西南山區(qū)防洪水庫(kù)泄洪過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w預(yù)測(cè)及影響研究

關(guān)鍵詞：總?cè)芙鈿怏w；過(guò)飽和；防洪高壩；評(píng)估框架；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）11-0054-08

水利水電工程在發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)和灌溉等社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)［1-2］，也顯著地改變了河流的水文情勢(shì)、水溫和水生生物棲息地條件等［3］，從而對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一系列不利影響［4-6］。其中，高壩對(duì)河流影響尤為顯著。最突出的問(wèn)題之一是高壩泄洪時(shí)，水舌卷吸大量空氣進(jìn)入泄洪水流，強(qiáng)摻氣水流進(jìn)入消力池內(nèi)，氣泡在高壓作用下迅速溶解于水體，從而達(dá)到相對(duì)于大氣壓的總?cè)芙鈿怏w（Total Dissolved Gas，TDG）過(guò)飽和狀態(tài)。然而過(guò)飽和TDG釋放過(guò)程極為緩慢，其持續(xù)影響可能導(dǎo)致壩下魚類患?xì)馀莶∩踔链笠?guī)模死亡［7-9］。

目前，過(guò)飽和TDG 的研究主要集中于過(guò)飽和TDG的生成模型、輸移釋放模型、魚類對(duì)其的耐受性和回避行為，以及過(guò)飽和TDG 的減緩措施研究［10-12］。20世紀(jì)70年代起，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)在哥倫比亞河上布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。隨后，華盛頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出過(guò)飽和TDG釋放過(guò)程服從一階動(dòng)力學(xué)方程，在縱向一維恒定流預(yù)測(cè)模型中引入表征TDG釋放速度的釋放系數(shù)［13］。Feng 等［14-15］基于國(guó)內(nèi)多個(gè)高壩工程原型觀測(cè)成果，對(duì)過(guò)飽和TDG釋放模型中釋放系數(shù)的取值進(jìn)行了修正和率定。Ma等［16］針對(duì)泄洪的非恒定流特征，建立了過(guò)飽和TDG一維非恒定流釋放預(yù)測(cè)模型，并在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了過(guò)飽和TDG風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。馮鏡潔等［17］提出了適合于山區(qū)狹長(zhǎng)型水庫(kù)的立面二維過(guò)飽和TDG輸移釋放模型。Wan等［18］建立了深度平均的平面二維模型過(guò)飽和TDG輸移釋放模型，并運(yùn)用于金沙江下游向家壩水庫(kù)。Shen等［19］基于室內(nèi)試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了三維過(guò)飽和TDG輸移釋放模型。

國(guó)內(nèi)外已有研究表明不同魚類對(duì)過(guò)飽和TDG水體耐受往往存在一定差異［20-21］。Beeman等［22］通過(guò)比較哥倫比亞河流域內(nèi)5種不同魚類在TDG過(guò)飽和水體中的半數(shù)死亡時(shí)間，結(jié)果表明不同魚類對(duì)TDG過(guò)飽和水體的耐受性各異。對(duì)長(zhǎng)江上游特有魚類的室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，胭脂魚、齊口裂腹魚和巖原鯉幼魚對(duì)TDG 過(guò)飽和水體耐受能力存在差異［23-25］。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還開(kāi)展了魚類在TDG過(guò)飽和水體中的回避感應(yīng)能力研究。對(duì)哥倫比亞河中游分布的大鱗大馬哈魚的研究結(jié)果表明，大鱗大馬哈魚能探知到117% 的TDG 過(guò)飽和水體［26］，對(duì)130%TDG飽和度水體能作出有效的回避［27］。對(duì)長(zhǎng)江上游珍稀魚類胭脂魚和巖原鯉水平回避效應(yīng)的分析表明［11，23］，高飽和度下魚類有較強(qiáng)的回避性，而當(dāng)飽和度在125%以下時(shí)，回避性能則較弱。此外，魚類在TDG 過(guò)飽和水體中利用補(bǔ)償水深來(lái)躲避TDG過(guò)飽和的能力也存在差異。

