中國(guó)高壩工程過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w研究進(jìn)展

楊 柳， 夏 哲 兵

(1.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

水體中溶解氣體飽和度超過(guò)當(dāng)?shù)卮髿鈮合碌南鄬?duì)飽和度時(shí)就形成總?cè)芙鈿怏w(TDG)過(guò)飽和[1]。國(guó)外對(duì)由水利工程泄洪引起的總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和研究始于20世紀(jì)60年代，在哥倫比亞河及其支流斯內(nèi)克河流域水電站下游發(fā)現(xiàn)了大量的大馬哈魚(yú)、虹鱒因水中溶解氣體過(guò)飽和而死亡的現(xiàn)象。研究?jī)?nèi)容主要包括過(guò)飽和溶解氣體產(chǎn)生的原因、影響水中溶解氣體過(guò)飽和的因素、溶解氣體飽和度與魚(yú)類生長(zhǎng)的影響關(guān)系、降低水中溶解氣體飽和度的措施以及其他相關(guān)方面[2]。而我國(guó)對(duì)于水利工程泄洪引起的溶解氣體過(guò)飽和研究起步相對(duì)較晚，且主要針對(duì)高壩工程。葛洲壩水利工程運(yùn)行初期發(fā)現(xiàn)魚(yú)類患?xì)馀莶∩踔了劳龅默F(xiàn)象引起了學(xué)者們的重視，但被誤認(rèn)為是由于水中溶解氧過(guò)飽和所導(dǎo)致。而后，在新安江水庫(kù)、三峽工程運(yùn)行初期也曾觀測(cè)到由水中總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和而導(dǎo)致魚(yú)類患?xì)馀莶∩踔了劳龅默F(xiàn)象。隨著研究的深入及美國(guó)相關(guān)研究論文的發(fā)表，我國(guó)開(kāi)始重視過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w相關(guān)研究。由于美國(guó)的研究多集中于50 m左右的中、低壩工程，且因河流中長(zhǎng)棲魚(yú)種類的不同，因此，美國(guó)的研究成果不能直接用于我國(guó)的高壩工程。

筆者對(duì)目前我國(guó)關(guān)于高壩泄洪總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和研究的成果進(jìn)行了介紹。

