高壩泄水產生溶解氣體過飽和水體對魚類影響的模擬研究

黃 翔， 劉 四 華

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

我國西南山區河流水力資源豐富，隨著國家西部大開發和“西電東送”戰略的實施，二灘、溪洛渡、向家壩等一批高壩已建或在建之中，雙江口、白鶴灘等一批壩高在200m以上的高壩也即將建設[1]。高壩工程泄洪產生的溶解氣體過飽和(Total Dissolved Gas，簡稱TDG)水流可能會對河段內的魚類資源造成影響，基于已有研究成果，研究某待建壩高289m的高壩工程在特定泄洪方式下，引起的下游TDG過飽和水體對河段內魚類的影響，為準確評價高壩工程泄洪對魚類的影響以及采取相關減緩措施提供參考依據。

1 高壩泄水壩下TDG過飽和生成模擬

1.1 計算模型

由于該工程采用表、深孔挑(跌)流坎+空中碰撞消能+水墊塘消能的方式，不同泄洪方式，產生TDG過飽和各有特點。

沖坑內和水墊塘內TDG預測模型計算式分別如下[1]：

(1)

式中，Gd為沖坑下游TDG飽和度(%)，Gk為水墊塘出口下游TDG飽和度(%)；

Geq為對應當地大氣壓的TDG平衡飽和度，取為100%；

P0為當地大氣壓(kPa)；

φ1為沖坑內TDG修正系數，φ2是為水墊塘內TDG修正系數；

kd為沖坑出口區域的TDG釋放系數，kk為水流流經二道壩時的TDG釋放系數；

hd為沖坑深(m)，hk為二道壩高(m)；

hr為沖坑出口水深(m)，ht為二道壩上水深(m)。

根據李然等(2010)研究成果，率定式(1)中參數[1]。

1.2 模擬結果

模擬該高壩工程不同泄洪方式下TDG過飽和生成情況(表1)。由于單泄洪洞泄水生成TDG飽和度值最大，考慮最不利情況，針對單泄洪洞泄水產生的TDG過飽和水體，研究其對魚類的影響。

因高壩泄水常與機組發電同時發生，而發電尾水不會產生TDG過飽和水體，當發電尾水匯入主流后TDG飽和度由 (2)式計算[2]。

(2)

式中，G為廠房尾水與壩體泄水混合后的TDG飽和度(%)；Gh為壩體泄洪產生的TDG飽和度(%)；Gbd為壩前TDG飽和度(%)；Q1、Q2分別為壩體泄洪流量、廠房發電流量(m3/s)。

經計算，待建高壩工程單泄洪洞泄洪產生的TDG過飽和水流與發電尾水混合后飽和度為138.9%。

2 下游河段TDG飽和度模擬

2.1 河道內TDG過飽和輸移擴散模型

表1 某高壩工程泄洪下游TDG過飽和生成模擬表

TDG過飽和水體在泄洪中產生后，在河道中的傳輸耗散由水動力學方程和TDG釋放方程模擬。水動力學方程由連續性方程和動量方程組成，TDG釋放方程采用美國陸軍工程兵團提出的方程[3-4]：

(3)

式中，G為計算時刻的TDG飽和度(%)；G0為TDG初始飽和度(%)；

Geq為TDG平衡飽和度(%)；t為滯留時間(h)；kT為傳質系數(h-1)，其計算式為[1]：

(4)

式中，Ui為各斷面平均流速；Hi為各斷面平均水深；φr為考慮分子擴散、紊動擴散作用等的綜合系數。參照馮鏡潔和李然(2010)的研究成果，確定φr值為5.46×10-10/s[5]。

2.2 下游河段TDG飽和度模擬工況

研究河段屬峽谷型河流，全長約200 km。由于泄洪水流流速大、壓強高、紊動劇烈，泄洪時一般無魚類長時間停留，故研究TDG過飽和水體對河道內對魚類的影響，選取斷面分別為壩址下游5、20、50、100、120、150、200 km。

由1.2節中得到該高壩工程單泄洪洞泄洪產生的TDG過飽和水流與發電尾水混合后飽和度為138.9%，忽略支流匯入，設定工況1～工況5不同泄洪持續時間，泄洪流量為3 703 m3/s。

2.3 下游河道內TDG過飽和模擬分析

2.3.1 研究斷面TDG飽和度隨泄洪持續時間的變化

根據研究河道實測大斷面地形資料，采用HEC-RAS軟件計算不同工況下下游河道沿程各斷面平均流速Ui和平均水深Hi隨時間的變化，進一步求解得到TDG飽和度在大壩下游河道內隨時間和空間的變化數值。

計算結果表明，壩下5、20、50km(圖1～3)，持續泄洪不同時間，TDG飽和度峰值都基本相等。

壩下100、120、150 km(圖4～6)，持續泄洪2 h和4 h后，100 km斷面上TDG峰值分別為125.05%、128.62%，120 km斷面上TDG峰值分別為122.27%、125.53%，150 km斷面上TDG峰值分別為118.07%、121.13%。且各斷面對應TDG峰值持續時間都基本相等；持續泄洪8 h、12 h、16 h后，各斷面TDG峰值都基本相等，100、120、150 km斷面上TDG峰分別為133%、130%、125%。各斷面上TDG峰值持續時間隨泄洪持續時間的延長而延長。

壩下200 km(圖7)。持續泄洪2、4、8、12、16h后斷面TDG峰值分別為113.56%、116.44%、120.39%、122.90%、124.12%。持續泄洪2、4、8h后斷面TDG峰值持續時間基本相等；持續泄洪12 h、16 h后斷面TDG峰值持續時間逐漸增大。

