大壩泄流下游過(guò)飽和TDG生成過(guò)程綜述

劉彩虹，楊慧霞，梁珈珈，姚元波

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 研究的意義

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和西電東送等戰(zhàn)略的提出，已建、在建或待建的大壩數(shù)量日漸龐大，由此帶來(lái)的大壩泄流下游TDG過(guò)飽和問(wèn)題日漸突出。TDG過(guò)飽和水體對(duì)魚類影響的研究結(jié)果表明，當(dāng)水體中TDG飽和度達(dá)105%～110%時(shí)，可使魚類患?xì)馀莶?，而超過(guò)140%時(shí)，就會(huì)使魚類在幾小時(shí)內(nèi)快速死亡[1]。據(jù)監(jiān)測(cè)，高壩下游TDG飽和度大多超過(guò)了120%，有的甚至達(dá)到了140%[2]。從以上數(shù)據(jù)來(lái)看，大壩泄流下游水體中TDG過(guò)飽和問(wèn)題已經(jīng)對(duì)魚類生態(tài)產(chǎn)生了極大的威脅，因此該問(wèn)題是亟待解決的。

解決大壩下游TDG過(guò)飽和問(wèn)題主要有2個(gè)途徑：一是在消力池TDG生成過(guò)程中遏制TDG的產(chǎn)生，二是在下游河道TDG釋放過(guò)程中促進(jìn)TDG的耗散。而在自然條件下，下游河道過(guò)飽和TDG的自然耗散速率比較低、效果較差，在河道下游數(shù)十甚至數(shù)百公里依然能夠發(fā)現(xiàn)明顯的TDG過(guò)飽和現(xiàn)象[3]。以往對(duì)下游TDG耗散的研究大多基于河道水力條件和自然環(huán)境因素，比如，曲璐[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了含沙水體能夠促進(jìn)TDG的釋放；馮鏡潔[3]得出了湍流強(qiáng)度和水壓對(duì)TDG耗散過(guò)程有顯著影響、增加水中固液界面的面積會(huì)促進(jìn)TDG耗散的結(jié)論；沈霞[5- 6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過(guò)飽和TDG耗散隨水溫和湍流強(qiáng)度的增加而增加，且研究了匯流降低過(guò)飽和TDG水平的機(jī)理；黃菊萍[7]量化了風(fēng)效應(yīng)與TDG耗散的關(guān)系式；歐洋明[8]探索了曝氣對(duì)過(guò)飽和TDG耗散過(guò)程的促進(jìn)作用；袁友全[9- 11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了植被和固壁吸附對(duì)過(guò)飽和TDG耗散的促進(jìn)作用。雖然以上研究因子對(duì)下游河道中過(guò)飽和TDG的耗散有積極作用，但河道長(zhǎng)達(dá)數(shù)百公里，這些影響因子在經(jīng)濟(jì)性和操作性上都具有相當(dāng)大的難度。因而我們優(yōu)先考慮第一種途徑，即遏制消力池中TDG的產(chǎn)生，相比之下，此法更為高效、經(jīng)濟(jì)、操作性強(qiáng)。

想要遏制消力池中TDG的產(chǎn)生，必須得先認(rèn)識(shí)其生成機(jī)理，因此本文從相關(guān)概述、影響因子、預(yù)測(cè)模型等方面對(duì)大壩泄流下游過(guò)飽和TDG生成過(guò)程進(jìn)行了重點(diǎn)分析和總結(jié)，旨在為今后的學(xué)者提供一個(gè)具體而清楚的TDG生成過(guò)程，為采取相關(guān)措施提供參考價(jià)值，進(jìn)而促進(jìn)此類問(wèn)題的進(jìn)一步研究和解決。

