西南山區防洪水庫泄洪過飽和總溶解氣體預測及影響研究

關鍵詞：總溶解氣體；過飽和；防洪高壩；評估框架；數值模擬

中圖分類號：TV87 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0054-08

水利水電工程在發揮防洪、發電、航運和灌溉等社會經濟效益的同時［1-2］，也顯著地改變了河流的水文情勢、水溫和水生生物棲息地條件等［3］，從而對河流生態系統產生了一系列不利影響［4-6］。其中，高壩對河流影響尤為顯著。最突出的問題之一是高壩泄洪時，水舌卷吸大量空氣進入泄洪水流，強摻氣水流進入消力池內，氣泡在高壓作用下迅速溶解于水體，從而達到相對于大氣壓的總溶解氣體（Total Dissolved Gas，TDG）過飽和狀態。然而過飽和TDG釋放過程極為緩慢，其持續影響可能導致壩下魚類患氣泡病甚至大規模死亡［7-9］。

目前，過飽和TDG 的研究主要集中于過飽和TDG的生成模型、輸移釋放模型、魚類對其的耐受性和回避行為，以及過飽和TDG 的減緩措施研究［10-12］。20世紀70年代起，美國陸軍工程兵團在哥倫比亞河上布設監測網絡。隨后，華盛頓大學等機構提出過飽和TDG釋放過程服從一階動力學方程，在縱向一維恒定流預測模型中引入表征TDG釋放速度的釋放系數［13］。Feng 等［14-15］基于國內多個高壩工程原型觀測成果，對過飽和TDG釋放模型中釋放系數的取值進行了修正和率定。Ma等［16］針對泄洪的非恒定流特征，建立了過飽和TDG一維非恒定流釋放預測模型，并在此基礎上，開發了過飽和TDG風險評估模型。馮鏡潔等［17］提出了適合于山區狹長型水庫的立面二維過飽和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飽和TDG輸移釋放模型，并運用于金沙江下游向家壩水庫。Shen等［19］基于室內試驗，開發了三維過飽和TDG輸移釋放模型。

國內外已有研究表明不同魚類對過飽和TDG水體耐受往往存在一定差異［20-21］。Beeman等［22］通過比較哥倫比亞河流域內5種不同魚類在TDG過飽和水體中的半數死亡時間，結果表明不同魚類對TDG過飽和水體的耐受性各異。對長江上游特有魚類的室內試驗研究表明，胭脂魚、齊口裂腹魚和巖原鯉幼魚對TDG 過飽和水體耐受能力存在差異［23-25］。此外，國內外學者還開展了魚類在TDG過飽和水體中的回避感應能力研究。對哥倫比亞河中游分布的大鱗大馬哈魚的研究結果表明，大鱗大馬哈魚能探知到117% 的TDG 過飽和水體［26］，對130%TDG飽和度水體能作出有效的回避［27］。對長江上游珍稀魚類胭脂魚和巖原鯉水平回避效應的分析表明［11，23］，高飽和度下魚類有較強的回避性，而當飽和度在125%以下時，回避性能則較弱。此外，魚類在TDG 過飽和水體中利用補償水深來躲避TDG過飽和的能力也存在差異。

盡管TDG過飽和領域的研究成果豐碩，然而關于高壩泄洪TDG生態評估框架的研究還較為缺乏。針對特定流域不同泄洪強度影響下的TDG輸移釋放規律及其對下游河道的生態影響研究并不多。嘉陵江流域位于中國西南山區，受地形條件、區域降水分布不均以及下墊面條件影響，流域內洪澇災害頻繁發生。近年來，該流域規劃新建以江家口為首的12座具有較大防洪作用的水庫，以提升該流域的防洪能力。本文以江家口水庫為研究對象，采用TDG過飽和生成模型和河道縱向一維TDG輸移釋放模型來探究壩下河道過飽和TDG的分布特征，并結合典型珍稀魚類對TDG過飽和的耐受性和行為學響應，分析TDG過飽和對壩下河流生態系統的影響。選擇江家口水庫的原因在于其工程代表性強，其為該流域的典型高壩防洪水庫（壩高97. 9 m），泄洪能力強；且生態敏感性強，壩下28. 5 km處設有特有魚類國家級水產種質資源保護區，其泄洪產生的過飽和TDG對保護區內魚類的影響尚不清楚。

1研究區域和方法

1. 1區域概況

澌灘河位于通江左岸，全長129 km，總落差1 007 m，平均比降7. 8‰，屬于嘉陵江流域。江家口水庫位于澌灘河中游河段（圖1）。其防洪庫容為8304萬m³，年均來水量6. 12億m3，具有年調節性能。江家口水庫開發任務以防洪為主，兼顧發電。江家口壩下28. 5 km處為通河特有魚類國家級水產種質資源保護區。該保護區于2010年11月25日由農業部以第1491號公告批準建立。保護區總面積1 970hm²，其中核心區面積945 hm²，實驗區面積1025hm²。特別保護期為全年。保護區內有魚類76種，分屬于7目18科63屬。在保護區內分布有四川省重點保護魚類——巖原鯉，以及《世界自然保護聯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保護魚類。

1. 2預測評估框架

高壩泄洪過飽和TDG評估框架由過飽和TDG生成模型、過飽和TDG混合模型、過飽和TDG輸移釋放模型以及魚類生物響應試驗構成（圖2）。首先基于水庫的典型泄洪方式，采用過飽和TDG生成模型預測不同泄洪情境下產生的過飽和TDG濃度；然后，通過過飽和TDG混合模型計算出由發電尾水混合后的研究河段源頭處的過飽和TDG濃度；根據計算出的混合濃度作為過飽和TDG輸移釋放模型的輸入邊界條件，計算沿程的TDG濃度分布以及水深等水力學參數；通過室內/現場實驗獲得魚類的耐受性和回避能力。具體方法推薦參考文獻［25］的研究；最后，將目標魚類的耐受性和回避能力與TDG濃度場和水動力場耦合，對比分析過飽和TDG對魚類的影響程度。

