城市河道人工建筑物复氧研究.pdf

2005年工作年会暨全国城市水利学术研讨会论文集 城市河道人工建筑物复氧研究‘ 罗麟程香菊 罗英明3 摘要：城市河道通常流速低，流量小，枯水季节尤盛．水体溶解氧作为衡量水质的一项重要指标，其浓度高低时水 体质量至关重要，但在城市河流状态下复氧效率通常偏低，造成溶解氧浓度不足．本文介绍了人工建筑物复氧增强的实 验研究及数值模拟研究，着重分析城市河流常见建筑物一橡胶坝的复氙增强措施．通过改造厦优化设计，橡胶坝的复氧 能力可望提高40％． 关键词：城市河流复氧人工建筑物优化 一、引言“” 水中溶解氧含量的高低直接影响着水生生物的生长以及河流对有机污染物进行生物降解、自净的能 力。为了恢复河流的生态环境并维持河流的良好水质，提高其溶解氧含量可说是最重要的措施之一。人 工复氧是提高水体中溶解氧含量、改善水质的有效手段，国内外许多河流上都采用了增氧机或水工泄水 建筑物的方式来增加水中的溶解氧。河流中兴建的闸、堰等人工建筑物下游的出流，由于水流的强烈紊 动和掺气，使得水体的溶解氧含量有了明显的提高。为了充分利用水的紊动能，可以通过设计一些特殊 形状的加糙物，设置在河流中溢流堰面上，使溢过堰面的水体紊动更加剧烈，从而使大气中的氧气能更 多地进入水体中成为溶解氧，并在水体中台理地扩散、输移。 尽管人们逐步认识到了人工建筑物对河流复氧的重要性，但是由于堰(或坝)掺气水流流动的复杂 性，目前国内外已有的对堰、坝等人工建筑物的复氧研究还仅限于通过一定的室内实验和实地观测建立 一些经验性的预测关系式．而对于人工建筑物复氧的机理还缺乏深入的研究，难以满足实际工程应用的 需要。 河流中溶解氧的复氧和输移、扩散过程是一个典型的湍流问题，在有人工建筑物存在时更是如此。 因此，本文对人]：建筑物的复氧进行了系统的机理研究。并在此基础上优化设计橡胶坝形状以便更好地 增加水体溶解氧含量。 二、人工建筑物复氧的试验研究“’21 根据水工建筑物原型与模型的几何相似原理，在室内设计了一系列人工建筑物复氧装置，采用干扰 平衡法，用德国wTwOxil97型溶氧仪测定其坝上、坝’卜溶解氧浓度。在枯水和丰水季节，实地观测府 南河橡胶坝复氧情况，测定府南河DO、BOD沿程变化情况，为橡胶坝复氧能力的计算模拟分析奠定基 础。 (--)室内试验装置 在室内分别对五组建筑物装置复氧进行研究：1、光滑溢流坝；2、阶梯溢流坝、3、坝面上粘贴半 球的溢流坝；4、光滑橡胶坝、5、坝面粘贴有阶梯的橡胶坝。溢流坝曲线采用标准的WES曲线，堰顶 +国家自然科学基盘资助项目．作者Email：!女趔卫坌刨Ⅱgh9§：Q￡g：蛆 2005年工作年会噩全国城市水利学术研讨会论文集 然后将半球状壳体粘贴于溢流坝坝面，形成“粗糙型溢流面”：光滑橡胶坝设计坝高、坝宽同溢流坝． 曲面坐标由‘橡胶坝技术规范SL227．98》获得；在光滑橡胶坝坝顶处设置了6个过渡阶梯，高度分别为 阶梯的外包线与光滑型橡胶坝的曲线一致，成为阶梯橡胶坝。 (二)室内试验结果 l，水流流态观察结果与分析 坝面上水流流态如图1．图8所示。对于光滑溢流坝，坝面上水流较平顺，自由水面虽有微小波动， 但不破碎、分散，几乎没有气泡产生，复氧主要依赖于气液界面氧扩散进行，故复氧效果较弱。而对于 阶梯溢流坝和坝面粘贴有乒乓球的溢流坝，坝面水体产生强烈紊动，出现许多大大小小的水花，掺气现 象特别明显，不存在界线分明的自由水面，从图l～5可以观察看到。从图3、4、7、8可以看出，当单 宽流量不同时，阶梯溢流坝坝面水体出现不同流态。图3表示了单宽流量较小的情况，坝面上水流呈跌 落流形态，薄层水舌连续地沿阶梯逐级跌落，跌落后的水流保持急流状态再跌趸下一级阶梯．阶梯凹处 几乎没有出现旋涡。随着单宽流量的增大，坝面水流逐渐呈现滑移流状态(见图4)，水舌跌落现象消失， 水舌滑过阶梯外缘下泄，阶梯凹处出现明显的旋涡。同时从图3、4可以看山阶梯溢流面上掺气的起始 点。在掺气起始点的上游部分，水流较平稳，在图3中，掺气起始点的位置发生在第3个阶梯上，而在 图4中．掺气起始点的位置发生在第4个阶梯上．说明随着单宽流量的增大，掺气起始点位置下移。在 掺气起始点的下游，水体紊动增强，进入了发展掺气区，这时水气强烈混掺，使水体复氧效果增强，增 加水体溶解氧含量。从图6可以看出，溢过橡胶坝的水流跌落进入