高坝泄流总溶解气体过饱和问题研究现状

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(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 引言

高坝工程在泄水时，会造成下游水体中总溶解气体(TDG)体积数大于当地温度和大气压力对应的溶解度，产生TDG过饱和现象，严重时会导致下游水生生物患气泡病甚至死亡。国外关于坝下TDG过饱和问题的研究开展较早，但多针对于50m以下中低水头水利工程，由于我国许多大坝工程为50m以上的高坝，工程特性与国外中低坝有着很大不同，因此国外许多相关研究成果尚不能直接应用。

我国对溶解气体过饱和生成与释放过程的研究尚处在起步阶段，对TDG的观测工作开展较少，同时缺乏深入系统的对过饱和TDG生成与释放过程的机理研究。随着国家西部大开发战略实施，溪洛渡、向家坝和白鹤滩等一批高坝或超高坝已建或在建中，我国高坝泄流导致TDG过饱和问题将日渐突出，开展高坝泄流TDG过饱和研究具有特别重要的现实意义和理论价值。本文将从高坝泄流溶解气体过饱和影响因素、对鱼类影响、饱和度预测模型、消减措施等四个方面，介绍目前国内外关于高坝泄洪总溶解气体过饱和研究现状。

2 研究现状

2.1 影响因素

针对不同大坝的溶解气体过饱和问题，国外学者开展了大量的现场调查和原型观测。May.B等研究发现坝下游溶解气体的含量与溢洪道泄洪情况有密切联系[1]。Politano采用两相流模拟了溢洪道下游过饱和气体的释放过程[2]。大量研究表明：大坝泄流溶解气体过饱和与大坝泄水建筑物的结构形式和水库泄洪调度方式有关。蒋亮等对紫坪铺坝下游河段的过饱和气体进行了原型观测，指出下泄流量与下游TDG饱和度有着较好的相关关系；河道水深是影响过饱和气体消减速率的重要因素；在同样单宽流量下，含沙水体比清水有更高的TDG饱和度[3]。王煜等对三峡-葛洲坝坝下近坝区溶解氧过饱和主要影响因素的权重分析，发现影响最大的是泄洪方式、泄洪建筑物总泄洪量、坝上溶解氧饱和度、水电站泄流量、上下游水位[4]。曲璐等通过实验的方法研究发现含沙水体中TDG释放速率明显快于清水中TDG释放速率[5]。并通过对紫坪铺、三峡等工程的观测，发现消能方式、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，发电尾水的掺混作用可有效降低坝下TDG过饱和度，而支流汇入、水深、紊动是影响TDG过饱和沿程释放的重要因素[6]。刘燚等通过不同风速下的TDG室内释放试验，研究风速对过饱和TDG释放过程的影响[7]。冯镜洁等开展了不同流量和泥沙含量条件下的过饱和TDG输移释放过程实验研究，并开展数值模拟计算，反算得到各条件下的释放系数[8]。

2.2 对鱼类的影响

高坝泄水过程会造成下游水体中TDG过饱和，对鱼类的生存造成威胁，同时，高坝排沙运用时下泄洪水中含大量泥沙也会对下游水中鱼类及水生生物带来影响。国外对高坝泄流引起的气体过饱和对鱼类的影响的关注始于上世纪60年代，最有代表性的是对哥伦比亚斯内克河水电系统泄洪导致大坝下游TDG过饱和，造成鱼类大规模死亡的研究。Dawley等研究了不同浓度TDG过饱和水体对大鳞大马哈鱼幼鱼和虹鳟的影响[9]。Charles等总结分析了大量研究报告，得到了持续暴露时间及泥沙浓度与鱼类受到的不良影响的严重性之间的关系[10]。

在我国，谭德彩等具体分析了鱼类不同生活阶段、液静压、温度、间歇性的暴露、探知和躲避能力导致其对气体过饱和忍耐大小的状况[11]。汪青等分析了鱼类气泡病的发生机制，提出了减缓气体过饱和的生物解决方案[12]。董杰英等研究了不同鱼类对气体溶解过饱和的敏感性[13]。王远铭等研究了TDG过饱和水体对齐口裂腹鱼的急性致死效应、间歇性胁迫效应、水平和垂向回避效应[14]。在高含沙水流给鱼类带来的威胁方面，孙麓炜等通过实验推测高含沙水流对黄河鲤鱼造成的急性缺氧应激是导致小浪底水库排沙过程中流鱼现象的主要原因之一[15]。张亦然等发现在TDG饱和度相同时，含沙量越高半致死时间越短，含沙量相同时，TDG饱和度越高，半致死时间越短[16]。但现有研究对有关鱼类因高坝泄流引起的溶解气体过饱和的承受程度相关研究以及解决方案的相关报道相对较少，并且目前也尚未对大坝下游TDG提出相应的标准。

