高壩泄流總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和問(wèn)題研究現(xiàn)狀

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(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 引言

高壩工程在泄水時(shí)，會(huì)造成下游水體中總?cè)芙鈿怏w(TDG)體積數(shù)大于當(dāng)?shù)販囟群痛髿鈮毫?duì)應(yīng)的溶解度，產(chǎn)生TDG過(guò)飽和現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致下游水生生物患?xì)馀莶∩踔了劳觥?guó)外關(guān)于壩下TDG過(guò)飽和問(wèn)題的研究開(kāi)展較早，但多針對(duì)于50m以下中低水頭水利工程，由于我國(guó)許多大壩工程為50m以上的高壩，工程特性與國(guó)外中低壩有著很大不同，因此國(guó)外許多相關(guān)研究成果尚不能直接應(yīng)用。

我國(guó)對(duì)溶解氣體過(guò)飽和生成與釋放過(guò)程的研究尚處在起步階段，對(duì)TDG的觀測(cè)工作開(kāi)展較少，同時(shí)缺乏深入系統(tǒng)的對(duì)過(guò)飽和TDG生成與釋放過(guò)程的機(jī)理研究。隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施，溪洛渡、向家壩和白鶴灘等一批高壩或超高壩已建或在建中，我國(guó)高壩泄流導(dǎo)致TDG過(guò)飽和問(wèn)題將日漸突出，開(kāi)展高壩泄流TDG過(guò)飽和研究具有特別重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值。本文將從高壩泄流溶解氣體過(guò)飽和影響因素、對(duì)魚(yú)類影響、飽和度預(yù)測(cè)模型、消減措施等四個(gè)方面，介紹目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于高壩泄洪總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和研究現(xiàn)狀。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 影響因素

針對(duì)不同大壩的溶解氣體過(guò)飽和問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者開(kāi)展了大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和原型觀測(cè)。May.B等研究發(fā)現(xiàn)壩下游溶解氣體的含量與溢洪道泄洪情況有密切聯(lián)系[1]。Politano采用兩相流模擬了溢洪道下游過(guò)飽和氣體的釋放過(guò)程[2]。大量研究表明：大壩泄流溶解氣體過(guò)飽和與大壩泄水建筑物的結(jié)構(gòu)形式和水庫(kù)泄洪調(diào)度方式有關(guān)。蔣亮等對(duì)紫坪鋪壩下游河段的過(guò)飽和氣體進(jìn)行了原型觀測(cè)，指出下泄流量與下游TDG飽和度有著較好的相關(guān)關(guān)系；河道水深是影響過(guò)飽和氣體消減速率的重要因素；在同樣單寬流量下，含沙水體比清水有更高的TDG飽和度[3]。王煜等對(duì)三峽-葛洲壩壩下近壩區(qū)溶解氧過(guò)飽和主要影響因素的權(quán)重分析，發(fā)現(xiàn)影響最大的是泄洪方式、泄洪建筑物總泄洪量、壩上溶解氧飽和度、水電站泄流量、上下游水位[4]。曲璐等通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究發(fā)現(xiàn)含沙水體中TDG釋放速率明顯快于清水中TDG釋放速率[5]。并通過(guò)對(duì)紫坪鋪、三峽等工程的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)消能方式、泄洪流量與泄水建筑物的布置是影響過(guò)飽和TDG生成的主要因素，發(fā)電尾水的摻混作用可有效降低壩下TDG過(guò)飽和度，而支流匯入、水深、紊動(dòng)是影響TDG過(guò)飽和沿程釋放的重要因素[6]。劉燚等通過(guò)不同風(fēng)速下的TDG室內(nèi)釋放試驗(yàn)，研究風(fēng)速對(duì)過(guò)飽和TDG釋放過(guò)程的影響[7]。馮鏡潔等開(kāi)展了不同流量和泥沙含量條件下的過(guò)飽和TDG輸移釋放過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究，并開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算，反算得到各條件下的釋放系數(shù)[8]。

