西南山区防洪水库泄洪过饱和总溶解气体预测及影响研究

关键词：总溶解气体；过饱和；防洪高坝；评估框架；数值模拟

中图分类号：TV87 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0054-08

水利水电工程在发挥防洪、发电、航运和灌溉等社会经济效益的同时［1-2］，也显著地改变了河流的水文情势、水温和水生生物栖息地条件等［3］，从而对河流生态系统产生了一系列不利影响［4-6］。其中，高坝对河流影响尤为显著。最突出的问题之一是高坝泄洪时，水舌卷吸大量空气进入泄洪水流，强掺气水流进入消力池内，气泡在高压作用下迅速溶解于水体，从而达到相对于大气压的总溶解气体（Total Dissolved Gas，TDG）过饱和状态。然而过饱和TDG释放过程极为缓慢，其持续影响可能导致坝下鱼类患气泡病甚至大规模死亡［7-9］。

目前，过饱和TDG 的研究主要集中于过饱和TDG的生成模型、输移释放模型、鱼类对其的耐受性和回避行为，以及过饱和TDG 的减缓措施研究［10-12］。20世纪70年代起，美国陆军工程兵团在哥伦比亚河上布设监测网络。随后，华盛顿大学等机构提出过饱和TDG释放过程服从一阶动力学方程，在纵向一维恒定流预测模型中引入表征TDG释放速度的释放系数［13］。Feng 等［14-15］基于国内多个高坝工程原型观测成果，对过饱和TDG释放模型中释放系数的取值进行了修正和率定。Ma等［16］针对泄洪的非恒定流特征，建立了过饱和TDG一维非恒定流释放预测模型，并在此基础上，开发了过饱和TDG风险评估模型。冯镜洁等［17］提出了适合于山区狭长型水库的立面二维过饱和TDG输移释放模型。Wan等［18］建立了深度平均的平面二维模型过饱和TDG输移释放模型，并运用于金沙江下游向家坝水库。Shen等［19］基于室内试验，开发了三维过饱和TDG输移释放模型。

国内外已有研究表明不同鱼类对过饱和TDG水体耐受往往存在一定差异［20-21］。Beeman等［22］通过比较哥伦比亚河流域内5种不同鱼类在TDG过饱和水体中的半数死亡时间，结果表明不同鱼类对TDG过饱和水体的耐受性各异。对长江上游特有鱼类的室内试验研究表明，胭脂鱼、齐口裂腹鱼和岩原鲤幼鱼对TDG 过饱和水体耐受能力存在差异［23-25］。此外，国内外学者还开展了鱼类在TDG过饱和水体中的回避感应能力研究。对哥伦比亚河中游分布的大鳞大马哈鱼的研究结果表明，大鳞大马哈鱼能探知到117% 的TDG 过饱和水体［26］，对130%TDG饱和度水体能作出有效的回避［27］。对长江上游珍稀鱼类胭脂鱼和岩原鲤水平回避效应的分析表明［11，23］，高饱和度下鱼类有较强的回避性，而当饱和度在125%以下时，回避性能则较弱。此外，鱼类在TDG 过饱和水体中利用补偿水深来躲避TDG过饱和的能力也存在差异。

尽管TDG过饱和领域的研究成果丰硕，然而关于高坝泄洪TDG生态评估框架的研究还较为缺乏。针对特定流域不同泄洪强度影响下的TDG输移释放规律及其对下游河道的生态影响研究并不多。嘉陵江流域位于中国西南山区，受地形条件、区域降水分布不均以及下垫面条件影响，流域内洪涝灾害频繁发生。近年来，该流域规划新建以江家口为首的12座具有较大防洪作用的水库，以提升该流域的防洪能力。本文以江家口水库为研究对象，采用TDG过饱和生成模型和河道纵向一维TDG输移释放模型来探究坝下河道过饱和TDG的分布特征，并结合典型珍稀鱼类对TDG过饱和的耐受性和行为学响应，分析TDG过饱和对坝下河流生态系统的影响。选择江家口水库的原因在于其工程代表性强，其为该流域的典型高坝防洪水库（坝高97. 9 m），泄洪能力强；且生态敏感性强，坝下28. 5 km处设有特有鱼类国家级水产种质资源保护区，其泄洪产生的过饱和TDG对保护区内鱼类的影响尚不清楚。

