虹鳟鱼普遍患气泡病(吴成根,1994)。2014年7月8~13日,向家坝库区出现大面积鱼类死亡,后经农业农村部长江中上游渔业生态环境监测中心调查认定,该事故系上游水坝泄水引起的过饱和气体导致鱼类突发性死亡(农业部长江中上游渔业生态环境监测中心,2014),如图1-2所示。 \n
  图1-2水坝泄水下游鱼类气泡病死亡事件 \n
  1.2.2不同溶解气体的致病作用 \n
  水体中溶解气体包括溶解氧(DO)、溶解氮(DN)及溶解二氧化碳等组分,各组分压力之和统称为总溶解气体(TDG)。虽然DO、DN和TDG的饱和度超过一定值时均可能使鱼类患气泡病甚至死亡,但研究表明,各种溶解气体的致病程度却不尽相同。 \n
  早期的试验研究发现,在只有DO过饱和的情况下,DO饱和度通常达到300%以上才可能致使鱼类患气泡病(Renfro,1963;Supplee and Lightner,1976)。另有诸多研究表明,虹鳟鱼(Barrett and Taylor,1984;Hobe et al.,1984)、大菱鲜(Scophthalmus Maximus L.)(Person et al.,2002)、大西洋鲑(Salmo salar)(Espmark et al.,2010)对过饱和DO的耐受能力较强。Rucker(1976)研究发现,在TDG饱和度恒定为119%的情况下,DO∶DN的值低于159∶109时,不会对鱼类的致病作用产生显著影响,但其比例由159∶109变化到173∶105时,气泡病发生率急剧下降。这是因为氧气在生物机体内除以溶解态存在外,还可与血红蛋白结合,通过生物过程得到消耗或降解,而氮气是惰性气体,在生物体内不能参加新陈代谢,因此氧气过饱和的致病程度较氮气过饱和轻。 \n
  Marsh和Gorham(1905)*早指出,只有在DO和DN均达到一定水平时才会导致气泡病。Doudoroff(1957)试验证实,气泡病主要是TDG而不是单一DO或DN造成的。Rucker和Kangas(1974)将大鳞大麻哈鱼幼鱼分别持续暴露在氮气饱和度120%但TDG饱和度不同的水体中,其中在TDG饱和度为116%的环境中,直到第35天都未出现大量死亡现象,但在TDG饱和度为120%的环境中,幼鱼在第25天出现大量死亡,说明鱼类致病原因主要在于TDG的饱和度而非单一的DN。Meekin和Turner(1974)将大鳞大麻哈鱼幼鱼分别置于盛有10cm深井水的容器中和盛有61cm深的哥伦比亚(Columbia)河水的容器中。井水和河水的氮气饱和度相当,分别为122%和124%,井水和河水的TDG饱和度分别为112%和123%。试验发现,5~10天内井水中的鱼苗死亡率为2%~5%,而哥伦比亚(Columbia)河水由于TDG饱和度较高,5~7天内的死亡率达92%~100%。由此说明,TDG的致病作用大于DN。 \n
  1.3鱼类对过饱和气体的探知和躲避能力 \n
  鱼类具有主动探知和躲避过饱和TDG的能力,不同鱼类对过饱和TDG的感知和躲避能力各异,由此导致过饱和气体对鱼类影响的差异(Stevens et al.,1980;Gray et al.,1983)。鱼类对过饱和TDG的躲避能力一般分为水平躲避能力和垂向躲避能力。 \n
  1.3.1水平躲避能力 \n
  Meekin和Turner(1974)的试验研究表明,大鳞大麻哈鱼幼鱼表现出对TDG过饱和水体明显躲避,而银大麻哈鱼未表现出对过饱和TDG的躲避能力。Blahm等(1976)研究发现,当水平躲避试验装置中TDG过饱和水流饱和度为130%时,虹鳟幼鱼在试验进行48小时后死亡率达50%,而大鳞大麻哈鱼幼鱼8天后未出现死亡,表明大鳞大麻哈鱼幼鱼具有较强的躲避TDG过饱和水体的能力。 \n
  黄翔(2010)和王远铭等(2015)分别针对长江上游特有鱼类岩原鲤和齐口裂腹鱼(Schizothorax Prenanti)开展了水平躲避试验研究。试验装置为一矩形试验水槽,水槽中间设置一隔板将水槽上半部分顺流向分为左右两部分。试验中隔板一侧注入TDG过饱和水流,另一侧注入正常饱和度水流,观察水槽中鱼类对TDG过饱和水流的感知与躲避能力,如图1-3所示。试验发现当TDG饱和度高于125%时,试验鱼出

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