劉 燚,王樂樂,鄒 璇,胡中華,曾昭高

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川 成都 610065)

風速對過飽和總溶解氣體釋放速率的影響

劉 燚,王樂樂,鄒 璇,胡中華,曾昭高

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川 成都 610065)

通過不同風速下的過飽和總溶解氣體(TDG)室內(nèi)釋放試驗,研究風速對過飽和TDG釋放過程的影響,并根據(jù)已有釋放模型對釋放系數(shù)進行估算,建立了過飽和TDG釋放系數(shù)與風速的定量關系式。結果表明在8.5～9.5℃條件下,風速較小時,水體中過飽和TDG釋放相當緩慢,隨著風速的增大,過飽和TDG的釋放速率顯著增大;在無風工況下,TDG釋放系數(shù)為0.005 42 h-1;當風速為1.08～11.33 m/s時,TDG釋放系數(shù)為0.007 09～0.066 68 h-1;相對釋放系數(shù)為1～12.303，擬合的相對釋放系數(shù)與風速的定量關系式計算偏差在-11.76%～10.21%之間。

總溶解氣體;過飽和;風速;釋放系數(shù);相對釋放系數(shù)

高壩總溶解氣體(TDG)過飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于高速下泄的水流將空氣以氣泡的形式帶至水體深處,水體深處的氣泡承受著高于大氣壓數(shù)倍的壓力,致使氣泡周圍水體總溶解氣體濃度迅速升高[1]。過飽和TDG隨水流向下游輸移擴散的過程中會導致魚類患氣泡病,甚至引起魚類大規(guī)模死亡,這不僅給人們帶來了嚴重的經(jīng)濟損失,還會導致漁業(yè)資源衰退[2],對下游水環(huán)境和水生態(tài)產(chǎn)生嚴重不利影響。隨著越來越多高壩的建設,高壩泄水導致的TDG過飽和問題在我國將日漸突出,開展高壩泄水下游水體中過飽和TDG的研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義[3]。

早在20世紀初美國科學家就認識到了天然水體中TDG過飽和對水生生物的危害,并由美國陸軍工程兵團[4]率先開展了過飽和TDG沿程釋放研究,提出了縱向一維釋放模型。此后,Webert等[5]用兩相流模型模擬了溢洪道下游過飽和氣體釋放過程。通過大量的試驗研究,美國國家環(huán)保局[6](EPA)于1986年規(guī)定水質標準中TDG飽和度的上限值為110%,文獻[7]對大壩下游的TDG飽和度的上限值進行了補充規(guī)定。國內(nèi)關于過飽和TDG釋放的研究開展較晚,目前主要是清華大學、武漢大學、四川大學及部分研究機構在進行過飽和TDG的影響研究[8]。

過飽和TDG的釋放過程受水深、河流形態(tài)、靜水壓力、水溫、含沙量及紊動強度等因素的影響[9-14],同時風可以促進水氣界面的傳質[15]。在風的影響下,水體內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)流,表面產(chǎn)生波浪。風改變了流場的性質,提高了流場的紊動動能和紊動動能耗散率,使水氣界面的傳質過程顯著加快。陳麗萍[16]研究表明,隨風速增大,水氣交界面附近時均速率梯度顯著增大,風速越大,水中污染物濃度下降越快。目前國內(nèi)外關于風速對過飽和TDG釋放過程影響的研究相當缺乏,為此本文通過開展一系列室內(nèi)試驗研究風速對過飽和TDG釋放過程的影響,對河道水生生態(tài)的保護有重要現(xiàn)實意義。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

