金沙江上游梯级联合泄洪对下游河段总溶解性气体过饱和累积影响研究

刘 睿

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 研究背景

根据《金沙江上游水电规划报告》显示，金沙江上游共规划了13级电站，自上而下依次为：西绒、晒拉、果通、岗托、岩比、波罗、叶巴滩、拉哇、巴塘、苏洼龙、昌波、旭龙、奔子栏。方案共利用落差1 372 m，总装机容量13 920 MW，多年平均年发电量642.29 亿kW·h。推荐岗托、波罗、叶巴滩、拉哇、巴塘、苏洼龙、昌波和旭龙8个电站为规划实施方案，目前叶巴滩、拉哇、巴塘以及苏洼龙四个梯级已经核准开工建设。

根据已经核准的四个梯级的布置方案，上游的叶巴滩电站、拉哇电站以及巴塘电站首尾相连，主要保护段为巴塘坝下至苏洼龙库尾的12 km天然河段。因此本次研究重点对叶巴滩、拉哇以及巴塘三个梯级的联合泄洪工况进行分析，预测泄洪对巴塘坝下12 km天然河段总溶解性气体过饱和的影响。

2 研究方法

2.1 过饱和TDG生成预测模型

坝身泄洪孔出口距离大坝较近，出于大坝安全考虑，通常在泄洪水流落水区域修建护坦、二道坝等，形成水垫塘进行消能，消力池内过饱和TDG生成过程见图1。

基于过饱和TDG生成过程的分析，得到过饱和TDG生成预测模型：

图1 过饱和TDG生成示意

(1)

式中，Gd为消力池下游TDG饱和度，%；Geq为对应当地大气压的TDG平衡饱和度，取值100%；P0为当地大气压，kPa；Pm为消力池底部最大绝对压强，kPa；φ1为消力池内压力修正系数；kd为消力池出口区域的TDG释放系数；hd为消力池出口水深，m；hk为消力池水垫厚度，m。

2.2 天然河道纵向一维过饱和TDG释放预测模型

2.2.1 水动力学方程

(2)

式中，i为河道底坡；s为河道长，m；Q为断面流量，m3/s；V为断面平均流速，m/s；A为过水断面面积，m2；h为断面水深，m；K为断面平均流量模数；n为糙率；g为重力加速度，m/s2；R为水力半径，m。

2.2.2 过饱和TDG输移扩散方程

过饱和TDG在下游水体的输移释放模型采用一维输移扩散方程，其中过饱和TDG释放采用美国陆军工程兵团提出的一阶动力学过程。方程表述为：

(3)

式中，G为计算时刻的TDG饱和度，%；Geq为TDG平衡饱和度，%；u为断面平均流速，m/s；t为滞留时间，s；kTDG为释放系数，s-1。

2.3 库区立面二维过饱和TDG释放预测模型

2.3.1 连续性方程

(4)

式中，u、w分别为纵向和垂向流速，m/s；B为宽度，m；q为单宽流量，m2/s；x、z为右手笛卡尔二维空间坐标系。

2.3.2 动量方程

(5)

式中，u、w分别为纵向和垂向流速，m/s；t为时间；B为宽度，m；g为重力加速度，m/s2；ρ为密度，kg/m3；p为压强，N/m2；τxx和τxz为紊动切应力，N/m2；α为河床与x方向的夹角；x、z为右手笛卡尔二维空间坐标系。

2.3.3 自由水面计算方程

(6)

式中，ξ为水面高程，m；h为水深，m；Bξ为对应高程的水面宽度，m；B为水面宽度，m；u为纵向流速，m/s；t为时间；q为单宽流量，m2/s；x、z为右手笛卡尔二维空间坐标系。

2.3.4 TDG输运方程

(7)

式中，B为水面宽度，m；u、w分别为纵向和垂向流速，m/s；t为时间；G为计算单元的TDG饱和度，%；x、z为右手笛卡尔二维空间坐标系；Dx、Dz分别为纵向和垂向的离散系数；SG为TDG源项，考虑了因为压强、温度等条件的改变引起的水体内过饱和TDG的释放，以及表层水体与大气间的传质作用。源项表达式如下：

SG=kTDG(Geq-G)+(KLa)s(Gs-G)

(8)

式中，G为计算单元的TDG饱和度，%；Gs为当地大气压下的TDG饱和度，%；Geq为当地平衡饱和度，%；kTDG代表计算水体内过饱和TDG释放系数，h-1；(KLa)s是自由水面的水气传质系数，其中a为比表面积，m-1。

