大坝泄流下游过饱和TDG生成过程综述

刘彩虹，杨慧霞，梁珈珈，姚元波

(贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 研究的意义

随着西部大开发战略和西电东送等战略的提出，已建、在建或待建的大坝数量日渐庞大，由此带来的大坝泄流下游TDG过饱和问题日渐突出。TDG过饱和水体对鱼类影响的研究结果表明，当水体中TDG饱和度达105%～110%时，可使鱼类患气泡病，而超过140%时，就会使鱼类在几小时内快速死亡[1]。据监测，高坝下游TDG饱和度大多超过了120%，有的甚至达到了140%[2]。从以上数据来看，大坝泄流下游水体中TDG过饱和问题已经对鱼类生态产生了极大的威胁，因此该问题是亟待解决的。

解决大坝下游TDG过饱和问题主要有2个途径：一是在消力池TDG生成过程中遏制TDG的产生，二是在下游河道TDG释放过程中促进TDG的耗散。而在自然条件下，下游河道过饱和TDG的自然耗散速率比较低、效果较差，在河道下游数十甚至数百公里依然能够发现明显的TDG过饱和现象[3]。以往对下游TDG耗散的研究大多基于河道水力条件和自然环境因素，比如，曲璐[4]通过实验证明了含沙水体能够促进TDG的释放；冯镜洁[3]得出了湍流强度和水压对TDG耗散过程有显著影响、增加水中固液界面的面积会促进TDG耗散的结论；沈霞[5- 6]的实验结果表明过饱和TDG耗散随水温和湍流强度的增加而增加，且研究了汇流降低过饱和TDG水平的机理；黄菊萍[7]量化了风效应与TDG耗散的关系式；欧洋明[8]探索了曝气对过饱和TDG耗散过程的促进作用；袁友全[9- 11]通过实验研究了植被和固壁吸附对过饱和TDG耗散的促进作用。虽然以上研究因子对下游河道中过饱和TDG的耗散有积极作用，但河道长达数百公里，这些影响因子在经济性和操作性上都具有相当大的难度。因而我们优先考虑第一种途径，即遏制消力池中TDG的产生，相比之下，此法更为高效、经济、操作性强。

想要遏制消力池中TDG的产生，必须得先认识其生成机理，因此本文从相关概述、影响因子、预测模型等方面对大坝泄流下游过饱和TDG生成过程进行了重点分析和总结，旨在为今后的学者提供一个具体而清楚的TDG生成过程，为采取相关措施提供参考价值，进而促进此类问题的进一步研究和解决。

2过饱和TDG生成过程研究

2.1 大坝过饱和TDG生成过程概述

通过查阅相关文献，作者对大坝泄流下游过饱和TDG生成的完整过程总结概述如下：大坝泄水时，水舌在溢洪道面和挑流过程中卷吸大量空气，空气在强烈掺混过程中破碎成许多尺寸不一的气泡，大大增加了气液传质面积。同时水舌中已有的TDG随着射流破碎而耗散，另外，水舌与下游水面碰撞处卷吸的大量空气在强紊流的作用下也被剪切成小气泡，这些气泡随着水舌高速下跌进入水垫塘深处，形成了气泡夹带。在周围强烈的动压、深处的静压以及大气压作用下，深处承压时间足够长的气泡把质量传递给高溶解度的水体，故此时消力池水体中的TDG浓度非常高。当高浓度TDG水流流向下游水深较浅、溶解度较低的区域时，造成了水体TDG过饱和状态。在浓度梯度作用下，水体通过释放TDG来达到平衡饱和状态，释放出的溶解气体以气泡的形式析出，而含大量气泡的水体对鱼类等水生生物产生威胁。此外，鱼类受威胁的另一种情况是，活动在高TDG浓度水体中的鱼游到下游低TDG浓度水域时，由于浓度梯度的作用，溶解气体将在鱼的鳃和血管等器官中形成气泡，因而使其遭受气泡病的迫害。

2.2 TDG生成过程影响因子

大坝泄流过饱和TDG的生成是消力池内气体过溶的结果，而气体的溶解主要与气体条件、环境条件、水体条件以及反应条件等4类要素有关。通常气体条件在短时间内是比较稳定的，在此问题研究中可暂不考虑；环境条件包括风速、植被和其它外部条件等，在强紊动的消力池气体溶解过程中，环境条件影响较小，可忽略不计。

Geldert[12]讨论了导致TDG过饱和的4个主要因素：湍流混合、气泡-水面积增加、气泡的较长停留时间和流体静压的增加。Urban[13]通过模型敏感性分析，得到尾水深度和气泡聚并作用对TDG浓度很重要的结论。蒋亮[14- 15]通过原型观测结果分析了坝前TDG饱和度、单宽流量、水深、厂房泄水、紊动强度、大气压、水温等对TDG生成量的影响，另外又通过实验证明了TDG过饱和的必要条件有：足够的承压时间、气液交界面积、水深等；曲璐[16- 17]通过原型观测结果，讨论了消能方式、泄流量、泄洪建筑物的布置方式、水电站尾水对TDG生成的影响，并通过实验证明了压力、曝气强度和气泡溶解时间是影响过饱和TDG产生的重要因素，湍流强度和水-空气接触面积是影响过饱和TDG生成率的主要因素。politano[18]强调TDG产量与溢洪道射流状态密切相关。付小莉[19]利用数学模型模拟分析了不同溢洪道结构对消力池内过饱和TDG的影响。冯镜洁、马倩[20- 21]分析了梯级水电站对TDG产生的累积效应。薛宏程[22]通过物理实验探索了射流破碎过程中流入边界条件对TDG生成过程的影响。唐雷[23]分析了水温对过饱和TDG生成的影响。

