基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置

摘要

本发明提供了基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，包括基座、升降单元、流速仪、液位计以及控制计算机；基座上表面包括依次衔接的上游连接段、缓坡段、阶梯段以及下游连接段，升降单元包括升降柱及其驱动装置，驱动装置、流速仪、液位计均与控制计算机连接。该装置沿水流方向布置于大坝下游水流处于流动状态的河道中，控制计算机根据进口流速和坡顶水深实时计算坡前总水头，并发出升降指令控制驱动装置驱动升降柱带动基座升降，确保基座始终处于合适的水位。该装置可有效促进大坝下游水体中的过饱和溶解气体释放、促使水体中溶解气体水平的恢复，可有效缓解水电开发带来的不利环境影响。

权利要求

1.基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，其特征在于，该装置包括基座(1)、升降单元(2)、流速仪(3)、液位计(4)以及控制计算机(5)；

所述基座(1)的上表面包括依次衔接的上游连接段(1‑1)、缓坡段(1‑2)、阶梯段(1‑3)以及下游连接段(1‑4)，沿上游连接段(1‑1)、缓坡段(1‑2)、阶梯段(1‑3)以及下游连接段(1‑4)的两侧设有边墙(1‑5)；

所述缓坡段(1‑2)的剖面由两段半径不同方向相反的圆弧衔接而成，缓坡段(1‑2)的起始点低于终止点，缓坡段(1‑2)的起始点与终止点的高度差为P，P＝2.5～3.0m，缓坡段(1‑

2)在水平方向的投影长度为3P；所述阶梯段(1‑3)上具有若干阶梯，阶梯段(1‑3)的起始点高于终止点，阶梯段(1‑3)的起始点与终止点的高度差为P，阶梯段(1‑3)在水平方向的投影长度为1～2P；所述阶梯段(1‑3)的每级阶梯的高度为0.4～0.6m，长度为0.4～1.2m；所述上游连接段(1‑1)和下游连接段(1‑4)为坡度与河道坡度一致的斜面，上游连接段(1‑1)和下游连接段(1‑4)在水平方向的投影长度均为1～2P；

所述升降单元(2)包括若干升降柱(2‑1)以及与升降柱(2‑1)连接用于驱动升降柱(2‑

1)升降的驱动装置(2‑2)，升降柱(2‑1)与基座(1)的底部固定连接；所述流速仪(3)位于上游连接段(1‑1)的前端用于测量上游连接段(1‑1)的进口流速，液位计(4)位于缓坡段(1‑2)的坡顶处用于测量缓坡段(1‑2)的坡顶水深；所述驱动装置(2‑2)、流速仪(3)、液位计(4)均与控制计算机(5)连接；

该装置沿水流方向布置于大坝下游水流处于流动状态的河道中，控制计算机(5)根据上游连接段(1‑1)的进口流速和缓坡段(1‑2)的坡顶水深，控制升降单元(2)的驱动装置(2‑

2)驱动升降柱(2‑1)带动基座(1)升降，以满足促进水体中溶解气体水平恢复的需求；

所述流速仪(3)、液位计(4)分别实时向控制计算机传输上游连接段(1‑1)的进口流速和缓坡段(1‑2)的坡顶水深数据，控制计算机(5)根据式(I)计算坡前总水头，并实时控制升降单元(2)的驱动装置(2‑2)驱动升降柱(2‑1)带动基座(1)升降以调整坡前总水头，使

0.34H‑0.05m≤P≤0.34H+0.05m；

式(I)中，H为坡前总水头，单位为m，H0为缓坡段的坡顶水深，单位为m，v0为上游连接段2

的进口流速，单位为m/s，g为重力加速度，单位为m/s；

所述升降单元(2)能将基座(1)向上抬升至距离布置该装置的河道断面处的河床至少

1.5M的位置，M为布置该装置的河道断面上游的大坝在宣泄五年一遇洪水时，布置该装置的河道断面的平均水深。

2.根据权利要求1所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，其特征在于，所述缓坡段(1‑2)的剖面由半径为R1的第一圆弧与半径为R2的第二圆弧衔接而成，R1＝4P，R2＝P，第一圆弧的起点与上游连接段(1‑1)的终点衔接，第二圆弧的终点与阶梯段(1‑3)的起点衔接，第二圆弧的圆心位于基座上，第一圆弧的圆心位于基座的上方。

