高壩下游過(guò)飽和TDG對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響分析
——以2014年金沙江向家壩庫(kù)區(qū)死魚(yú)事件為例

范 圍，敖 亮，王 軍，王遠(yuǎn)銘

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2.遵義市水資源服務(wù)中心，貴州 遵義 563000； 3.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

引 言

水體總?cè)芙鈿怏w(Total Dissolved Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)TDG)過(guò)飽和是指溶解在水中的氣體量超過(guò)水體本身的溶解能力的現(xiàn)象。TDG過(guò)飽和往往使水體中的魚(yú)類(lèi)患上氣泡病，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致其死亡[1-2]。高壩工程在汛期下泄洪水的同時(shí)，周?chē)罅靠諝獗痪砦M(jìn)入泄洪水流并隨之進(jìn)入壩下消能池內(nèi)，在壩下游消能池內(nèi)水壓力的作用下，水體對(duì)氣體的溶解能力增大，卷吸入的大量氣體溶解于消能池水體中。水流流出消能池進(jìn)入下游河道后，隨著周?chē)h(huán)境壓力的減小，水體溶解氣體的能力降低，過(guò)量的溶解氣體很難在短時(shí)間內(nèi)完全釋放回到大氣，從而導(dǎo)致了下游河道的總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和[3～5]。

近年來(lái)，隨著中國(guó)能源需求的增長(zhǎng)，眾多的200m高壩或超高壩已陸續(xù)在長(zhǎng)江上游的干支流規(guī)劃或修建[6-7]。高壩的修建，使得TDG過(guò)飽和成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[8]。自上世紀(jì)60年代起，在北美Columbia流域因高壩運(yùn)行使得壩下游TDG飽和度經(jīng)常在120%以上[1-2]；Weitkamp等(2003)發(fā)現(xiàn)在1997～2000年美國(guó)Clark Fork河下游在TDG飽和度達(dá)到120%～130%時(shí)，當(dāng)?shù)佤~(yú)類(lèi)表現(xiàn)出了明顯的氣泡病癥狀[9]；Stenberg等(2020)發(fā)現(xiàn)了當(dāng)TDG飽和度均值在110%以上時(shí)在挪威的兩條河流中大西洋鮭魚(yú)出現(xiàn)了氣泡病癥狀甚至死亡現(xiàn)象[10]；在巴西的Sao Francis河，2007年辛戈水電站泄洪引起的TDG過(guò)飽和使得超過(guò)297噸的羅非魚(yú)死亡[11]；在我國(guó)，譚德彩(2006)研究發(fā)現(xiàn)三峽大壩泄洪引起的TDG過(guò)飽和使得下游魚(yú)類(lèi)患上了氣泡病[12]。

2014年溪洛渡電站建成后初次泄洪，導(dǎo)致了下游向家壩庫(kù)區(qū)超過(guò)40噸的魚(yú)類(lèi)死亡[13]。為闡述TDG過(guò)飽和對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響，本文以2014年汛期發(fā)生在金沙江下游向家壩庫(kù)區(qū)的死魚(yú)事件為例，采用高壩泄流過(guò)飽和TDG的生成預(yù)測(cè)模型，分析計(jì)算了魚(yú)類(lèi)死亡期間壩下TDG飽和度變化情況，研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)TDG過(guò)飽和水體對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響特征具有科學(xué)意義，可作為金沙江下游水電站運(yùn)行調(diào)度的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

金沙江下游干流規(guī)劃有向家壩、溪洛渡、白鶴灘和烏東德4個(gè)梯級(jí)水庫(kù)(圖1)。4個(gè)梯級(jí)水庫(kù)在正常蓄水位下庫(kù)容達(dá)52～205億m3，水深達(dá)120～255m，均為高壩巨型水庫(kù)。其中溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)的金沙江干流，上接白鶴灘水電站，下與向家壩水庫(kù)相連，是中國(guó)已建成的第二大水電站。溪洛渡水電站壩頂高程610m，最大壩高278m，正常蓄水位600m，死水位540m，防洪限制水位560m，總庫(kù)容129.1×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容64.6×108m3。

圖1 金沙江下游梯級(jí)電站位置示意圖Fig.1 Cascade hydropower stations in the downstream of Jinsha River

隨著向家壩與溪洛渡電站的建成，其在汛期下泄洪水造成的TDG過(guò)飽和問(wèn)題已不容忽視。調(diào)查發(fā)現(xiàn)向家壩電站在泄洪期間壩下游存在著較高的TDG飽和度[5,14]。根據(jù)溪洛渡水電站運(yùn)行調(diào)度資料，其建成后第一次泄洪開(kāi)始時(shí)間為2014年7月4日18點(diǎn)，第一次泄洪結(jié)束時(shí)間為7月11日14時(shí)，共歷時(shí)164h。泄洪期間導(dǎo)致的下游水體TDG過(guò)飽和使得向家壩庫(kù)區(qū)死亡魚(yú)類(lèi)超過(guò)40噸[10]。死亡魚(yú)伴隨著鰭條氣泡附著，充血以及眼球突出等現(xiàn)象，體現(xiàn)出較為明顯的氣泡病特征。