1 魚(yú)類過(guò)飽和TDG耐受性研究

Lutz(1995年)[3]認(rèn)為某一總?cè)芙鈿怏w飽和度下所有的魚(yú)開(kāi)始表現(xiàn)出躲避行為時(shí)，可以認(rèn)為該飽和度為該種魚(yú)類的致死濃度。研究表明：魚(yú)類處于溶解氣體過(guò)飽和水體中并未出現(xiàn)死亡可能是由于魚(yú)類對(duì)過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w存在探知能力從而選擇可以生存的靜液壓補(bǔ)償深度。因而所開(kāi)展的魚(yú)類對(duì)過(guò)飽和溶解氣體耐受性和探知躲避能力的研究可以為環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。美國(guó)學(xué)者對(duì)大馬哈魚(yú)的研究結(jié)果表明：水中溶解氣體飽和度低于120%時(shí)，魚(yú)類死亡率較低或幾乎沒(méi)有死亡；飽和度介于120%～125%之間時(shí)，處于不同水深、不同生長(zhǎng)階段的大馬哈魚(yú)表現(xiàn)出不同的死亡率；飽和度大于125%時(shí)，微小的飽和度增加將導(dǎo)致較大的死亡率增幅[2]。在我國(guó)，譚德彩等(2006年)首次對(duì)高壩泄洪導(dǎo)致的魚(yú)類氣泡病進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，主要描述了氣泡病的癥狀、導(dǎo)致氣泡病的原因及因素，分析了魚(yú)類不同生長(zhǎng)階段對(duì)氣體過(guò)飽和的耐受性[4]。黃翔等(2010年)[5，6]利用自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)過(guò)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(duì)過(guò)飽和TDG的耐受性和躲避行為，其結(jié)果表明：水深為0.2 m時(shí)，飽和度低于115%的水中無(wú)魚(yú)類死亡；飽和度高于120%的水體中魚(yú)類死亡率超過(guò)50%；水深0.08 m時(shí)，5 min后魚(yú)類開(kāi)始出現(xiàn)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(xiàn)出躲避行為，但未出現(xiàn)死亡；當(dāng)飽和度超過(guò)135%時(shí)，95%的魚(yú)類表現(xiàn)出躲避行為。王青等[7](2011年)分析了水利工程泄水導(dǎo)致的TDG過(guò)飽和對(duì)魚(yú)類的影響，并觀察了距離大壩不同距離處四大家魚(yú)的死亡率，指出距離大壩越近的淺水區(qū)魚(yú)類受過(guò)飽和TDG影響越大。陳世超等(2012年)將胭脂魚(yú)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(shí)間LT50、過(guò)氧化氫酶的活性為指標(biāo)評(píng)價(jià)胭脂魚(yú)對(duì)過(guò)飽和TDG的耐受性，其結(jié)果表明：125%的飽和度可以作為胭脂魚(yú)能承受的總?cè)芙鈿怏w飽和度的標(biāo)準(zhǔn)值[8]。董英杰[9]等(2012年)利用自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)鰱、鳙、鳊等魚(yú)類對(duì)過(guò)飽和TDG耐受性進(jìn)行了研究，認(rèn)為水利工程泄洪導(dǎo)致的下游過(guò)飽和TDG對(duì)黃顙魚(yú)和鯰魚(yú)幾乎不產(chǎn)生影響；草魚(yú)、鯽魚(yú)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(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)(突然暴露和長(zhǎng)期暴露)用于研究過(guò)飽和TDG對(duì)巖原鯉生長(zhǎng)狀態(tài)的影響程度，其結(jié)果表明：總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和不會(huì)對(duì)巖原鯉的生長(zhǎng)速度產(chǎn)生影響；TDG飽和度低于116%時(shí)，巖原鯉幼苗無(wú)死亡，且對(duì)TDG飽和度承受能力較強(qiáng)[10]。梁瑞峰[11]等(2013年)就過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w對(duì)重口裂鰒魚(yú)生長(zhǎng)、繁殖的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明：繁殖率隨總?cè)芙鈿怏w飽和度的升高而降低，較高的總?cè)芙鈿怏w飽和度能加快其產(chǎn)卵速率；重口裂鰒魚(yú)幼魚(yú)總?cè)芙鈿怏w飽和度標(biāo)準(zhǔn)值可設(shè)為125%。

目前，我國(guó)對(duì)魚(yú)類對(duì)過(guò)飽和總?cè)芙鈿怏w耐受性及躲避行為的研究主要針對(duì)長(zhǎng)江干流少數(shù)主要魚(yú)類。已經(jīng)取得的研究結(jié)果表明：胭脂魚(yú)、重口裂鰒魚(yú)能承受的最大總?cè)芙鈿怏w飽和度約為125%；草魚(yú)、鯽魚(yú)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(guó)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(yú)類對(duì)TDG飽和度耐受性和躲避行為的研究尚未開(kāi)展。美國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了利用遙感監(jiān)測(cè)魚(yú)類洄游路線及洄游深度的監(jiān)測(cè)，可為減輕TDG對(duì)魚(yú)類的危害提供措施[12]。我國(guó)可以借鑒其監(jiān)測(cè)手段及研究方法，從而為更好地保護(hù)水生生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

