顧 洋，劉四華，黃 翔，楊 軍，馮鏡潔，王遠(yuǎn)銘

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；2.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，成都 610000；3.國電大渡河大崗山發(fā)電有限公司，四川 雅安 625400)

前 言

水電作為清潔能源，近年發(fā)展迅速，已成為我國領(lǐng)先的可再生能源，占據(jù)可再生電力總量的71%[1]。水電工程帶來巨大效益的同時，伴隨而來的生態(tài)環(huán)境問題也日益突出，受到社會廣泛關(guān)注[2]。其中之一即是，大壩泄洪時水舌卷吸大量空氣形成強摻氣水流，進入消力池底部時在高壓作用下空氣溶解于水體，相對于大氣壓來說達到總?cè)芙鈿怏w(Total Dissolved Gas，簡稱TDG)過飽和狀態(tài)。水流向下游流動的過程中，溶解氣體難以快速釋放至平衡態(tài)，TDG過飽和影響將持續(xù)較遠(yuǎn)距離[2-4]。期間可能導(dǎo)致魚類患“氣泡病”(Gas Bubble Disease)甚至規(guī)模性死亡[5-6]。TDG過飽和已成為大壩泄洪運行的重要生態(tài)環(huán)境風(fēng)險之一。

為了掌握過飽和TDG在下游河道的輸移釋放特性和規(guī)律，70年代起美國陸軍工程兵團在Columbia河上布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，華盛頓大學(xué)提出過飽和TDG釋放過程服從一階動力學(xué)反應(yīng)，據(jù)此提出縱向一維恒定流預(yù)測模型，模型中引入了表征TDG釋放速度的重要參數(shù)——釋放系數(shù)。基于傳質(zhì)的基本理論分析提出釋放系數(shù)估算公式，認(rèn)為水深、流速、氣體分子擴散是影響釋放的因素[7]。馮鏡潔(2010，2014)[4]對雅礱江、金沙江、瀾滄江開展原型觀測并結(jié)合機理實驗，修正了釋放系數(shù)的估算方法。為了解過飽和TDG在壩下的分布并以此討論對魚類的影響，Johnson(2007)[8]等采用深度平均平面二維模型MASS2對Bonneville Dam 和Ice Harbor Dam下游河段的過飽和TDG開展模擬。Feng(2014)[9]考慮水體內(nèi)部釋放和表層與大氣的傳質(zhì)作用，提出了適用于深水庫的寬度平均立面二維模型。Yuan(2018)[10]針對含有阻水介質(zhì)影響的水體內(nèi)過飽和TDG的耗散特性及預(yù)測方法，提出了三維模型，但僅僅運用于水槽實驗結(jié)果的模擬。

為了減輕TDG過飽和影響，F(xiàn)eng(2014)[11]基于對上下游電站運行下巴拉庫區(qū)過飽和TDG分布的影響分析，建議上游電站采用間歇泄洪，下游電站采用表層孔口泄洪的方式降低庫區(qū)的TDG影響。Ma(2016)[12]采用一維非穩(wěn)態(tài)模型對溪洛渡、向家壩不同泄水模式下大壩下游過飽和TDG的輸移釋放進行預(yù)測，提出間歇性泄洪相比較持續(xù)泄洪有助于減緩TDG過飽和對魚類的影響。Shen(2016)[13]數(shù)值模擬分析表明在合適的水流交匯區(qū)可以利用工程措施營造一定的TDG低飽和度區(qū)域供魚類暫避TDG過飽和不利影響。Ou(2016)[14]通過在水柱內(nèi)對TDG過飽和水體開展不同孔徑和氣量的曝氣試驗，試驗結(jié)果表明，曝氣能顯著加快局部區(qū)域過飽和TDG的釋放，但該成果限于室內(nèi)試驗研究。Witt[15](2017)發(fā)現(xiàn)在不同的時間段里改變溢洪道泄水流量可以降低TDG生成水平，并且能同時滿足發(fā)電要求。李紀(jì)龍(2018)[16]提出當(dāng)壩前來流的TDG水平較低時，尾水與泄洪水流摻混作用能有效的降低TDG的飽和度，并在尾水下游河道營造一定的低TDG飽和度區(qū)域供魚類生存利用?，F(xiàn)有的模型及釋放系數(shù)的研究多針對天然河道或深水庫區(qū)，對河道型水庫關(guān)注較少；對過飽和TDG的影響分析也未考慮河道斷面形狀及不同水深區(qū)域?qū)DG補償?shù)囊蟆?/p>

