过饱和总溶解气体释放过程预测

黄奉斌,李 然,邓 云,曲 璐

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川成都 610065)

水电工程在发挥其巨大经济和社会效益的同时,不可避免地会对环境产生不利影响。例如,在大坝泄洪时,伴随泄水产生的过饱和总溶解气体(TDG)导致水体中含有过量的气体,易引发鱼类气泡病,严重威胁它们的生存和繁殖。为了鱼类以及其他水生生物的生存和繁衍,大坝泄水产生的过饱和TDG应当得到有效的控制。1986年美国环保局[1]规定河流允许的TDG过饱和度为110%。我国目前虽然没有相应的环境控制标准,但水体溶解气体过饱和问题将日渐突出并备受关注。1987年,我国葛洲坝泄洪时下游水体中大量鱼类出现气泡病症状,并导致部分死亡。1994年6月,新安江水库开闸泄流,导致距电站大坝3km的建德市虹鳟场的虹鳟普遍患气泡病,因病致死的虹鳟占死鱼总量的62.2%[2],这些鱼类的死亡均与水中TDG过饱和有关。

为了定量预测和研究高坝下游TDG过饱和的影响程度和范围,需要对过饱和TDG在下游河道的输移释放规律进行研究。美国陆军工程兵团[3]在2005年提出了纵向一维过饱和TDG释放模型。Politano等[4]、Weber等[5]用两相流模拟了溢洪道下游过饱和气体的释放过程。国内随着大量的高坝大库进入设计和建设阶段,也展开了过饱和TDG的相关研究,李然等[6]、蒋亮等[7-8]进行了过饱和TDG释放的室内试验以及理论分析研究,对二滩、大渡河等电站进行了原型观测和数值模拟。程香菊等[9]采用数值模拟手段对葛洲坝电站下游过饱和TDG的沿程释放规律进行了初步探讨。但总体来说,由于下游河道内过饱和TDG原型观测资料缺乏,对河道内过饱和TDG释放过程的预测尚存在诸多困难和问题。

本文从室内试验、原型观测结果出发,探讨得到过饱和TDG沿程释放规律,并修正了过饱和TDG的纵向一维释放模型,该模型可用于定量预测过饱和TDG的释放过程。

1 室内机理试验研究

1.1 试验装置和试验条件

试验装置如图1所示。利用空气压缩机制造溶解气体饱和度约为116%的过饱和水体,容器尺寸为圆柱形,底面半径15cm,高30cm,水深 25 cm。水体内TDG饱和度测量采用加拿大Point Four Systems Inc.生产的 PT4 Tracker with TGP Smart Probe,将测得的水体中TDG的压力与当地标准大气压进行比较,得到水体中TDG的过饱和度,测量精度达到0.1%。将探头和搅拌器固定于水面下15 cm处。控制搅拌器的不同转速,在转速 n分别为 200 r/min,400r/min,600r/min时测量TDG饱和度随时间的变化过程,所得结果如图2所示。

图1 室内耗散机理试验装置

图2 TDG饱和度随转速及时间变化关系曲线

由图2可以看出,在初始时段水体过饱和TDG迅速下降,之后随着水体内TDG过饱和度的降低,耗散速率越来越慢,直至趋近于饱和状态;转速越大,紊动强度越大,耗散速度越快。转速为600r/min时,水体在 26 min后 TDG降至 102%;转速为400r/min时,水体在41min后TDG 降至102%;转速为200 r/min时,需91minTDG方能降至102%。说明紊动是影响水体过饱和TDG释放的重要因素之一。

3 过饱和TDG释放的数学模型

关于过饱和TDG在下游河道的释放过程,美国陆军工程兵团曾提出过饱和TDG在下游河道的释放服从于一阶动力学过程。公式表述为式中:G为计算时刻的TDG饱和度,%;G0为TDG初始饱和度,%;Geq为TDG平衡饱和度,%;t为滞留时间,h;kT为释放系数,h-1。

在Columbia河上,美国陆军工程兵团把kT的估算公式形式写为

2 原型观测

四川大学2007年对黄果树瀑布下游白水河河道水体、二滩电站下游金沙江河道水体及铜街子电站下游大渡河河道水体开展了过饱和TDG释放的原型观测。

图3为河道水体TDG的沿程释放过程。图3(a)表明,观测期间黄果树瀑布下游河道内TDG饱和度较大,为114.4%。水流经过约4 km的河道后,TDG饱和度即衰减至102.7%,平均每千米减小约2.2%,可见该瀑布下游河道过饱和TDG释放速率相当快。分析原因,一是由于河道水浅,水流中的过饱和溶解气体与大气充分交换所致;另外,河道内分布着多个小落差跌水,跌水有助于水体与大气的充分接触和质量交换,从而加速了过饱和TDG向大气中释放的速度。

图3(b)表明,二滩电站坝下水流经过93km河道后,TDG过饱和度仅降低7%,平均每千米减小约0.075%。图3(c)表明,铜街子电站下游TDG过饱和度最大值为136.7%,水体经过9.7 km河道后TDG饱和度降低至129%,平均每千米减小约0.7%。可见,相对于金沙江的过饱和气体沿程释放速度,铜街子电站下游大渡河干流的过饱和气体释放速度较快。分析原因,铜街子电站下游河道的流速比二滩电站下游金沙江河道流速大而水深较小,因此加速了水体中TDG的耗散。由此说明在天然河道中,影响大坝泄洪时产生过饱和TDG耗散的主要因子是水深、紊动强度以及静水压强。由于试验装置内水体深度与河道的深度有一定差别,导致了容器内的净水压强比河道的静水压强小。式中:U为断面平均流速,m/s;H为断面平均水深,m;Dm为TDG的分子扩散系数,m2/s。

