高壩泄水產(chǎn)生溶解氣體過(guò)飽和水體對(duì)魚類影響的模擬研究

黃 翔， 劉 四 華

(國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

我國(guó)西南山區(qū)河流水力資源豐富，隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)和“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施，二灘、溪洛渡、向家壩等一批高壩已建或在建之中，雙江口、白鶴灘等一批壩高在200m以上的高壩也即將建設(shè)[1]。高壩工程泄洪產(chǎn)生的溶解氣體過(guò)飽和(Total Dissolved Gas，簡(jiǎn)稱TDG)水流可能會(huì)對(duì)河段內(nèi)的魚類資源造成影響，基于已有研究成果，研究某待建壩高289m的高壩工程在特定泄洪方式下，引起的下游TDG過(guò)飽和水體對(duì)河段內(nèi)魚類的影響，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高壩工程泄洪對(duì)魚類的影響以及采取相關(guān)減緩措施提供參考依據(jù)。

1 高壩泄水壩下TDG過(guò)飽和生成模擬

1.1 計(jì)算模型

由于該工程采用表、深孔挑(跌)流坎+空中碰撞消能+水墊塘消能的方式，不同泄洪方式，產(chǎn)生TDG過(guò)飽和各有特點(diǎn)。

沖坑內(nèi)和水墊塘內(nèi)TDG預(yù)測(cè)模型計(jì)算式分別如下[1]：

(1)

式中，Gd為沖坑下游TDG飽和度(%)，Gk為水墊塘出口下游TDG飽和度(%)；

Geq為對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)卮髿鈮旱腡DG平衡飽和度，取為100%；

P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮?kPa)；

φ1為沖坑內(nèi)TDG修正系數(shù)，φ2是為水墊塘內(nèi)TDG修正系數(shù)；

kd為沖坑出口區(qū)域的TDG釋放系數(shù)，kk為水流流經(jīng)二道壩時(shí)的TDG釋放系數(shù)；

hd為沖坑深(m)，hk為二道壩高(m)；

hr為沖坑出口水深(m)，ht為二道壩上水深(m)。

根據(jù)李然等(2010)研究成果，率定式(1)中參數(shù)[1]。

1.2 模擬結(jié)果

模擬該高壩工程不同泄洪方式下TDG過(guò)飽和生成情況(表1)。由于單泄洪洞泄水生成TDG飽和度值最大，考慮最不利情況，針對(duì)單泄洪洞泄水產(chǎn)生的TDG過(guò)飽和水體，研究其對(duì)魚類的影響。

因高壩泄水常與機(jī)組發(fā)電同時(shí)發(fā)生，而發(fā)電尾水不會(huì)產(chǎn)生TDG過(guò)飽和水體，當(dāng)發(fā)電尾水匯入主流后TDG飽和度由 (2)式計(jì)算[2]。

(2)

式中，G為廠房尾水與壩體泄水混合后的TDG飽和度(%)；Gh為壩體泄洪產(chǎn)生的TDG飽和度(%)；Gbd為壩前TDG飽和度(%)；Q1、Q2分別為壩體泄洪流量、廠房發(fā)電流量(m3/s)。

經(jīng)計(jì)算，待建高壩工程單泄洪洞泄洪產(chǎn)生的TDG過(guò)飽和水流與發(fā)電尾水混合后飽和度為138.9%。

2 下游河段TDG飽和度模擬

2.1 河道內(nèi)TDG過(guò)飽和輸移擴(kuò)散模型

表1 某高壩工程泄洪下游TDG過(guò)飽和生成模擬表

TDG過(guò)飽和水體在泄洪中產(chǎn)生后，在河道中的傳輸耗散由水動(dòng)力學(xué)方程和TDG釋放方程模擬。水動(dòng)力學(xué)方程由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成，TDG釋放方程采用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)提出的方程[3-4]：

(3)

式中，G為計(jì)算時(shí)刻的TDG飽和度(%)；G0為TDG初始飽和度(%)；

Geq為TDG平衡飽和度(%)；t為滯留時(shí)間(h)；kT為傳質(zhì)系數(shù)(h-1)，其計(jì)算式為[1]：

(4)

式中，Ui為各斷面平均流速；Hi為各斷面平均水深；φr為考慮分子擴(kuò)散、紊動(dòng)擴(kuò)散作用等的綜合系數(shù)。參照馮鏡潔和李然(2010)的研究成果，確定φr值為5.46×10-10/s[5]。

