中國高壩工程過飽和總溶解氣體研究進展

楊 柳， 夏 哲 兵

(1.四川省環境保護科學研究院，四川 成都 610041；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

水體中溶解氣體飽和度超過當地大氣壓下的相對飽和度時就形成總溶解氣體(TDG)過飽和[1]。國外對由水利工程泄洪引起的總溶解氣體過飽和研究始于20世紀60年代，在哥倫比亞河及其支流斯內克河流域水電站下游發現了大量的大馬哈魚、虹鱒因水中溶解氣體過飽和而死亡的現象。研究內容主要包括過飽和溶解氣體產生的原因、影響水中溶解氣體過飽和的因素、溶解氣體飽和度與魚類生長的影響關系、降低水中溶解氣體飽和度的措施以及其他相關方面[2]。而我國對于水利工程泄洪引起的溶解氣體過飽和研究起步相對較晚，且主要針對高壩工程。葛洲壩水利工程運行初期發現魚類患氣泡病甚至死亡的現象引起了學者們的重視，但被誤認為是由于水中溶解氧過飽和所導致。而后，在新安江水庫、三峽工程運行初期也曾觀測到由水中總溶解氣體過飽和而導致魚類患氣泡病甚至死亡的現象。隨著研究的深入及美國相關研究論文的發表，我國開始重視過飽和總溶解氣體相關研究。由于美國的研究多集中于50 m左右的中、低壩工程，且因河流中長棲魚種類的不同，因此，美國的研究成果不能直接用于我國的高壩工程。

筆者對目前我國關于高壩泄洪總溶解氣體過飽和研究的成果進行了介紹。

1 魚類過飽和TDG耐受性研究

Lutz(1995年)[3]認為某一總溶解氣體飽和度下所有的魚開始表現出躲避行為時，可以認為該飽和度為該種魚類的致死濃度。研究表明：魚類處于溶解氣體過飽和水體中并未出現死亡可能是由于魚類對過飽和總溶解氣體存在探知能力從而選擇可以生存的靜液壓補償深度。因而所開展的魚類對過飽和溶解氣體耐受性和探知躲避能力的研究可以為環境影響風險評價提供依據。美國學者對大馬哈魚的研究結果表明：水中溶解氣體飽和度低于120%時，魚類死亡率較低或幾乎沒有死亡；飽和度介于120%～125%之間時，處于不同水深、不同生長階段的大馬哈魚表現出不同的死亡率；飽和度大于125%時，微小的飽和度增加將導致較大的死亡率增幅[2]。在我國，譚德彩等(2006年)首次對高壩泄洪導致的魚類氣泡病進行了詳細的闡述，主要描述了氣泡病的癥狀、導致氣泡病的原因及因素，分析了魚類不同生長階段對氣體過飽和的耐受性[4]。黃翔等(2010年)[5，6]利用自行設計的室內過飽和TDG水體生成裝置，將巖原鯉暴露于飽和度為105%～145%的水中，觀察巖原鯉對過飽和TDG的耐受性和躲避行為，其結果表明：水深為0.2 m時，飽和度低于115%的水中無魚類死亡；飽和度高于120%的水體中魚類死亡率超過50%；水深0.08 m時，5 min后魚類開始出現躲避行為，其中飽和度低于115%的水體中有約15%的巖原鯉表現出躲避行為，但未出現死亡；當飽和度超過135%時，95%的魚類表現出躲避行為。王青等[7](2011年)分析了水利工程泄水導致的TDG過飽和對魚類的影響，并觀察了距離大壩不同距離處四大家魚的死亡率，指出距離大壩越近的淺水區魚類受過飽和TDG影響越大。陳世超等(2012年)將胭脂魚暴露于TDG飽和度為120%～145%的水中，并以半致死濃度LC50、半致死時間LT50、過氧化氫酶的活性為指標評價胭脂魚對過飽和TDG的耐受性，其結果表明：125%的飽和度可以作為胭脂魚能承受的總溶解氣體飽和度的標準值[8]。董英杰[9]等(2012年)利用自行設計的室內實驗裝置對鰱、鳙、鳊等魚類對過飽和TDG耐受性進行了研究，認為水利工程泄洪導致的下游過飽和TDG對黃顙魚和鯰魚幾乎不產生影響；草魚、鯽魚能夠承受的最大TDG飽和度約為130%；鰱、鳙、鳊能承受的極限飽和度約為120%。劉曉慶等(2013年)設計了兩組實驗(突然暴露和長期暴露)用于研究過飽和TDG對巖原鯉生長狀態的影響程度，其結果表明：總溶解氣體過飽和不會對巖原鯉的生長速度產生影響；TDG飽和度低于116%時，巖原鯉幼苗無死亡，且對TDG飽和度承受能力較強[10]。梁瑞峰[11]等(2013年)就過飽和總溶解氣體對重口裂鰒魚生長、繁殖的影響進行了實驗，其結果表明：繁殖率隨總溶解氣體飽和度的升高而降低，較高的總溶解氣體飽和度能加快其產卵速率；重口裂鰒魚幼魚總溶解氣體飽和度標準值可設為125%。