3.根据权利要求1所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，其特征在于，所述基座(1)前段的底面从前端处向后延伸形成流线型轮廓，基座(1)后段的底面为水平面。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，其特征在于，该装置的宽度不超过0.1D，D为布置该装置处的河道断面的水面宽度。

5.根据权利要求4所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，其特征在于，当在河道的同一断面布置多个该装置时，所有装置的总宽度不超过0.3D，D为布置该装置处的河道断面的水面宽度。

6.根据权利要求5所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，其特征在于，当在河道的同一断面布置多个该装置时，相邻的装置之间的间距至少为装置宽度的1倍。

7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，其特征在于，所述边墙(1‑5)的厚度为0.05P～0.1P，边墙(1‑5)的高度不小于5P。

说明书

基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力

装置

技术领域

[0001] 本发明属于水利工程溶解气体过饱和削减技术领域，涉及一种基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置。

背景技术

[0002] 高坝泄水容易导致溶解气体过饱和问题，尤其是对于坝高超过百米的大坝，通常采用挑流的方式消能，其下泄水体更容易产生溶解气体过饱和问题。水体中溶解气体过饱和会导致生活在下游河道或者库区的鱼类患上气泡病，严重时甚至死亡，对鱼类的生存形成了较为严重的威胁。因此，需要在大坝、特别是高坝下游的河道对水体中的过饱和的溶解气体进行消除，使之恢复至正常水平。

[0003] 作为水电开发带来的环境问题之一，目前因高坝泄水导致的下游河道水体的溶解气体过饱和问题还未能找到有效的解决办法。有研究者提出采用干支流交汇营造低饱和度区域、在下游河道布置植被促进过饱和溶解气体的释放、以及采用生态调度调整泄洪频率和持续时间的方式来缓解高坝下游水体溶解气体过饱和的问题。但是，采用干支流交汇营造低的饱和度区域有限，同时也缺乏驱赶鱼类进入该低饱和度区域的有效方式；而植被的存在虽然有利于过饱和TDG的释放，但在大坝下游实际布置植被的难度较大，并且有可能影响泄洪期间的河道行洪能力和效率；此外，实际水库运行时不能单以消减下游TDG饱和度为目标，需要同时考虑发电、防洪、灌溉、供水等情况，对于生态调度调整泄洪频率和持续时间的方式的可行性还有待进一步验证。因此，以上三种措施的实用性较为有限，目前尚未有实用性较强的工程减缓措施被提出。

发明内容

[0004] 本发明的目的在克服现有技术的不足，提供一种基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，以解决现有缓解高坝下游水体溶解气体过饱和的措施存在的实用性有限的问题，为促进高坝下游水体中溶解气体水平恢复至正常水平提供易于实施的工程措施。

[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下。

[0006] 基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，该装置包括基座、升降单元、流速仪、液位计以及控制计算机；

[0007] 所述基座的上表面包括依次衔接的上游连接段、缓坡段、阶梯段以及下游连接段，沿上游连接段、缓坡段、阶梯段以及下游连接段的两侧设有边墙；

[0008] 所述缓坡段的剖面由两段半径不同方向相反的圆弧衔接而成，缓坡段的起始点低于终止点，缓坡段的起始点与终止点的高度差为P，P＝2.5～3.0m，缓坡段在水平方向的投影长度为 3P；所述阶梯段上具有若干阶梯，阶梯段的起始点高于终止点，阶梯段的起始点与终止点的高度差为P，阶梯段在水平方向的投影长度为1～2P；所述上游连接段和下游连接段为坡度与河道坡度一致的斜面，上游连接段和下游连接段在水平方向的投影长度均为1～2P；

[0009] 所述升降单元包括若干升降柱以及与升降柱连接用于驱动升降柱升降的驱动装置，升降柱与基座的底部固定连接；所述流速仪位于上游连接段的前端用于测量上游连接段的进口流速，液位计位于缓坡段的坡顶处用于测量缓坡段的坡顶水深；所述驱动装置、流速仪、液位计均与控制计算机连接；

