高坝下游过饱和TDG对鱼类的影响分析——以2014年金沙江向家坝库区死鱼事件为例

范 围，敖 亮，王 军，王远铭

(1.重庆市生态环境科学研究院，重庆 401147；2.遵义市水资源服务中心，贵州 遵义 563000； 3.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

引 言

水体总溶解气体(Total Dissolved Gas，简称TDG)过饱和是指溶解在水中的气体量超过水体本身的溶解能力的现象。TDG过饱和往往使水体中的鱼类患上气泡病，严重时甚至导致其死亡[1-2]。高坝工程在汛期下泄洪水的同时，周围大量空气被卷吸进入泄洪水流并随之进入坝下消能池内，在坝下游消能池内水压力的作用下，水体对气体的溶解能力增大，卷吸入的大量气体溶解于消能池水体中。水流流出消能池进入下游河道后，随着周围环境压力的减小，水体溶解气体的能力降低，过量的溶解气体很难在短时间内完全释放回到大气，从而导致了下游河道的总溶解气体过饱和[3～5]。

近年来，随着中国能源需求的增长，众多的200m高坝或超高坝已陆续在长江上游的干支流规划或修建[6-7]。高坝的修建，使得TDG过饱和成为一个严重的环境问题[8]。自上世纪60年代起，在北美Columbia流域因高坝运行使得坝下游TDG饱和度经常在120%以上[1-2]；Weitkamp等(2003)发现在1997～2000年美国Clark Fork河下游在TDG饱和度达到120%～130%时，当地鱼类表现出了明显的气泡病症状[9]；Stenberg等(2020)发现了当TDG饱和度均值在110%以上时在挪威的两条河流中大西洋鲑鱼出现了气泡病症状甚至死亡现象[10]；在巴西的Sao Francis河，2007年辛戈水电站泄洪引起的TDG过饱和使得超过297吨的罗非鱼死亡[11]；在我国，谭德彩(2006)研究发现三峡大坝泄洪引起的TDG过饱和使得下游鱼类患上了气泡病[12]。

2014年溪洛渡电站建成后初次泄洪，导致了下游向家坝库区超过40吨的鱼类死亡[13]。为阐述TDG过饱和对鱼类的影响，本文以2014年汛期发生在金沙江下游向家坝库区的死鱼事件为例，采用高坝泄流过饱和TDG的生成预测模型，分析计算了鱼类死亡期间坝下TDG饱和度变化情况，研究成果对于认识TDG过饱和水体对鱼类的影响特征具有科学意义，可作为金沙江下游水电站运行调度的参考依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

金沙江下游干流规划有向家坝、溪洛渡、白鹤滩和乌东德4个梯级水库(图1)。4个梯级水库在正常蓄水位下库容达52～205亿m3，水深达120～255m，均为高坝巨型水库。其中溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境内的金沙江干流，上接白鹤滩水电站，下与向家坝水库相连，是中国已建成的第二大水电站。溪洛渡水电站坝顶高程610m，最大坝高278m，正常蓄水位600m，死水位540m，防洪限制水位560m，总库容129.1×108m3，调节库容64.6×108m3。

图1 金沙江下游梯级电站位置示意图Fig.1 Cascade hydropower stations in the downstream of Jinsha River

随着向家坝与溪洛渡电站的建成，其在汛期下泄洪水造成的TDG过饱和问题已不容忽视。调查发现向家坝电站在泄洪期间坝下游存在着较高的TDG饱和度[5,14]。根据溪洛渡水电站运行调度资料，其建成后第一次泄洪开始时间为2014年7月4日18点，第一次泄洪结束时间为7月11日14时，共历时164h。泄洪期间导致的下游水体TDG过饱和使得向家坝库区死亡鱼类超过40吨[10]。死亡鱼伴随着鳍条气泡附着，充血以及眼球突出等现象，体现出较为明显的气泡病特征。

1.2 研究方法

本文收集了自2014年7月4日18点始，至7月11日14时结束，共164小时之间每2小时的溪洛渡水电站入库马家河测点水位及坝下游中心场测点水位，还收集了溪洛渡电站在此期间的入库流量以及表孔、深孔、泄洪洞等出库流量，分析了泄洪期间流量与水位随时间的变化规律。

采用Lu[5]建立的高坝泄流过饱和TDG的生成预测模型，根据溪洛渡泄洪量、发电量、坝前水位、坝下水位、以及溪洛渡泄洪建筑物工程特性等因素，计算得7月4日～11日泄洪期间坝下游生成的TDG饱和度。模型将过饱和TDG的生成概化为空中射流、冲坑内过溶以及冲坑出口快速释放三个阶段。

第一阶段射流入水TDG饱和度G0d：

G0d=G0u-(G0u-Geq){1-exp[-1.12

(1)

其中，G0d为入水TDG饱和度，%；G0u为来流初始饱和度，%；Geq为TDG平衡饱和度，取100%，Hp为出水口与冲坑内水位高程差，m；v0为出口流速，m/s；α为出水口挑角。

第二阶段冲坑内过饱和TDG生成饱和度：

(2)

其中，GS0为冲坑内气体过溶生成的TDG饱和度，%；P0为当地大气压，m H2O；ΔP为冲坑内部掺气水流入水滞点处的相对压强，tR为滞留时间。

第三阶段冲坑出口快速释放后TDG饱和度：

(3)