目前，我國對魚類對過飽和總溶解氣體耐受性及躲避行為的研究主要針對長江干流少數主要魚類。已經取得的研究結果表明：胭脂魚、重口裂鰒魚能承受的最大總溶解氣體飽和度約為125%；草魚、鯽魚能承受的最大飽和度約為130%；巖原鯉、鰱、鳙、鳊能承受的最大飽和度約為120%。然而，我國已建或待建高壩工程所在的瀾滄江、珠江、雅魯藏布江中的魚類對TDG飽和度耐受性和躲避行為的研究尚未開展。美國已經開展了利用遙感監測魚類洄游路線及洄游深度的監測，可為減輕TDG對魚類的危害提供措施[12]。我國可以借鑒其監測手段及研究方法，從而為更好地保護水生生態環境提供依據。

2 過飽和理論及模型

2.1 過飽和溶解氣體產生及釋放過程研究

為了了解高壩工程泄洪下游總溶解氣體過飽和的產生、釋放過程及影響因素，四川大學率先對紫坪鋪、三峽、二灘、漫灣、大朝山、龔嘴、銅街子等水電站進行了原型觀測[13，14]。原型觀測結果分析表明：消能方式、泄洪流量與泄水建筑物的布置是影響過飽和TDG生成的主要因素，而支流匯入、下游水深、紊動強度是影響TDG飽和度沿程釋放的重要因素[14]。蔣亮等[13]認為紫坪鋪大壩泄洪后下游過飽和TDG沿程釋放較快與都江堰分水閘及下游各水渠之間的相互摻混作用有關；觀測期間，溢洪道下游TDG飽和度突然變小后再次增大可能與泄洪掀起的水墊塘底部淤泥對水中溶解氧的消耗有關。為確定水體中泥沙含量對過飽和TDG的生成和釋放過程的影響，曲璐等(2011年)開展了室內實驗，其結果表明：泥沙含量對TDG過飽和生成過程沒有影響，但能促進TDG釋放，因而推斷紫坪鋪水電站原型觀測期間出現的TDG瞬間減小而后逐漸增大現象不是由于水體攜帶泥沙引起的[15]。不僅如此，馮鏡潔等(2012年)通過室內實驗也證實了水體含沙可促進TDG的釋放[16]。

原型觀測結果的分析較好地總結了高壩泄洪TDG的生成與釋放過程及其影響TDG飽和度的關鍵因素，但無法給出物理意義；另一方面，研究前期缺乏實測數據，從而無法準確開展TDG飽和度預測模型研究工作，因此，開展室內實驗能較好地彌補上述缺陷。蔣亮等(2008年)進行了高速射流實驗、底部摻氣實驗及燒杯擾動實驗，證實了僅有高速射流的沖擊而沒有下游的水墊塘條件仍不能使水體TDG過飽和；TDG的生成與水體TDG飽和度濃度梯度及摻混作用有關；其釋放速率隨著紊動強度的增大而增大[17]。水利工程洪水淹沒、大壩安全性等的研究通常采用模型試驗，而過飽和TDG生成過程研究的模型試驗因尺度小、摻氣量少、摻入氣體承壓小等因素難以產生TDG過飽和。針對這一缺陷，黃翔等(2010年)設計了一套生成TDG飽和度可控制且可以重復使用的過飽和水體產生的實驗裝置[1]，從而為在室內進行魚類對TDG過飽和的耐受性、躲避行為研究提供了基礎。