2.2 下游河段TDG飽和度模擬工況

研究河段屬峽谷型河流，全長(zhǎng)約200 km。由于泄洪水流流速大、壓強(qiáng)高、紊動(dòng)劇烈，泄洪時(shí)一般無(wú)魚類長(zhǎng)時(shí)間停留，故研究TDG過(guò)飽和水體對(duì)河道內(nèi)對(duì)魚類的影響，選取斷面分別為壩址下游5、20、50、100、120、150、200 km。

由1.2節(jié)中得到該高壩工程單泄洪洞泄洪產(chǎn)生的TDG過(guò)飽和水流與發(fā)電尾水混合后飽和度為138.9%，忽略支流匯入，設(shè)定工況1～工況5不同泄洪持續(xù)時(shí)間，泄洪流量為3 703 m3/s。

2.3 下游河道內(nèi)TDG過(guò)飽和模擬分析

2.3.1 研究斷面TDG飽和度隨泄洪持續(xù)時(shí)間的變化

根據(jù)研究河道實(shí)測(cè)大斷面地形資料，采用HEC-RAS軟件計(jì)算不同工況下下游河道沿程各斷面平均流速Ui和平均水深Hi隨時(shí)間的變化，進(jìn)一步求解得到TDG飽和度在大壩下游河道內(nèi)隨時(shí)間和空間的變化數(shù)值。

計(jì)算結(jié)果表明，壩下5、20、50km(圖1～3)，持續(xù)泄洪不同時(shí)間，TDG飽和度峰值都基本相等。

壩下100、120、150 km(圖4～6)，持續(xù)泄洪2 h和4 h后，100 km斷面上TDG峰值分別為125.05%、128.62%，120 km斷面上TDG峰值分別為122.27%、125.53%，150 km斷面上TDG峰值分別為118.07%、121.13%。且各斷面對(duì)應(yīng)TDG峰值持續(xù)時(shí)間都基本相等；持續(xù)泄洪8 h、12 h、16 h后，各斷面TDG峰值都基本相等，100、120、150 km斷面上TDG峰分別為133%、130%、125%。各斷面上TDG峰值持續(xù)時(shí)間隨泄洪持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而延長(zhǎng)。

壩下200 km(圖7)。持續(xù)泄洪2、4、8、12、16h后斷面TDG峰值分別為113.56%、116.44%、120.39%、122.90%、124.12%。持續(xù)泄洪2、4、8h后斷面TDG峰值持續(xù)時(shí)間基本相等；持續(xù)泄洪12 h、16 h后斷面TDG峰值持續(xù)時(shí)間逐漸增大。

圖1 壩址下游5 km處TDG隨時(shí)間變化

3 TDG過(guò)飽和水體對(duì)下游魚類影響的模擬預(yù)測(cè)

3.1 TDG過(guò)飽和水體對(duì)魚類急性致死的判斷

以黃翔等(2010)[6]對(duì)巖原鯉幼魚急性致死試驗(yàn)中半致死時(shí)間LT50成果為依據(jù)(表2)，初步判斷巖原鯉幼魚在TDG過(guò)飽和的河道內(nèi)能安全存活的區(qū)域。

圖2 壩址下游20 km處TDG隨時(shí)間變化

圖3 壩址下游50 km處TDG隨時(shí)間變化

圖4 壩址下游100 km處TDG隨時(shí)間變化

圖5 壩址下游120km處TDG隨時(shí)間變化

表2 各TDG飽和度下巖原鯉幼魚急性致死試驗(yàn)中半致死時(shí)間

圖6 壩址下游150km處TDG隨時(shí)間變化

圖7 壩址下游200km處TDG隨時(shí)間變化

假定TDG過(guò)飽和水體在河道同一斷面分布均勻，根據(jù)計(jì)算結(jié)果(圖1～7)比較斷面上TDG過(guò)飽和持續(xù)時(shí)間與對(duì)應(yīng)TDG飽和度下的半致死時(shí)間LT50，判斷該泄洪方式下，河道內(nèi)TDG過(guò)飽和水體對(duì)魚類的影響(表3)。