[0010] 该装置沿水流方向布置于大坝下游水流处于流动状态的河道中，控制计算机根据上游连接段的进口流速和缓坡段的坡顶水深，控制升降单元的驱动装置驱动升降柱带动基座升降，以满足促进水体中溶解气体水平恢复的需求。

[0011] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，所述流速仪、液位计分别实时向控制计算机传输上游连接段的进口流速和缓坡段的坡顶水深数据，控制计算机根据式(I)计算坡前总水头，并实时控制升降单元的驱动装置驱动升降柱带动基座升降以调整坡前总水头，使0.34H‑0.05m≤P≤0.34H+0.05m；当坡前总水头满足 0.34H‑0.05m≤P≤0.34H+0.05m时，缓坡段的流量系数基本上可以达到较大值，通过缓坡段进入阶梯段的流量较大，可确保阶梯段稳定发挥促进水体中的过饱和溶解气体快速释放的作用，进而促进水体中溶解气体水平的恢复；

[0012]

[0013] 式(I)中，H为坡前总水头，单位为m，H0为缓坡段的坡顶水深，单位为m，v0为上游连2
接段的进口流速，单位为m/s，g为重力加速度，单位为m/s。

[0014] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，缓坡段的主要作用是抬高水位，缓坡段的轮廓形状及高度对泄流能力有直接影响。优选地，所述缓坡段的剖面由半径为R1的第一圆弧与半径为R2的第二圆弧衔接而成，R1＝4P，R2＝P，第一圆弧的起点与上游连接段的终点衔接，第二圆弧的终点与阶梯段的起点衔接，第二圆弧的圆心位于基座上，第一圆弧的圆心位于基座的上方。此时缓坡段的流量系数较大，过流能力较强。

[0015] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，所述缓坡段的剖面由两段半径不同方向相反的圆弧衔接而成，其中的“剖面”的剖开方向，是指将缓坡段沿着整个装置的长度方向剖开，或者是将该装置安装在河道中之后沿着水流方向将装置剖开。

[0016] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，所述基座前段的底面从前端处向后延伸形成流线型轮廓，基座后段的底面为水平面。之所以将基座前段的底面从前端处向后延伸形成流线型轮廓，主要是在该装置运行过程中，部分水流会从装置的基座下方流过，流线型结构可以平整水流，使水流更加平稳顺畅地流过，确保装置在运行过程中不会遇到较大的动水阻力，进而避免装置振动，保证装置稳定运行。

[0017] 进一步地，所述基座前段的底面从前端处向后延伸形成流线型轮廓，是指随着从基座的起始端向后延伸，基座前段的厚度逐渐增加，且基座前段的底面呈光滑或平滑的曲面。更进一步地，所述基座处于上游连接段下方的底面呈流线型轮廓，基座处于缓坡段、阶梯段和下游连接段下方的底面为水平面。再进一步地，所述升降单元的升降柱设置在基座后段底面呈水平面的位置。

[0018] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，为了不影响河道行洪，对单个该装置的宽度进行了限定，优选地，该装置的宽度不超过0.1D，D 为布置该装置处的河道断面的水面宽度。根据实际应用的需求，在同一河道断面，可以布置一个或多个该装置，当在河道的同一断面布置多个该装置时，所有装置的总宽度不超过0.3D，并且，各装置之间应间隔一定的距离布置，优选地，相邻的装置之间的间距至少为装置宽度的1倍，例如，相邻的装置之间的间距可以为装置宽度的1～3倍。所述布置该装置处的河道断面的水面宽度D，可采用数值模拟软件通过数值模拟的方式来确定。

[0019] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，所述升降单元能将基座向上抬升至距离布置该装置的河道断面处的河床至少1.5M的位置，M为布置该装置的河道断面上游的大坝在宣泄五年一遇洪水时，布置该装置的河道断面的平均水深。M可采用数值模拟软件通过数值模拟的方式来确定。之所以要满足升降单元能将基座向上抬升至距离布置该装置的河道断面处的河床至少1.5M的位置这一要求，一方面是因为通过对升降柱上升和下降的控制可调整基座在河道中的高度，从而使该装置能保持较好的促进水体中的过饱和溶解气体快速释放、促进水体中溶解气体水平的恢复的作用，另一方面，在上游大坝未泄水时，下游河道就没有促进过饱和溶解气体释放的需求，此时通过调整升降柱的高度使装置的基座底面高处水面一定距离，可避免装置影响河道的水流流态。