設計靜置水體過飽和TDG釋放試驗(簡稱靜置釋放試驗),試驗裝置如圖1所示,包括風道、試驗水箱、鼓風機、熱線式風速儀、溫度儀等,其中風道長2.3 m、寬0.6 m、高0.1 m,試驗水箱長0.7 m、寬0.6 m、高0.6 m,水體中TDG飽和度的測定采用Point Four公司生產(chǎn)的TGP測定儀,其測量范圍為0～200%,儀器精度為1%,風速的測定采用Hot-Wire風速儀,精度為0.01 m/s。TDG過飽和水體由四川大學自主設計并獲發(fā)明專利的過飽和TDG生成裝置[17]產(chǎn)生,該生成裝置由空壓機、壓力鋼管、水泵等部件組成,如圖2所示。經(jīng)測試,該生成裝置最高可以產(chǎn)生TDG飽和度達140%的水體,完全滿足過飽和TDG釋放試驗研究需要。

圖1 過飽和TDG釋放試驗裝置

圖2 過飽和水體生成裝置

1.2 試驗方法

試驗時先向容器內(nèi)注入TDG飽和度為135%～140%的過飽和水,啟動鼓風機并調節(jié)鼓風機側向開口大小,待風速穩(wěn)定后向水面吹風,一段時間后關閉,使用TDG測定儀測定水體TDG飽和度,靜置一段時間后重復上述過程,當水體飽和度降低至一定值(110%)時,停止試驗。

試驗在常溫下進行,在水浴的作用下,試驗水箱中水溫為8.5～9.5℃,變幅不超過1℃,基本可忽略水溫變化的影響。由于過飽和TDG的釋放系數(shù)隨風速的增大而顯著增大,為了獲得其更加精確的釋放過程,TDG飽和度的讀數(shù)時間間隔隨風速的增大而減小。

試驗設置一個無風工況和風速v為1.08 m/s、3.01 m/s、6.06 m/s、7.16 m/s、8.87 m/s、10.39 m/s 及11.33 m/s的7組有風工況,每組工況下吹風的時間間隔依次為1 h、1 h、0.5 h、0.33 h、0.33 h、0.25 h、0.25 h、0.08 h。

2 試驗結果與分析

2.1 風速對過飽和TDG釋放過程的影響

在不同風速下TDG飽和度隨時間的變化過程如圖3所示。

圖3 不同風速下過飽和TDG釋放過程

從圖3可以看出,過飽和TDG釋放過程受風速的影響較大,隨著風速的增大,TDG由過飽和狀態(tài)降至飽和狀態(tài)的時間顯著縮短,無風或風速分別為1.08 m/s、3.01 m/s、6.06 m/s、7.16 m/s、8.87 m/s、10.39 m/s、11.33 m/s時,TDG飽和度由135%降至125%所需要的時間分別為15 h、11 h、7 h、3.33 h、2.67 h、2 h、1.25 h、0.67 h。風速不變條件下, 隨著TDG濃度降低,過飽和TDG釋放速率逐漸變小。

2.2 風速與過飽和TDG釋放系數(shù)的關系

圖4 不同風速條件下過飽和TDG釋放過程

過飽和TDG的釋放過程服從一階動力學方程:

(1)

式中:G為TDG飽和度;Geq為TDG平衡飽和度,通常取100%;t為時間;K為過飽和TDG釋放系數(shù),也是衡量過飽和TDG釋放速率的參數(shù)。采用式(1)對釋放系數(shù)進行擬合,得到不同風速條件下過飽合TDG釋放過程如圖4所示。

從圖4可以看出,不同風速條件下TDG釋放系數(shù)差別較大,風速越大，釋放系數(shù)越大;無風時釋放系數(shù)最小,為0.005 42 h-1;試驗風速最大(11.33 m/s)時,釋放系數(shù)最大,為0.066 68 h-1,二者相差11.3倍。為了更直接地表示風速對釋放速率的影響,引入相對釋放系數(shù)β=K/K0,即不同風速的TDG釋放系數(shù)K與無風時的TDG釋放系數(shù)K0的比值,不同風速的釋放系數(shù)K和相對釋放系數(shù)β見表1。

表1 各工況下釋放系數(shù)及相對釋放系數(shù)