2 過(guò)飽和理論及模型

2.1 過(guò)飽和溶解氣體產(chǎn)生及釋放過(guò)程研究

為了了解高壩工程泄洪下游總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和的產(chǎn)生、釋放過(guò)程及影響因素，四川大學(xué)率先對(duì)紫坪鋪、三峽、二灘、漫灣、大朝山、龔嘴、銅街子等水電站進(jìn)行了原型觀測(cè)[13，14]。原型觀測(cè)結(jié)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(guò)飽和TDG生成的主要因素，而支流匯入、下游水深、紊動(dòng)強(qiáng)度是影響TDG飽和度沿程釋放的重要因素[14]。蔣亮等[13]認(rèn)為紫坪鋪大壩泄洪后下游過(guò)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(guān)；觀測(cè)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(duì)水中溶解氧的消耗有關(guān)。為確定水體中泥沙含量對(duì)過(guò)飽和TDG的生成和釋放過(guò)程的影響，曲璐等(2011年)開(kāi)展了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明：泥沙含量對(duì)TDG過(guò)飽和生成過(guò)程沒(méi)有影響，但能促進(jìn)TDG釋放，因而推斷紫坪鋪水電站原型觀測(cè)期間出現(xiàn)的TDG瞬間減小而后逐漸增大現(xiàn)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(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了水體含沙可促進(jìn)TDG的釋放[16]。

原型觀測(cè)結(jié)果的分析較好地總結(jié)了高壩泄洪T(mén)DG的生成與釋放過(guò)程及其影響TDG飽和度的關(guān)鍵因素，但無(wú)法給出物理意義；另一方面，研究前期缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從而無(wú)法準(zhǔn)確開(kāi)展TDG飽和度預(yù)測(cè)模型研究工作，因此，開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好地彌補(bǔ)上述缺陷。蔣亮等(2008年)進(jìn)行了高速射流實(shí)驗(yàn)、底部摻氣實(shí)驗(yàn)及燒杯擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了僅有高速射流的沖擊而沒(méi)有下游的水墊塘條件仍不能使水體TDG過(guò)飽和；TDG的生成與水體TDG飽和度濃度梯度及摻混作用有關(guān)；其釋放速率隨著紊動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大[17]。水利工程洪水淹沒(méi)、大壩安全性等的研究通常采用模型試驗(yàn)，而過(guò)飽和TDG生成過(guò)程研究的模型試驗(yàn)因尺度小、摻氣量少、摻入氣體承壓小等因素難以產(chǎn)生TDG過(guò)飽和。針對(duì)這一缺陷，黃翔等(2010年)設(shè)計(jì)了一套生成TDG飽和度可控制且可以重復(fù)使用的過(guò)飽和水體產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置[1]，從而為在室內(nèi)進(jìn)行魚(yú)類對(duì)TDG過(guò)飽和的耐受性、躲避行為研究提供了基礎(chǔ)。

