中国高坝工程过饱和总溶解气体研究进展

杨 柳， 夏 哲 兵

(1.四川省环境保护科学研究院，四川 成都 610041；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

水体中溶解气体饱和度超过当地大气压下的相对饱和度时就形成总溶解气体(TDG)过饱和[1]。国外对由水利工程泄洪引起的总溶解气体过饱和研究始于20世纪60年代，在哥伦比亚河及其支流斯内克河流域水电站下游发现了大量的大马哈鱼、虹鳟因水中溶解气体过饱和而死亡的现象。研究内容主要包括过饱和溶解气体产生的原因、影响水中溶解气体过饱和的因素、溶解气体饱和度与鱼类生长的影响关系、降低水中溶解气体饱和度的措施以及其他相关方面[2]。而我国对于水利工程泄洪引起的溶解气体过饱和研究起步相对较晚，且主要针对高坝工程。葛洲坝水利工程运行初期发现鱼类患气泡病甚至死亡的现象引起了学者们的重视，但被误认为是由于水中溶解氧过饱和所导致。而后，在新安江水库、三峡工程运行初期也曾观测到由水中总溶解气体过饱和而导致鱼类患气泡病甚至死亡的现象。随着研究的深入及美国相关研究论文的发表，我国开始重视过饱和总溶解气体相关研究。由于美国的研究多集中于50 m左右的中、低坝工程，且因河流中长栖鱼种类的不同，因此，美国的研究成果不能直接用于我国的高坝工程。

笔者对目前我国关于高坝泄洪总溶解气体过饱和研究的成果进行了介绍。

1 鱼类过饱和TDG耐受性研究

Lutz(1995年)[3]认为某一总溶解气体饱和度下所有的鱼开始表现出躲避行为时，可以认为该饱和度为该种鱼类的致死浓度。研究表明：鱼类处于溶解气体过饱和水体中并未出现死亡可能是由于鱼类对过饱和总溶解气体存在探知能力从而选择可以生存的静液压补偿深度。因而所开展的鱼类对过饱和溶解气体耐受性和探知躲避能力的研究可以为环境影响风险评价提供依据。美国学者对大马哈鱼的研究结果表明：水中溶解气体饱和度低于120%时，鱼类死亡率较低或几乎没有死亡；饱和度介于120%～125%之间时，处于不同水深、不同生长阶段的大马哈鱼表现出不同的死亡率；饱和度大于125%时，微小的饱和度增加将导致较大的死亡率增幅[2]。在我国，谭德彩等(2006年)首次对高坝泄洪导致的鱼类气泡病进行了详细的阐述，主要描述了气泡病的症状、导致气泡病的原因及因素，分析了鱼类不同生长阶段对气体过饱和的耐受性[4]。黄翔等(2010年)[5，6]利用自行设计的室内过饱和TDG水体生成装置，将岩原鲤暴露于饱和度为105%～145%的水中，观察岩原鲤对过饱和TDG的耐受性和躲避行为，其结果表明：水深为0.2 m时，饱和度低于115%的水中无鱼类死亡；饱和度高于120%的水体中鱼类死亡率超过50%；水深0.08 m时，5 min后鱼类开始出现躲避行为，其中饱和度低于115%的水体中有约15%的岩原鲤表现出躲避行为，但未出现死亡；当饱和度超过135%时，95%的鱼类表现出躲避行为。王青等[7](2011年)分析了水利工程泄水导致的TDG过饱和对鱼类的影响，并观察了距离大坝不同距离处四大家鱼的死亡率，指出距离大坝越近的浅水区鱼类受过饱和TDG影响越大。陈世超等(2012年)将胭脂鱼暴露于TDG饱和度为120%～145%的水中，并以半致死浓度LC50、半致死时间LT50、过氧化氢酶的活性为指标评价胭脂鱼对过饱和TDG的耐受性，其结果表明：125%的饱和度可以作为胭脂鱼能承受的总溶解气体饱和度的标准值[8]。董英杰[9]等(2012年)利用自行设计的室内实验装置对鲢、鳙、鳊等鱼类对过饱和TDG耐受性进行了研究，认为水利工程泄洪导致的下游过饱和TDG对黄颡鱼和鲶鱼几乎不产生影响；草鱼、鲫鱼能够承受的最大TDG饱和度约为130%；鲢、鳙、鳊能承受的极限饱和度约为120%。刘晓庆等(2013年)设计了两组实验(突然暴露和长期暴露)用于研究过饱和TDG对岩原鲤生长状态的影响程度，其结果表明：总溶解气体过饱和不会对岩原鲤的生长速度产生影响；TDG饱和度低于116%时，岩原鲤幼苗无死亡，且对TDG饱和度承受能力较强[10]。梁瑞峰[11]等(2013年)就过饱和总溶解气体对重口裂鳆鱼生长、繁殖的影响进行了实验，其结果表明：繁殖率随总溶解气体饱和度的升高而降低，较高的总溶解气体饱和度能加快其产卵速率；重口裂鳆鱼幼鱼总溶解气体饱和度标准值可设为125%。

