泄洪強(qiáng)度對深水庫區(qū)過飽和TDG輸移影響研究

申 趙 勇,石 浩 洋,侯 春 堯,周 哲 成,王 智 欣,郭 輝

(1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司 流域樞紐運(yùn)行管理中心,湖北 宜昌 443100; 2.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所,湖北 武漢 430010; 3.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430010; 4.中國長江電力股份有限公司 溪洛渡電廠,云南 昭通 657000; 5.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

0 引 言

近年來,中國流域水電開發(fā)和筑壩技術(shù)飛速發(fā)展,伴隨著高壩工程的投入運(yùn)行,由于水庫泄洪過程中水流摻氣劇烈、水氣接觸面積廣、水流紊動強(qiáng)度大,高壩泄水產(chǎn)生的總?cè)芙鈿怏w(TDG)過飽和現(xiàn)象已成為高壩安全運(yùn)行中的重要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。TDG過飽和會導(dǎo)致魚類患上氣泡病甚至死亡[4-6]。近年來,下泄水體TDG過飽和逐漸引起人們的廣泛關(guān)注,并成為水利水電工程對生態(tài)環(huán)境影響的研究熱點(diǎn)[7-11]。

關(guān)于過飽和TDG的輸移規(guī)律,美國陸軍工程兵團(tuán)在Columbia河及其支流Snake河上布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),開展了大量原型觀測工作[12]。華盛頓大學(xué)基于對原型觀測數(shù)據(jù)的分析,指出過飽和TDG的釋放服從一階動力學(xué)過程[13],由此提出適用于河道的過飽和TDG縱向一維輸移釋放模型。馮鏡潔等[14]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為泥沙有利于過飽和溶解氣體的釋放,但未建立過飽和TDG釋放過程與泥沙含量的定量關(guān)系?？梢钥闯?已有的研究多為模擬過飽和TDG輸移的大致過程,而針對不同泄洪強(qiáng)度影響下,庫區(qū)內(nèi)部過飽和TDG時(shí)空分布及輸移規(guī)律的多指標(biāo)分析并不多見,不同泄洪強(qiáng)度對庫區(qū)過飽和氣體的影響亦不明確[15-16]。

本文以溪洛渡-向家壩區(qū)間為研究對象,基于原型觀測及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段,從過飽和TDG空間分布、包絡(luò)面積、輸移速度和衰減速度4個(gè)方面,分析水庫泄洪強(qiáng)度對過飽和TDG輸移的影響規(guī)律,并提出表征相關(guān)影響的關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo),以為深水水庫生態(tài)調(diào)度提供科學(xué)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

本文主要研究對象涉及溪洛渡大壩及向家壩庫區(qū)。其中,溪洛渡水電站壩高285.5 m,樞紐泄洪設(shè)施為壩身7個(gè)表孔、8個(gè)深孔和兩岸4條泄洪洞。7個(gè)表孔單孔泄洪量2 900 m3/s,8個(gè)深孔單孔泄洪量1 600 m3/s。校核工況下,表孔及深孔分別占總泄量的41%和26%。在不同調(diào)度時(shí)期,不同泄水建筑物組合方式會導(dǎo)致溪洛渡泄洪強(qiáng)度不同。

向家壩水電站壩址左岸位于四川省宜賓市,右岸位于云南省水富縣,是金沙江梯級開發(fā)的最末一級。向家壩水庫長約156 km,以發(fā)電為主,同時(shí)兼顧改善通航、興利、攔沙等效益,并具有為溪洛渡水庫進(jìn)行反調(diào)節(jié)的功能,向家壩水庫正常蓄水位380 m,汛限水位370 m,正常庫容49.77億m3。

1.2 原位觀測

為觀測溪洛渡水電站泄洪期間過飽和TDG的分布規(guī)律、水溫等參數(shù)空間分布特征,共設(shè)置了6個(gè)原型觀測斷面(見圖1):溪洛渡永久大橋(壩下3 km),洋豐化肥廠碼頭(壩下20 km),檜溪大橋(壩下33 km),新市鎮(zhèn)-南岸鎮(zhèn)支流交匯(壩下80 km),綏江(壩下95 km),向家壩庫區(qū)壩前碼頭(壩下150 km)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1數(shù)學(xué)模型