河道型水庫具有河流和水庫的雙重特性，與一般水庫不同，河道型水庫水深與水面寬都遠(yuǎn)小于庫長; 枯水期上游來水較少，水庫處于高水位運行，呈現(xiàn)水庫和湖泊的特性; 洪水期因防洪需要，水庫低水位運行，來水流量基本等于泄水量，呈現(xiàn)河道的特性。因此河道型水庫水動力及過飽和TDG傳輸特征受邊界條件影響很大?？紤]到河道型水庫水體水深較淺，紊動較大，隨著水流向下游輸移擴散，TDG飽和度在橫向上趨于均勻，在垂向上亦無明顯分布，考慮到泄水水流的非恒定流特征，縱向一維模型適用于過飽和TDG在河道型水庫的釋放模擬。在梯級水電站的聯(lián)合運行中，河道型水庫中的過飽和TDG釋放問題值得探討。本文針對河道型水庫飽和TDG釋放預(yù)測問題，建立適用于河道型水庫的過飽和TDG釋放預(yù)測模型，研究了不同洪水條件下的過飽和TDG分布和以及在變水位運行條件下的水動力學(xué)和過飽和TDG釋放特性，結(jié)合河道橫斷面特性與魚類補償水深的需求，分析橫斷面上不同區(qū)域的水深變化和魚類補償水深的滿足性，進而探討對淺水水庫減緩過飽和TDG不利影響的水庫運行方式。本文成果拓展了過飽和TDG釋放模型及應(yīng)用，對梯級電站優(yōu)化調(diào)度以減緩TDG影響的研究和方案實施提供技術(shù)支撐，對于梯級水電開發(fā)河流的水生態(tài)保護具有重要意義。

1 河道型水庫過飽和TDG釋放預(yù)測模型

龍頭石水庫位于大渡河中游，水庫長度約16km，平均寬度在300m左右，是一座典型的河道型水庫。庫區(qū)的觀測結(jié)果表明，由于庫區(qū)水深較淺，加之運行后泥沙淤積的影響，水體水深較淺，紊動較大，隨著水流向下游輸移擴散，TDG飽和度在橫向上趨于均勻，在垂向上亦無明顯分布，其環(huán)境水力學(xué)特性接近河道，因此選擇縱向一維模型開展過飽和TDG釋放的預(yù)測和研究。

1.1 模型方程

1.1.1 縱向一維非恒定流水動力計算方程

采用縱向一維水動力模型對河道型水庫庫區(qū)段進行概化，采用圣維南方程組求解：

(1)連續(xù)方程：

(1)

式中，A 為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q 為過水?dāng)嗝媪髁?，m3/s；t 為時間，s；s 為上下游斷面之間的距離，m。

(2)運動方程：

(2)

(3)

式中，v 為流速，m/s；z 為上游斷面與下游斷面水位差，m；K 為斷面平均流量模數(shù)，m3/s；n 為糙率，是綜合反映河道壁面粗糙情況對水流影響的一個系數(shù)。其值一般由實驗數(shù)據(jù)測得，使用時可查表選用；R 為水力半徑，m。

1.1.2 過飽和TDG釋放方程

美國陸軍工程兵團率先提出過飽和TDG在下游河道的釋放服從于一階動力學(xué)過程。馮鏡潔(2014)[4]對我國二灘、三峽、漫灣、紫坪鋪等高壩下游河道以及銅街子和大朝山兩個河道型水庫的過飽和TDG開展原型觀測，結(jié)果也證明TDG過飽和度的降低過程符合一階動力學(xué)反應(yīng)?？紤]到本文研究的龍頭石水庫在汛期與天然河道水力學(xué)特性相似以及泄水水流的非恒定流特征，本文對過飽和TDG在河道型水庫的釋放模擬采用縱向一維模型。基于一維對流擴散質(zhì)量傳輸方程，模型中過飽和TDG縱向一維非恒定流釋放方程為：