2.2 總?cè)芙鈿怏w飽和度預(yù)測(cè)模型

TDG預(yù)測(cè)模型經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)公式、單相流模型及兩相流模型三個(gè)階段。我國(guó)開(kāi)展相關(guān)研究時(shí)已進(jìn)入兩相流模型階段，而國(guó)外的模型研究主要是圍繞氣體傳質(zhì)系數(shù)(自由水面的傳質(zhì)和氣泡界面的傳質(zhì))、氣泡尺寸、紊動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)的選取和計(jì)算開(kāi)展[18，19]。由于我國(guó)的研究主要是針對(duì)高壩工程，而對(duì)國(guó)外已有的模型不能直接利用，因此，在借鑒其模型研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)開(kāi)展了原型觀測(cè)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。程香菊[20](2004年)對(duì)河道泄水建筑物復(fù)氧研究時(shí)建立了溶解氧傳質(zhì)系數(shù)與表面紊動(dòng)動(dòng)能、流速的定量關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，于2007年建立了氣體傳質(zhì)系數(shù)、氣泡尺寸等參數(shù)與水流紊動(dòng)特性參數(shù)之間的定量關(guān)系，并引入了有效TDG飽和度、氣泡被卷吸進(jìn)入水體的有效水深等參數(shù)建立DTG飽和度預(yù)測(cè)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(chǔ)上將水氣二相區(qū)分，流場(chǎng)中所有參數(shù)均采取水、氣體積的加權(quán)平均值，利用葛洲壩原型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)擬合[22]，但是，在實(shí)際泄洪期間，氣體在水中的運(yùn)動(dòng)不與水流同步，因而采用流體模型會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。我國(guó)的高壩工程通常采取挑流消能，而美國(guó)的研究者們提出的TDG飽和度預(yù)測(cè)公式則多適用于底流消能，為此，李然等(2009年)在原型觀測(cè)的基礎(chǔ)上建立了挑流消能方式?jīng)_擊坑、消力池TDG飽和度預(yù)測(cè)公式，重點(diǎn)考慮了消能設(shè)計(jì)中常用的水深和壓力兩個(gè)參數(shù)，從而使得模型的通用性較強(qiáng)[23]，該預(yù)測(cè)模型的建立對(duì)我國(guó)挑流消能下游TDG飽和度預(yù)測(cè)研究具有里程碑似的意義；對(duì)于擬建項(xiàng)目，模型中的水深、壓強(qiáng)、釋放系數(shù)及修正系數(shù)等參數(shù)的測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)得到參數(shù)的特征取值范圍。水利工程泄洪期間泄洪流量并非穩(wěn)定不變，因此需要建立非穩(wěn)定流狀態(tài)下的TDG飽和度預(yù)測(cè)公式。付小莉等(2010年)認(rèn)為應(yīng)綜合考慮影響氣體溶解過(guò)程中的各種因素，才能準(zhǔn)確地建立總?cè)芙鈿怏w飽和度預(yù)測(cè)模型，因此，筆者在傳統(tǒng)三維紊流方程的基礎(chǔ)上耦合了溶解氣體對(duì)流擴(kuò)散方程，建立了三維紊流兩相流TDG飽和度預(yù)測(cè)公式[24]，隨后建立了以流速、壓強(qiáng)、空氣體積分?jǐn)?shù)為參數(shù)的CFD三維紊動(dòng)兩相流模型[25]。曲璐等(2011年)對(duì)挑流消能TDG預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了改進(jìn)，采用平均靜水壓強(qiáng)代替動(dòng)水壓強(qiáng)，建立了面流消能TDG預(yù)測(cè)模型，并利用龔嘴水電站原型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)擬合[26]，但是對(duì)修正系數(shù)及釋放系數(shù)的取值范圍需要進(jìn)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(kuò)散和紊動(dòng)作用的系數(shù)代替分子擴(kuò)散系數(shù)對(duì)美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)建立的TDG釋放系數(shù)進(jìn)行了修正[27，28]。

由于缺乏對(duì)過(guò)飽和TDG釋放過(guò)程的監(jiān)測(cè)，早期研究中，通常是利用溶解氧代替總?cè)芙鈿怏w，并認(rèn)為復(fù)氧系數(shù)等于釋放系數(shù)。為了驗(yàn)證假設(shè)的正確性，李然等開(kāi)展了相關(guān)研究并且證明了復(fù)氧過(guò)程與耗氧過(guò)程存在顯著的區(qū)別，而溶解氧過(guò)飽和與總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和也是兩個(gè)截然不同的過(guò)程；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及野外原型觀測(cè)結(jié)果對(duì)比結(jié)果表明溶解氧濃度與總?cè)芙鈿怏w濃度之間不存在明確的相關(guān)關(guān)系，即利用DO代替TDG進(jìn)行TDG釋放過(guò)程研究將導(dǎo)致較大的誤差[29]。王青等[7](2011年)對(duì)比了總?cè)芙鈿怏w、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(guó)高壩工程泄洪導(dǎo)致的過(guò)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(kāi)展了泥沙含量對(duì)TDG生成、釋放過(guò)程的影響研究，建立了挑流消能、面流消能TDG飽和度預(yù)測(cè)模型、三維非穩(wěn)定紊流預(yù)測(cè)模型。但是，由于高壩泄洪頻率低、歷時(shí)短，原型觀測(cè)數(shù)據(jù)很難獲得，因此，TDG預(yù)測(cè)模型中的修正系數(shù)、釋放系數(shù)等參數(shù)取值范圍的精確性亦難以確定。