[0020] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，升降单元的升降柱的数量并没有特殊的限制，只要能够实现可自由调控基座的升降即可，具体实践中，可根据具体的应用需求进行确定。

[0021] 作为一种可行的实施方式，升降单元可以设计成套筒结构，升降柱套设在安装有驱动装置的套筒中，驱动装置驱动升降柱在套筒内上升及下降，套筒的高度应确保升降柱能被完全容纳在套筒中。在河道中安装本发明的装置时，应将套筒埋设在河床中以确保当升降柱完成容纳于套筒中时，装置的基座的底面的水平部分是基本贴合河床的。

[0022] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，所述边墙主要用于规整水流，边墙应具有足够的高度以避免进入该装置的水流从边墙顶部溢出，同时边墙应具有足够的强度，具体的边墙厚度依据边墙的材质来确定。优选地，边墙的厚度为0.05P～0.1P，边墙的高度不小于5P。

[0023] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，阶梯段的主要作用是使经缓坡段抬高水位后的水流在流经阶梯段时，增强水体紊动并发生掺气，促进水体中的过饱和溶解气体快速释放、促进水体中溶解气体水平更快地恢复至正常水平。阶梯段的每级阶梯的高度优选为0.4～0.6m，长度优选为0.4～1.2m，阶梯在该尺寸范围内，有更良好的过饱和溶解气体削减效果。阶梯的高度是指每级阶梯在垂直于水平方向的高度，阶梯的长度是指每级阶梯在垂直于装置宽度的水平方向的长度。

[0024] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，边墙及基座可采用木材、钢材或钢筋混凝土等材料建造而成，边墙与基座的材料可以相同或不同，为便于建造，边墙与基座优选为相同材料建造而成。此外，为方便发挥升降功能，升降柱优选采用钢材制造而成。

[0025] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，液位计的作用是测量缓坡段坡顶处的水深，在具有该作用的前提下，液位计可以采用本领域常规的液位计，本发明中优选浮球液位计。流速仪的作用是测量上游连接段的进口流速，在具有该作用的前提下，流速仪可以采用本领域常规的流速仪，本发明中优选悬桨流速仪。

[0026] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，所述流速仪、液位计与控制计算机之间的连接，根据具体采用的流速仪以及液位计的信号传输方式的不同，可以是有线连接，也可以是无线连接。

[0027] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的技术方案中，为保证装置具有一定强度及使用年限，下游连接段出口处的厚度不得小于1m，通常可设置为1～2m。

[0028] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置需要沿水流方向布置于大坝下游水流处于流动状态的河道中，通常，该装置安装在大坝下游距离大坝5～20km的水流处于流动状态的河道中。

[0029] 上述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的使用方法如下：

[0030] 将该装置沿水流方向布置在大坝下游水流处于流动状态的河道中，使上游连接段与上游河道衔接，下游连接段与下游河道衔接，调整各升降柱的高度，使装置基座后段的水平底面处于水平状态，之后调整装置的升降柱的高度使装置基座底面处于高于水面线的位置。当处于装置上游的大坝未泄水时，则大坝下游河道中水体的溶解气体过饱和问题并不明显，此时无需运行本发明的装置，使装置底面的底面处于高于水面线的位置即可，可避免装置对河道中水流流态造成影响。当处于装置上游的大坝泄水时，会加重大坝下游河道中水体的溶解气体过饱和问题，此时需要运行该装置以促进水体中的过饱和溶解气体的释放、促进水体中溶解气体水平恢复至正常水平。

[0031] 开始运行时，控制计算机对升降单元的驱动装置发出指令，驱动升降柱带动基座逐渐下降，位于上游连接段的流速仪和位于缓坡段坡顶的液位计开始工作，按设定时间间隔向控制计算机传输上游连接段的进口流速v0和缓坡段的坡顶水深H0数据，控制计算机根据式(I)计算坡前总水头H，若0.34H0.05≤P≤0.34H+0.05；在坡前总水头始终满足0.34H‑0.05≤P≤0.34H+0.05时，缓坡段的流量系数达到较大值，通过缓坡段进入阶梯段的流量较大，可确保阶梯段稳定发挥促进水体中的过饱和溶解气体快速释放的作用。