(4)

(5)

(6)

式中，Gs為TDG過飽和度，%；Gc為過飽和TDG源匯項，%；DL綜合擴散系數(shù)，m2/s；B 為斷面平均水面寬度，m；d 為斷面平均水深，m；g 為重力加速度；Sf為河床摩阻坡度，用謝才公式確定，如式(6)[17]； kT為過飽和TDG釋放系數(shù)，day-1，釋放系數(shù)kT是表征TDG釋放速度的重要參數(shù)，在相同條件下釋放系數(shù)kT越大，過飽和TDG釋放越快，其計算式為：

(7)

式中，Ui為i斷面平均流速，m/s；Hi為i斷面平均水深，m；ΦT為考慮分子擴散、紊動擴散作用等的綜合系數(shù)，s-1。在研究區(qū)域，庫尾區(qū)域流速大水深淺，壩前區(qū)域流速小水深大，所以庫尾區(qū)域kT值大于壩前區(qū)域kT值。但是考慮到龍頭石庫區(qū)的入出庫過程是非恒定的，連續(xù)觀測的原型觀測點位僅有2個，分段計算的流速、水深因子無法與無分段的TDG觀測結(jié)果匹配，因此論文采用試算得到整個庫區(qū)的綜合釋放系數(shù)。全庫區(qū)的綜合釋放系數(shù)也得到實測工況的良好驗證，因此作者認(rèn)為本文推求釋放系數(shù)的方法是合理的。

1.2 計算對象及邊界條件

1.2.1 計算對象介紹

本文研究區(qū)域選擇大渡河龍頭石庫區(qū)段，為大崗山尾水出口至龍頭石壩前間約16.1km的大渡河干流段。計算區(qū)域無大型支流匯入，因此計算中不考慮支流影響。

龍頭石水電站位于四川雅安石棉縣安順場上游10km，上銜大崗山水電站，下游至石棉縣城段為天然河道。最大壩高72.5m，水庫正常蓄水位955.0m，設(shè)計總庫容1.39億m3，具有日調(diào)節(jié)能力。但該電站運行以后庫區(qū)淤積嚴(yán)重，基本喪失調(diào)節(jié)能力[18]。

大崗山水電站最大壩高210m，水庫正常蓄水位1130.0m，汛限水位1123.00m，正常蓄水位以下庫容7.42億m3，具有日調(diào)節(jié)能力。泄洪筑物包括壩身四個深孔，右岸一條開敞式泄洪洞，均采用挑流消能方式，深孔下設(shè)水墊塘和二道壩，泄洪洞出流至河道，形成沖坑。

1.2.2 邊界條件

水動力學(xué)計算中上游邊界采用流量邊界，下游采用流量和水位邊界。龍頭石水庫入流為大崗山水電站出庫水流，采用大崗山電站調(diào)度數(shù)據(jù)；龍頭石出庫流量和水位采用龍頭石電站調(diào)度數(shù)據(jù)。

過飽和TDG釋放計算中上游TDG濃度邊界采用大崗山出庫TDG，為泄洪水流與發(fā)電尾水摻混后的TDG飽和度。

參數(shù)率定和模型驗證采用2017年9月13日至9月15日期間觀測成果，水動力邊界條件見圖1，過飽和TDG邊界條件見圖2。

圖1 水動力邊界條件Fig.1 Hydrodynamic boundary conditions

圖2 過飽和TDG邊界條件Fig.2 Supersaturated TDG boundary conditions

1.3 參數(shù)的確定

1.3.1 糙率選擇

龍頭石庫區(qū)段河床多為卵石塊石，床面不平整，底坡呈不規(guī)則凹凸?fàn)睿瑑蓚?cè)岸壁為巖石及砂土，長有雜草樹木。根據(jù)《天然河道、灘地糙率參考表》[19]，庫區(qū)段糙率取值為0.04～0.05。水庫建成后，河道泥沙細(xì)化，糙率降低，在水位運行變動區(qū)間內(nèi)，糙率約為天然河道的95%。綜上分析，本文計算時將河段的糙率取值為0.04。