用指數(shù)函數(shù)擬合相對釋放系數(shù)隨風速的變化如圖5所示,得到相對釋放系數(shù)與風速的擬合關系為

β=0．986e0．222v

(2)

式中v為風速。

圖5 過飽和TDG釋放系數(shù)擬合曲線

在風的作用下水體產(chǎn)生強烈紊動,風速的增大引起水氣交界面下水流速度梯度的增大,進而導致紊動能和紊動能耗散率增大。這大大增強了過飽和TDG在水氣界面的傳質速率,從而導致過飽和TDG釋放系數(shù)增大。

由式(2)計算所得過飽和TDG釋放系數(shù)及靜置釋放試驗的實測值及計算相對誤差見表2。

表2 過飽和TDG釋放系數(shù)計算值及其相對誤差

過飽和TDG釋放系數(shù)的擬合相對誤差在-11.76%～10.21%,除了靜置釋放試驗工況6(風速8.57 m/s)、工況7(風速10.39 m/s)外,其他工況相對誤差在10%以內(nèi),說明建立的過飽和TDG釋放系數(shù)隨風速變化的關系式與試驗結果符合程度較高。

試驗過程中,存在著較多的不確定性對結果產(chǎn)生影響。這些不確定因素主要包括:讀取TDG飽和度的過程中,為保證讀數(shù)的準確性,需要長時間(10 min)攪動儀器的探頭,使水體受到擾動,引起過飽和TDG的額外釋放而造成誤差;受風道長度及風速調控裝置等限制,風道內(nèi)風速分布存在不均勻現(xiàn)象,各點風速存在偏差;試驗中只監(jiān)測了兩點的風速,并且以這兩點風速平均值作為特征風速進行試驗結果的分析,也會造成一定誤差。

3 結 論

a. 水體中過飽和 TDG 的釋放受風速的影響較大,風速較小時,水體中過飽和 TDG 釋放相當緩慢,隨著風速的增大,水體中的過飽和TDG釋放速率迅速增大,且在同一風速下,水體中的TDG濃度較高時,TDG釋放速率較大,隨著水體中TDG濃度的降低,其釋放速率也呈遞減規(guī)律。

b. 風速在0～11.33 m/s時,TDG釋放系數(shù)在0.005 42 h-1～0.066 68 h-1,相對釋放系數(shù)在1～12.303,以指數(shù)函數(shù)擬合相對釋放系數(shù)與風速的關系為β=0.986e0.222v，擬合公式的相對誤差在12%以內(nèi)。

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Impacts of wind speed on release rate of supersaturated total dissolved gas//

LIU Yi, WANG Lele, ZOU Xuan, HU Zhonghua, ZENG Zhaogao
(StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

A series of supersaturated total dissolved gas (TDG) release tests, under different wind speeds, were carried out in laboratory and the impacts of wind speed on supersaturated TDG release process were studied. According to available release models, we estimated the release coefficients and derived a quantitative formula to describe the relationship between the release coefficient of supersaturated TDG and wind speed. Results showed that, under the condition that temperatures were among 8.5℃ and 9.5℃, the release rate was fairly slow for low wind speed, but the release rate of supersaturated TDG remarkably augmented as wind-speed increased. The release coefficient of TDG was 0.005 42 h-1under windless condition, and others were between 0.007 09 h-1and 0.066 68 h-1with wind speeds ranging from 1.08 to 11.33 m/s. And, at the same time, the relative release coefficients were within the range of 1 to 12.303 in the experiment. Thereafter, a fitted quantitative formula between relative release coefficients and wind speeds was obtained, whose calculation deviation ranged from -11.76% to 10.21%.

total dissolved gas (TDG); supersaturation; wind speed; release coefficient; relative release coefficient

國家自然科學基金(51179111)

劉燚(1992—),女(苗族),貴州道真人,碩士研究生,主要從事水利水電工程研究。E-mail:723860773@qq.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.007

TV131.2+9

A

1006-7647(2015)04-0028-04

2014-04-17 編輯：鄭孝宇)