2.2 對(duì)魚(yú)類的影響

高壩泄水過(guò)程會(huì)造成下游水體中TDG過(guò)飽和，對(duì)魚(yú)類的生存造成威脅，同時(shí)，高壩排沙運(yùn)用時(shí)下泄洪水中含大量泥沙也會(huì)對(duì)下游水中魚(yú)類及水生生物帶來(lái)影響。國(guó)外對(duì)高壩泄流引起的氣體過(guò)飽和對(duì)魚(yú)類的影響的關(guān)注始于上世紀(jì)60年代，最有代表性的是對(duì)哥倫比亞斯內(nèi)克河水電系統(tǒng)泄洪導(dǎo)致大壩下游TDG過(guò)飽和，造成魚(yú)類大規(guī)模死亡的研究。Dawley等研究了不同濃度TDG過(guò)飽和水體對(duì)大鱗大馬哈魚(yú)幼魚(yú)和虹鱒的影響[9]。Charles等總結(jié)分析了大量研究報(bào)告，得到了持續(xù)暴露時(shí)間及泥沙濃度與魚(yú)類受到的不良影響的嚴(yán)重性之間的關(guān)系[10]。

在我國(guó)，譚德彩等具體分析了魚(yú)類不同生活階段、液靜壓、溫度、間歇性的暴露、探知和躲避能力導(dǎo)致其對(duì)氣體過(guò)飽和忍耐大小的狀況[11]。汪青等分析了魚(yú)類氣泡病的發(fā)生機(jī)制，提出了減緩氣體過(guò)飽和的生物解決方案[12]。董杰英等研究了不同魚(yú)類對(duì)氣體溶解過(guò)飽和的敏感性[13]。王遠(yuǎn)銘等研究了TDG過(guò)飽和水體對(duì)齊口裂腹魚(yú)的急性致死效應(yīng)、間歇性脅迫效應(yīng)、水平和垂向回避效應(yīng)[14]。在高含沙水流給魚(yú)類帶來(lái)的威脅方面，孫麓煒等通過(guò)實(shí)驗(yàn)推測(cè)高含沙水流對(duì)黃河鯉魚(yú)造成的急性缺氧應(yīng)激是導(dǎo)致小浪底水庫(kù)排沙過(guò)程中流魚(yú)現(xiàn)象的主要原因之一[15]。張亦然等發(fā)現(xiàn)在TDG飽和度相同時(shí)，含沙量越高半致死時(shí)間越短，含沙量相同時(shí)，TDG飽和度越高，半致死時(shí)間越短[16]。但現(xiàn)有研究對(duì)有關(guān)魚(yú)類因高壩泄流引起的溶解氣體過(guò)飽和的承受程度相關(guān)研究以及解決方案的相關(guān)報(bào)道相對(duì)較少，并且目前也尚未對(duì)大壩下游TDG提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 飽和度預(yù)測(cè)模型

目前，預(yù)測(cè)大壩下游TDG濃度的模型主要有兩種，第一種是基于實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為主的擬合關(guān)聯(lián)式的操作模型，無(wú)物理意義；第二種是基于物理概念的模型，描述氣液傳質(zhì)的物理過(guò)程，并對(duì)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)有物理意義的關(guān)系式的系數(shù)進(jìn)行擬合。Roesner & Norton提出了TDG早期物理模型[17]，Geldert et al.提出的模型增加了在溢洪道、水墊塘和尾水的傳質(zhì)計(jì)算[18]。Orlins & Gulliver發(fā)展了一種應(yīng)用在哥倫比亞河上Wanapum大壩下游的TDG濃度的預(yù)測(cè)模型[19]。Urban & Gulliver等將Geldert和Orlins & Gulliver模型進(jìn)一步完善，提出了更為合理的下游TDG濃度預(yù)測(cè)模型，該模型首次考慮了氣泡聚并的影響[20]。