采用立面二維數(shù)學(xué)模型模擬溪洛渡-向家壩區(qū)間150 km河段過飽和TDG的分布與泄洪強(qiáng)度之間的響應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)域縱向劃分為49個(gè)斷面,網(wǎng)格尺度為2 m(見圖2),模型控制方程如下:

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Grid diagram of model

連續(xù)性方程:

(1)

式中:U、W分別為縱向和垂向流速,m/s;B為寬度,m;q為單寬流量,m2/s。

動量方程:

(2)

(3)

式中:g為重力加速度,m/s2;P為壓強(qiáng),Pa;α為河床與x軸方向的夾角,(°);τxx和τxz為紊動切應(yīng)力,N/m2;ρ為水體密度,kg/m3。

自由水面方程:

(4)

式中:η為水面高程,m;h為水深,m;Bη為水面寬度,m。

狀態(tài)方程:

ρ=f(Tw,ΦTDS,ΦISS)=ρT+Δρs

(5)

式中:Tw為水體溫度,℃;ΦTDS為總?cè)芙夤腆w濃度,kg/m3;ΦISS為懸浮物濃度,kg/m3;ρT為水溫影響下的水體密度,kg/m3;Δρs為因水體內(nèi)污染物所增加的水體密度,kg/m3。

輸運(yùn)方程:

(6)

式中:Φ為標(biāo)量,代表橫向平均溫度,℃或TDG飽和度,%;SΦ為標(biāo)量所對應(yīng)的源項(xiàng);Dx、Dz分別為縱向和垂向的彌散系數(shù),m2/s。

TDG源項(xiàng)同時(shí)考慮了因?yàn)閴簭?qiáng)、溫度等條件改變引起的水體過飽和TDG釋放,以及表層水體與大氣間的傳質(zhì)作用。

TDG源項(xiàng)SφG計(jì)算方程為

SφG=kTDG(Geq-G)+(kLa)s(GS-G)

(7)

式中:G為計(jì)算單元的飽和度,%;GS為當(dāng)?shù)卮髿鈮合碌娘柡投?%;Geq為當(dāng)?shù)仄骄柡投?%;kTDG代表計(jì)算水體內(nèi)飽和TDG釋放系數(shù),h-1;(kLa)s是自由水面的水氣傳質(zhì)系數(shù),其中a為比表面積,m-1。

1.3.2計(jì)算工況

為研究庫區(qū)過飽和TDG輸移衰減規(guī)律,根據(jù)庫區(qū)常遇洪水大小,設(shè)置上下游流量大小相等。率定工況中,上下游邊界條件為2021年10月23～27日期間向家壩庫區(qū)的實(shí)際入庫及出庫流量,沿程過飽和TDG數(shù)值采用的是現(xiàn)場原型觀測得到的數(shù)據(jù)。

計(jì)算工況中:工況一,庫區(qū)輸入及輸出流量同時(shí)變化,泄洪時(shí)間均設(shè)置為48 h;工況二,泄洪時(shí)間變化,入庫及出庫流量均設(shè)置為15 000 m3/s(考慮應(yīng)對庫區(qū)常遇中小流量洪水范圍)。同時(shí),庫區(qū)存在少量支流庫灣,因其流量總和不足100 m3/s,對模型中庫區(qū)的過飽和TDG補(bǔ)充程度微弱,在本次研究中暫不考慮。基于溪洛渡壩下原型觀測到的TDG飽和度,兩種工況的過飽和TDG源強(qiáng)均設(shè)置為130%,TDG輸入時(shí)間與泄洪時(shí)間相等。同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目組原型觀測得到的結(jié)果,2021～2022年間,在溪洛渡大壩未進(jìn)行泄洪,僅機(jī)組過流的工況條件下,庫區(qū)內(nèi)TDG過飽和度為110%左右。考慮溪洛渡上游白鶴灘及烏東德大壩泄洪產(chǎn)生的累計(jì)影響[17],以及向家壩庫區(qū)TDG過飽和本底值,將模型中庫區(qū)內(nèi)TDG初始飽和度設(shè)置為110%。兩組計(jì)算工況具體說明如表1所列。