2.2 總溶解氣體飽和度預測模型

TDG預測模型經歷了經驗公式、單相流模型及兩相流模型三個階段。我國開展相關研究時已進入兩相流模型階段，而國外的模型研究主要是圍繞氣體傳質系數(自由水面的傳質和氣泡界面的傳質)、氣泡尺寸、紊動強度等參數的選取和計算開展[18，19]。由于我國的研究主要是針對高壩工程，而對國外已有的模型不能直接利用，因此，在借鑒其模型研究經驗的基礎上，同時開展了原型觀測及室內實驗。程香菊[20](2004年)對河道泄水建筑物復氧研究時建立了溶解氧傳質系數與表面紊動動能、流速的定量關系，在此基礎上，于2007年建立了氣體傳質系數、氣泡尺寸等參數與水流紊動特性參數之間的定量關系，并引入了有效TDG飽和度、氣泡被卷吸進入水體的有效水深等參數建立DTG飽和度預測模型[21]。覃春麗等(2008年)建立了基于水氣兩相流的單流體模型，在考慮摻氣影響的基礎上將水氣二相區分，流場中所有參數均采取水、氣體積的加權平均值，利用葛洲壩原型觀測數據進行了參數擬合[22]，但是，在實際泄洪期間，氣體在水中的運動不與水流同步，因而采用流體模型會產生一定的誤差。我國的高壩工程通常采取挑流消能，而美國的研究者們提出的TDG飽和度預測公式則多適用于底流消能，為此，李然等(2009年)在原型觀測的基礎上建立了挑流消能方式沖擊坑、消力池TDG飽和度預測公式，重點考慮了消能設計中常用的水深和壓力兩個參數，從而使得模型的通用性較強[23]，該預測模型的建立對我國挑流消能下游TDG飽和度預測研究具有里程碑似的意義；對于擬建項目，模型中的水深、壓強、釋放系數及修正系數等參數的測量、選取是制約模型精度的主要因素，因此，需要更多的原型觀測數據及實驗得到參數的特征取值范圍。水利工程泄洪期間泄洪流量并非穩定不變，因此需要建立非穩定流狀態下的TDG飽和度預測公式。付小莉等(2010年)認為應綜合考慮影響氣體溶解過程中的各種因素，才能準確地建立總溶解氣體飽和度預測模型，因此，筆者在傳統三維紊流方程的基礎上耦合了溶解氣體對流擴散方程，建立了三維紊流兩相流TDG飽和度預測公式[24]，隨后建立了以流速、壓強、空氣體積分數為參數的CFD三維紊動兩相流模型[25]。曲璐等(2011年)對挑流消能TDG預測模型進行了改進，采用平均靜水壓強代替動水壓強，建立了面流消能TDG預測模型，并利用龔嘴水電站原型觀測數據進行了參數擬合[26]，但是對修正系數及釋放系數的取值范圍需要進一步研究確定。馮鏡潔(2010年)、黃奉斌(2010年)等利用能綜合表示分子擴散和紊動作用的系數代替分子擴散系數對美國陸軍工程兵團建立的TDG釋放系數進行了修正[27，28]。

由于缺乏對過飽和TDG釋放過程的監測，早期研究中，通常是利用溶解氧代替總溶解氣體，并認為復氧系數等于釋放系數。為了驗證假設的正確性，李然等開展了相關研究并且證明了復氧過程與耗氧過程存在顯著的區別，而溶解氧過飽和與總溶解氣體過飽和也是兩個截然不同的過程；室內實驗及野外原型觀測結果對比結果表明溶解氧濃度與總溶解氣體濃度之間不存在明確的相關關系，即利用DO代替TDG進行TDG釋放過程研究將導致較大的誤差[29]。王青等[7](2011年)對比了總溶解氣體、溶解氧和溶解氮三者的沿程變化，指出DO釋放速度最快，DN和TDG釋放速率較慢。