目前，我国对鱼类对过饱和总溶解气体耐受性及躲避行为的研究主要针对长江干流少数主要鱼类。已经取得的研究结果表明：胭脂鱼、重口裂鳆鱼能承受的最大总溶解气体饱和度约为125%；草鱼、鲫鱼能承受的最大饱和度约为130%；岩原鲤、鲢、鳙、鳊能承受的最大饱和度约为120%。然而，我国已建或待建高坝工程所在的澜沧江、珠江、雅鲁藏布江中的鱼类对TDG饱和度耐受性和躲避行为的研究尚未开展。美国已经开展了利用遥感监测鱼类洄游路线及洄游深度的监测，可为减轻TDG对鱼类的危害提供措施[12]。我国可以借鉴其监测手段及研究方法，从而为更好地保护水生生态环境提供依据。

2 过饱和理论及模型

2.1 过饱和溶解气体产生及释放过程研究

为了了解高坝工程泄洪下游总溶解气体过饱和的产生、释放过程及影响因素，四川大学率先对紫坪铺、三峡、二滩、漫湾、大朝山、龚嘴、铜街子等水电站进行了原型观测[13，14]。原型观测结果分析表明：消能方式、泄洪流量与泄水建筑物的布置是影响过饱和TDG生成的主要因素，而支流汇入、下游水深、紊动强度是影响TDG饱和度沿程释放的重要因素[14]。蒋亮等[13]认为紫坪铺大坝泄洪后下游过饱和TDG沿程释放较快与都江堰分水闸及下游各水渠之间的相互掺混作用有关；观测期间，溢洪道下游TDG饱和度突然变小后再次增大可能与泄洪掀起的水垫塘底部淤泥对水中溶解氧的消耗有关。为确定水体中泥沙含量对过饱和TDG的生成和释放过程的影响，曲璐等(2011年)开展了室内实验，其结果表明：泥沙含量对TDG过饱和生成过程没有影响，但能促进TDG释放，因而推断紫坪铺水电站原型观测期间出现的TDG瞬间减小而后逐渐增大现象不是由于水体携带泥沙引起的[15]。不仅如此，冯镜洁等(2012年)通过室内实验也证实了水体含沙可促进TDG的释放[16]。

原型观测结果的分析较好地总结了高坝泄洪TDG的生成与释放过程及其影响TDG饱和度的关键因素，但无法给出物理意义；另一方面，研究前期缺乏实测数据，从而无法准确开展TDG饱和度预测模型研究工作，因此，开展室内实验能较好地弥补上述缺陷。蒋亮等(2008年)进行了高速射流实验、底部掺气实验及烧杯扰动实验，证实了仅有高速射流的冲击而没有下游的水垫塘条件仍不能使水体TDG过饱和；TDG的生成与水体TDG饱和度浓度梯度及掺混作用有关；其释放速率随着紊动强度的增大而增大[17]。水利工程洪水淹没、大坝安全性等的研究通常采用模型试验，而过饱和TDG生成过程研究的模型试验因尺度小、掺气量少、掺入气体承压小等因素难以产生TDG过饱和。针对这一缺陷，黄翔等(2010年)设计了一套生成TDG饱和度可控制且可以重复使用的过饱和水体产生的实验装置[1]，从而为在室内进行鱼类对TDG过饱和的耐受性、躲避行为研究提供了基础。