盡管TDG過(guò)飽和領(lǐng)域的研究成果豐碩，然而關(guān)于高壩泄洪TDG生態(tài)評(píng)估框架的研究還較為缺乏。針對(duì)特定流域不同泄洪強(qiáng)度影響下的TDG輸移釋放規(guī)律及其對(duì)下游河道的生態(tài)影響研究并不多。嘉陵江流域位于中國(guó)西南山區(qū)，受地形條件、區(qū)域降水分布不均以及下墊面條件影響，流域內(nèi)洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。近年來(lái)，該流域規(guī)劃新建以江家口為首的12座具有較大防洪作用的水庫(kù)，以提升該流域的防洪能力。本文以江家口水庫(kù)為研究對(duì)象，采用TDG過(guò)飽和生成模型和河道縱向一維TDG輸移釋放模型來(lái)探究壩下河道過(guò)飽和TDG的分布特征，并結(jié)合典型珍稀魚類對(duì)TDG過(guò)飽和的耐受性和行為學(xué)響應(yīng)，分析TDG過(guò)飽和對(duì)壩下河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。選擇江家口水庫(kù)的原因在于其工程代表性強(qiáng)，其為該流域的典型高壩防洪水庫(kù)（壩高97. 9 m），泄洪能力強(qiáng)；且生態(tài)敏感性強(qiáng)，壩下28. 5 km處設(shè)有特有魚類國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，其泄洪產(chǎn)生的過(guò)飽和TDG對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)魚類的影響尚不清楚。

1研究區(qū)域和方法

1. 1區(qū)域概況

澌灘河位于通江左岸，全長(zhǎng)129 km，總落差1 007 m，平均比降7. 8‰，屬于嘉陵江流域。江家口水庫(kù)位于澌灘河中游河段（圖1）。其防洪庫(kù)容為8304萬(wàn)m³，年均來(lái)水量6. 12億m3，具有年調(diào)節(jié)性能。江家口水庫(kù)開(kāi)發(fā)任務(wù)以防洪為主，兼顧發(fā)電。江家口壩下28. 5 km處為通河特有魚類國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)。該保護(hù)區(qū)于2010年11月25日由農(nóng)業(yè)部以第1491號(hào)公告批準(zhǔn)建立。保護(hù)區(qū)總面積1 970hm²，其中核心區(qū)面積945 hm²，實(shí)驗(yàn)區(qū)面積1025hm²。特別保護(hù)期為全年。保護(hù)區(qū)內(nèi)有魚類76種，分屬于7目18科63屬。在保護(hù)區(qū)內(nèi)分布有四川省重點(diǎn)保護(hù)魚類——巖原鯉，以及《世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄》中近危物種——鰱。本研究選擇上述2種珍稀魚類作為目標(biāo)保護(hù)魚類。

1. 2預(yù)測(cè)評(píng)估框架

高壩泄洪過(guò)飽和TDG評(píng)估框架由過(guò)飽和TDG生成模型、過(guò)飽和TDG混合模型、過(guò)飽和TDG輸移釋放模型以及魚類生物響應(yīng)試驗(yàn)構(gòu)成（圖2）。首先基于水庫(kù)的典型泄洪方式，采用過(guò)飽和TDG生成模型預(yù)測(cè)不同泄洪情境下產(chǎn)生的過(guò)飽和TDG濃度；然后，通過(guò)過(guò)飽和TDG混合模型計(jì)算出由發(fā)電尾水混合后的研究河段源頭處的過(guò)飽和TDG濃度；根據(jù)計(jì)算出的混合濃度作為過(guò)飽和TDG輸移釋放模型的輸入邊界條件，計(jì)算沿程的TDG濃度分布以及水深等水力學(xué)參數(shù)；通過(guò)室內(nèi)/現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得魚類的耐受性和回避能力。具體方法推薦參考文獻(xiàn)［25］的研究；最后，將目標(biāo)魚類的耐受性和回避能力與TDG濃度場(chǎng)和水動(dòng)力場(chǎng)耦合，對(duì)比分析過(guò)飽和TDG對(duì)魚類的影響程度。