表1 計(jì)算工況說明Tab.1 Description of calculation conditions

1.3.3模型驗(yàn)證

影響庫區(qū)內(nèi)部過飽和TDG輸移分布的因素較多,本次研究主要對向家壩庫區(qū)水位(見圖3)、水溫(見圖4)以及過飽和TDG(見圖5～6)輸移過程進(jìn)行驗(yàn)證。采用項(xiàng)目組原型觀測團(tuán)隊(duì)2021～2022年的實(shí)測數(shù)據(jù)及部分文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)[18]進(jìn)行驗(yàn)證,其中,水位驗(yàn)證的目的是保證模型的水位庫容關(guān)系與實(shí)際相符;水溫驗(yàn)證主要是因?yàn)閹靺^(qū)內(nèi)部存在明顯的水溫分層[4],間接影響水動力過程從而影響TDG輸移規(guī)律;而TDG驗(yàn)證則是為了保證其輸移衰減規(guī)律盡可能地與庫區(qū)內(nèi)部實(shí)際情況保持一致?？v向TDG飽和度采用各斷面垂向上的平均值與實(shí)測斷面的平均值進(jìn)行驗(yàn)證(見圖6)。

圖3 水位率定結(jié)果Fig.3 Water level calibration

圖4 水溫率定結(jié)果Fig.4 Water temperature calibration

圖5 TDG垂向飽和度率定Fig.5 TDG vertical saturation calibration

圖6 TDG縱向飽和度率定Fig.6 TDG vertical saturation calibration

本文采用絕對平均誤差(AME)和均方差(RMSE)來評價(jià)模型模擬的精確度[19]。計(jì)算得到模型驗(yàn)證結(jié)果水位平均誤差為0.06 m,水溫平均誤差為0.37℃,垂向及縱向TDG平均誤差均小于2%;水位均方差為0.21 m,水溫均方差0.59℃,垂向及縱向TDG均方差同時(shí)小于4%。模型驗(yàn)證結(jié)果表明,模型可以較好地模擬向家壩水庫自由水面、水溫以及TDG在垂向和縱向之間的變化過程。

(8)

(9)

1.4 分析方法

對于過飽和TDG空間分布,選取過飽和TDG峰值的遷移位置進(jìn)行分析;對于特征值包絡(luò)面積,根據(jù)TDG飽和度從100%至130%每間隔5%分析其占比情況;通過捕捉網(wǎng)格內(nèi)過飽和TDG初始時(shí)刻峰值以及結(jié)束時(shí)刻TDG峰值,計(jì)算首尾時(shí)刻TDG峰值的輸移距離,進(jìn)而算得過飽和TDG的輸移及衰減速率;最后對各指標(biāo)與泄洪強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析。部分計(jì)算公式如下。

輸移速率:

(10)

式中:V1為過飽和TDG輸移速率;S1、S2分別為初始及結(jié)束分析時(shí)刻庫區(qū)飽和度峰值所處的壩下位置,km;D1、D2分別對應(yīng)分析初始及結(jié)束時(shí)刻的泄洪歷時(shí),h。

衰減速率:

(11)

式中:V2為過飽和TDG衰減速率;G1、G2分別為初始及結(jié)束分析時(shí)刻庫區(qū)TDG飽和度峰值,%;D4、D3分別對應(yīng)分析初始及結(jié)束時(shí)刻的泄洪歷時(shí),h。

其中,過飽和TDG在庫區(qū)內(nèi)部分布使用Excel和Tecplot進(jìn)行繪圖,泄洪強(qiáng)度與TDG輸移衰減規(guī)律的相關(guān)性利用SPSS 24軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 泄洪強(qiáng)度對TDG空間分布影響