2過(guò)飽和TDG生成過(guò)程研究

2.1 大壩過(guò)飽和TDG生成過(guò)程概述

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，作者對(duì)大壩泄流下游過(guò)飽和TDG生成的完整過(guò)程總結(jié)概述如下：大壩泄水時(shí)，水舌在溢洪道面和挑流過(guò)程中卷吸大量空氣，空氣在強(qiáng)烈摻混過(guò)程中破碎成許多尺寸不一的氣泡，大大增加了氣液傳質(zhì)面積。同時(shí)水舌中已有的TDG隨著射流破碎而耗散，另外，水舌與下游水面碰撞處卷吸的大量空氣在強(qiáng)紊流的作用下也被剪切成小氣泡，這些氣泡隨著水舌高速下跌進(jìn)入水墊塘深處，形成了氣泡夾帶。在周圍強(qiáng)烈的動(dòng)壓、深處的靜壓以及大氣壓作用下，深處承壓時(shí)間足夠長(zhǎng)的氣泡把質(zhì)量傳遞給高溶解度的水體，故此時(shí)消力池水體中的TDG濃度非常高。當(dāng)高濃度TDG水流流向下游水深較淺、溶解度較低的區(qū)域時(shí)，造成了水體TDG過(guò)飽和狀態(tài)。在濃度梯度作用下，水體通過(guò)釋放TDG來(lái)達(dá)到平衡飽和狀態(tài)，釋放出的溶解氣體以氣泡的形式析出，而含大量氣泡的水體對(duì)魚類等水生生物產(chǎn)生威脅。此外，魚類受威脅的另一種情況是，活動(dòng)在高TDG濃度水體中的魚游到下游低TDG濃度水域時(shí)，由于濃度梯度的作用，溶解氣體將在魚的鰓和血管等器官中形成氣泡，因而使其遭受氣泡病的迫害。

2.2 TDG生成過(guò)程影響因子

大壩泄流過(guò)飽和TDG的生成是消力池內(nèi)氣體過(guò)溶的結(jié)果，而氣體的溶解主要與氣體條件、環(huán)境條件、水體條件以及反應(yīng)條件等4類要素有關(guān)。通常氣體條件在短時(shí)間內(nèi)是比較穩(wěn)定的，在此問(wèn)題研究中可暫不考慮；環(huán)境條件包括風(fēng)速、植被和其它外部條件等，在強(qiáng)紊動(dòng)的消力池氣體溶解過(guò)程中，環(huán)境條件影響較小，可忽略不計(jì)。

Geldert[12]討論了導(dǎo)致TDG過(guò)飽和的4個(gè)主要因素：湍流混合、氣泡-水面積增加、氣泡的較長(zhǎng)停留時(shí)間和流體靜壓的增加。Urban[13]通過(guò)模型敏感性分析，得到尾水深度和氣泡聚并作用對(duì)TDG濃度很重要的結(jié)論。蔣亮[14- 15]通過(guò)原型觀測(cè)結(jié)果分析了壩前TDG飽和度、單寬流量、水深、廠房泄水、紊動(dòng)強(qiáng)度、大氣壓、水溫等對(duì)TDG生成量的影響，另外又通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了TDG過(guò)飽和的必要條件有：足夠的承壓時(shí)間、氣液交界面積、水深等；曲璐[16- 17]通過(guò)原型觀測(cè)結(jié)果，討論了消能方式、泄流量、泄洪建筑物的布置方式、水電站尾水對(duì)TDG生成的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了壓力、曝氣強(qiáng)度和氣泡溶解時(shí)間是影響過(guò)飽和TDG產(chǎn)生的重要因素，湍流強(qiáng)度和水-空氣接觸面積是影響過(guò)飽和TDG生成率的主要因素。politano[18]強(qiáng)調(diào)TDG產(chǎn)量與溢洪道射流狀態(tài)密切相關(guān)。付小莉[19]利用數(shù)學(xué)模型模擬分析了不同溢洪道結(jié)構(gòu)對(duì)消力池內(nèi)過(guò)飽和TDG的影響。馮鏡潔、馬倩[20- 21]分析了梯級(jí)水電站對(duì)TDG產(chǎn)生的累積效應(yīng)。薛宏程[22]通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)探索了射流破碎過(guò)程中流入邊界條件對(duì)TDG生成過(guò)程的影響。唐雷[23]分析了水溫對(duì)過(guò)飽和TDG生成的影響。

