高坝泄水产生溶解气体过饱和水体对鱼类影响的模拟研究

黄 翔， 刘 四 华

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

我国西南山区河流水力资源丰富，随着国家西部大开发和“西电东送”战略的实施，二滩、溪洛渡、向家坝等一批高坝已建或在建之中，双江口、白鹤滩等一批坝高在200m以上的高坝也即将建设[1]。高坝工程泄洪产生的溶解气体过饱和(Total Dissolved Gas，简称TDG)水流可能会对河段内的鱼类资源造成影响，基于已有研究成果，研究某待建坝高289m的高坝工程在特定泄洪方式下，引起的下游TDG过饱和水体对河段内鱼类的影响，为准确评价高坝工程泄洪对鱼类的影响以及采取相关减缓措施提供参考依据。

1 高坝泄水坝下TDG过饱和生成模拟

1.1 计算模型

由于该工程采用表、深孔挑(跌)流坎+空中碰撞消能+水垫塘消能的方式，不同泄洪方式，产生TDG过饱和各有特点。

冲坑内和水垫塘内TDG预测模型计算式分别如下[1]：

(1)

式中，Gd为冲坑下游TDG饱和度(%)，Gk为水垫塘出口下游TDG饱和度(%)；

Geq为对应当地大气压的TDG平衡饱和度，取为100%；

P0为当地大气压(kPa)；

φ1为冲坑内TDG修正系数，φ2是为水垫塘内TDG修正系数；

kd为冲坑出口区域的TDG释放系数，kk为水流流经二道坝时的TDG释放系数；

hd为冲坑深(m)，hk为二道坝高(m)；

hr为冲坑出口水深(m)，ht为二道坝上水深(m)。

根据李然等(2010)研究成果，率定式(1)中参数[1]。

1.2 模拟结果

模拟该高坝工程不同泄洪方式下TDG过饱和生成情况(表1)。由于单泄洪洞泄水生成TDG饱和度值最大，考虑最不利情况，针对单泄洪洞泄水产生的TDG过饱和水体，研究其对鱼类的影响。

因高坝泄水常与机组发电同时发生，而发电尾水不会产生TDG过饱和水体，当发电尾水汇入主流后TDG饱和度由 (2)式计算[2]。

(2)

式中，G为厂房尾水与坝体泄水混合后的TDG饱和度(%)；Gh为坝体泄洪产生的TDG饱和度(%)；Gbd为坝前TDG饱和度(%)；Q1、Q2分别为坝体泄洪流量、厂房发电流量(m3/s)。

经计算，待建高坝工程单泄洪洞泄洪产生的TDG过饱和水流与发电尾水混合后饱和度为138.9%。

2 下游河段TDG饱和度模拟

2.1 河道内TDG过饱和输移扩散模型

表1 某高坝工程泄洪下游TDG过饱和生成模拟表

TDG过饱和水体在泄洪中产生后，在河道中的传输耗散由水动力学方程和TDG释放方程模拟。水动力学方程由连续性方程和动量方程组成，TDG释放方程采用美国陆军工程兵团提出的方程[3-4]：

(3)

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为传质系数(h-1)，其计算式为[1]：

(4)

式中，Ui为各断面平均流速；Hi为各断面平均水深；φr为考虑分子扩散、紊动扩散作用等的综合系数。参照冯镜洁和李然(2010)的研究成果，确定φr值为5.46×10-10/s[5]。

2.2 下游河段TDG饱和度模拟工况

研究河段属峡谷型河流，全长约200 km。由于泄洪水流流速大、压强高、紊动剧烈，泄洪时一般无鱼类长时间停留，故研究TDG过饱和水体对河道内对鱼类的影响，选取断面分别为坝址下游5、20、50、100、120、150、200 km。

由1.2节中得到该高坝工程单泄洪洞泄洪产生的TDG过饱和水流与发电尾水混合后饱和度为138.9%，忽略支流汇入，设定工况1～工况5不同泄洪持续时间，泄洪流量为3 703 m3/s。

2.3 下游河道内TDG过饱和模拟分析

2.3.1 研究断面TDG饱和度随泄洪持续时间的变化

根据研究河道实测大断面地形资料，采用HEC-RAS软件计算不同工况下下游河道沿程各断面平均流速Ui和平均水深Hi随时间的变化，进一步求解得到TDG饱和度在大坝下游河道内随时间和空间的变化数值。

计算结果表明，坝下5、20、50km(图1～3)，持续泄洪不同时间，TDG饱和度峰值都基本相等。

坝下100、120、150 km(图4～6)，持续泄洪2 h和4 h后，100 km断面上TDG峰值分别为125.05%、128.62%，120 km断面上TDG峰值分别为122.27%、125.53%，150 km断面上TDG峰值分别为118.07%、121.13%。且各断面对应TDG峰值持续时间都基本相等；持续泄洪8 h、12 h、16 h后，各断面TDG峰值都基本相等，100、120、150 km断面上TDG峰分别为133%、130%、125%。各断面上TDG峰值持续时间随泄洪持续时间的延长而延长。