我國高壩工程泄洪導致的過飽和TDG研究起步較晚。盡管如此，目前亦已取得了較多的研究成果并首次開展了泥沙含量對TDG生成、釋放過程的影響研究，建立了挑流消能、面流消能TDG飽和度預測模型、三維非穩定紊流預測模型。但是，由于高壩泄洪頻率低、歷時短，原型觀測數據很難獲得，因此，TDG預測模型中的修正系數、釋放系數等參數取值范圍的精確性亦難以確定。

3 高壩工程泄洪過飽和TDG消減措施研究進展

如何減輕高壩工程泄洪引起的總溶解氣體過飽和及衍生的對水生生態環境帶來的危害已成為過飽和TDG研究的一個重要分支。為此，許多學者進行了實驗研究。李然等[23]利用挑流消能TDG預測模型對不同泄洪方式進行了模擬，模擬結果表明：深孔泄洪導致的TDG飽和度最低，其次為表孔泄流，泄洪洞泄洪產生的TDG飽和度最大。曲璐等建議在泄洪的同時開啟排沙孔，通過提高下泄水體含沙量促進TDG的釋放，從而可以減輕對魚類的影響[26]。彭期冬等提出采用動態汛限水位調度的方式以減輕下游TDG飽和度的措施，并對三峽水庫豐、平、枯三種典型年設計調度方式進行了模擬預測，其結果表明：采用動態汛限水位調度的方式可以減緩下游TDG過飽和程度，但同時會增加水庫泥沙的淤積量[30]。

但是，在實際水庫運行時不能單以消減下游TDG飽和度為目標，需要同時考慮發電、防洪、灌溉、供水等情況。對于梯級水電站，還需要衡量梯級中各水電站的利益，因此，對于目前提出的在泄流的同時開啟排沙孔及動態汛限水位調度方式的可行性還有待進一步驗證。

4 結論與展望

筆者通過原型觀測及室內實驗，總結了高壩泄水產生的總溶解氣體過飽和生成及釋放過程、影響因素以及不同魚類對總溶解氣體飽和度的耐受性，在兩相流理論發展的基礎上，建立了高壩工程TDG預測模型，提出了切實可行的TDG飽和度消減措施，可為我國高壩工程環境影響評價及工程設計提供參考。由于水氣兩相流本身較為復雜，因此，尚有許多問題值得進一步研究，筆者具體總結如下：

(1)氣泡尺寸是影響TDG預測精度的重要因素。目前由于缺乏氣泡尺寸的監測儀器，從而無法建立精確的氣泡尺寸預測模型；

(2)大量開展原型觀測，以便建立起工程特性參數與模型參數(釋放系數、傳質系數、修正系數等)之間的定量關系；

(3)考慮消力池初始水溫與下泄水流溫度之間的混合對總溶解氣體飽和度的影響，建立TDG預測模型；

(4)改變溢洪道設計及水工建筑物布置方式，可以減輕下游TDG過飽和程度。對于已建工程而言，修改工程設計需耗費較多的財力、物力，因此，主要采取改變水庫調度方式的措施，目前已取得成功的案例只考慮了以減輕下游TDG飽和度為目標。進一步研究時，需綜合考慮防洪、發電、灌溉等綜合效益；

(5)針對魚類對過飽和TDG耐受性的研究開展的室內實驗主要集中在觀察魚類對不同TDG飽和度的承受程度。已有結論均表明過飽和TDG不會影響魚類的繁殖，卻尚未從遺傳角度進行研究；應開展魚類洄游路線及靜液壓補償深度選擇的相關監測；

(6)由于目前尚未發現中、低壩泄流后引起魚類患氣泡病的案例，故未開展相關的研究工作。但這不能表明中、低壩泄流不會引起總溶解氣體過飽和，因此，有必要進行下一步的研究。

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