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大坝下游水体气液传质预测方法研究 陈雪巍,程香菊* 中山大学工学院,广州,510275 摘要:大坝泄洪容易导致下游水体中溶解气体(TDG)浓度超饱和,使下游水生生物遭受气泡病的危害, 威胁它们的生存和繁殖。因此有必要对大坝水垫塘内强紊动水体的气液传质问题进行研究。如何准确而快 速地计算或预测高坝泄洪水体溶解气体的浓度迫在眉睫。本文基于国内外对 TDG 浓度超饱和问题的研究基 础上,根据泄水建筑物实测数据,计算出泄流水体气体传质速率,并发现在水力条件一定时,闸坝泄水建 筑物气体传质速率不变的特性,在此基础上,结合有效饱和浓度、有效水深以及上游溶解气体饱和度等参 数,建立了对闸坝下游水体溶解气体饱和度进行预测的方法。预测结果表明,该方法具有计算简便且应用 广泛的特点。 关键词:预测方法,气体传质速率,溶解气体饱和度,有效饱和浓度,有效水深 引 言 大坝泄洪掺气是一个典型的由高速强紊动引起水气掺混的两相流运动,是水气两相流与 溶解气体在水中的扩散输移共同体。当大坝上游来流溶解气体浓度接近饱和时,大坝闸坝泄 水可能使下游水体中溶解气体浓度超饱和,直接导致鱼类等水生动物患气泡病而出现死亡现 象。目前,国内外对此均有报道,如美国哥伦比亚河上的梯级电站开闸泄流[1]、浙江省新安 [2] [3] 江水库开闸泄流 以及加拿大马克塔夸克水电站下游河段 等等都有不同程度的幼鱼出现 气泡病而死亡的现象。因此,为了有效地保护水生态环境并制定相应的保护措施,准确而快 速地计算或预测不同水力条件下高坝泄洪时下游水体溶解气体的浓度分布已迫在眉睫。 根据国内外已有的研究成果表明,泄水建筑物下游水体出现溶解气体超饱和现象的根本 原因在于,下游水体与随泄流进入下游河道的气泡间发生了气体质量交换,气泡贡献了气体 传输质量的 95%[4]。在强紊动掺气水体中,由于水流中的剪切效应和气泡的剧烈碰撞,使气 泡不断地发生聚并、分裂和上升等现象,这对准确地测定或估计气泡的尺寸、大小和运动轨 迹增加了难度,从而直接影响气泡界面与水体之间的质量输移速率的精度。虽然已有的一些 研究[5,6]得到了气泡界面传质系数与气泡直径、掺气浓度、水体紊动强度、气泡数量、气泡 上升速度等的关系式,但由于对气泡运动特性认识尚不充分,工作还基于某些假设,计算或 预测结果出现了较大的误差。廖文根通过试验发现[7],不论来流中的初始氧含量如何,对于 给定的水力条件,闸坝上、下游断面间的氧差保持不变。因此,本文尽量避开气泡传质这一 基金项目: 中国水利水电科学研究院开放研究基金资助项目;国家自然科学基金资助项目) 作者简介 : 陈雪巍( 1985 - ) ,男,江西萍乡人,硕士研究生,研究方向:环境水力学 E-mail:chxuew@mail2.sysu.edu.cn * 通讯作者 :程香菊( 1974 - ) ,女,副教授,硕士生导师,研究方向:环境水力学。 E-mail:chengxj@mail.sysu.edu.cn 难题,利用在水力条件一定时,闸坝泄水建筑物气体传质速率不变的特性,建立了利用气体 传质速率,并结合溶解气体有效浓度、有效水深、上游溶解气体饱和度等参数,对下游水体 溶解气体饱和度进行预测的方法。 1已有预测方法 目前,预测大坝下游 TDG浓度的模型主要有两种,第一种是基于实验和实测数据为主的 拟合关联式的操作模型,它不涉及对 TDG 物理过程的理论分析,即无物理意义;第二种是基 于物理概念的模型,描述气液传质的物理过程,并对利用实测数据对有物理意义的关系式的 系数进行拟合。 Roesner Norton (1971) [8]提出了TDG早期物理模型,其表达式为: =− − exp(−Kt ) (1) Cd Cse (Cse Cu ) 其中C 、C 和C 分别为下游TDG浓度、上游TDG浓度和TDG有效饱和浓度;K为传质系数;t为气 d u se 泡在水垫塘经历的时间。Roesner Norton选取水垫塘水深的 2/3 来计算有效饱和浓度C 。
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