1.3.2 釋放系數(shù)率定

采用2017年9月13日成果對研究河段的釋放系數(shù)進行率定，選擇龍頭石壩前3.6km新民鄉(xiāng)斷面監(jiān)測值進行參數(shù)的確定。

試算了多組釋放系數(shù)kT，結(jié)果見圖3，表明釋放系數(shù)值在0.5d-1至1.5d-1間，本文選擇kT=1.0d-1進行模型驗證和過飽和TDG影響預(yù)測。

圖3 釋放系數(shù)率定結(jié)果圖Fig.3 Graph of release coefficient calibration results

1.4 模型驗證

1.4.1 水動力模型驗證

采用2017年9月13日至9月14日大崗山電站壩下監(jiān)測水位對水動力學(xué)計算結(jié)果進行驗證，結(jié)果見圖4。結(jié)果表明計算值與實測值的變化規(guī)律一致，在9月13日22時至9月14日10時計算偏差較大，最大絕對誤差為2.7m。考慮到本文采用的地形為大崗山、龍頭石修建前的地形，電站的修建和運行對局部地形有一定影響，因此存在一定的水位誤差，認(rèn)為本文采用的水動力學(xué)模型和參數(shù)取值基本可靠。

圖4 水動力模型驗證結(jié)果圖Fig.4 Graph of hydrodynamic model verification results

1.4.2 過飽和TDG釋放模型驗證

采用龍頭石壩前3.6km右岸新民鄉(xiāng)斷面2017年9月14日的過飽和TDG觀測值進行模型驗證，結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示，模擬值能反映實測過飽和TDG在這一日的變化趨勢，最大絕對誤差為4.3%，最大相對誤差為3.3%。表明釋放系數(shù)kT取1.0d-1基本合理，本文建立的河道型水庫縱向一維過飽和TDG釋放模型能用于龍頭石庫區(qū)過飽和TDG釋放預(yù)測中。

圖5 模型結(jié)果驗證圖Fig.5 Graph of model verification result

2 變水位運行下的過飽和TDG影響分析

根據(jù)水電站調(diào)度運行規(guī)律，水庫會在某些條件下降低水位運行，如承擔(dān)防洪功能的水庫在汛前通常會降低庫水位騰庫迎汛，以防造成庫區(qū)淹沒損失。汛期來流中攜帶大量營養(yǎng)物質(zhì)，容易在河灘地沉積成為魚類重要的索餌場所。水庫快速騰庫可能會造成在灘地覓食等生活的魚類擱淺，同時在同等過飽和TDG水平下，灘地區(qū)域水深下降會造成補償水深不同。研究表明，魚類能夠通過探知氣體過飽和而游向深水區(qū)暫避TDG的不利影響，這一水深稱為補償水深。補償水深計算公式為：

(8)

式中，h 為補償水深，m；GT為補償起始飽和度，與庫區(qū)分布魚類耐受性有關(guān)，美國國家環(huán)保局(1986)[18]規(guī)定河道過飽和TDG上限制為110%；T 為補償水平，根據(jù)美國Weitkamp團隊(2003)[20]研究結(jié)果取值為9.6%/m。

一般來說水庫斷面平均水深能滿足魚類補償水深的要求，但水庫水位驟降使灘區(qū)的水深降低，可能不滿足補償水深的需求，將增加魚類患?xì)馀莶∩踔了劳龅娘L(fēng)險。論文基于觀測期間龍頭石水庫運行方式，設(shè)置變水位運行工況進行計算，分析變水位條件下龍頭石庫區(qū)沿程TDG飽和度變化與灘區(qū)補償水深利用情況。