2.2 总溶解气体饱和度预测模型

TDG预测模型经历了经验公式、单相流模型及两相流模型三个阶段。我国开展相关研究时已进入两相流模型阶段，而国外的模型研究主要是围绕气体传质系数(自由水面的传质和气泡界面的传质)、气泡尺寸、紊动强度等参数的选取和计算开展[18，19]。由于我国的研究主要是针对高坝工程，而对国外已有的模型不能直接利用，因此，在借鉴其模型研究经验的基础上，同时开展了原型观测及室内实验。程香菊[20](2004年)对河道泄水建筑物复氧研究时建立了溶解氧传质系数与表面紊动动能、流速的定量关系，在此基础上，于2007年建立了气体传质系数、气泡尺寸等参数与水流紊动特性参数之间的定量关系，并引入了有效TDG饱和度、气泡被卷吸进入水体的有效水深等参数建立DTG饱和度预测模型[21]。覃春丽等(2008年)建立了基于水气两相流的单流体模型，在考虑掺气影响的基础上将水气二相区分，流场中所有参数均采取水、气体积的加权平均值，利用葛洲坝原型观测数据进行了参数拟合[22]，但是，在实际泄洪期间，气体在水中的运动不与水流同步，因而采用流体模型会产生一定的误差。我国的高坝工程通常采取挑流消能，而美国的研究者们提出的TDG饱和度预测公式则多适用于底流消能，为此，李然等(2009年)在原型观测的基础上建立了挑流消能方式冲击坑、消力池TDG饱和度预测公式，重点考虑了消能设计中常用的水深和压力两个参数，从而使得模型的通用性较强[23]，该预测模型的建立对我国挑流消能下游TDG饱和度预测研究具有里程碑似的意义；对于拟建项目，模型中的水深、压强、释放系数及修正系数等参数的测量、选取是制约模型精度的主要因素，因此，需要更多的原型观测数据及实验得到参数的特征取值范围。水利工程泄洪期间泄洪流量并非稳定不变，因此需要建立非稳定流状态下的TDG饱和度预测公式。付小莉等(2010年)认为应综合考虑影响气体溶解过程中的各种因素，才能准确地建立总溶解气体饱和度预测模型，因此，笔者在传统三维紊流方程的基础上耦合了溶解气体对流扩散方程，建立了三维紊流两相流TDG饱和度预测公式[24]，随后建立了以流速、压强、空气体积分数为参数的CFD三维紊动两相流模型[25]。曲璐等(2011年)对挑流消能TDG预测模型进行了改进，采用平均静水压强代替动水压强，建立了面流消能TDG预测模型，并利用龚嘴水电站原型观测数据进行了参数拟合[26]，但是对修正系数及释放系数的取值范围需要进一步研究确定。冯镜洁(2010年)、黄奉斌(2010年)等利用能综合表示分子扩散和紊动作用的系数代替分子扩散系数对美国陆军工程兵团建立的TDG释放系数进行了修正[27，28]。

由于缺乏对过饱和TDG释放过程的监测，早期研究中，通常是利用溶解氧代替总溶解气体，并认为复氧系数等于释放系数。为了验证假设的正确性，李然等开展了相关研究并且证明了复氧过程与耗氧过程存在显著的区别，而溶解氧过饱和与总溶解气体过饱和也是两个截然不同的过程；室内实验及野外原型观测结果对比结果表明溶解氧浓度与总溶解气体浓度之间不存在明确的相关关系，即利用DO代替TDG进行TDG释放过程研究将导致较大的误差[29]。王青等[7](2011年)对比了总溶解气体、溶解氧和溶解氮三者的沿程变化，指出DO释放速度最快，DN和TDG释放速率较慢。