3.2 TDG過(guò)飽和水體對(duì)魚類的模擬影響評(píng)價(jià)

以持續(xù)泄洪12 h(工況4)為例，壩下5 km、20 km、50 km、100 km處，TDG飽和度持續(xù)時(shí)間大于對(duì)應(yīng)TDG值下半數(shù)死亡時(shí)間LT50，即判斷該斷面對(duì)魚類致死；壩下150 km、200 km處TDG飽和度持續(xù)時(shí)間都小于對(duì)應(yīng)TDG值下半數(shù)死亡時(shí)間LT50，即判斷該斷面對(duì)魚類安全；壩下120km處，TDG飽和度大于130%的時(shí)間持續(xù)了4.17 h，接近半數(shù)死亡時(shí)間LT50(130%)為4.8h的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮此斷面及上、下游斷面的安全情況，判斷該斷面對(duì)魚類亞致死。采用相同判斷方法，將判斷結(jié)果列于表4。

由表4可見(jiàn)，各工況下，隨著泄洪持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，河段內(nèi)對(duì)魚類的致死區(qū)域也逐漸延長(zhǎng)，這是因?yàn)槌掷m(xù)泄洪，TDG過(guò)飽和水體沿程釋放減慢的結(jié)果；從壩址到河道下游，TDG過(guò)飽和水體對(duì)魚類的影響從致死-亞致死-安全過(guò)渡，這是因?yàn)檫^(guò)飽和TDG在下游河道沿程釋放的結(jié)果。

表3 各工況下研究河段沿程TDG變化情況表

圖8

4 結(jié)論與討論

通過(guò)模擬預(yù)測(cè)相同泄洪流量下某高壩工程單泄洪洞泄洪時(shí)壩下TDG過(guò)飽和水流生成情況，并考慮泄洪水流的非恒定流特征及TDG過(guò)飽和水體在下游河道的一維動(dòng)力學(xué)耗散過(guò)程，得到不同泄洪持續(xù)時(shí)間，下游河段相關(guān)斷面過(guò)飽和TDG沿程情況。即隨泄洪持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，沿程各斷面上TDG過(guò)飽和度增大。

以已有研究成果巖原鯉急性致死試驗(yàn)半致死時(shí)間LT50為標(biāo)準(zhǔn)，判斷表明，泄洪流量一定，隨泄洪時(shí)間的延長(zhǎng)，河段內(nèi)對(duì)魚類的影響區(qū)域從壩下至下游逐漸延長(zhǎng)；泄洪流量、泄洪時(shí)間一定時(shí)，隨著下游河道的延長(zhǎng)，過(guò)飽和TDG逐漸耗散，其對(duì)魚類的影響區(qū)域逐漸減小。

在模擬TDG過(guò)飽和水體對(duì)魚類的影響中，判定魚類安全標(biāo)準(zhǔn)采用了TDG飽和度120%，高于美國(guó)國(guó)家環(huán)保局提出的河流允許的溶解氣體飽和度上限值為110%。因?yàn)楦鶕?jù)試驗(yàn)成果[6]，在實(shí)驗(yàn)室條件下TDG飽和度大于120%時(shí)，巖原鯉幼魚才出現(xiàn)急性致死現(xiàn)象，加之高壩泄洪是一短暫過(guò)程，巖原鯉又屬于該高壩建設(shè)影響區(qū)域魚類，所以判斷標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)選取120%。

另外，試驗(yàn)成果還表明幼魚對(duì)TDG過(guò)飽和耐受性弱于成魚[6]，對(duì)于其他魚種的研究也證明了這一結(jié)論[7-8]，所以模擬預(yù)測(cè)選擇耐受性最弱的幼魚為判斷標(biāo)準(zhǔn)、并選擇單泄洪產(chǎn)生最大TDG過(guò)飽和，是以最不利情況為分析基準(zhǔn)。

5 展 望

伴隨高壩泄水產(chǎn)生的TDG過(guò)飽和水流對(duì)下游魚類的影響是一個(gè)短暫過(guò)程。在天然情況下，TDG過(guò)飽和對(duì)魚類的影響受TDG飽和度高低、作用時(shí)間長(zhǎng)短、魚種耐受性不同等多重作用，需進(jìn)一步加強(qiáng)室內(nèi)試驗(yàn)及原型觀測(cè)，并輔以數(shù)值模擬，以明確過(guò)飽和TDG水體在下游河段沿程隨時(shí)間變化的規(guī)律及對(duì)魚類的影響，這樣才能全面正確地認(rèn)識(shí)高壩泄洪產(chǎn)生TDG過(guò)飽和問(wèn)題，才能科學(xué)制定適宜我國(guó)水電工程的TDG飽和度水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為水庫(kù)生態(tài)調(diào)度提供理論基礎(chǔ)。

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