2.1 預(yù)測工況

觀測期間發(fā)現(xiàn)，龍頭石在大崗山將進行大流量泄洪時，會提前騰庫以減小庫區(qū)淹沒和保證防洪安全。預(yù)測工況采用大崗山水電站五年一遇和兩年一遇兩種常遇洪水條件，流量分別為4 800m3/s和3 920m3/s。觀測期間大崗山水電站典型發(fā)電流量為843m3/s，TDG飽和度為112%。采用盧晶瑩[21]提出過飽和TDG生成預(yù)測模型，得到泄洪水流與發(fā)電尾水摻混后TDG飽和度分別為136.2%和129.5%。設(shè)計龍頭石電站采用騰庫至950m、騰庫至951.5m、維持汛期水位953m不騰庫等三種過程，開展為期48h的計算。上下游水力學(xué)邊界條件見圖6。泄洪時出庫TDG為對應(yīng)洪水頻率下的出庫飽和度；僅發(fā)電機組出流時，TDG飽和度取112%。預(yù)測工況見表1。

圖6 上下游水力學(xué)邊界條件圖Fig.6 Graph of boundary condition of up-stream and downstream hydraulics

表1 工況表Tab.1 Working condition table

2.2 過飽和TDG釋放預(yù)測結(jié)果分析

泄洪影響波及整個龍頭石庫區(qū)后的過飽和TDG沿程釋放結(jié)果見圖7。相同水位條件下龍頭石壩前斷面的TDG過程見圖8。

圖7 過飽和TDG沿程釋放結(jié)果Fig.7 Results of oversaturated TDG release along the way

圖8 龍頭石壩前TDG過程Fig.8 TDG process in front of Longtou Shiba

沿程釋放結(jié)果表明，來流為五年一遇洪水的工況中，3個工況的TDG釋放水平接近，其中工況3過飽和TDG釋放最快，龍頭石入庫水流TDG飽和度為136.2%，至龍頭石壩前TDG飽和度為130.1%，在全庫區(qū)范圍內(nèi)降低了6.1%。工況1相對較慢至龍頭石壩前飽和度為130.6%，與工況3相差0.5%。當(dāng)來流為兩年一遇洪水時，龍頭石入庫水流TDG飽和度為129.5%，龍頭石壩前TDG飽和度為123.9%，在全庫區(qū)范圍內(nèi)降低了5.6%。

選擇龍頭石壩前為典型斷面分析TDG過程，表明兩年一遇洪水由于生成的TDG水平較低，整個時段內(nèi)比五年一遇洪水的TDG水平低。五年一遇洪水條件下3個工況的趨勢一致，TDG水平也較為接近，最大相差0.5%。

從預(yù)測結(jié)果看，龍頭石水電站的運行方式對庫區(qū)的過飽和TDG的最大值影響不大，在大崗山停止泄洪后，工況1的TDG飽和度會比其他相同流量條件下工況高0.5%左右。決定龍頭石庫區(qū)TDG過飽和度的主要是大崗山水電站泄水產(chǎn)生的TDG過飽和度的大小。大崗山停止泄水后，龍頭石壩前處TDG飽和度釋放需要時間也較長。在兩年一遇洪水下，龍頭石壩前過飽和TDG釋放至泄水前水平需要19h；在五年一遇洪水下，龍頭石壩前過飽和TDG釋放至泄水前水平需要29h。因此，來流TDG飽和度越高，庫區(qū)內(nèi)魚類處于高飽和水體中的時間顯著拉長。

2.3 灘地的補償水深利用分析

龍頭石庫區(qū)存在多處水深較淺的灘區(qū)，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)龍頭石騰庫運行會造成部分灘地退水較快魚類擱淺和TDG補償水深不夠?qū)е聦嶒烎~死亡率提高的現(xiàn)象。因此，選擇龍頭石壩前12.4km和11.0km的大崗山大橋斷面(灘區(qū)橫長度93.2m)與七里橋斷面(灘區(qū)橫長度108.2m)作為代表性含灘區(qū)斷面，分析補償水深利用情況。計算結(jié)果見表2。