[0032] 当处于装置上游的大坝停止泄水并且大坝下游河道中水体的溶解气体过饱和水平恢复至大坝泄水前的水平时，通过控制计算机对升降单元的驱动装置发出指令，驱动升降柱带动基座逐渐上升，直到装置基座底面处于高于水面线的位置。

[0033] 本发明所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的设计原理如下：

[0034] 我们在实验中发现，流经阶梯结构(例如阶梯溢流坝)的水体紊动增强、并会发生掺气，若将溶解气体过饱和水体引至阶梯溢流坝的坝顶，在水体流经阶梯溢流坝的过程中，可促进水体中的过饱和溶解气体释放、促使水体中溶解气体水平的恢复。基于此，本发明首次将阶梯溢流坝的这种阶梯结构应用至促进水体中溶解气体水平的恢复中，通过设计包括上游连接段、缓坡段、阶梯段和下游连接段的基座，使水流平稳经过上游连接段，又被缓坡段将水位抬高，再由阶梯段和下游连接段后下泄，利用在阶梯段的掺气以及促进水体紊动增强的过程起到促进溶解气体释放的作用。同时，通过设计与基座配合使用的升降单元、流速仪、液位计以及控制计算机等，根据来流条件适时调节基座的高度，以达到最佳的促进水体中溶解气体释放和促使水体中溶解气体水平恢复的效果。

[0035] 与现有技术相比，本发明提供的技术方案产生了以下有益的技术效果：

[0036] 1.本发明提供了一种基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，该装置包括基座、升降单元、流速仪、液位计以及控制计算机，基座的上表面包括依次衔接的上游连接段、缓坡段、阶梯段以及下游连接段，通过上游连接段和缓坡段平稳的抬高水位，再经阶梯段下泄，利用水流在阶梯段上下泄过程中的掺气过程以及紊动增强的特点，促使流经阶梯段的水体中的过饱和溶解气体释放，起到对高坝下游河道中水体溶解气体过饱和削减、促使水体中溶解气体水平恢复的作用，从而降低高坝泄水导致的水体溶解气体水平不正常给鱼类带来的不良影响。

[0037] 2.本发明提供的基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，通过设置控制计算机、流速仪、液位计以及升降单元，通过流速仪和液位计测量进口流速和缓坡段坡顶水深并实时发送给控制计算机，控制计算机根据设定条件对升降单元发出升降指令，从而带动基座上下移动至合理的高度，实现在不同流量下及水位条件下装置高度的自动控制，以达到有效削减水体中过饱和溶解气体、促使进水体中溶解气体水平恢复的效果，在促进高坝下游水体溶解气体水平恢复的实际应用具有重要意义。

[0038] 3.本发明提供的基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，首次将阶梯结构(例如阶梯溢流坝)应用于促进大坝下游水体溶解气体水平的恢复中，其整体结构组成简单，易于制造，自动化控制，可操作性强，能有效环境水电开发带来的不利环境影响，保护生活在高坝下游的鱼类，具有很强的实用性。

附图说明

[0039] 图1是实施例1采用的实验装置的结构示意图，图1中，10—调节阀门、11—清水水流入口、12—溶解气体过饱和水流入口、13—三角量水堰、14—消力池、15—阶梯溢流坝、16 —监测探头。

[0040] 图2是实施例1中TDG饱和度在阶梯溢流坝上的变化情况。

[0041] 图3是实施例1中DO饱和度在阶梯溢流坝上的变化情况。

[0042] 图4是本发明所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的结构示意图。

[0043] 图5是本发明所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置沿长度方向剖开后的结构示意图。

[0044] 图4～5中，1—基座、1‑1—上游连接段、1‑2—缓坡段、1‑3—阶梯段、1‑4—下游缓坡段、 2—升降单元、2‑1—升降柱、2‑2—驱动装置、3—流速仪、4—液位计、5—控制计算机。