2.4 坝下近坝河段平面二维过饱和TDG预测模型

连续性方程

(9)

动量方程x方向：

动量方程y方向：

输运方程

(10)

以上式中，t为时间；x、y、z为右手笛卡尔二维空间坐标系；ξ为水位，m；g为重力加速度，m/s2；h为水深，m；u、v分别表示在x、y方向的流速分量，m/s；p为压强，kN/m2；ρ0为参考水密度，kg/m3；ρ为密度，kg/m3；Ex、Ey为TDG在x、y方向上的扩散系数；SΦG为源汇项；kTDG为过饱和TDG释放系数；G为过饱和TDG浓度；f为柯氏力参数；Txx、Txy、Tyy表示不同方向切应力。

2.5 混合模型

泄水产生的过饱和TDG在下游河道的输移释放过程中伴随发电尾水或支流的汇入，采用混合模型考虑发电尾水或支流汇入影响，即：

(11)

式中，G为汇流与主流混合后的TDG饱和度，%；Gm为汇流混合前主流的TDG饱和度，%；Gb为汇流TDG饱和度，%；Qm、Qb分别为主流流量和汇流流量，m3/s；α为掺混系数，取值区间为0≤α≤1。

3 结果与分析

3.1 巴塘水电站单独运行

巴塘单独泄洪条件下，预测范围为巴塘坝址至苏洼龙库尾间金沙江干流河段。采用TDG释放模型，分别对巴塘水电站在工况1(两年一遇洪水)和工况2(五年一遇洪水)情况下，过饱和TDG在巴塘至苏洼龙库尾河段的输移释放过程进行预测，计算河段内典型断面预测结果见表1。

表1 巴塘单独泄洪下过饱和TDG输移释放预测结果

巴塘尾水出口至苏洼龙库尾段的TDG的输移释放过程见图2。

图2 巴塘坝址下游河段内TDG饱和度沿程变化示意

工况1洪水条件下，泄水生成的TDG饱和度为119.7%(泄洪流量2 016.8 m3/s)。接纳左侧的发电尾水(发电流量1 553.2 m3/s)与之掺混，在不考虑上游梯级泄洪影响下，发电尾水TDG饱和度值为100%，加之流量与泄水流量比为3：4，尾水掺混对降低泄水生成的TDG饱和度的作用显著，认为两股水流在坝下0.5 km均匀混合，混合后的TDG饱和度为111.1%，比泄洪生成的TDG饱和度降低了8.6%。坝下0.7 km处左岸巴楚河汇入，未考虑支流梯级泄洪的影响，TDG饱和度值为100%，汇入后使金沙江干流内TDG饱和度降低0.6%，至110.5%，随着向下游输移释放，TDG饱和度逐渐降低，至距离巴塘坝址12 km的苏洼龙库尾断面TDG饱和度降低为109.1%。

工况2洪水条件下，泄水生成的TDG饱和度为125.3%，接纳尾水后在坝下0.5 km处与尾水混合后的TDG饱和度值降低为116.7%。坝下0.7 km处巴楚河汇入后使河道内TDG饱和度再降低1.0 %，为115.7%，再经过12 km河道释放至苏洼龙库尾时，TDG饱和度降至113.8%。

3.2 巴塘水电站与叶巴滩水电站联合运行

采用TDG释放模型，分别对巴塘、叶巴滩联合泄洪下工况3(两年一遇)和工况4(五年一遇)过饱和TDG在巴塘至苏洼龙库尾河段的输移释放过程进行预测，计算河段内典型断面预测结果(见表2)。

表2 巴塘与叶巴滩联合泄洪下巴塘下游段过饱和TDG输移释放预测结果

巴塘尾水出口至苏洼龙库尾段的TDG的输移释放过程如图3所示。

图3 巴塘坝址下游河段内TDG饱和度沿程变化示意

工况3洪水泄水生成的TDG饱和度为119.7%，至坝下0.5 km与发电尾水掺混后，下降5.5%，降为114.2%，坝下0.7 km处巴楚河支流TDG饱和度为100%，汇入后使河道内TDG饱和度降低0.7%，降为113.5%，至苏洼龙库尾，TDG饱和度降为111.7%。

工况4洪水泄水生成的TDG饱和度为125.3%，至坝下0.5 km与发电尾水掺混后，降低4.9%，降为120.4%，坝下0.7 km处巴楚河支流TDG饱和度为100%，汇入后使河道内TDG饱和度降低1.3%，降为119.1%，至苏洼龙库尾，TDG饱和度降为116.8%。