3 高壩工程泄洪過(guò)飽和TDG消減措施研究進(jìn)展

如何減輕高壩工程泄洪引起的總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和及衍生的對(duì)水生生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的危害已成為過(guò)飽和TDG研究的一個(gè)重要分支。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。李然等[23]利用挑流消能TDG預(yù)測(cè)模型對(duì)不同泄洪方式進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明：深孔泄洪導(dǎo)致的TDG飽和度最低，其次為表孔泄流，泄洪洞泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度最大。曲璐等建議在泄洪的同時(shí)開(kāi)啟排沙孔，通過(guò)提高下泄水體含沙量促進(jìn)TDG的釋放，從而可以減輕對(duì)魚(yú)類的影響[26]。彭期冬等提出采用動(dòng)態(tài)汛限水位調(diào)度的方式以減輕下游TDG飽和度的措施，并對(duì)三峽水庫(kù)豐、平、枯三種典型年設(shè)計(jì)調(diào)度方式進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，其結(jié)果表明：采用動(dòng)態(tài)汛限水位調(diào)度的方式可以減緩下游TDG過(guò)飽和程度，但同時(shí)會(huì)增加水庫(kù)泥沙的淤積量[30]。

但是，在實(shí)際水庫(kù)運(yùn)行時(shí)不能單以消減下游TDG飽和度為目標(biāo)，需要同時(shí)考慮發(fā)電、防洪、灌溉、供水等情況。對(duì)于梯級(jí)水電站，還需要衡量梯級(jí)中各水電站的利益，因此，對(duì)于目前提出的在泄流的同時(shí)開(kāi)啟排沙孔及動(dòng)態(tài)汛限水位調(diào)度方式的可行性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論與展望

筆者通過(guò)原型觀測(cè)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了高壩泄水產(chǎn)生的總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和生成及釋放過(guò)程、影響因素以及不同魚(yú)類對(duì)總?cè)芙鈿怏w飽和度的耐受性，在兩相流理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，建立了高壩工程TDG預(yù)測(cè)模型，提出了切實(shí)可行的TDG飽和度消減措施，可為我國(guó)高壩工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)及工程設(shè)計(jì)提供參考。由于水氣兩相流本身較為復(fù)雜，因此，尚有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步研究，筆者具體總結(jié)如下：

(1)氣泡尺寸是影響TDG預(yù)測(cè)精度的重要因素。目前由于缺乏氣泡尺寸的監(jiān)測(cè)儀器，從而無(wú)法建立精確的氣泡尺寸預(yù)測(cè)模型；

(2)大量開(kāi)展原型觀測(cè)，以便建立起工程特性參數(shù)與模型參數(shù)(釋放系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)、修正系數(shù)等)之間的定量關(guān)系；

(3)考慮消力池初始水溫與下泄水流溫度之間的混合對(duì)總?cè)芙鈿怏w飽和度的影響，建立TDG預(yù)測(cè)模型；

(4)改變溢洪道設(shè)計(jì)及水工建筑物布置方式，可以減輕下游TDG過(guò)飽和程度。對(duì)于已建工程而言，修改工程設(shè)計(jì)需耗費(fèi)較多的財(cái)力、物力，因此，主要采取改變水庫(kù)調(diào)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(biāo)。進(jìn)一步研究時(shí)，需綜合考慮防洪、發(fā)電、灌溉等綜合效益；

(5)針對(duì)魚(yú)類對(duì)過(guò)飽和TDG耐受性的研究開(kāi)展的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要集中在觀察魚(yú)類對(duì)不同TDG飽和度的承受程度。已有結(jié)論均表明過(guò)飽和TDG不會(huì)影響魚(yú)類的繁殖，卻尚未從遺傳角度進(jìn)行研究；應(yīng)開(kāi)展魚(yú)類洄游路線及靜液壓補(bǔ)償深度選擇的相關(guān)監(jiān)測(cè)；

(6)由于目前尚未發(fā)現(xiàn)中、低壩泄流后引起魚(yú)類患?xì)馀莶〉陌咐饰撮_(kāi)展相關(guān)的研究工作。但這不能表明中、低壩泄流不會(huì)引起總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和，因此，有必要進(jìn)行下一步的研究。

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