1研究区域和方法

1. 1区域概况

澌滩河位于通江左岸，全长129 km，总落差1 007 m，平均比降7. 8‰，属于嘉陵江流域。江家口水库位于澌滩河中游河段（图1）。其防洪库容为8304万m³，年均来水量6. 12亿m³，具有年调节性能。江家口水库开发任务以防洪为主，兼顾发电。江家口坝下28. 5 km处为通河特有鱼类国家级水产种质资源保护区。该保护区于2010年11月25日由农业部以第1491号公告批准建立。保护区总面积1 970hm²，其中核心区面积945 hm²，实验区面积1025hm²。特别保护期为全年。保护区内有鱼类76种，分属于7目18科63属。在保护区内分布有四川省重点保护鱼类——岩原鲤，以及《世界自然保护联盟濒危物种红色名录》中近危物种——鲢。本研究选择上述2种珍稀鱼类作为目标保护鱼类。

1. 2预测评估框架

高坝泄洪过饱和TDG评估框架由过饱和TDG生成模型、过饱和TDG混合模型、过饱和TDG输移释放模型以及鱼类生物响应试验构成（图2）。首先基于水库的典型泄洪方式，采用过饱和TDG生成模型预测不同泄洪情境下产生的过饱和TDG浓度；然后，通过过饱和TDG混合模型计算出由发电尾水混合后的研究河段源头处的过饱和TDG浓度；根据计算出的混合浓度作为过饱和TDG输移释放模型的输入边界条件，计算沿程的TDG浓度分布以及水深等水力学参数；通过室内/现场实验获得鱼类的耐受性和回避能力。具体方法推荐参考文献［25］的研究；最后，将目标鱼类的耐受性和回避能力与TDG浓度场和水动力场耦合，对比分析过饱和TDG对鱼类的影响程度。

1. 2. 1纵向一维水动力模型

水动力学特性模拟以河道纵向一维非恒定流水面线方程为基础，水动力学方程如下：

1. 2. 2过饱和TDG生成模型

国内外关于水坝泄水导致TDG过饱和的预测方法主要有经验公式、机理解析模型和紊流数值模型［28］。在本研究中，采用马倩［10］开发的过饱和TDG生成模型预测江家口水库TDG的生成浓度。过饱和TDG的产生过程可分为3个阶段：①由空气射流产生的TDG；②气体在高压下溶解在消力池中；③在消力池出口处突然释放TDG。

1. 2. 3过饱和TDG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支流汇入，采用混合模型考虑支流/发电尾水的汇入影响，即：

根据研究河段与各原型观测河段水深、流速等特征参数分析，江家口水库下游为天然河道和双滩库区。而其河段中的流量大小与澜沧江流量相近，过水断面数量级相似，本文预测中综合系数ϕ_T 参考澜沧江河段［29］，并采用两河段的平均横断面面积比修正得到，其值在江家口坝后至双滩库尾的天然河道段为4. 52×10^-9 /s，双滩库尾至双滩坝前的库区段为1. 23×10^-9 /s，双滩坝前至平昌县的天然河道为2. 25×10^-9 /s。

1. 3泄洪情景拟定

由1. 2. 3节可知，气体过饱和TDG的生成大小与泄洪流量和泄洪方式有关。根据江家口水库的设计参数，实际工程运行中，针对常遇洪水开展气体过饱和影响研究更具实际意义，确定针对2年一遇（P=50%）洪水和5年一遇（P=20%）洪水开展过饱和TDG影响预测。根据江家口水库的泄洪建筑物行洪能力，校核蓄水位下表孔溢洪道最大泄洪能力为6 380 m³/s，单个底孔泄洪洞的最大泄洪能力为1 677 m³/s。由此确定过饱和TDG 生成预测工况，见表1。

