水利工程下游水質(zhì)溶解氧超飽和性能研究及預(yù)測

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1、水利工程下游水質(zhì)溶解氧超飽和性能研究及預(yù)測第1章緒論1.1工程背景及研究意義三峽水庫蓄水以后，水流過壩有兩種方式，一種是電站過流，另一種是通過泄水建筑物過流。非汛期一般只有電站過流，汛期長江來流量大，往往超過電站發(fā)電流量而須通過泄水建筑物下泄部分洪水。三峽工程的泄水建筑物主要集中在主河床中部的泄洪壩段，共設(shè)置23個深孔，22個溢流堰形式的表孔，22個三期施工導(dǎo)流底孔（現(xiàn)已封堵）[2]。三峽深孔采用有壓短管接明流泄槽過流方式，以挑流作為與下游河道的銜接，進(jìn)口底部高程90m，孔高9m，運(yùn)行時孔口完全淹沒，屬于壩身孔口過流；表孔進(jìn)口底部高程為158m，發(fā)生大洪水，庫水位超

2、過158m時才能啟用表孔；導(dǎo)流底孔進(jìn)出口均淹沒在水面下，水流在壩后形成水躍。水庫運(yùn)行期間，絕大部分泄洪任務(wù)由深孔承擔(dān)。蓄水初期，投入運(yùn)行的電站機(jī)組較少，深孔擔(dān)任了部分非汛期泄水任務(wù)；2003年7、8、9月，2004年9月，2005年8月各大流量月份，導(dǎo)流底孔也承擔(dān)了部分泄洪任務(wù)。三峽工程的建設(shè)改變了長江的水流條件，水文條件和河床河勢，從而改變了流域的水質(zhì)和水環(huán)境特性[3,4]。蓄水以后，大壩下游東岳廟、黃陵廟、南津關(guān)等江段在泄水建筑物過流期間均出現(xiàn)了溶解氧超飽和現(xiàn)象，一般能達(dá)到飽和度的110%，最高值超過130%[5,6]。溶解氣體超飽和是我國水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的

3、問題，但可能會造成魚類的氣泡病甚至死亡。我國新安江水庫下游和葛洲壩水利水電樞紐下游、梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行的哥倫比亞河流域都發(fā)生過溶解氧超飽和現(xiàn)象及其誘發(fā)的魚類氣泡病甚至死亡[7-9]。長江流域擁有豐富的魚類資源，不僅是四大家魚的棲息繁殖地和天然種苗基因庫，也是稀有魚類中華鱘、白鱘、胭脂魚等的集中棲息地和天然繁殖場[10]。盡管目前尚未看到大壩下游自然存活魚類發(fā)生氣泡病的相關(guān)報道，但是捕撈作業(yè)中存在魚類表層水體暫養(yǎng)困難及死亡現(xiàn)象[11]。為避免三峽工程泄水建筑物過流對長江魚類產(chǎn)生影響，特別是對養(yǎng)殖漁業(yè)帶來困難，應(yīng)關(guān)注并高度重視溶解氣體超飽和問題。一般地，水利工程中的溶解氣

4、體超飽和問題是大氣在水體中的溶解造成的。大氣主要由氮?dú)夂脱鯕饨M成，溶解氮和溶解氧是自然水體中最為主要的溶解氣體，其中溶解氧和水體功能的關(guān)系最為密切，且施測方便，現(xiàn)階段水利工程中關(guān)于溶解氣體的研究多數(shù)針對溶解氧展開。關(guān)注水體溶解氣體超飽和需要回答兩個問題：第一，不同的水庫調(diào)度模式和不同的水文水力學(xué)條件下，下游水體溶解氣體會達(dá)到什么樣的超飽和程度；第二，不同的超飽和程度對于不同種類和不同生長階段的魚類會造成什么樣的影響。本文著重研究第一個問題，將通過機(jī)理性分析研究溶解氣體超飽和發(fā)生的實(shí)質(zhì)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于機(jī)理分析的計算方法及數(shù)值模擬手段實(shí)現(xiàn)水利樞紐下游溶解氧飽和度

5、的預(yù)測，為三峽工程的水環(huán)境管理和其它水利樞紐的建設(shè)運(yùn)行提供技術(shù)支持。1.2氣體溶解的研究現(xiàn)狀溶解氣體超飽和現(xiàn)象就是大氣或者某種氣體在水體中的溶解達(dá)到超飽和狀態(tài)的現(xiàn)象，可以是總?cè)芙鈿怏w超飽和，也可以是單一溶解氣體超飽和。溶解氣體超飽和發(fā)生的基礎(chǔ)是氣體在水體中的溶解。1.2.1氣體質(zhì)量傳輸方程氣體溶解的實(shí)質(zhì)是氣液交界面的氣相和液相之間發(fā)生的氣體傳輸。氣液兩相間的氣體傳輸包括三個部分：氣體在氣相中的傳輸，氣體在相界面的傳輸（化工上稱為氣體吸收）和氣體在液相中的傳輸[12]?？紤]紊動的作用，Higbie在1935年提出溶質(zhì)滲透理論[17]。溶質(zhì)滲透理論假定液面是由無數(shù)微小的

6、流體單元構(gòu)成，暴露于表面的每個單元都在與氣相接觸某一短暫時間（暴露時間st）后，被來自液相主體的新單元取代，自身返回液相主體內(nèi)，因而，溶質(zhì)在液相中擴(kuò)散不可能達(dá)到定態(tài)，即液體表層往往來不及建立定態(tài)的濃度梯度就被取代了，溶質(zhì)總是處于由相界面向液相縱深方向逐漸滲透的非定態(tài)過程中。氣相中的溶質(zhì)透過界面滲入液相的速度與界面處溶質(zhì)濃度梯度成正比。隨著接觸時間的延長，界面處的濃度梯度逐漸減小，這表明傳質(zhì)速率也將隨之變小，所以，每次接觸的時間越短，按時間平均計算的傳質(zhì)效率越高。第2章三峽工程近壩水域水質(zhì)狀況及溶解氧特性分析全面掌握水質(zhì)狀況，才能找到需進(jìn)一步研究和解決的問題。本章將在

7、三峽水庫近壩水域的水質(zhì)監(jiān)測成果基礎(chǔ)上，建立概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)預(yù)測模型，分析評價蓄水前后的水質(zhì)狀況和變化規(guī)律，深入探討水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)中未給定上限的溶解氧的變化特性。2.1三峽工程近壩水域?qū)崪y水質(zhì)狀況的評價水質(zhì)評價的主要目的是準(zhǔn)確反映水質(zhì)污染狀況，找出主要的污染物，及其發(fā)生的時間、地點(diǎn)和發(fā)展趨勢，為水資源保護(hù)、水污染防治和水質(zhì)管理提供依據(jù)。水質(zhì)評價建立在水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，需針對待評價水體的功能特性選擇合適的水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)和評價參數(shù)，根據(jù)待評價水體的水質(zhì)基本狀況及評價目的構(gòu)建合理的評價模型。完成評價以后，需對水質(zhì)狀況進(jìn)行分析說明，指出可能存在的水質(zhì)問題，從而為進(jìn)一步提出解決