表2 計算結(jié)果表Tab.2 Calculation result

在來流為五年一遇的工況組中，工況1下的大崗山大橋斷面灘地達標(biāo)率為13.8%，七里橋斷面達標(biāo)率為5.1%，大部分灘地區(qū)不能夠滿足魚類對于補償水深的需求；在工況2下，在魚類需要補償水深沒有變化時，由于庫水位的抬升，灘地水深增大，橫向上灘地有更多區(qū)域能夠滿足需要的補償水深，兩斷面灘地達標(biāo)率分別升至72.6%與93.4%。工況3下隨著庫水位抬升至953m，兩斷面灘地最小水深升至3m以上，都能夠滿足補償水深需求。結(jié)果表明，以高水位運行能夠在上游水電站泄洪時為庫區(qū)內(nèi)灘地區(qū)域魚類提供足夠的躲避水深，進而降低灘地區(qū)域魚類患?xì)馀莶≈滤里L(fēng)險。

對比騰庫至950m的工況，兩年一遇洪水條件下(工況4)的灘地達標(biāo)率高于五年一遇洪水工況(工況1)，以七里橋斷面為例進行對比分析，結(jié)果見圖9。

圖9 七里橋斷面計算結(jié)果圖Fig.9 Graph of Qili Bridge Section Calculation Results

由于入庫流量較大，工況1斷面水位較工況4高0.3m。但上游水電站泄洪流量較大，因泄洪生成的過飽和TDG水平較高，導(dǎo)致魚類所需補償水深也更大。工況1七里橋斷面平均TDG飽和度為135.3%，灘區(qū)需補償水深2.6m，工況4斷面平均飽和度為128.9%，灘區(qū)需補償水深1.9m，跟計算斷面水深相比，工況1和工況4補償水深分別差0.5m和0.2m。減小泄洪流量、降低來流的TDG水平是減緩TDG影響的重要手段；汛期防洪以及聯(lián)合調(diào)度的要求下，在不能滿足小流量泄洪情況下，下一級電站適當(dāng)減小騰庫的水位變幅、提高灘區(qū)的水深，也能達到減緩TDG過飽和的目的。

3 結(jié)論與展望

本文對河道型水庫特性分析基礎(chǔ)上建立了過飽和TDG釋放模型，并以此開展模擬預(yù)測，探討了不同流量條件和變水位運行下的TDG水平以及對淺水庫區(qū)不同區(qū)域的影響，得到以下結(jié)論和建議。

3.1 基于河道型水庫的水力學(xué)和物質(zhì)輸運特性，建立了非恒定縱向一維過飽和TDG釋放預(yù)測模型，通過實測數(shù)據(jù)率定模型參數(shù)，也得到不同時段實測數(shù)據(jù)的良好驗證。

3.2 在相同運行水位下，五年一遇洪水流量大于兩年一遇洪水流量，大崗山壩下生成的TDG飽和度更高，差值為6.7%。經(jīng)過下游河道型水庫的釋放，飽和度仍相差6.2%。因此減小泄洪流量將有助于減小壩下生成的TDG水平，同時降低下游庫區(qū)或河道內(nèi)的TDG水平。

3.3 下游電站不同騰庫方式對過飽和TDG峰值影響不大。但是對重要索餌區(qū)域的灘地來說，下游電站保持高水位運行時，典型灘地的水深能滿足魚類暫避TDG不利影響需要；當(dāng)騰庫到較低水位時，灘地水深已大范圍不滿足補償水深的要求，提高了魚類患?xì)馀莶〉娘L(fēng)險。

3.4 建議上游電站在汛期滿足防洪安全的前提下，適當(dāng)延長泄洪時間，減小泄洪流量，降低泄洪生成的TDG飽和度；同時在上游電站泄洪期間下游水庫保持高水位運行，以滿足各灘地斷面魚類躲避TDG過飽和的補償水深要求，減輕TDG過飽和導(dǎo)致魚類患病及死亡的風(fēng)險。