坝下200 km(图7)。持续泄洪2、4、8、12、16h后断面TDG峰值分别为113.56%、116.44%、120.39%、122.90%、124.12%。持续泄洪2、4、8h后断面TDG峰值持续时间基本相等；持续泄洪12 h、16 h后断面TDG峰值持续时间逐渐增大。

图1 坝址下游5 km处TDG随时间变化

3 TDG过饱和水体对下游鱼类影响的模拟预测

3.1 TDG过饱和水体对鱼类急性致死的判断

以黄翔等(2010)[6]对岩原鲤幼鱼急性致死试验中半致死时间LT50成果为依据(表2)，初步判断岩原鲤幼鱼在TDG过饱和的河道内能安全存活的区域。

图2 坝址下游20 km处TDG随时间变化

图3 坝址下游50 km处TDG随时间变化

图4 坝址下游100 km处TDG随时间变化

图5 坝址下游120km处TDG随时间变化

表2 各TDG饱和度下岩原鲤幼鱼急性致死试验中半致死时间

图6 坝址下游150km处TDG随时间变化

图7 坝址下游200km处TDG随时间变化

假定TDG过饱和水体在河道同一断面分布均匀，根据计算结果(图1～7)比较断面上TDG过饱和持续时间与对应TDG饱和度下的半致死时间LT50，判断该泄洪方式下，河道内TDG过饱和水体对鱼类的影响(表3)。

3.2 TDG过饱和水体对鱼类的模拟影响评价

以持续泄洪12 h(工况4)为例，坝下5 km、20 km、50 km、100 km处，TDG饱和度持续时间大于对应TDG值下半数死亡时间LT50，即判断该断面对鱼类致死；坝下150 km、200 km处TDG饱和度持续时间都小于对应TDG值下半数死亡时间LT50，即判断该断面对鱼类安全；坝下120km处，TDG饱和度大于130%的时间持续了4.17 h，接近半数死亡时间LT50(130%)为4.8h的标准，同时考虑此断面及上、下游断面的安全情况，判断该断面对鱼类亚致死。采用相同判断方法，将判断结果列于表4。

由表4可见，各工况下，随着泄洪持续时间的延长，河段内对鱼类的致死区域也逐渐延长，这是因为持续泄洪，TDG过饱和水体沿程释放减慢的结果；从坝址到河道下游，TDG过饱和水体对鱼类的影响从致死-亚致死-安全过渡，这是因为过饱和TDG在下游河道沿程释放的结果。

表3 各工况下研究河段沿程TDG变化情况表

图8

4 结论与讨论

通过模拟预测相同泄洪流量下某高坝工程单泄洪洞泄洪时坝下TDG过饱和水流生成情况，并考虑泄洪水流的非恒定流特征及TDG过饱和水体在下游河道的一维动力学耗散过程，得到不同泄洪持续时间，下游河段相关断面过饱和TDG沿程情况。即随泄洪持续时间延长，沿程各断面上TDG过饱和度增大。

以已有研究成果岩原鲤急性致死试验半致死时间LT50为标准，判断表明，泄洪流量一定，随泄洪时间的延长，河段内对鱼类的影响区域从坝下至下游逐渐延长；泄洪流量、泄洪时间一定时，随着下游河道的延长，过饱和TDG逐渐耗散，其对鱼类的影响区域逐渐减小。

在模拟TDG过饱和水体对鱼类的影响中，判定鱼类安全标准采用了TDG饱和度120%，高于美国国家环保局提出的河流允许的溶解气体饱和度上限值为110%。因为根据试验成果[6]，在实验室条件下TDG饱和度大于120%时，岩原鲤幼鱼才出现急性致死现象，加之高坝泄洪是一短暂过程，岩原鲤又属于该高坝建设影响区域鱼类，所以判断标标准选取120%。

另外，试验成果还表明幼鱼对TDG过饱和耐受性弱于成鱼[6]，对于其他鱼种的研究也证明了这一结论[7-8]，所以模拟预测选择耐受性最弱的幼鱼为判断标准、并选择单泄洪产生最大TDG过饱和，是以最不利情况为分析基准。

5 展 望

伴随高坝泄水产生的TDG过饱和水流对下游鱼类的影响是一个短暂过程。在天然情况下，TDG过饱和对鱼类的影响受TDG饱和度高低、作用时间长短、鱼种耐受性不同等多重作用，需进一步加强室内试验及原型观测，并辅以数值模拟，以明确过饱和TDG水体在下游河段沿程随时间变化的规律及对鱼类的影响，这样才能全面正确地认识高坝泄洪产生TDG过饱和问题，才能科学制定适宜我国水电工程的TDG饱和度水环境质量标准，为水库生态调度提供理论基础。

参考文献：

[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. 基础物理化学[M]. 北京，科学出版社, 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] 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.

[6] 黄翔. 高坝泄水产生TDG过饱和对岩原鲤的影响研究[D]. 四川大学. 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.