[0045] 图6是本发明所述基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置各部分的尺寸关系示意图。

[0046] 图7是实施例1中控制计算机与流速仪、液位计、升降单元之间的连接示意图。

具体实施方式

[0047] 以下通过实施例对本发明提供的基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明保护的范围。

[0048] 实施例1

[0049] 为了证实本发明采用的阶梯段结构具有促进水体中过饱和气体释放使溶解气体水平恢复的作用，本实施例通过带阶梯结构(阶梯溢流坝)的实验装置来进行实验，考察阶梯结构能否促进水体中的过饱和气体释放并促使溶解气体水平恢复至正常水平。

[0050] 实验装置的结构示意图如图1所示，包括调节阀门10、清水水流入口11、溶解气体过饱和水流入口12，以及从左至右依次设置连通的三角量水堰13、消力池14和阶梯溢流坝15，在阶梯溢流坝的不同的阶梯上设置了监测探头16，用于监测水体中的总溶解气体含量以及溶解氧含量。三角量水堰堰口到底板高度为0.405m，量水堰堰宽为0.3m。阶梯溢流坝的阶梯体型为：阶梯长10cm、高6cm、宽15cm。

[0051] 以总溶解气体(TDG)饱和度和溶解氧(DO)饱和度为实验监测指标，设置两组实验分别监测TDG饱和度和DO饱和度的变化。第一组实验的条件：初始TDG饱和度设定为120±5％，流量设定为8.5～9.0L/s；第二组实验的条件：初始DO饱和度设定为160.0±5.0％，流量设定为 5.5～6.0L/s。

[0052] 1.采用第一组实验监测TDG饱和度，具体步骤为：

[0053] (1)打开过饱和TDG生成装置，待装置生成稳定的过饱和水流后，分别调节连接清水池和TDG生成装置的流量阀，使不同流量比例的清水和过饱和水流在三角量堰前的水池里掺混均匀且水流在阶梯溢流坝上的流态稳定。

[0054] (2)测量并记录三角量堰堰上水头及0#阶梯处的水深，同时测量记录阶梯溢流坝上0#、 3#、6#、9#、12#、15#、18#、21#、24#阶梯以及阶梯溢流坝底部(26#阶梯)处的TDG饱和度。结果如图2和表1所示。

[0055] 2.采用第二组实验监测DO饱和度，具体步骤为：

[0056] (1)打开过饱和DO生成装置，待装置生成稳定的过饱和水流后，分别调节连接清水池和DO生成装置的流量阀，使不同流量比例的清水和过饱和水流在三角量堰前的水池里掺混均匀且水流在阶梯溢流坝上的流态稳定。

[0057] (2)测量并记录三角量堰堰上水头及0#阶梯处的水深，同时测量记录阶梯溢流坝上0#、 3#、6#、9#、12#、15#、18#、21#、24#阶梯以及阶梯溢流坝底部(26#阶梯)处的DO饱和度。结果如图3和表2所示。

[0058] 表1

[0059]

[0060] 表2

[0061]

[0062] 结合图2～3以及表1～2可知，阶梯结构(例如本实施例中的阶梯溢流坝)可以促进水体中的过饱和溶解气体的释放，从而达到促进水体中溶解气体水平(包括总溶解气体水和溶解氧水平)恢复的目的。

[0063] 实施例2

[0064] 本实施例拟在某大坝下游6.57km处的断面沿水流方向布置基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，已知该河流平均坡降为2.77‰。根据Mike11软件数值模拟结果，该断面水面宽约为107.42m，该大坝宣泄5年一遇洪水时，断面平均水深为9.34m。

[0065] 本实施例中，基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置如图4‑6所示，包括基座1、升降单元2、流速仪3、液位计4以及控制计算机5。