圖1 壩址下游5 km處TDG隨時間變化

3 TDG過飽和水體對下游魚類影響的模擬預測

3.1 TDG過飽和水體對魚類急性致死的判斷

以黃翔等(2010)[6]對巖原鯉幼魚急性致死試驗中半致死時間LT50成果為依據(表2)，初步判斷巖原鯉幼魚在TDG過飽和的河道內能安全存活的區域。

圖2 壩址下游20 km處TDG隨時間變化

圖3 壩址下游50 km處TDG隨時間變化

圖4 壩址下游100 km處TDG隨時間變化

圖5 壩址下游120km處TDG隨時間變化

表2 各TDG飽和度下巖原鯉幼魚急性致死試驗中半致死時間

圖6 壩址下游150km處TDG隨時間變化

圖7 壩址下游200km處TDG隨時間變化

假定TDG過飽和水體在河道同一斷面分布均勻，根據計算結果(圖1～7)比較斷面上TDG過飽和持續時間與對應TDG飽和度下的半致死時間LT50，判斷該泄洪方式下，河道內TDG過飽和水體對魚類的影響(表3)。

3.2 TDG過飽和水體對魚類的模擬影響評價

以持續泄洪12 h(工況4)為例，壩下5 km、20 km、50 km、100 km處，TDG飽和度持續時間大于對應TDG值下半數死亡時間LT50，即判斷該斷面對魚類致死；壩下150 km、200 km處TDG飽和度持續時間都小于對應TDG值下半數死亡時間LT50，即判斷該斷面對魚類安全；壩下120km處，TDG飽和度大于130%的時間持續了4.17 h，接近半數死亡時間LT50(130%)為4.8h的標準，同時考慮此斷面及上、下游斷面的安全情況，判斷該斷面對魚類亞致死。采用相同判斷方法，將判斷結果列于表4。

由表4可見，各工況下，隨著泄洪持續時間的延長，河段內對魚類的致死區域也逐漸延長，這是因為持續泄洪，TDG過飽和水體沿程釋放減慢的結果；從壩址到河道下游，TDG過飽和水體對魚類的影響從致死-亞致死-安全過渡，這是因為過飽和TDG在下游河道沿程釋放的結果。

表3 各工況下研究河段沿程TDG變化情況表

圖8

4 結論與討論

通過模擬預測相同泄洪流量下某高壩工程單泄洪洞泄洪時壩下TDG過飽和水流生成情況，并考慮泄洪水流的非恒定流特征及TDG過飽和水體在下游河道的一維動力學耗散過程，得到不同泄洪持續時間，下游河段相關斷面過飽和TDG沿程情況。即隨泄洪持續時間延長，沿程各斷面上TDG過飽和度增大。

以已有研究成果巖原鯉急性致死試驗半致死時間LT50為標準，判斷表明，泄洪流量一定，隨泄洪時間的延長，河段內對魚類的影響區域從壩下至下游逐漸延長；泄洪流量、泄洪時間一定時，隨著下游河道的延長，過飽和TDG逐漸耗散，其對魚類的影響區域逐漸減小。

在模擬TDG過飽和水體對魚類的影響中，判定魚類安全標準采用了TDG飽和度120%，高于美國國家環保局提出的河流允許的溶解氣體飽和度上限值為110%。因為根據試驗成果[6]，在實驗室條件下TDG飽和度大于120%時，巖原鯉幼魚才出現急性致死現象，加之高壩泄洪是一短暫過程，巖原鯉又屬于該高壩建設影響區域魚類，所以判斷標標準選取120%。

另外，試驗成果還表明幼魚對TDG過飽和耐受性弱于成魚[6]，對于其他魚種的研究也證明了這一結論[7-8]，所以模擬預測選擇耐受性最弱的幼魚為判斷標準、并選擇單泄洪產生最大TDG過飽和，是以最不利情況為分析基準。

5 展 望

伴隨高壩泄水產生的TDG過飽和水流對下游魚類的影響是一個短暫過程。在天然情況下，TDG過飽和對魚類的影響受TDG飽和度高低、作用時間長短、魚種耐受性不同等多重作用，需進一步加強室內試驗及原型觀測，并輔以數值模擬，以明確過飽和TDG水體在下游河段沿程隨時間變化的規律及對魚類的影響，這樣才能全面正確地認識高壩泄洪產生TDG過飽和問題，才能科學制定適宜我國水電工程的TDG飽和度水環境質量標準，為水庫生態調度提供理論基礎。

參考文獻：

[1] Li R, Li J, Li K F, et al. Prediction for supersaturated total dissolved gas in high-dam hydropower projects[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2009, 52(12): 3661-3667

[2] 蔡炳新. 基礎物理化學[M]. 北京，科學出版社, 2001.

[3] Paterson E，Wilson R，Stern F. General-purpose parallel unsteady RANS Ship Hydrodynamics Code: CFDShip-Iowa，, IIHR Report No 432，Iowa Institute of Hydraulic Research，Iowa City，2003.

[4] Politano M, Carrica C. Prediction of the total dissolved gas downstream of spillways using a two-phase flow model, World water Water Congress 2004.

[5] 馮鏡潔， 李然， 李克鋒， 等. 高壩下游過飽和TDG釋放過程研究[J]. 水力發電學報，2010，29(1): 7-12.

[6] 黃翔. 高壩泄水產生TDG過飽和對巖原鯉的影響研究[D]. 四川大學. 2010.

[7] Weitkamp D E, Katz M. A review of dissolved gas supersaturation literature[J]. Transactions of the American Fisheries Society, 1980, 109: 659-702.

[8] Bouck G R. Supersaturation and fishery observations in selected alpine Oregon streams. In: Gas Bubble Disease. Technical Information Center. Oak Ridge, Tennessee. 1976, 37-40.