在我國(guó)，陳雪巍等根據(jù)泄水建筑物實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出泄流水體氣體傳質(zhì)速率，并建立了對(duì)閘壩下游水體溶解氣體飽和度進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法[21]。付健等采用BP網(wǎng)絡(luò)模型、基于機(jī)理分析的計(jì)算方法和數(shù)值模擬三種手段實(shí)現(xiàn)了水利樞紐下游溶解氧飽和度的分析與預(yù)測(cè)[22]。蔣亮等采用紫坪鋪和二灘的原型觀測(cè)資料，分別對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式和物理模型進(jìn)行了分析驗(yàn)證[23]。黃奉斌等利用原型觀測(cè)資料對(duì)已有的過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w釋放的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)釋放系數(shù)公式進(jìn)行了修正。預(yù)測(cè)了金沙江某電站下游河段過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w的沿程釋放規(guī)律[24]。曲璐等在理論分析的基礎(chǔ)上，建立了基于面流消能的TDG過(guò)飽和濃度預(yù)測(cè)公式[25]。肖柏青等采用大渦模擬和歐拉-拉格朗日方法建立了曝氣池兩相流數(shù)學(xué)模型。設(shè)定了3種氣泡尺寸分布方案，比較了不同的氣泡尺寸設(shè)定方案對(duì)計(jì)算曝氣池內(nèi)水流流速和氣含率等參數(shù)的影響[26]。但總體來(lái)說(shuō)，由于高壩泄洪頻率低、歷時(shí)短，原型觀測(cè)數(shù)據(jù)很難獲得，因此，TDG預(yù)測(cè)模型中的修正系數(shù)、釋放系數(shù)等參數(shù)取值范圍的精確性亦難以確定，對(duì)河道內(nèi)過(guò)飽和TDG釋放過(guò)程的預(yù)測(cè)尚存在諸多困難和問(wèn)題。

2.4 減緩措施

如何減輕高壩工程泄洪引起的總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和及衍生的對(duì)水生生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的危害己成為過(guò)飽和TDG研究的一個(gè)重要分支。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)大壩泄流引起下游水體溶解氣體過(guò)飽和的減緩措施主要分為工程措施和非工程措施兩種。工程措施主要是在河道中增加一些曝氣裝置，使得水體與空氣交換加快，黃膺翰等為探討溶解氣體過(guò)飽和水體的高效恢復(fù)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)展了不同曝氣量、曝氣深度、曝氣孔徑條件下的曝氣試驗(yàn)，結(jié)果表明曝氣對(duì)過(guò)飽和溶解氧釋放的促進(jìn)效果顯著[27]。還可以通過(guò)優(yōu)化泄水建筑物型式、運(yùn)行調(diào)度[28]等措施減少過(guò)飽和溶解氣體的生成。

美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家還專門(mén)設(shè)立了大壩下游溶解氣體過(guò)飽和度標(biāo)準(zhǔn)。為此，發(fā)達(dá)國(guó)家就降低氣體過(guò)飽和度的應(yīng)用技術(shù)開(kāi)展了諸多研究，如對(duì)包括表、中、底孔在內(nèi)的大壩泄水建筑物的優(yōu)化調(diào)度，設(shè)置以降低下泄水流進(jìn)入下游水墊塘深度為目標(biāo)的溢流壩面變流裝置，減小單寬泄流流量，改變泄洪消能方式，增大發(fā)電流量減少棄水等一些非工程措施。盡管上述大部分研究都是針對(duì)低水頭大壩進(jìn)行的，但是這些研究成果對(duì)于改進(jìn)我國(guó)大型水庫(kù)的運(yùn)行方案進(jìn)而緩解大壩泄流溶解氣體過(guò)飽和影響具有重要參考價(jià)值。

在非工程措施方面，汪青等認(rèn)為可以在壩下游一定河段內(nèi)人工繁殖一些藻類對(duì)水體中的氧氣加速消耗，并以三峽工程為例，探究其可行性，表示藻類不會(huì)大量繁殖從而引起水華現(xiàn)象，還可以作為魚(yú)類餌料，但這種方法還需實(shí)驗(yàn)及實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

總體而言，對(duì)TDG過(guò)飽和問(wèn)題的研究已成為國(guó)內(nèi)環(huán)境水力學(xué)及相關(guān)學(xué)科的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，目前雖有一些觀測(cè)成果和定性分析，但對(duì)徹底解決這一問(wèn)題還需要作大量的試驗(yàn)和理論工作。

(1)氣泡尺寸是影響TDG預(yù)測(cè)精度的重要因素。目前由于缺乏氣泡尺寸的監(jiān)測(cè)儀器，從而無(wú)法建立精確的氣泡尺寸預(yù)測(cè)模型。

(2)我國(guó)許多河流水生生物具有特有程度高、物種數(shù)量大等特點(diǎn)，決定了不同河流的魚(yú)類對(duì)TDG過(guò)飽和環(huán)境的耐性差異較大。但我國(guó)在關(guān)于高壩下游過(guò)飽和TDG對(duì)水生生物的影響研究中，尚缺乏水生生物對(duì)過(guò)飽和TDG耐受性的深入研究。

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