由圖7可知,3組泄流工況下(泄洪流量8 000,15 000,20 000 m3/s),從第4天至第12天庫區(qū)內(nèi)部TDG均持續(xù)輸移衰減。以第4天為例,溪洛渡水庫泄洪完畢,圖7(a)對應(yīng)8 000 m3/s泄洪條件下,庫區(qū)內(nèi)部TDG峰值輸移至溪洛渡壩下約65 km處,從初始時(shí)刻的130%下降至128.39%,飽和度梯度在庫區(qū)內(nèi)部分布較為顯著。

圖7 溪洛渡水庫泄洪流量變化對下游TDG分布的影響Fig.7 Impact of flood discharge intensity from Xiluodu Reservoir on TDG distribution downstream

圖7(d)為溪洛渡泄洪15 000 m3/s時(shí)過飽和TDG在庫區(qū)內(nèi)部分布情況,與圖7(a)相比,過飽和TDG濃度場影響范圍顯著增大,庫區(qū)內(nèi)部TDG峰值輸移至溪洛渡壩下約82 km,TDG覆蓋范圍從溪洛渡壩下30 km至壩下130 km,TDG飽和度峰值從初始時(shí)刻的130%下降至128.51%,衰減速率有所降低。

圖7(g)為溪洛渡泄洪20 000 m3/s時(shí)過飽和TDG的分布情況,TDG縱向覆蓋范圍隨上游泄洪流量增加而增大,TDG峰值小幅衰減。由圖7可知,溪洛渡泄洪流量變化對庫區(qū)內(nèi)部過飽和TDG的縱向分布存在顯著影響,且?guī)靺^(qū)內(nèi)部TDG影響范圍隨溪洛渡泄洪流量增加而增加。

圖8(a)為模擬溪洛渡泄洪6 h后第4天的過飽和TDG分布情況,此時(shí)過飽和TDG主要分布在向家壩庫區(qū)中部,TDG峰值從初始時(shí)刻的130%下降至119.89%,該工況條件下TDG衰減速率較快,飽和度梯度分布較為顯著;當(dāng)溪洛渡泄洪時(shí)間增加至48 h時(shí)(見圖8(d)),庫區(qū)內(nèi)部TDG峰值輸移至溪洛渡壩下約90 km,分布范圍約58 km,主要分布在向家壩庫區(qū)中部,TDG飽和度峰值從初始時(shí)刻的130%降至126.39%,TDG飽和度降低了3.61%;當(dāng)溪洛渡泄洪240 h時(shí)(見圖8(g)),由于輸入TDG源項(xiàng)時(shí)間較長,庫區(qū)內(nèi)部過飽和TDG影響范圍持續(xù)增加,分布范圍從溪洛渡壩下一直延伸至90 km處,初始TDG飽和度峰值從初始時(shí)刻的130%下降至129.17%,TDG飽和度此時(shí)僅衰減0.83%。對比3組工況發(fā)現(xiàn),向家壩庫區(qū)內(nèi)部過飽和TDG影響范圍均受到了溪洛渡水庫泄洪時(shí)間的顯著影響,不同泄洪時(shí)間在庫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的過飽和TDG分布情況差異較大。除此之外,受上游來水水溫及向家壩泄洪建筑物啟閉影響,庫區(qū)內(nèi)高飽和度的TDG分布受到顯著影響,同時(shí)主流趨近于向家壩出水口高程范圍流動,造成庫區(qū)中部水體TDG飽和度相對較高。

圖8 溪洛渡水庫泄洪時(shí)長對下游TDG分布的影響Fig.8 Impact of discharge duration from Xiluodu Reservoir on TDG distribution downstream

