水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的装置

技术领域

本发明涉及一种水体总溶解气体过饱和生成技术，特别涉及一种可控温的、能用于模拟高坝泄水导致下游水体总溶解气体过饱和的产生，并研究其对鱼类影响的实验装置，属于水利工程对生态环境影响的技术领域。

背景技术

许多大型水利工程由于其调节径流、防洪发电等方面的综合作用，需根据水量调度需求，通过溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物向下游河道泄水。大量资料表明，高坝泄水使下游水体中溶解气体如O₂、N₂和CO₂等气体压力总和超过当地大气压下的相对饱和度，就会形成总溶解气体(total dissolve gas，简称TDG)过饱和，致使鱼类等水生生物患气泡病，甚至造成鱼类等水生生物大量死亡，从而对河流水生生态系统造成严重危害。

高坝下游TDG过饱和的产生主要与泄洪流量、泄洪消能方式以及坝下水垫塘深度等诸多因素有关，属于复杂的水气两相流问题。它涉及到水工水力学、气液界面传质等领域并延伸到了生态环境的领域，其研究难度极大。因此，目前关于水体TDG过饱和产生及其对鱼类影响的机理研究和实验装置都相当匮乏。

目前，对水利工程中TDG过饱和问题通常采用原型观测、物理模型实验、室内模拟实验等研究手段。这些研究手段在高坝泄水导致TDG过饱和问题的研究中均存在不同程度的困难和限制性因素。原型观测要求观测者必须到正在泄水的大坝现场观测，极为不便。且这种研究手段一方面在高坝泄洪中水体流量、流速、掺气量、下游压力、水深等诸多物理因素和物理条件均存在着不可重复性或不可控制性；另一方面，还要为保证水利工程发电、灌溉等综合效益的发挥，高坝泄水频率较少，且时间短，这又限制了原型观测工作的开展。同时由于坝下水垫塘中流速大，流场、掺气场变化剧烈，所述原型观测手段尚无法对坝下水垫塘中三维流场、压力场及掺气浓度场等实施高精度测量，因此对高坝下游TDG饱和问题的研究仅仅依靠原型观测是远远不够的。

采用小比尺物理模型实验研究水利工程中TDG过饱和问题的主要困难在于实验模型尺度小、掺气量少、掺入气体承压小等因素，难于产生TDG过饱和现象；坝下水垫塘中复杂的水流现象、掺气及总溶解气体分布等物理参数在模型与实际原型的相似律问题尚未解决。而目前室内实验模拟水体TDG过饱和的生成主要有：(1)混合热水与冷水利用气体在不同水温下溶解度差异产生TDG过饱和；(2)通过鼓风机向高水柱内鼓气产生TDG过饱和；(3)通过抽气减压改变气体溶解度产生TDG过饱和。以上产生TDG过饱和的方式或者不能控制水体温度恒定，或者不能同时产生不同浓度的TDG饱和度并使其TDG饱和度稳定，或者实验装置过于复杂不易操作等，都存在许多局限性。因此，针对上述不足设计此实验装置，以满足室内实验的需要。

对于TDG影响鱼类生理生态的野外研究而言，在河流水库中捕获的死亡鱼类是否与其患气泡病有直接关系，捕获患气泡病鱼类是否具有代表性，患气泡病鱼类数量是否具有统计意义等问题都存在争议。为此，需要在室内通过实验装置进行重复实验，以控制实验条件，从而分析研究TDG过饱和对鱼类生理生态的影响。

发明内容

本发明的目的是针对所述现有技术中存在的缺陷与不足，提供一种能模拟高坝泄水时导致下游水体TDG过饱和的装置，可实现对水体温度、压力、掺气量等影响水体过饱和总溶解气体生成的主要物理条件和因素的控制，并对水体中相关水质参数进行测量，进而进一步研究TDG过饱和对鱼类的影响。通过本发明能达到对水体TDG过饱和产生和对鱼类影响的定量研究，为保护河流水生生态环境，建立生态友好型水利工程具有重要的促进作用。

为实现本发明的目的，本发明是通过以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置，依照本发明，该装置包括高压釜及其上设置的进气口，调节气阀，安全气阀，气压表，进水口和出水口；水池，水泵，第一球阀和第二球阀，空压机，第一流量计和第二流量计，总溶解气体测定仪，水质监测仪，温度控制仪，水槽及其外壁上的乳胶管；所述空压机连接高压釜上进气口，水池中设置温度控制仪，水池与水泵进水口连接，水泵出水口连接第一球阀，第一球阀再连接第一流量计，第一流量计连接到高压釜上进水口，高压釜上出水口连接第二球阀，第二球阀连接第二流量计，第二流量计与水槽相连接，总溶解气体测定仪和水质监测仪设置在水槽外，水槽通过其外壁上的乳胶管与水池连通。

上述技术方案中，所述水池和水槽的顶端均为敞口，并与大气相通。

上述技术方案中，所述水池与水槽间的设置其落差不小于1m。

上述技术方案中，所述水槽的外壁设置有均匀的刻度。

上述技术方案中，所述水槽外壁上的乳胶管一端通过小孔与外壁上的每个刻度连接，该乳胶管另一端置于敞口的水池中连通。

本发明与现有技术相比具有的特点及有益技术效果：

1、本发明实验装置中采用循环水并通过温度控制仪使水温恒定。

2、利用本发明的实验装置，可方便控制水体压强、掺气量等影响总溶解气体过饱和的一系列重要因素，可实现对TDG过饱和问题的定量研究。

3、利用本发明的实验装置，可控制TDG过饱和水体的饱和度范围、流量及温度，以模拟并研究TDG过饱和对鱼类的影响。

4、利用本发明的实验装置，可生成原型观测中所能观测到的TDG饱和度最高值，弥补了小比尺物理模型实验难于产生TDG高过饱和度的问题。

5、本发明实验装置相比原型观测中，不仅解决了奔波于不同水电站开展原型观测的问题；也解决了高坝泄水频率少、持续时间短不能重复长期测量的问题。

6、本发明实验装置的安装和测量都极为方便；所需材料及设备投资小、占地少、成本低、且操作简单。

附图说明

图1本发明水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的实验装置结构示意图；

图2为图1的实验装置在恒定掺气量、恒定水体流量、恒定温度条件下TDG饱和度与压强关系图；

图3为采用图1的实验装置研究两种鱼类在不同TDG饱和度下随时间的耐受性关系图。

图中，1水池，2水泵，3第一球阀，4第一流量计，5高压釜，6进水口，7进气口，8调节气阀，8#安全气阀，9气压表，10出水口，11空压机，12第二球阀，13第二流量计，14水槽，15乳胶管，16总溶解气体测定仪，17水质监测仪，18温度控制仪。