2.3 饱和度预测模型

目前，预测大坝下游TDG浓度的模型主要有两种，第一种是基于实验和实测数据为主的拟合关联式的操作模型，无物理意义；第二种是基于物理概念的模型，描述气液传质的物理过程，并对利用实测数据对有物理意义的关系式的系数进行拟合。Roesner & Norton提出了TDG早期物理模型[17]，Geldert et al.提出的模型增加了在溢洪道、水垫塘和尾水的传质计算[18]。Orlins & Gulliver发展了一种应用在哥伦比亚河上Wanapum大坝下游的TDG浓度的预测模型[19]。Urban & Gulliver等将Geldert和Orlins & Gulliver模型进一步完善，提出了更为合理的下游TDG浓度预测模型，该模型首次考虑了气泡聚并的影响[20]。

在我国，陈雪巍等根据泄水建筑物实测数据，计算出泄流水体气体传质速率，并建立了对闸坝下游水体溶解气体饱和度进行预测的方法[21]。付健等采用BP网络模型、基于机理分析的计算方法和数值模拟三种手段实现了水利枢纽下游溶解氧饱和度的分析与预测[22]。蒋亮等采用紫坪铺和二滩的原型观测资料，分别对经验公式和物理模型进行了分析验证[23]。黄奉斌等利用原型观测资料对已有的过饱和总溶解气体释放的数学模型进行验证，同时对释放系数公式进行了修正。预测了金沙江某电站下游河段过饱和总溶解气体的沿程释放规律[24]。曲璐等在理论分析的基础上，建立了基于面流消能的TDG过饱和浓度预测公式[25]。肖柏青等采用大涡模拟和欧拉-拉格朗日方法建立了曝气池两相流数学模型。设定了3种气泡尺寸分布方案，比较了不同的气泡尺寸设定方案对计算曝气池内水流流速和气含率等参数的影响[26]。但总体来说，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，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。

2.4 减缓措施

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己成为过饱和TDG研究的一个重要分支。目前国内外针对大坝泄流引起下游水体溶解气体过饱和的减缓措施主要分为工程措施和非工程措施两种。工程措施主要是在河道中增加一些曝气装置，使得水体与空气交换加快，黄膺翰等为探讨溶解气体过饱和水体的高效恢复技术，设计开展了不同曝气量、曝气深度、曝气孔径条件下的曝气试验，结果表明曝气对过饱和溶解氧释放的促进效果显著[27]。还可以通过优化泄水建筑物型式、运行调度[28]等措施减少过饱和溶解气体的生成。

美国等发达国家还专门设立了大坝下游溶解气体过饱和度标准。为此，发达国家就降低气体过饱和度的应用技术开展了诸多研究，如对包括表、中、底孔在内的大坝泄水建筑物的优化调度，设置以降低下泄水流进入下游水垫塘深度为目标的溢流坝面变流装置，减小单宽泄流流量，改变泄洪消能方式，增大发电流量减少弃水等一些非工程措施。尽管上述大部分研究都是针对低水头大坝进行的，但是这些研究成果对于改进我国大型水库的运行方案进而缓解大坝泄流溶解气体过饱和影响具有重要参考价值。

在非工程措施方面，汪青等认为可以在坝下游一定河段内人工繁殖一些藻类对水体中的氧气加速消耗，并以三峡工程为例，探究其可行性，表示藻类不会大量繁殖从而引起水华现象，还可以作为鱼类饵料，但这种方法还需实验及实际工程进行验证。

3 结语

总体而言，对TDG过饱和问题的研究已成为国内环境水力学及相关学科的一个热点问题，目前虽有一些观测成果和定性分析，但对彻底解决这一问题还需要作大量的试验和理论工作。

(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)我国许多河流水生生物具有特有程度高、物种数量大等特点，决定了不同河流的鱼类对TDG过饱和环境的耐性差异较大。但我国在关于高坝下游过饱和TDG对水生生物的影响研究中，尚缺乏水生生物对过饱和TDG耐受性的深入研究。

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