1.2 研究方法

本文收集了自2014年7月4日18點(diǎn)始，至7月11日14時(shí)結(jié)束，共164小時(shí)之間每2小時(shí)的溪洛渡水電站入庫(kù)馬家河測(cè)點(diǎn)水位及壩下游中心場(chǎng)測(cè)點(diǎn)水位，還收集了溪洛渡電站在此期間的入庫(kù)流量以及表孔、深孔、泄洪洞等出庫(kù)流量，分析了泄洪期間流量與水位隨時(shí)間的變化規(guī)律。

采用Lu[5]建立的高壩泄流過(guò)飽和TDG的生成預(yù)測(cè)模型，根據(jù)溪洛渡泄洪量、發(fā)電量、壩前水位、壩下水位、以及溪洛渡泄洪建筑物工程特性等因素，計(jì)算得7月4日～11日泄洪期間壩下游生成的TDG飽和度。模型將過(guò)飽和TDG的生成概化為空中射流、沖坑內(nèi)過(guò)溶以及沖坑出口快速釋放三個(gè)階段。

第一階段射流入水TDG飽和度G0d：

G0d=G0u-(G0u-Geq){1-exp[-1.12

(1)

其中，G0d為入水TDG飽和度，%；G0u為來(lái)流初始飽和度，%；Geq為T(mén)DG平衡飽和度，取100%，Hp為出水口與沖坑內(nèi)水位高程差，m；v0為出口流速，m/s；α為出水口挑角。

第二階段沖坑內(nèi)過(guò)飽和TDG生成飽和度：

(2)

其中，GS0為沖坑內(nèi)氣體過(guò)溶生成的TDG飽和度，%；P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，m H2O；ΔP為沖坑內(nèi)部摻氣水流入水滯點(diǎn)處的相對(duì)壓強(qiáng)，tR為滯留時(shí)間。

第三階段沖坑出口快速釋放后TDG飽和度：

(3)

式中，Gs為沖坑出口下游TDG飽和度，%；hr為沖坑出口下游水深，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 外部環(huán)境因子分析

如圖2所示，溪洛渡建成后的第一次泄洪期間，其入庫(kù)流量在6 310～12 200m3/s之間，平均值為9 919.3m3/s；出庫(kù)流量在5 940～11 200m3/s之間，平均值為10 287.5m3/s。泄洪導(dǎo)致溪洛渡庫(kù)區(qū)及壩下游水位發(fā)生變動(dòng)，其中庫(kù)區(qū)水位由泄洪前的563.01m降低至560.77m，壩下游水位由泄洪前的381.47m升高至383.08m(圖3)?？傮w看來(lái)入庫(kù)流量的變化較為平緩，而出庫(kù)流量在最初的16h內(nèi)變化較大，由泄洪開(kāi)始時(shí)的7 660m3/s逐步降低至5 940m3/s，而后又急劇上升至10 700m3/s。16h以后出庫(kù)流量逐漸穩(wěn)定，保持在10 000m3/s左右。隨著出入庫(kù)流量的變動(dòng)，庫(kù)區(qū)與壩下游水位也相應(yīng)發(fā)生變化，庫(kù)區(qū)水位呈現(xiàn)先增后降的過(guò)程，而壩前水位在泄洪前16h內(nèi)變化較為劇烈，之后保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 溪洛渡入、出庫(kù)流量變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of inflow and outflow of Xiluodu Reservoir

圖3 溪洛渡庫(kù)區(qū)、壩下水位變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of water level in reservoir area and under dam of Xiluodu Reservoir

出庫(kù)流量主要由發(fā)電流量與泄洪流量構(gòu)成，其中發(fā)電流量在4 470～7 580m3/s之間，平均發(fā)電流量為6 942.1m3/s。依據(jù)泄洪設(shè)施的不同，泄洪流量可分為深孔出流和寫(xiě)泄洪洞出流兩個(gè)部分，7月4日18點(diǎn)至7月7日20點(diǎn)溪洛渡主要采用深孔泄洪，流量在332～6 130m3/s之間，平均深孔泄洪流量為3 780.6m3/s；7月7日20點(diǎn)至7月11日14點(diǎn)溪洛渡主要采用泄洪洞泄洪，流量在1 240～3 370m3/s之間，平均泄洪洞泄洪流量為2977.3m3/s(圖4)。泄洪(Qd)與發(fā)電流量(Qp)比如圖5所示，除7月6日0點(diǎn)至8點(diǎn)外，其余時(shí)段內(nèi)Qd/Qp值均小于1。溪洛渡泄洪與發(fā)電流量之間呈現(xiàn)較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6)。