综上，目前对消力池中TDG生成过程影响因子的研究集中于水温、水质、水深、泄流量、紊动强度、坝前TDG浓度等水体条件和水气接触面积、气泡承压时间等反应条件。这些研究成果符合气体溶解度与温度、水深、压力相关的定义，但大多只做了定性研究，并未进行定量研究，这将是未来进一步研究的方向。

2.3 大坝下游TDG预测模型

预测大坝下游TDG水平的模型可分为3类：经验模型、数值模型和物理模型[24]。经验模型基于数据拟合，不与物理过程联系；物理模型基于实体、概念和力学定律，描述了气体转移过程，其系数用实测数据拟合；数值模型的发展由单相流模型发展到了两相流模型，由一维模型发展到了三维模型。

1971年Roesner和Nordon[25]提出了第一个溢洪道下游TDG一维预测物理模型：

Cd=Cse-(Cse-Cu)exp(-Kt)

(1)

式中，Cd、Cu—大坝下游和上游的TDG浓度；Cse—消力池中的TDG有效饱和浓度。

此模型中TDG水平是由消力池中气泡的传质系数K和停留时间t决定的，后来被Johnson[26]、Geldert[12]、Urban[13]等人进行了发展和完善。2000年Orlins和Gulliver[27]第一次把物理模型和数值模型结合，开发了第一个二维横向平均TDG预测模型：

(2)

式中，C—TDG浓度；Ceq—气泡-水界面处的平衡浓度(考虑静水压力)；KL,B—气泡-水界面处的传质系数；KL,s—大气-水表面处的传质系数；x、y—水平和垂直空间坐标；U、V—相应的速度分量；Dz—水中气体紊动扩散系数。

该模型把从物理模型中测量或基于测量的计算值用作数值模型的输入条件。2004年Weber[28]建立了第一个三维预测数值模型，此后Politano[29- 30]不断地对三维模型进行改进，2009年Politano[31]开发了一个非定常三维两相流模型来预测水动力学和TDG分布。

20世纪后，国内也展开了对过饱和TDG的研究。2003年刁明军[32]首次采用紊流两相流模型和VOF法对空中射流水舌和水垫塘流态进行了模拟，此模型被后面的学者广泛用作TDG预测模型中的流体动力学模型。2007年程香菊[33]通过水体掺气浓度、气泡直径确定了气泡传质系数，并采用三维k-ε双方程模型计算流场，建立了过坝水流溶解气体浓度对流扩散方程来预测TDG浓度。2008年覃春丽[34]采用水气两相流单流体模型求解了流场，作为TDG浓度对流扩散方程的输入数据。2009年，李然[35]建立了第一个高坝挑流消能的下游TDG预测经验模型，该模型充分考虑了水深和压力对TDG生成的影响：

(3)

2010年程香菊[36]利用水力条件一定时、泄水建筑物下游气体传质速率不变的特性，建立了下游TDG的预测方法。2013年冯镜洁[37]建立了一个深水库的非稳定TDG输运和分布的二维横向平均TDG预测模型。

近几年的研究方法较为新颖，研究内容开始呈现多样化。2016年heddam[38]开发了一个基于广义回归神经网络的大坝溢洪道下游TDG预测经验方法。2017年Jalayeri[39]开发了一种基于粒子跟踪计算流体动力学模型(FLOW- 3D)和电子表格(PPTG)分析模型的新预测方法。2017年Witt[40]假设质量转移发生在平均气泡深度，定义为尾水深度的一半，基于此提出了简化的一阶TDG预测方法。2018年薛宏程[22]首次考虑到射流破碎阶段中TDG的耗散过程，建立了射流破碎过程中过饱和TDG耗散的计算模型。

学者们早期采用物理实验模型来进行大坝下游过饱和TDG的预测，但物理实验模型相似性只能满足弗劳德数，而不能满足雷诺数和韦伯数，不能等比例地模拟气泡分布、气泡在水中的停留时间等条件，因此对于此类问题的求解不能直接采用物理实验模型的方法[27]。一段时间后，学者们提出了数值模型，并把通过物理模型测量或者计算的信息用作数值模型的输入，再经过众多学者对数值模型的研究，用流体力学数值模型取代了之前的物理模型，从流体力学数值模型中获取数据作为TDG预测数值模型的输入数据，大大地提高了可操作性与经济性。目前计算流体动力学(CFD)已经成为预测大坝下游TDG的潜在工具，但随着数值模型的发展，对计算机要求越来越高，导致数值模拟存在一些经济和收敛困难，另外，当前的模型参数率定工作量大，依然不能够精准地模拟大坝完整的TDG生成过程，因此还需要众多学者一起努力来解决这些难题。

3 结论

大坝泄流下游TDG过饱和问题从20世纪60年代引起广泛关注以来，在模型预测、传质机理等方面已经取得了很多成果，并逐渐从预测TDG生成过程的研究转向了对TDG耗散过程的研究，但这些研究成果依然不能被广泛用于解决实际需求，因此本文通过对大坝过饱和TDG生成过程的分析总结，以期为今后进一步的研究和最终解决实际问题提供参考价值。