綜上，目前對(duì)消力池中TDG生成過(guò)程影響因子的研究集中于水溫、水質(zhì)、水深、泄流量、紊動(dòng)強(qiáng)度、壩前TDG濃度等水體條件和水氣接觸面積、氣泡承壓時(shí)間等反應(yīng)條件。這些研究成果符合氣體溶解度與溫度、水深、壓力相關(guān)的定義，但大多只做了定性研究，并未進(jìn)行定量研究，這將是未來(lái)進(jìn)一步研究的方向。

2.3 大壩下游TDG預(yù)測(cè)模型

預(yù)測(cè)大壩下游TDG水平的模型可分為3類：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shù)值模型和物理模型[24]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突跀?shù)據(jù)擬合，不與物理過(guò)程聯(lián)系；物理模型基于實(shí)體、概念和力學(xué)定律，描述了氣體轉(zhuǎn)移過(guò)程，其系數(shù)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合；數(shù)值模型的發(fā)展由單相流模型發(fā)展到了兩相流模型，由一維模型發(fā)展到了三維模型。

1971年Roesner和Nordon[25]提出了第一個(gè)溢洪道下游TDG一維預(yù)測(cè)物理模型：

Cd=Cse-(Cse-Cu)exp(-Kt)

(1)

式中，Cd、Cu—大壩下游和上游的TDG濃度；Cse—消力池中的TDG有效飽和濃度。

此模型中TDG水平是由消力池中氣泡的傳質(zhì)系數(shù)K和停留時(shí)間t決定的，后來(lái)被Johnson[26]、Geldert[12]、Urban[13]等人進(jìn)行了發(fā)展和完善。2000年Orlins和Gulliver[27]第一次把物理模型和數(shù)值模型結(jié)合，開發(fā)了第一個(gè)二維橫向平均TDG預(yù)測(cè)模型：

(2)

式中，C—TDG濃度；Ceq—?dú)馀?水界面處的平衡濃度(考慮靜水壓力)；KL,B—?dú)馀?水界面處的傳質(zhì)系數(shù)；KL,s—大氣-水表面處的傳質(zhì)系數(shù)；x、y—水平和垂直空間坐標(biāo)；U、V—相應(yīng)的速度分量；Dz—水中氣體紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)。

該模型把從物理模型中測(cè)量或基于測(cè)量的計(jì)算值用作數(shù)值模型的輸入條件。2004年Weber[28]建立了第一個(gè)三維預(yù)測(cè)數(shù)值模型，此后Politano[29- 30]不斷地對(duì)三維模型進(jìn)行改進(jìn)，2009年P(guān)olitano[31]開發(fā)了一個(gè)非定常三維兩相流模型來(lái)預(yù)測(cè)水動(dòng)力學(xué)和TDG分布。

20世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)也展開了對(duì)過(guò)飽和TDG的研究。2003年刁明軍[32]首次采用紊流兩相流模型和VOF法對(duì)空中射流水舌和水墊塘流態(tài)進(jìn)行了模擬，此模型被后面的學(xué)者廣泛用作TDG預(yù)測(cè)模型中的流體動(dòng)力學(xué)模型。2007年程香菊[33]通過(guò)水體摻氣濃度、氣泡直徑確定了氣泡傳質(zhì)系數(shù)，并采用三維k-ε雙方程模型計(jì)算流場(chǎng)，建立了過(guò)壩水流溶解氣體濃度對(duì)流擴(kuò)散方程來(lái)預(yù)測(cè)TDG濃度。2008年覃春麗[34]采用水氣兩相流單流體模型求解了流場(chǎng)，作為TDG濃度對(duì)流擴(kuò)散方程的輸入數(shù)據(jù)。2009年，李然[35]建立了第一個(gè)高壩挑流消能的下游TDG預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型充分考慮了水深和壓力對(duì)TDG生成的影響：