[0066] 如图4‑5所示，基座1的上表面包括依次衔接的上游连接段1‑1、缓坡段1‑2、阶梯段1‑3 以及下游连接段1‑4。基座1处于上游连接段1‑1下方的底面呈流线型轮廓，基座1处于缓坡段1‑2、阶梯段1‑3和下游连接段1‑4下方的底面为水平面。如图6所示，缓坡段1‑2的剖面由方向相反、半径为R1的第一圆弧与半径为R2的第二圆弧衔接而成，缓坡段1‑2的起始点低于终止点，缓坡段1‑2的起始点与终止点的高度差为P，P＝2.8m，缓坡段1‑2在水平方向的投影长度为8.4m。R1、R2分别为11.2m和2.8m。阶梯段1‑3上具有若干阶梯，阶梯段1‑3的起始点高于终止点，阶梯段1‑3的起始点与终止点的高度差为2.8m，阶梯段1‑3在水平方向的投影长度为3.0m。每级阶梯的高度为0.4m，长度为0.5m。上游连接段1‑1和下游连接段 1‑4为坡度为2.77‰的斜面，上游连接段1‑1、下游连接段1‑4在水平方向的投影长度均为5.0m。沿上游连接段1‑1、缓坡段1‑2、阶梯段1‑3以及下游连接段1‑4的两侧设置有边墙1‑5。边墙 1‑
51‑5厚度为0.14m，高度为14m。基座1最宽处的宽度即装置的宽度为5.0m。基座1和边墙1‑5均采用钢筋混泥土建筑而成。

[0067] 升降单元2包括三个升降柱2‑1以及与升降柱连接用于驱动升降柱2‑1升降的驱动装置 2‑2。升降单元2为套筒结构，升降柱2‑1套设在安装有驱动装置2‑2的套筒中，驱动装置2‑2 驱动升降柱2‑1在套筒内上升及下降，套筒的高度使升降柱2‑1能被完全容纳在套筒中。升降柱2‑1的总高度为15m，采用钢材制造而成。升降柱2‑1设置在基座1后段底面呈水平面的位置。如图7所示，驱动装置2‑2与控制计算机5连接。

[0068] 流速仪3采用悬桨流速仪，设置于上游连接段1‑1的前端用于测量上游连接段1‑1的进口流速v0。液位计4采用浮球液位计，设置于缓坡段1‑2的坡顶处用于测量缓坡段1‑2的坡顶水深H0。如图7所示，流速仪3、液位计4均与控制计算机5连接。

[0069] 一个该可升降水力装置沿水流方向布置于某大坝下游6.57km处的断面。

[0070] 流速仪3、液位计4分别实时向控制计算机5传输上游连接段1‑1的进口流速和缓坡段 1‑2的坡顶水深数据，控制计算机5根据式(I)计算坡前总水头，并实时控制升降单元2的驱动装置2‑2驱动升降柱2‑1带动基座1升降以调整坡前总水头，使 0.34H‑0.05m≤P≤0.34H+0.05m；

[0071]

[0072] 式(I)中，H为坡前总水头，单位为m，H0为缓坡段的坡顶水深，单位为m，v0为上游连2
接段的进口流速，单位为m/s，g为重力加速度，单位为m/s。

[0073] 实施例3

[0074] 以下对实施例2提供的基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置的使用方法进行说明，过程如下：

[0075] 将该装置沿水流方向布置在大坝下游水流处于流动状态的河道中，使上游连接段1‑1与上游河道衔接，下游连接段1‑4与下游河道衔接，调整各升降柱2‑1的高度，使装置基座1 后段的水平底面处于水平状态，之后调整装置的升降柱2‑1的高度使装置基座1底面处于高于水面线的位置。当处于装置上游的大坝未泄水时，则大坝下游河道中水体的溶解气体过饱和问题并不明显，此时无需运行本发明的装置，使装置底面的底面处于高于水面线的位置即可，可避免装置对河道中水流流态造成影响。当处于装置上游的大坝泄水时，会加重大坝下游河道中水体的溶解气体过饱和问题，此时需要运行该装置以促进水体中的过饱和溶解气体的释放，促使水体中溶解气体水平的恢复。

[0076] 开始运行时，控制计算机5对升降单元2的驱动装置2‑2发出指令，驱动升降柱2‑1带动基座1逐渐下降，位于上游连接段1‑1的流速仪3和位于缓坡段1‑2坡顶的液位计4开始工作，按设定时间间隔向控制计算机5传输上游连接段1‑1的进口流速v0和缓坡段1‑2的坡顶水深H0数据，控制计算机5根据式(I)计算坡前总水头H，若0.34H