圖4 溪洛渡出庫(kù)流量組成Fig.4 Outflow composition of Xiluodu Reservoir

圖5 溪洛渡泄洪發(fā)電流量比Fig.5 Ratio of flood discharge to generating flow in Xiluodu Reservoir

圖6 溪洛渡泄洪、發(fā)電流量相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between flood discharge and power generation flow of Xiluodu Reservoir

2.2 過(guò)飽和TDG計(jì)算及其對(duì)魚(yú)類(lèi)影響分析

TDG過(guò)飽和的生成計(jì)算采用Lu[5]建立的高壩泄流過(guò)飽和TDG的生成預(yù)測(cè)模型，計(jì)算得7月4日～11日泄洪期間壩下游生成的TDG飽和度如圖7所示。

在壩下水墊塘內(nèi)，隨著泄洪流量的增加，TDG飽和度由128.3%逐漸升高至180.2%(7月5日10時(shí))，并在之后的泄洪過(guò)程中保持TDG飽和度在180%左右，最后泄洪階段TDG飽和度降至165.1%。經(jīng)發(fā)電尾水摻混后，TDG飽和度降至101.2%～146.1%之間，平均TDG飽和度為125.4%，從7月5日10時(shí)起，至7月11日8時(shí)，摻混后的TDG飽和度均在120%以上。

圖7 溪洛渡泄洪生成TDG飽和度Fig.7 TDG saturation generated by flood discharge of Xiluodu Reservoir

向家壩庫(kù)區(qū)死魚(yú)時(shí)段主要集中在7月8日至7月13日。越接近壩址下游，魚(yú)類(lèi)死亡時(shí)間越早，距離壩址越遠(yuǎn)，死亡時(shí)間則相對(duì)滯后。研究表明，當(dāng)水體中TDG飽和度在120%以上時(shí)，魚(yú)類(lèi)在短時(shí)間內(nèi)易患上氣泡病并進(jìn)一步發(fā)生死亡現(xiàn)象，120%～125%TDG過(guò)飽和水體中的魚(yú)類(lèi)的生存半致死時(shí)間大多在24h以?xún)?nèi)[15-16]。自7月5日10時(shí)起，溪洛渡泄洪所引起的TDG飽和度均超過(guò)120%，考慮到TDG過(guò)飽和水體從壩下至庫(kù)區(qū)輸移所需的時(shí)間，庫(kù)區(qū)魚(yú)類(lèi)所面臨的TDG過(guò)飽和脅迫根據(jù)與壩址的距離相應(yīng)延后。此外，由于補(bǔ)償水深作用的存在，魚(yú)類(lèi)在TDG過(guò)飽和水體中的存活時(shí)間還受到其所處水體深度的影響，淺層水體魚(yú)類(lèi)(尤其是處于網(wǎng)箱中的養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi))相較于深層水體中的魚(yú)類(lèi)更容易受到TDG過(guò)飽和的脅迫[2]。

隨著金沙江下游梯級(jí)電站的規(guī)劃與建成，其在汛期下泄洪水造成的TDG過(guò)飽和問(wèn)題已不容忽視，研究減緩TDG過(guò)飽和對(duì)魚(yú)類(lèi)影響的措施已刻不容緩，其工作主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一是探究在不同TDG飽和度下金沙江魚(yú)類(lèi)的響應(yīng)機(jī)制；二是優(yōu)選金沙江下游梯級(jí)電站運(yùn)行調(diào)度方式，以達(dá)到降低TDG飽和度的目的；三是探究金沙江魚(yú)類(lèi)回避TDG過(guò)飽和水體的規(guī)律，營(yíng)造金沙江魚(yú)類(lèi)回避TDG過(guò)飽和水體的空間。

3 結(jié) 論

本文以2014年汛期發(fā)生在向家壩庫(kù)區(qū)的死魚(yú)事件為例，分析了泄洪期間流量、水位等外部環(huán)境因子的變化，并基于此計(jì)算出溪洛渡壩下游的TDG過(guò)飽和情況，得到以下主要結(jié)論：

3.1 泄洪期間，溪洛渡入庫(kù)流量在6 310～12 200m3/s之間，出庫(kù)流量主要由發(fā)電流量與泄洪流量構(gòu)成，在5 940～11 200m3/s之間，庫(kù)區(qū)水位由泄洪前的563.01m降低至560.77m，壩下游水位由泄洪前的381.47m升高至383.08m。

3.2 在壩下水墊塘內(nèi)，TDG飽和度由128.3%逐漸升高至180.2%，經(jīng)發(fā)電尾水摻混后，平均TDG飽和度變?yōu)?25.4%，魚(yú)類(lèi)死亡期間TDG飽和度均在120%以上，表明死魚(yú)事件的主要原因?yàn)橄掠物柡投瘸^(guò)120%的高TDG水體。