1. 2. 1縱向一維水動(dòng)力模型

水動(dòng)力學(xué)特性模擬以河道縱向一維非恒定流水面線方程為基礎(chǔ)，水動(dòng)力學(xué)方程如下：

1. 2. 2過(guò)飽和TDG生成模型

國(guó)內(nèi)外關(guān)于水壩泄水導(dǎo)致TDG過(guò)飽和的預(yù)測(cè)方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式、機(jī)理解析模型和紊流數(shù)值模型［28］。在本研究中，采用馬倩［10］開(kāi)發(fā)的過(guò)飽和TDG生成模型預(yù)測(cè)江家口水庫(kù)TDG的生成濃度。過(guò)飽和TDG的產(chǎn)生過(guò)程可分為3個(gè)階段：①由空氣射流產(chǎn)生的TDG；②氣體在高壓下溶解在消力池中；③在消力池出口處突然釋放TDG。

1. 2. 3過(guò)飽和TDG混合模型

泄水產(chǎn)生的過(guò)飽和TDG在下游河道的輸移釋放過(guò)程中伴隨支流匯入，采用混合模型考慮支流/發(fā)電尾水的匯入影響，即：

根據(jù)研究河段與各原型觀測(cè)河段水深、流速等特征參數(shù)分析，江家口水庫(kù)下游為天然河道和雙灘庫(kù)區(qū)。而其河段中的流量大小與瀾滄江流量相近，過(guò)水?dāng)嗝鏀?shù)量級(jí)相似，本文預(yù)測(cè)中綜合系數(shù)?_T 參考瀾滄江河段［29］，并采用兩河段的平均橫斷面面積比修正得到，其值在江家口壩后至雙灘庫(kù)尾的天然河道段為4. 52×10^-9 /s，雙灘庫(kù)尾至雙灘壩前的庫(kù)區(qū)段為1. 23×10^-9 /s，雙灘壩前至平昌縣的天然河道為2. 25×10^-9 /s。

1. 3泄洪情景擬定

由1. 2. 3節(jié)可知，氣體過(guò)飽和TDG的生成大小與泄洪流量和泄洪方式有關(guān)。根據(jù)江家口水庫(kù)的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)際工程運(yùn)行中，針對(duì)常遇洪水開(kāi)展氣體過(guò)飽和影響研究更具實(shí)際意義，確定針對(duì)2年一遇（P=50%）洪水和5年一遇（P=20%）洪水開(kāi)展過(guò)飽和TDG影響預(yù)測(cè)。根據(jù)江家口水庫(kù)的泄洪建筑物行洪能力，校核蓄水位下表孔溢洪道最大泄洪能力為6 380 m³/s，單個(gè)底孔泄洪洞的最大泄洪能力為1 677 m³/s。由此確定過(guò)飽和TDG 生成預(yù)測(cè)工況，見(jiàn)表1。

2結(jié)果與討論

2. 1不同工況下過(guò)飽和TDG濃度生成預(yù)測(cè)

采用1. 2. 2節(jié)的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)得到江家口水庫(kù)在單獨(dú)運(yùn)行下，各工況的泄洪生成的TDG飽和度見(jiàn)表2。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，江家口單獨(dú)泄洪條件下，無(wú)論采用何種泄洪建筑物泄洪，5 年一遇泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度最高。具體如下：當(dāng)采用表孔溢洪道宣泄2年一遇洪水（工況1）時(shí)，泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度為110. 9%；當(dāng)采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水（工況2）時(shí)，泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度為115. 4%；當(dāng)采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水（工況3）時(shí)，泄洪產(chǎn)生的TDG 飽和度為113. 7%；當(dāng)采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水（工況4）時(shí)，泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度為119. 9%。