[0077] 当处于装置上游的大坝停止泄水并且大坝下游河道中水体的溶解气体过饱和水平恢复至大坝泄水前的水平时，通过控制计算机5对升降单元2的驱动装置2‑2发出指令，驱动升降柱2‑1带动基座逐渐上升，直到装置基座1底面处于高于水面线的位置。

[0078] 实施例4

[0079] 本实施例拟在某大坝下游6.57km处的断面沿水流方向布置基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置，已知该河流平均坡降为2.77‰。根据Mike11软件数值模拟结果，该断面水面宽约为107.42m，该大坝宣泄5年一遇洪水时，断面平均水深为9.34m。

[0080] 本实施例中，基于阶梯掺气促进水体中溶解气体水平恢复的可升降水力装置如图4‑6所示，包括基座1、升降单元2、流速仪3、液位计4以及控制计算机5。

[0081] 如图4‑5所示，基座1的上表面包括依次衔接的上游连接段1‑1、缓坡段1‑2、阶梯段1‑3 以及下游连接段1‑4。基座1处于上游连接段1‑1下方的底面呈流线型轮廓，基座1处于缓坡段1‑2、阶梯段1‑3和下游连接段1‑4下方的底面为水平面。如图6所示，缓坡段1‑2的剖面由方向相反、半径为R1的第一圆弧与半径为R2的第二圆弧衔接而成，缓坡段1‑2的起始点低于终止点，缓坡段1‑2的起始点与终止点的高度差为P，P＝2.8m，缓坡段1‑2在水平方向的投影长度为8.4m。R1、R2分别为11.2m和2.8m。阶梯段1‑3上具有若干阶梯，阶梯段1‑3的起始点高于终止点，阶梯段1‑3的起始点与终止点的高度差为2.8m，阶梯段1‑3在水平方向的投影长度为3.0m。每级阶梯的高度为0.4m，长度为0.5m。上游连接段1‑1和下游连接段 1‑4为坡度为2.77‰的斜面，上游连接段1‑1、下游连接段1‑4在水平方向的投影长度均为5.0m。沿上游连接段1‑1、缓坡段1‑2、阶梯段1‑3以及下游连接段1‑4的两侧设置有边墙1‑5。边墙 1‑
51‑5厚度为0.14m，高度为14m。基座1最宽处的宽度即装置的宽度为5.0m。基座1和边墙1‑5均采用钢筋混泥土建筑而成。

[0082] 升降单元2包括三个升降柱2‑1以及与升降柱连接用于驱动升降柱2‑1升降的驱动装置 2‑2。升降单元2为套筒结构，升降柱2‑1套设在安装有驱动装置2‑2的套筒中，驱动装置2‑2 驱动升降柱2‑1在套筒内上升及下降，套筒的高度使升降柱2‑1能被完全容纳在套筒中。升降柱2‑1的总高度为15m，采用钢材制造而成。升降柱2‑1设置在基座1后段底面呈水平面的位置。如图7所示，驱动装置2‑2与控制计算机5连接。

[0083] 流速仪3采用悬桨流速仪，设置于上游连接段1‑1的前端用于测量上游连接段1‑1的进口流速v0。液位计4采用浮球液位计，设置于缓坡段1‑2的坡顶处用于测量缓坡段1‑2的坡顶水深H0。如图7所示，流速仪3、液位计4均与控制计算机5连接。

[0084] 将两个该可升降水力装置沿水流方向布置于某大坝下游6.57km处的断面，相邻可升降水力装置之间的间距为可升降水力装置宽度的2倍。

[0085] 流速仪3、液位计4分别实时向控制计算机5传输上游连接段1‑1的进口流速和缓坡段 1‑2的坡顶水深数据，控制计算机5根据式(I)计算坡前总水头，并实时控制升降单元2的驱动装置2‑2驱动升降柱2‑1带动基座1升降以调整坡前总水头，使 0.34H‑0.05m≤P≤0.34H+0.05m；

[0086]

[0087] 式(I)中，H为坡前总水头，单位为m，H0为缓坡段的坡顶水深，单位为m，v0为上游连2
接段的进口流速，单位为m/s，g为重力加速度，单位为m/s。