2结果与讨论

2. 1不同工况下过饱和TDG浓度生成预测

采用1. 2. 2节的数学模型预测得到江家口水库在单独运行下，各工况的泄洪生成的TDG饱和度见表2。预测结果显示，江家口单独泄洪条件下，无论采用何种泄洪建筑物泄洪，5 年一遇泄洪产生的TDG饱和度最高。具体如下：当采用表孔溢洪道宣泄2年一遇洪水（工况1）时，泄洪产生的TDG饱和度为110. 9%；当采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水（工况2）时，泄洪产生的TDG饱和度为115. 4%；当采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水（工况3）时，泄洪产生的TDG 饱和度为113. 7%；当采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水（工况4）时，泄洪产生的TDG饱和度为119. 9%。

2. 2坝下过饱和TDG输移释放

根据河道水动力学计算结果，得到江家口水库工况1、3（2年一遇）和工况2、4（5年一遇）坝址下游的沿程释放系数，其变化情况可大致分为天然河道、库区和天然河道3个阶段，见图3。

工况1、3流量下过饱和TDG释放系数平均值在江家口坝址至喜神河汇口河段为0. 150/h，其中最大值为0. 210/h，最小值为0. 093/h；喜神河汇口至双滩坝址库区为0. 067/h，其中最大值为0. 110/h，最小值为0. 020/h；双滩坝址至平昌县河段平均释放系数0. 160/h。

工况2、4流量下过饱和TDG释放系数平均值在江家口坝址至喜神河汇口河段为0. 14/h，其中最大值为0. 19/h，最小值为0. 15/h；喜神河汇口至双滩坝址库区为0. 071/h，其中最大值为0. 10/h，最小值为0. 02/h；双滩坝址至平昌县河段平均释放系数为0. 15/h。采用1. 2. 4节中涉及的TDG释放模型，分别对江家口水库2年一遇和5年一遇洪水条件下过饱和TDG在江家口坝下至平昌县河段的输移释放过程进行预测，结果见图4、表3。

预测结果显示，各工况下，泄洪生成的过饱和TDG 在下游河道内逐渐释放，TDG饱和度逐渐降低。工况1中，泄洪水流生成TDG饱和度为110. 9%。因江家口坝址距喜神河汇口仅6. 0 km，TDG随流输移释放效果不明显，TDG饱和度沿程变化很小。未考虑喜神河上支流梯级泄洪的影响，TDG饱和度值为100%，但由于此支流流量较小，汇入后使澌滩河干流内TDG饱和度仅降低0. 5%，由110. 7% 降低至110. 2%。随着向下游输移释放，TDG饱和度逐渐降低，至距离江家口坝址28. 5 km处在左岸汇入通江，TDG 饱和度降低为107. 0%。至江家口坝下38. 8 km为双滩坝址断面，其TDG饱和度为105. 4%。双滩坝下输移释放至平昌县时，TDG饱和度由105. 4% 减少至103. 9%，减少了1. 5%。坝下28. 5 km 处进入通河特有鱼类国家级水产种质资源保护区，保护区最高饱和度为106. 6%。

在工况2中，泄洪水流生成TDG饱和度为115. 4%。至喜神河汇口TDG饱和度为115. 1%，基本未发生变化。喜神河汇入后使澌滩河干流内TDG饱和度仅降低0. 4%，由115. 1. % 降低至114. 7%。随着向下游输移释放，TDG饱和度逐渐降低，汇入通江后，TDG饱和度降低为110. 9%。至双滩坝址断面，其TDG 饱和度为109. 3%。双滩坝下输移释放至平昌县时，TDG饱和度减少了2. 1%，由109. 3% 至107. 2% 。保护区内最高饱和度为110. 9%。