式中，Gs为冲坑出口下游TDG饱和度，%；hr为冲坑出口下游水深，m。

2 结果与分析

2.1 外部环境因子分析

如图2所示，溪洛渡建成后的第一次泄洪期间，其入库流量在6 310～12 200m3/s之间，平均值为9 919.3m3/s；出库流量在5 940～11 200m3/s之间，平均值为10 287.5m3/s。泄洪导致溪洛渡库区及坝下游水位发生变动，其中库区水位由泄洪前的563.01m降低至560.77m，坝下游水位由泄洪前的381.47m升高至383.08m(图3)。总体看来入库流量的变化较为平缓，而出库流量在最初的16h内变化较大，由泄洪开始时的7 660m3/s逐步降低至5 940m3/s，而后又急剧上升至10 700m3/s。16h以后出库流量逐渐稳定，保持在10 000m3/s左右。随着出入库流量的变动，库区与坝下游水位也相应发生变化，库区水位呈现先增后降的过程，而坝前水位在泄洪前16h内变化较为剧烈，之后保持相对稳定。

图2 溪洛渡入、出库流量变化趋势Fig.2 Variation trend of inflow and outflow of Xiluodu Reservoir

图3 溪洛渡库区、坝下水位变化趋势Fig.3 Variation trend of water level in reservoir area and under dam of Xiluodu Reservoir

出库流量主要由发电流量与泄洪流量构成，其中发电流量在4 470～7 580m3/s之间，平均发电流量为6 942.1m3/s。依据泄洪设施的不同，泄洪流量可分为深孔出流和写泄洪洞出流两个部分，7月4日18点至7月7日20点溪洛渡主要采用深孔泄洪，流量在332～6 130m3/s之间，平均深孔泄洪流量为3 780.6m3/s；7月7日20点至7月11日14点溪洛渡主要采用泄洪洞泄洪，流量在1 240～3 370m3/s之间，平均泄洪洞泄洪流量为2977.3m3/s(图4)。泄洪(Qd)与发电流量(Qp)比如图5所示，除7月6日0点至8点外，其余时段内Qd/Qp值均小于1。溪洛渡泄洪与发电流量之间呈现较弱的负相关关系(图6)。

图4 溪洛渡出库流量组成Fig.4 Outflow composition of Xiluodu Reservoir

图5 溪洛渡泄洪发电流量比Fig.5 Ratio of flood discharge to generating flow in Xiluodu Reservoir

图6 溪洛渡泄洪、发电流量相关关系Fig.6 Correlation between flood discharge and power generation flow of Xiluodu Reservoir

2.2 过饱和TDG计算及其对鱼类影响分析

TDG过饱和的生成计算采用Lu[5]建立的高坝泄流过饱和TDG的生成预测模型，计算得7月4日～11日泄洪期间坝下游生成的TDG饱和度如图7所示。

在坝下水垫塘内，随着泄洪流量的增加，TDG饱和度由128.3%逐渐升高至180.2%(7月5日10时)，并在之后的泄洪过程中保持TDG饱和度在180%左右，最后泄洪阶段TDG饱和度降至165.1%。经发电尾水掺混后，TDG饱和度降至101.2%～146.1%之间，平均TDG饱和度为125.4%，从7月5日10时起，至7月11日8时，掺混后的TDG饱和度均在120%以上。

图7 溪洛渡泄洪生成TDG饱和度Fig.7 TDG saturation generated by flood discharge of Xiluodu Reservoir

向家坝库区死鱼时段主要集中在7月8日至7月13日。越接近坝址下游，鱼类死亡时间越早，距离坝址越远，死亡时间则相对滞后。研究表明，当水体中TDG饱和度在120%以上时，鱼类在短时间内易患上气泡病并进一步发生死亡现象，120%～125%TDG过饱和水体中的鱼类的生存半致死时间大多在24h以内[15-16]。自7月5日10时起，溪洛渡泄洪所引起的TDG饱和度均超过120%，考虑到TDG过饱和水体从坝下至库区输移所需的时间，库区鱼类所面临的TDG过饱和胁迫根据与坝址的距离相应延后。此外，由于补偿水深作用的存在，鱼类在TDG过饱和水体中的存活时间还受到其所处水体深度的影响，浅层水体鱼类(尤其是处于网箱中的养殖鱼类)相较于深层水体中的鱼类更容易受到TDG过饱和的胁迫[2]。

随着金沙江下游梯级电站的规划与建成，其在汛期下泄洪水造成的TDG过饱和问题已不容忽视，研究减缓TDG过饱和对鱼类影响的措施已刻不容缓，其工作主要包括三个方面的内容：一是探究在不同TDG饱和度下金沙江鱼类的响应机制；二是优选金沙江下游梯级电站运行调度方式，以达到降低TDG饱和度的目的；三是探究金沙江鱼类回避TDG过饱和水体的规律，营造金沙江鱼类回避TDG过饱和水体的空间。

3 结 论

本文以2014年汛期发生在向家坝库区的死鱼事件为例，分析了泄洪期间流量、水位等外部环境因子的变化，并基于此计算出溪洛渡坝下游的TDG过饱和情况，得到以下主要结论：

3.1 泄洪期间，溪洛渡入库流量在6 310～12 200m3/s之间，出库流量主要由发电流量与泄洪流量构成，在5 940～11 200m3/s之间，库区水位由泄洪前的563.01m降低至560.77m，坝下游水位由泄洪前的381.47m升高至383.08m。

3.2 在坝下水垫塘内，TDG饱和度由128.3%逐渐升高至180.2%，经发电尾水掺混后，平均TDG饱和度变为125.4%，鱼类死亡期间TDG饱和度均在120%以上，表明死鱼事件的主要原因为下游饱和度超过120%的高TDG水体。