(3)

2010年程香菊[36]利用水力條件一定時(shí)、泄水建筑物下游氣體傳質(zhì)速率不變的特性，建立了下游TDG的預(yù)測(cè)方法。2013年馮鏡潔[37]建立了一個(gè)深水庫(kù)的非穩(wěn)定TDG輸運(yùn)和分布的二維橫向平均TDG預(yù)測(cè)模型。

近幾年的研究方法較為新穎，研究?jī)?nèi)容開始呈現(xiàn)多樣化。2016年heddam[38]開發(fā)了一個(gè)基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大壩溢洪道下游TDG預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)方法。2017年Jalayeri[39]開發(fā)了一種基于粒子跟蹤計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型(FLOW- 3D)和電子表格(PPTG)分析模型的新預(yù)測(cè)方法。2017年Witt[40]假設(shè)質(zhì)量轉(zhuǎn)移發(fā)生在平均氣泡深度，定義為尾水深度的一半，基于此提出了簡(jiǎn)化的一階TDG預(yù)測(cè)方法。2018年薛宏程[22]首次考慮到射流破碎階段中TDG的耗散過(guò)程，建立了射流破碎過(guò)程中過(guò)飽和TDG耗散的計(jì)算模型。

學(xué)者們?cè)缙诓捎梦锢韺?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)進(jìn)行大壩下游過(guò)飽和TDG的預(yù)測(cè)，但物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨菩灾荒軡M足弗勞德數(shù)，而不能滿足雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)，不能等比例地模擬氣泡分布、氣泡在水中的停留時(shí)間等條件，因此對(duì)于此類問(wèn)題的求解不能直接采用物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒╗27]。一段時(shí)間后，學(xué)者們提出了數(shù)值模型，并把通過(guò)物理模型測(cè)量或者計(jì)算的信息用作數(shù)值模型的輸入，再經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者對(duì)數(shù)值模型的研究，用流體力學(xué)數(shù)值模型取代了之前的物理模型，從流體力學(xué)數(shù)值模型中獲取數(shù)據(jù)作為TDG預(yù)測(cè)數(shù)值模型的輸入數(shù)據(jù)，大大地提高了可操作性與經(jīng)濟(jì)性。目前計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)已經(jīng)成為預(yù)測(cè)大壩下游TDG的潛在工具，但隨著數(shù)值模型的發(fā)展，對(duì)計(jì)算機(jī)要求越來(lái)越高，導(dǎo)致數(shù)值模擬存在一些經(jīng)濟(jì)和收斂困難，另外，當(dāng)前的模型參數(shù)率定工作量大，依然不能夠精準(zhǔn)地模擬大壩完整的TDG生成過(guò)程，因此還需要眾多學(xué)者一起努力來(lái)解決這些難題。

3 結(jié)論

大壩泄流下游TDG過(guò)飽和問(wèn)題從20世紀(jì)60年代引起廣泛關(guān)注以來(lái)，在模型預(yù)測(cè)、傳質(zhì)機(jī)理等方面已經(jīng)取得了很多成果，并逐漸從預(yù)測(cè)TDG生成過(guò)程的研究轉(zhuǎn)向了對(duì)TDG耗散過(guò)程的研究，但這些研究成果依然不能被廣泛用于解決實(shí)際需求，因此本文通過(guò)對(duì)大壩過(guò)飽和TDG生成過(guò)程的分析總結(jié)，以期為今后進(jìn)一步的研究和最終解決實(shí)際問(wèn)題提供參考價(jià)值。