在工况3中，溢洪洞泄洪水流生成TDG饱和度为113. 7%。喜神河汇入后，TDG 饱和度降低至112. 8%。由于TDG 随流输移释放及通江干流对TDG 的稀释，至双滩坝址断面，TDG 饱和度减至106. 8%。水流抵至平昌县的TDG 饱和度为104. 9%。保护区内最高饱和度为108. 3%。

在工况4中，溢洪洞泄洪水流生成TDG饱和度为119. 9%。喜神河汇入后，TDG 饱和度降低至119. 0%。由于TDG 随流输移释放及通江干流对TDG 的稀释，至双滩坝址断面，TDG 饱和度减至112. 1%。水流抵至平昌县的TDG饱和度为109. 3%。保护区内最高饱和度为114. 2%。

2. 3过饱和TDG对坝下鱼类的影响

本研究基于王远铭［25］提出的长江上游保护鱼类的安全TDG浓度115%，并结合岩原鲤和鲢鱼的耐受性和垂向回避能力实验，分析坝下河段TDG对鱼类的影响。对于鲢鱼来说，由于耐受性较高，其对TDG饱和度的耐受阈值为130%［30］。由图4可知，4种工况中过饱和TDG的最高浓度为119. 9%，因此不会对鲢鱼造成不利影响。

对于岩原鲤来说，在TDG 浓度高于115%时，会发生死亡现象。因此，工况1、3全河段不会对岩原鲤产生不利影响；工况2 中，距离坝址2. 7 km 处TDG浓度降低到115%以下；工况4中，通江汇口下游1. 0 km后TDG浓度降低到115%以下。因此工况2中距离坝址2. 7 km以后的河段和工况4中通江汇口下游1. 0 km 后的河段不会对岩原鲤产生不利影响。

文献［26］研究表明，岩原鲤具有垂向回避能力，对于任一水平的过饱和TDG，均存在一对应水深，在这个深度上，鱼类所能感受到的过饱和程度为0，因而可以躲避TDG过饱和的影响，这一水深即为鱼类的补偿深度。对于TDG过饱和的水体，如果水深大于鱼类补偿深度要求，鱼类能够潜入到补偿深度以下的水域生活，就可以躲避TDG过饱和的影响。基于此，针对TDG浓度高于115%的河段，计算了所需的补偿水深（图5）。结果表明，对于2年一遇和5年一遇的洪水过程，全河段水深均大于岩原鲤所需的补偿水深，工程对岩原鲤的影响极其有限。

综上，江家口水库泄洪产生的过饱和不会对国家种质资源保护区产生不利影响。此外，本研究建议江家口在采用底孔泄洪洞宣泄5年一遇洪水时，应采用间歇性泄洪［10］，使坝下局部河段（保护区外）过饱和TDG对岩原鲤的影响降到最低。

3结论

a）江家口水库单独运行的情景下，采用表孔溢洪道宣泄2 年一遇洪水时产生的TDG饱和度为110. 9%，采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水时产生的TDG 饱和度为115. 4%，采用底孔泄洪放空洞宣泄2年一遇洪水时产生的TDG饱和度为113. 7%，采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水时产生的TDG饱和度为119. 9%。基于过饱和TDG纵向一维输移释放模型，除采用表孔溢洪道宣泄5年一遇洪水时江家口坝址-江家口坝下2. 7 km河段和采用底孔泄洪放空洞宣泄5年一遇洪水时江家口坝址-通江汇口河段外，其余工况各河段的TDG浓度均低于115%。

b）相同工况对不同保护鱼类的影响不同，鲢鱼对TDG浓度低于130%的水体有耐受性，岩原鲤在TDG浓度高于115%时会出现死亡现象。故4种泄洪工况均不会对鲢鱼产生不利影响；且由于坝下河段泄洪期水深均大于岩原鲤的补偿水深，岩原鲤在利用补偿水深后，也不会受到过饱和TDG的影响。综上所述，江家口水库单独运行的情景下，其泄洪过程不会对国家种质资源保护区产生影响。