3.3 巴塘水电站与拉哇、叶巴滩水电站联合运行

采用TDG释放模型，分别对巴塘水电站与拉哇、叶巴滩水电站联合运行工况5(两年一遇)和工况6(五年一遇)过饱和TDG在巴塘至苏洼龙库尾河段的输移释放过程进行预测，计算河段内典型断面预测结果(见表3)。

巴塘尾水出口至苏洼龙库尾段的TDG的输移释放过程见图4。

工况5洪水泄水生成的TDG饱和度为119.7%，至坝下0.5 km与发电尾水掺混后，由于上游拉哇泄洪引起的TDG饱和度较高，至巴塘坝前溶解气体仍释放较少，巴塘泄洪水流与发电尾水混合后，饱和度升高2.9%，升至122.6%，坝下0.7 km处巴楚河支流TDG饱和度为100%，汇入后使河道内TDG饱和度降低1.1%，降为121.5%，至苏洼龙库尾，TDG饱和度降为118.5%。

表3 巴塘与叶巴滩、拉哇联合泄洪下巴塘下游段过饱和TDG输移释放预测结果

图4 巴塘坝址下游河段内TDG饱和度沿程变化

工况6洪水泄水生成的TDG饱和度为125.3%，至坝下0.5 km与发电尾水掺混后，升高3.5%，升高至128.7%，坝下0.7 km处巴楚河支流TDG饱和度为100%，汇入后使河道内TDG饱和度降低1.6%，降为127.1%，至苏洼龙库尾，TDG饱和度降为123.7%。

3.4 分析结论

根据上文预测分析，得出以下结论：

(1)通过对两年一遇洪水和五年一遇洪水工况下的气体过饱和影响预测可知，随着泄洪流量的增大，其对下游气体过饱和的影响也随之增大。

(2)上游梯级联合泄洪时，会对下游河段的气体过饱和造成累积影响。

(3)根据分析预测可知，无论是巴塘单独运行，还是巴塘与上游梯级联合运行，溢洪道出口断面的气体过饱和值基本保持不变(两年一遇为119.7%，五年一遇为125.3%)。因此，经过溢洪道挑流后，气体过饱和基本维持一个稳定值，不受上游梯级影响。

(4)根据分析预测可知，梯级累积影响主要集中在发电尾水中。巴塘单独运行时，尾水断面掺混后气体过饱和值为110.2%和115.3%；巴塘与叶巴滩联合运行时，尾水断面掺混后气体过饱和值为114.2%和120.4%；巴塘与拉哇、叶巴滩联合运行时，尾水断面掺混后气体过饱和值为122.6%和128.7%，由此可见，梯级累积影响主要集中在发电尾水中。

4 结论与建议

通过对金沙江上游巴塘水电站单独运行，对巴塘、叶巴滩联合运行，对巴塘、拉哇以及叶巴滩联合运行三个工况进行计算分析发现，梯级联合泄洪对下游河段的气体过饱和存在累积影响，主要集中在发电尾水之中。为避免梯级联合泄洪对下游气体过饱和的影响，同时考虑到叶巴滩水电站及拉哇水电站均有一定的调节能力，形成以下建议：

(1)泄洪发生频率控制。金沙江上游水电站泄洪时段主要在6～9月。从流域角度考虑，充分利用叶巴滩和拉哇电站的调节能力，控制各电站的泄洪时间，尽量避免巴塘、叶巴滩和拉哇三个梯级同时泄洪。

(2)优化机组运行与泄洪过程。当上游来流的TDG饱和度较低时，发电系统不改变TDG饱和度，泄洪期间加大机组发电流量或保持机组满发，尾水与泄洪水流掺混有助于降低过饱和TDG不利影响。但若拉哇泄洪时生成的过饱和TDG至巴塘坝前仍保持高饱和度，同时巴塘泄洪生成的TDG水平相对尾水较低，这种情况下可考虑减小机组过流，增加泄洪流量。

(3)运行期监测。鉴于国内外对高坝泄流下游TDG过饱和问题缺乏深入系统的认识和研究，因此为及时了解金沙江上游各梯级电站建成后高坝泄流下游TDG过饱和状况及其对水生生物的影响，验证数学模型预测结果，保护工程环境，为提高我国在高坝泄流TDG过饱和领域的研究水平提供可靠数据和基础资料，有必要在电站泄洪期间开展泄洪的过饱和TDG生成预测，并对泄洪产生的过饱和TDG在各梯级库区河段的释放过程开展原型观测研究。