2.2 泄洪強(qiáng)度對特征TDG飽和度包絡(luò)面積影響

特征TDG飽和度包絡(luò)面積指庫區(qū)縱剖面上高于特定TDG飽和度的最大水體面積,其在庫區(qū)水體中的占比可以表征庫區(qū)水體的TDG飽和度分布結(jié)構(gòu)。圖9～10反映了不同工況下特征TDG飽和度包絡(luò)面積占比的累積過程。如圖9所示,泄洪流量增大使得庫區(qū)水體的TDG飽和度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,以泄洪第4天為例,具體表現(xiàn)為:高飽和度水體(TDG飽和度>120%)的包絡(luò)面積占比由35.7%增加至49.3%,低飽和度水體(TDG飽和度<110%)的包絡(luò)面積占比由50.9%減小至29.6%。隨著時(shí)間推移,從泄洪第4天至第8天,庫區(qū)內(nèi)高飽和度水體包絡(luò)面積占比出現(xiàn)明顯的下降,各工況下TDG飽和度結(jié)構(gòu)上的差異減小。

圖9 不同泄洪流量下過飽和TDG包絡(luò)面積占比與TDG飽和度關(guān)系Fig.9 Relationship between proportion of supersaturated TDG envelope area and TDG saturation under different flood discharges

如圖10所示,泄洪時(shí)間對于庫區(qū)水體TDG飽和度結(jié)構(gòu)的影響與泄洪流量所造成的影響類似,即隨泄洪時(shí)間增加,高飽和度區(qū)域面積增大,低飽和度區(qū)域減小。以泄洪第4天為例,高飽和度水體(TDG飽和度>120%)的包絡(luò)面積占比由0.3%增加至83.1%,低飽和度水體(TDG飽和度<110%)的包絡(luò)面積占比由83.38%減小至8.3%。隨著時(shí)間推移,從泄洪第4天至第8天,除泄洪時(shí)間240 h這一工況外,其他工況的高飽和度水體包絡(luò)面積占比均有不同程度下降,泄洪時(shí)間240 h工況由于持續(xù)泄洪的原因,高飽和度水體包絡(luò)面積占比有所增加。

圖10 不同泄洪時(shí)間下過飽和TDG包絡(luò)面積占比與TDG飽和度關(guān)系Fig.10 Relationship between proportion of supersaturated TDG envelope area and TDG saturation under different flood discharge durations

2.3 泄洪強(qiáng)度對TDG特征值輸移速度的影響

根據(jù)圖11(a),在不同泄洪流量影響下,近溪洛渡壩下的檜溪斷面受泄洪流量影響較弱,TDG特征值(在此即過飽和TDG)到達(dá)時(shí)間基本一致;至庫區(qū)中游南岸鎮(zhèn)斷面時(shí),泄洪流量對過飽和TDG水體輸移速度影響開始顯現(xiàn),隨泄洪流量增大,到達(dá)庫區(qū)中游所需時(shí)間變短,輸移速率加快;至向家壩壩前斷面,8 000 m3/s工況下需要9.2 d,而當(dāng)泄洪流量增至20 000 m3/s時(shí),僅需6.4 d TDG特征值已經(jīng)到達(dá)向家壩壩前,過飽和TDG輸移速度此時(shí)受泄洪流量影響十分顯著。結(jié)合溪洛渡壩下至典型斷面的距離,計(jì)算出不同泄洪流量對應(yīng)TDG特征值的平均輸移速率分別為9.25,10.25,11.50,12,12.25 km/d。

圖11 TDG特征值到達(dá)典型斷面時(shí)間Fig.11 Time of supersaturated TDG reaching the typical sections

由圖11(b)可知,在不同泄洪時(shí)間影響下,近溪洛渡壩下的檜溪斷面受泄洪流量影響微弱,TDG到達(dá)時(shí)間基本保持一致;至庫區(qū)中游南岸鎮(zhèn)斷面(80 km)時(shí),泄洪時(shí)間對過飽和TDG輸移速度影響開始顯現(xiàn),到達(dá)庫區(qū)中游所需時(shí)間變短,輸移速率加快;至向家壩壩前斷面,泄洪6 h后需要8.6 d TDG特征值才能到達(dá)向家壩,而當(dāng)泄洪時(shí)間增至240 h后,5.9 d過飽和TDG已經(jīng)到達(dá)向家壩壩前。結(jié)合溪洛渡壩下至典型斷面的距離,計(jì)算出5組泄洪時(shí)間對應(yīng)過飽和TDG輸移速率分別為8.75,10.75,12.25,15.00,21.25 km/d,與泄洪流量影響類似,泄洪時(shí)間增加同樣加快了庫區(qū)水動力過程,過飽和TDG輸移速率隨溪洛渡泄洪時(shí)長增加而升高。