2. 2壩下過(guò)飽和TDG輸移釋放

根據(jù)河道水動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，得到江家口水庫(kù)工況1、3（2年一遇）和工況2、4（5年一遇）壩址下游的沿程釋放系數(shù)，其變化情況可大致分為天然河道、庫(kù)區(qū)和天然河道3個(gè)階段，見(jiàn)圖3。

工況1、3流量下過(guò)飽和TDG釋放系數(shù)平均值在江家口壩址至喜神河匯口河段為0. 150/h，其中最大值為0. 210/h，最小值為0. 093/h；喜神河匯口至雙灘壩址庫(kù)區(qū)為0. 067/h，其中最大值為0. 110/h，最小值為0. 020/h；雙灘壩址至平昌縣河段平均釋放系數(shù)0. 160/h。

工況2、4流量下過(guò)飽和TDG釋放系數(shù)平均值在江家口壩址至喜神河匯口河段為0. 14/h，其中最大值為0. 19/h，最小值為0. 15/h；喜神河匯口至雙灘壩址庫(kù)區(qū)為0. 071/h，其中最大值為0. 10/h，最小值為0. 02/h；雙灘壩址至平昌縣河段平均釋放系數(shù)為0. 15/h。采用1. 2. 4節(jié)中涉及的TDG釋放模型，分別對(duì)江家口水庫(kù)2年一遇和5年一遇洪水條件下過(guò)飽和TDG在江家口壩下至平昌縣河段的輸移釋放過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4、表3。

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，各工況下，泄洪生成的過(guò)飽和TDG 在下游河道內(nèi)逐漸釋放，TDG飽和度逐漸降低。工況1中，泄洪水流生成TDG飽和度為110. 9%。因江家口壩址距喜神河匯口僅6. 0 km，TDG隨流輸移釋放效果不明顯，TDG飽和度沿程變化很小。未考慮喜神河上支流梯級(jí)泄洪的影響，TDG飽和度值為100%，但由于此支流流量較小，匯入后使澌灘河干流內(nèi)TDG飽和度僅降低0. 5%，由110. 7% 降低至110. 2%。隨著向下游輸移釋放，TDG飽和度逐漸降低，至距離江家口壩址28. 5 km處在左岸匯入通江，TDG 飽和度降低為107. 0%。至江家口壩下38. 8 km為雙灘壩址斷面，其TDG飽和度為105. 4%。雙灘壩下輸移釋放至平昌縣時(shí)，TDG飽和度由105. 4% 減少至103. 9%，減少了1. 5%。壩下28. 5 km 處進(jìn)入通河特有魚類國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)最高飽和度為106. 6%。

在工況2中，泄洪水流生成TDG飽和度為115. 4%。至喜神河匯口TDG飽和度為115. 1%，基本未發(fā)生變化。喜神河匯入后使澌灘河干流內(nèi)TDG飽和度僅降低0. 4%，由115. 1. % 降低至114. 7%。隨著向下游輸移釋放，TDG飽和度逐漸降低，匯入通江后，TDG飽和度降低為110. 9%。至雙灘壩址斷面，其TDG 飽和度為109. 3%。雙灘壩下輸移釋放至平昌縣時(shí)，TDG飽和度減少了2. 1%，由109. 3% 至107. 2% 。保護(hù)區(qū)內(nèi)最高飽和度為110. 9%。

在工況3中，溢洪洞泄洪水流生成TDG飽和度為113. 7%。喜神河匯入后，TDG 飽和度降低至112. 8%。由于TDG 隨流輸移釋放及通江干流對(duì)TDG 的稀釋，至雙灘壩址斷面，TDG 飽和度減至106. 8%。水流抵至平昌縣的TDG 飽和度為104. 9%。保護(hù)區(qū)內(nèi)最高飽和度為108. 3%。

在工況4中，溢洪洞泄洪水流生成TDG飽和度為119. 9%。喜神河匯入后，TDG 飽和度降低至119. 0%。由于TDG 隨流輸移釋放及通江干流對(duì)TDG 的稀釋，至雙灘壩址斷面，TDG 飽和度減至112. 1%。水流抵至平昌縣的TDG飽和度為109. 3%。保護(hù)區(qū)內(nèi)最高飽和度為114. 2%。