我国高坝工程泄洪导致的过饱和TDG研究起步较晚。尽管如此，目前亦已取得了较多的研究成果并首次开展了泥沙含量对TDG生成、释放过程的影响研究，建立了挑流消能、面流消能TDG饱和度预测模型、三维非稳定紊流预测模型。但是，由于高坝泄洪频率低、历时短，原型观测数据很难获得，因此，TDG预测模型中的修正系数、释放系数等参数取值范围的精确性亦难以确定。

3 高坝工程泄洪过饱和TDG消减措施研究进展

如何减轻高坝工程泄洪引起的总溶解气体过饱和及衍生的对水生生态环境带来的危害已成为过饱和TDG研究的一个重要分支。为此，许多学者进行了实验研究。李然等[23]利用挑流消能TDG预测模型对不同泄洪方式进行了模拟，模拟结果表明：深孔泄洪导致的TDG饱和度最低，其次为表孔泄流，泄洪洞泄洪产生的TDG饱和度最大。曲璐等建议在泄洪的同时开启排沙孔，通过提高下泄水体含沙量促进TDG的释放，从而可以减轻对鱼类的影响[26]。彭期冬等提出采用动态汛限水位调度的方式以减轻下游TDG饱和度的措施，并对三峡水库丰、平、枯三种典型年设计调度方式进行了模拟预测，其结果表明：采用动态汛限水位调度的方式可以减缓下游TDG过饱和程度，但同时会增加水库泥沙的淤积量[30]。

但是，在实际水库运行时不能单以消减下游TDG饱和度为目标，需要同时考虑发电、防洪、灌溉、供水等情况。对于梯级水电站，还需要衡量梯级中各水电站的利益，因此，对于目前提出的在泄流的同时开启排沙孔及动态汛限水位调度方式的可行性还有待进一步验证。

4 结论与展望

笔者通过原型观测及室内实验，总结了高坝泄水产生的总溶解气体过饱和生成及释放过程、影响因素以及不同鱼类对总溶解气体饱和度的耐受性，在两相流理论发展的基础上，建立了高坝工程TDG预测模型，提出了切实可行的TDG饱和度消减措施，可为我国高坝工程环境影响评价及工程设计提供参考。由于水气两相流本身较为复杂，因此，尚有许多问题值得进一步研究，笔者具体总结如下：

(1)气泡尺寸是影响TDG预测精度的重要因素。目前由于缺乏气泡尺寸的监测仪器，从而无法建立精确的气泡尺寸预测模型；

(2)大量开展原型观测，以便建立起工程特性参数与模型参数(释放系数、传质系数、修正系数等)之间的定量关系；

(3)考虑消力池初始水温与下泄水流温度之间的混合对总溶解气体饱和度的影响，建立TDG预测模型；

(4)改变溢洪道设计及水工建筑物布置方式，可以减轻下游TDG过饱和程度。对于已建工程而言，修改工程设计需耗费较多的财力、物力，因此，主要采取改变水库调度方式的措施，目前已取得成功的案例只考虑了以减轻下游TDG饱和度为目标。进一步研究时，需综合考虑防洪、发电、灌溉等综合效益；

(5)针对鱼类对过饱和TDG耐受性的研究开展的室内实验主要集中在观察鱼类对不同TDG饱和度的承受程度。已有结论均表明过饱和TDG不会影响鱼类的繁殖，却尚未从遗传角度进行研究；应开展鱼类洄游路线及静液压补偿深度选择的相关监测；

(6)由于目前尚未发现中、低坝泄流后引起鱼类患气泡病的案例，故未开展相关的研究工作。但这不能表明中、低坝泄流不会引起总溶解气体过饱和，因此，有必要进行下一步的研究。

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