2.4 泄洪強(qiáng)度對TDG特征值衰減速度影響

根據(jù)圖12可知,在泄洪流量影響下,TDG特征值到達(dá)檜溪及庫區(qū)中游南岸鎮(zhèn)斷面時(shí)衰減程度較弱,衰減量受泄洪流量影響微弱。以南岸鎮(zhèn)斷面為例,當(dāng)泄洪流量從8 000 m3/s增至20 000 m3/s時(shí),TDG特征值衰減量僅從1.82%下降至0.60%;但在向家壩壩前斷面,低流量(8 000 m3/s)泄洪時(shí),TDG峰值到達(dá)向家壩壩前共衰減7.05%,且隨著泄洪流量不斷增加,TDG峰值衰減量逐漸減小,至泄洪流量20 000 m3/s,TDG僅衰減了2%左右。泄洪強(qiáng)度對過飽和TDG衰減速度的影響變化趨勢與其輸移速度相似。

圖12 TDG特征值到達(dá)典型斷面的衰減量Fig.12 Attenuation of characteristic value of TDG reaching typical sections

泄洪時(shí)間變化與泄洪流量變化對過飽和TDG衰減影響相似。其中,泄洪6 h工況條件下,過飽和TDG衰減幅度最大,在檜溪斷面衰減了3.37%,在庫區(qū)中游衰減了7.22%,至向家壩壩前衰減了15.26%;當(dāng)泄洪時(shí)間達(dá)到24 h后,在庫區(qū)縱向方向上,過飽和TDG衰減量基本保持不變,表明此時(shí)庫區(qū)內(nèi)部水體大都處于TDG過飽和狀態(tài)。同時(shí),在泄洪時(shí)間達(dá)24 h以上時(shí),不同泄洪時(shí)間在同一斷面衰減量也基本持平。其中,檜溪斷面隨泄洪時(shí)間增加,TDG特征值衰減量從0.83%下降至0.45%,向家壩壩前斷面TDG特征值衰減量從4.91%下降至4.17%。

2.5 泄洪強(qiáng)度對TDG特征值輸移衰減影響

上述分析表明,在溪洛渡不同泄洪流量及泄洪時(shí)間影響下,過飽和TDG在向家壩庫區(qū)內(nèi)受到的影響較為顯著?？臻g分布上,在過飽和TDG源強(qiáng)保持不變的條件下,泄洪流量及泄洪時(shí)間增加均導(dǎo)致庫區(qū)內(nèi)過飽和TDG空間分布范圍增大,僅在近壩前表層0～10 m處存在一定范圍的TDG低飽和度區(qū)域;同時(shí)TDG特征值輸移速度及衰減速度隨泄洪流量增大而加快;當(dāng)泄洪時(shí)間增加至24 h以上時(shí),由圖8及圖10可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)庫區(qū)內(nèi)過飽和水體達(dá)80%以上,氣體過飽和現(xiàn)象十分顯著且受泄洪時(shí)間影響較為明顯。此時(shí)由圖12可知,庫區(qū)內(nèi)高飽和度TDG占比較高,泄洪24 h以后的工況條件下過飽和TDG衰減速度趨于穩(wěn)定。泄洪流量增加一方面導(dǎo)致到達(dá)同一位置所用時(shí)間減少,使得過飽和TDG衰減的時(shí)間減少;另一方面使水體紊動加劇,過飽和TDG衰減速度加快,但二者疊加后分析發(fā)現(xiàn),泄洪流量增加導(dǎo)致水體過飽和TDG衰減速度降低。