图3 河道水体TDG释放过程曲线

kT估算公式(式(2))的局限在于其仅考虑分子扩散的作用,忽略了紊动扩散的作用,因此应用于大江大河时误差较大。

采用二滩电站下游金沙江干流河段和铜街子电站下游大渡河干流河段原型观测资料,对上述数学模型进行参数率定,得到金沙江干流河段和大渡河干流河段的kT值分别为0.0678h-1和0.2013h-1,相关系数R2分别为0.9995和0.9694。率定结果如图4所示。

通过对天然河道原型观测值进行拟合,得出金沙江干流河段和大渡河干流河段饱和TDG沿程kT分别为0.0678h-1和0.2013h-1。金沙江干流河段深度比大渡河干流河段大,而流速较小,因此金沙江干流过饱和TDG释放系数比大渡河小。

根据冯镜洁等[10]对金沙江、澜沧江、岷江、长江等多条河流过饱和TDG释放过程的原型观测成果,考虑分子扩散作用以外的紊动作用等在过饱和TDG释放过程中的作用,对 kT的估算公式进行修正,得到

式中:φT为考虑分子扩散、紊动扩散作用等的综合系数,量纲为T-1。

采用式(3)计算得到金沙江、大渡河原型观测河段的 φT分别为4.43×10-10s-1和3.13×10-9s-1。

4 某电站下游过饱和TDG沿程释放预测

金沙江中游某待建电站最大坝高138m,泄洪建筑物由左岸溢洪道和厂房左右两侧的泄洪冲沙底孔组成。根据相关研究成果,该电站通过表孔挑流单泄流量2188m3/s时,坝下生成的最大TDG饱和度为122.5%[11]。不考虑下游河道支流汇入情况,采用前述过饱和TDG释放模型对下游过饱和TDG水流沿程释放过程进行预测。

预测模型采用式(1),其中kT根据式(3)计算得到。φT的取值参照前述金沙江河道原型观测率定的成果4.43×10-10s-1。沿程断面平均流速和平均水深采用纵向一维计算软件HEC-RAS计算得到,由此得到过饱和TDG释放系数的沿程变化情况,如图5所示,预测得到坝下游TDG饱和度的沿程衰减过程如图6所示。计算结果表明:经过100km的天然河道后,水体TDG饱和度从122.5%降至115%;经过172km后TDG饱和度降至110%。可见,该工程泄洪产生的TDG过饱和的水体在下游河道的释放速度较慢,影响范围较大,需要进一步采取措施减缓水体中过饱和TDG对鱼类的影响。

图5 下游河道kT沿程变化

图6 下游河道TDG饱和度的沿程变化

5 结 语

电站泄洪造成的下游水体中TDG过饱和问题是水电开发的环境影响所面临的一个重要问题。过饱和TDG沿程释放规律研究是客观公正地预测和评价水体中过饱和TDG对水生生态影响的重要基础。本文在室内机理试验研究和对二滩电站下游河道、铜街子电站下游河道原型观测的基础上,对过饱和TDG沿程释放的定量预测进行探讨,研究发现水深、静水压强以及紊动强度是影响气体释放的主要因素。过饱和TDG释放速率随水体深度的增加而减小,随紊动强度的增加而增大。并且过饱和TDG释放过程随时间的推移逐渐减慢。

本文预测研究对定量评价水体中TDG的过饱和程度具有重要意义。由于过饱和TDG释放研究起步较晚,室内试验和原型观测资料还需要在今后进一步完善和丰富。

本文采用的过饱和TDG释放预测模型没有考虑泄水的非恒定过程。同时过饱和TDG释放除了受流速的影响外,还要受温度、含沙量

、

河道地形等条件的影响。为了进一步完善纵向一维过饱和TDG释放预测模型,需积累更多的过饱和TDG原型观测资料,并对kT及 φT的取值范围作进一步率定。同时,可以对泄水的非恒定流特征进行研究,并开展二维或三维天然河道释放过程预测,进一步完善过饱和TDG沿程释放模型。

[1]US Environment Protection Agency.Quality criteria for water[R].Washington,D.C.:Environment Protection Agency,1986.

[2]谭德彩.三峡工程致气体过饱和对鱼类致死效应的研究[D].重庆:西南大学,2006.

[3]US Army Corps of Engineers.Technical analysis of TDG processes[R].Jacksonville District:US Army Corps of Engineers-Northwest Division,Environmental Resources and Fish Planning Offices,2005.

[4]POLITANO M,CARRICA P,TUR AN C,et al.Prediction of the total dissolved gas downstream of spillways using a twophase flow model[C].World Water Congress.[s.l.].2004.

[5]WEBER L,HUANG H,LAI Y,et al.Modeling total dissolved gas production and transport downstream of spillway:threedimensional development and application[C].IAHR&INBO[s.l.],2004.

[6]LI Ran,LI Jia,LI Ke-feng,et al.Field observation of total dissolved gas supersaturation of high dams[C].33IAHR Congress.[s.l.],2008.

[7]蒋亮,李嘉,李然,等.紫坪铺下游过饱和溶解气体原型观测研究[J].水科学进展,2008,19(3):367-371.

[8]蒋亮,李然,李嘉,等.高坝下游水体中溶解气体过饱和问题研究[J].四川大学学报:工程科学版,2008,40(5):69-73.

[9]程香菊,陈永灿.大坝泄洪下游水体溶解气体超饱和理论分析及应用[J].水科学进展,2007,18(3):346-350.

[10]冯镜洁,李然,李克锋,等.高坝下游过饱和TDG释放过程研究[J].水力发电学报,2010,29(1):7-12.

[11]李然,李嘉,李克锋,等,高坝工程总溶解气体过饱和预测研究[J].中国科学,2009,39(12):1887-2006.