1. 2. 1縱向一維水動力模型

水動力學特性模擬以河道縱向一維非恒定流水面線方程為基礎，水動力學方程如下：

1. 2. 2過飽和TDG生成模型

國內外關于水壩泄水導致TDG過飽和的預測方法主要有經驗公式、機理解析模型和紊流數值模型［28］。在本研究中，采用馬倩［10］開發的過飽和TDG生成模型預測江家口水庫TDG的生成濃度。過飽和TDG的產生過程可分為3個階段：①由空氣射流產生的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過飽和TDG混合模型

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

根據研究河段與各原型觀測河段水深、流速等特征參數分析，江家口水庫下游為天然河道和雙灘庫區。而其河段中的流量大小與瀾滄江流量相近，過水斷面數量級相似，本文預測中綜合系數?_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尾的天然河道段為4. 52×10^-9 /s，雙灘庫尾至雙灘壩前的庫區段為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節可知，氣體過飽和TDG的生成大小與泄洪流量和泄洪方式有關。根據江家口水庫的設計參數，實際工程運行中，針對常遇洪水開展氣體過飽和影響研究更具實際意義，確定針對2年一遇（P=50%）洪水和5年一遇（P=20%）洪水開展過飽和TDG影響預測。根據江家口水庫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，單個底孔泄洪洞的最大泄洪能力為1 677 m³/s。由此確定過飽和TDG 生成預測工況，見表1。

2結果與討論

2. 1不同工況下過飽和TDG濃度生成預測

采用1. 2. 2節的數學模型預測得到江家口水庫在單獨運行下，各工況的泄洪生成的TDG飽和度見表2。預測結果顯示，江家口單獨泄洪條件下，無論采用何種泄洪建筑物泄洪，5 年一遇泄洪產生的TDG飽和度最高。具體如下：當采用表孔溢洪道宣泄2年一遇洪水（工況1）時，泄洪產生的TDG飽和度為110. 9%；當采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水（工況2）時，泄洪產生的TDG飽和度為115. 4%；當采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水（工況3）時，泄洪產生的TDG 飽和度為113. 7%；當采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水（工況4）時，泄洪產生的TDG飽和度為119. 9%。

2. 2壩下過飽和TDG輸移釋放

根據河道水動力學計算結果，得到江家口水庫工況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，其變化情況可大致分為天然河道、庫區和天然河道3個階段，見圖3。

工況1、3流量下過飽和TDG釋放系數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區為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0. 160/h。

工況2、4流量下過飽和TDG釋放系數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區為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為0. 15/h。采用1. 2. 4節中涉及的TDG釋放模型，分別對江家口水庫2年一遇和5年一遇洪水條件下過飽和TDG在江家口壩下至平昌縣河段的輸移釋放過程進行預測，結果見圖4、表3。

預測結果顯示，各工況下，泄洪生成的過飽和TDG 在下游河道內逐漸釋放，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，TDG飽和度由105. 4% 減少至103. 9%，減少了1. 5%。壩下28. 5 km 處進入通河特有魚類國家級水產種質資源保護區，保護區最高飽和度為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%，基本未發生變化。喜神河匯入后使澌灘河干流內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，TDG飽和度減少了2. 1%，由109. 3% 至107. 2% 。保護區內最高飽和度為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%。保護區內最高飽和度為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%。保護區內最高飽和度為114. 2%。

2. 3過飽和TDG對壩下魚類的影響

本研究基于王遠銘［25］提出的長江上游保護魚類的安全TDG濃度115%，并結合巖原鯉和鰱魚的耐受性和垂向回避能力實驗，分析壩下河段TDG對魚類的影響。對于鰱魚來說，由于耐受性較高，其對TDG飽和度的耐受閾值為130%［30］。由圖4可知，4種工況中過飽和TDG的最高濃度為119. 9%，因此不會對鰱魚造成不利影響。

對于巖原鯉來說，在TDG 濃度高于115%時，會發生死亡現象。因此，工況1、3全河段不會對巖原鯉產生不利影響；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 后的河段不會對巖原鯉產生不利影響。

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

綜上，江家口水庫泄洪產生的過飽和不會對國家種質資源保護區產生不利影響。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，應采用間歇性泄洪［10］，使壩下局部河段（保護區外）過飽和TDG對巖原鯉的影響降到最低。

3結論

a）江家口水庫單獨運行的情景下，采用表孔溢洪道宣泄2 年一遇洪水時產生的TDG飽和度為110. 9%，采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水時產生的TDG 飽和度為115. 4%，采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水時產生的TDG飽和度為113. 7%，采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水時產生的TDG飽和度為119. 9%。基于過飽和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）相同工況對不同保護魚類的影響不同，鰱魚對TDG濃度低于130%的水體有耐受性，巖原鯉在TDG濃度高于115%時會出現死亡現象。故4種泄洪工況均不會對鰱魚產生不利影響；且由于壩下河段泄洪期水深均大于巖原鯉的補償水深，巖原鯉在利用補償水深后，也不會受到過飽和TDG的影響。綜上所述，江家口水庫單獨運行的情景下，其泄洪過程不會對國家種質資源保護區產生影響。