為進(jìn)一步分析泄洪強(qiáng)度對過飽和TDG的影響,以及單一泄洪強(qiáng)度影響因素與過飽和TDG輸移衰減規(guī)律之間的相關(guān)性及其強(qiáng)弱程度,計(jì)算皮爾遜相關(guān)性系數(shù)如表2所列。由圖13可知,過飽和TDG在庫區(qū)內(nèi)部輸移速率隨溪洛渡泄洪流量和泄洪時(shí)間的增加而增加,整體變化趨勢通過對數(shù)函數(shù)擬合后R2值較高,表明泄洪流量增加與過飽和TDG間的正相關(guān)關(guān)系較強(qiáng),且在p=0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān)。過飽和TDG衰減速率由圖13(c)(d)可知,溪洛渡泄洪流量和泄洪時(shí)間增加加快了過飽和TDG輸移速率,但同時(shí)泄洪導(dǎo)致庫區(qū)內(nèi)部TDG總量增加,高飽和度TDG與庫區(qū)內(nèi)部低飽和度TDG間的內(nèi)部傳質(zhì)減緩,進(jìn)而導(dǎo)致其衰減速率降低,二者與過飽和TDG衰減速率成負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中,泄洪流量與過飽和TDG衰減速率擬合程度較高,但經(jīng)皮爾遜相關(guān)分析得出泄洪時(shí)間與過飽和TDG衰減速率相關(guān)性并不十分顯著。

表2 過飽和TDG各影響因素間的相關(guān)性Tab.2 Correlation among factors affecting supersaturated TDG

圖13 泄洪強(qiáng)度與過飽和TGD輸移及衰減速率的相關(guān)關(guān)系Fig.13 Correlation between flood discharge intensity and transport speed,decay rate of supersaturated TDG

綜上分析,大壩泄洪流量及泄洪時(shí)間變化均對庫區(qū)內(nèi)過飽和TDG輸移及衰減速率產(chǎn)生不同程度的影響。結(jié)合原型觀測的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),可采用非連續(xù)泄水,即在確保水庫泄洪安全且不延長泄洪總時(shí)間的前提下,將持續(xù)泄洪調(diào)整為間斷泄洪來降低庫區(qū)內(nèi)TDG飽和度。除此之外,研究發(fā)現(xiàn)過飽和TDG的形成與泄洪流量成顯著的正相關(guān)關(guān)系,而諸多電站的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)表明,發(fā)電尾水基本不改變?nèi)芙鈿怏w的過飽和度。因此可在滿足調(diào)度需求的條件下,通過增大發(fā)電流量、減小泄洪流量來降低下游TDG過飽和度。

3 結(jié) 論

(1) 溪洛渡水庫泄洪強(qiáng)度增大會加速向家壩庫區(qū)水動力過程,過飽和TDG輸移速率與溪洛渡泄洪流量及泄洪時(shí)間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,庫區(qū)內(nèi)過飽和TDG輸移速率隨二者增大而加快。

(2) 溪洛渡水庫泄洪流量增加導(dǎo)致庫區(qū)內(nèi)部累積的過飽和TDG總量增加,低飽和度TDG占比減少,高飽和度TDG向低飽和度TDG之間的傳質(zhì)速度減緩,TDG衰減速率降低。泄洪時(shí)間增加對過飽和TDG衰減存在一定影響,但當(dāng)溪洛渡大壩泄洪達(dá)到一定時(shí)長后,向家壩庫區(qū)過飽和狀態(tài)趨于穩(wěn)定,衰減速率相對較低。

(3) 受上游來水水溫及向家壩泄洪建筑物啟閉影響,庫區(qū)內(nèi)高飽和度的TDG分布受到顯著影響,同時(shí)主流趨近于向家壩出水口高程范圍流動,造成庫區(qū)中部水體TDG飽和度相對較高。

(4) 可采用大壩非連續(xù)泄水,或在泄水總量不變的前提下,協(xié)調(diào)發(fā)電流量與泄洪流量的關(guān)系來降低下游TDG的過飽和度。