2. 3過(guò)飽和TDG對(duì)壩下魚類的影響

本研究基于王遠(yuǎn)銘［25］提出的長(zhǎng)江上游保護(hù)魚類的安全TDG濃度115%，并結(jié)合巖原鯉和鰱魚的耐受性和垂向回避能力實(shí)驗(yàn)，分析壩下河段TDG對(duì)魚類的影響。對(duì)于鰱魚來(lái)說(shuō)，由于耐受性較高，其對(duì)TDG飽和度的耐受閾值為130%［30］。由圖4可知，4種工況中過(guò)飽和TDG的最高濃度為119. 9%，因此不會(huì)對(duì)鰱魚造成不利影響。

對(duì)于巖原鯉來(lái)說(shuō)，在TDG 濃度高于115%時(shí)，會(huì)發(fā)生死亡現(xiàn)象。因此，工況1、3全河段不會(huì)對(duì)巖原鯉產(chǎn)生不利影響；工況2 中，距離壩址2. 7 km 處TDG濃度降低到115%以下；工況4中，通江匯口下游1. 0 km后TDG濃度降低到115%以下。因此工況2中距離壩址2. 7 km以后的河段和工況4中通江匯口下游1. 0 km 后的河段不會(huì)對(duì)巖原鯉產(chǎn)生不利影響。

文獻(xiàn)［26］研究表明，巖原鯉具有垂向回避能力，對(duì)于任一水平的過(guò)飽和TDG，均存在一對(duì)應(yīng)水深，在這個(gè)深度上，魚類所能感受到的過(guò)飽和程度為0，因而可以躲避TDG過(guò)飽和的影響，這一水深即為魚類的補(bǔ)償深度。對(duì)于TDG過(guò)飽和的水體，如果水深大于魚類補(bǔ)償深度要求，魚類能夠潛入到補(bǔ)償深度以下的水域生活，就可以躲避TDG過(guò)飽和的影響。基于此，針對(duì)TDG濃度高于115%的河段，計(jì)算了所需的補(bǔ)償水深（圖5）。結(jié)果表明，對(duì)于2年一遇和5年一遇的洪水過(guò)程，全河段水深均大于巖原鯉所需的補(bǔ)償水深，工程對(duì)巖原鯉的影響極其有限。

綜上，江家口水庫(kù)泄洪產(chǎn)生的過(guò)飽和不會(huì)對(duì)國(guó)家種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)產(chǎn)生不利影響。此外，本研究建議江家口在采用底孔泄洪洞宣泄5年一遇洪水時(shí)，應(yīng)采用間歇性泄洪［10］，使壩下局部河段（保護(hù)區(qū)外）過(guò)飽和TDG對(duì)巖原鯉的影響降到最低。

3結(jié)論

a）江家口水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行的情景下，采用表孔溢洪道宣泄2 年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG飽和度為110. 9%，采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG 飽和度為115. 4%，采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG飽和度為113. 7%，采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水時(shí)產(chǎn)生的TDG飽和度為119. 9%。基于過(guò)飽和TDG縱向一維輸移釋放模型，除采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水時(shí)江家口壩址-江家口壩下2. 7 km河段和采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水時(shí)江家口壩址-通江匯口河段外，其余工況各河段的TDG濃度均低于115%。

b）相同工況對(duì)不同保護(hù)魚類的影響不同，鰱魚對(duì)TDG濃度低于130%的水體有耐受性，巖原鯉在TDG濃度高于115%時(shí)會(huì)出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。故4種泄洪工況均不會(huì)對(duì)鰱魚產(chǎn)生不利影響；且由于壩下河段泄洪期水深均大于巖原鯉的補(bǔ)償水深，巖原鯉在利用補(bǔ)償水深后，也不會(huì)受到過(guò)飽和TDG的影響。綜上所述，江家口水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行的情景下，其泄洪過(guò)程不會(huì)對(duì)國(guó)家種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)產(chǎn)生影響。