劉 睿

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 研究背景

根據(jù)《金沙江上游水電規(guī)劃報告》顯示，金沙江上游共規(guī)劃了13級電站，自上而下依次為：西絨、曬拉、果通、崗?fù)?、巖比、波羅、葉巴灘、拉哇、巴塘、蘇洼龍、昌波、旭龍、奔子欄。方案共利用落差1 372 m，總裝機容量13 920 MW，多年平均年發(fā)電量642.29 億kW·h。推薦崗?fù)?、波羅、葉巴灘、拉哇、巴塘、蘇洼龍、昌波和旭龍8個電站為規(guī)劃實施方案，目前葉巴灘、拉哇、巴塘以及蘇洼龍四個梯級已經(jīng)核準(zhǔn)開工建設(shè)。

根據(jù)已經(jīng)核準(zhǔn)的四個梯級的布置方案，上游的葉巴灘電站、拉哇電站以及巴塘電站首尾相連，主要保護段為巴塘壩下至蘇洼龍庫尾的12 km天然河段。因此本次研究重點對葉巴灘、拉哇以及巴塘三個梯級的聯(lián)合泄洪工況進行分析，預(yù)測泄洪對巴塘壩下12 km天然河段總?cè)芙庑詺怏w過飽和的影響。

2 研究方法

2.1 過飽和TDG生成預(yù)測模型

壩身泄洪孔出口距離大壩較近，出于大壩安全考慮，通常在泄洪水流落水區(qū)域修建護坦、二道壩等，形成水墊塘進行消能，消力池內(nèi)過飽和TDG生成過程見圖1。

基于過飽和TDG生成過程的分析，得到過飽和TDG生成預(yù)測模型：

圖1 過飽和TDG生成示意

(1)

式中，Gd為消力池下游TDG飽和度，%；Geq為對應(yīng)當(dāng)?shù)卮髿鈮旱腡DG平衡飽和度，取值100%；P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，kPa；Pm為消力池底部最大絕對壓強，kPa；φ1為消力池內(nèi)壓力修正系數(shù)；kd為消力池出口區(qū)域的TDG釋放系數(shù)；hd為消力池出口水深，m；hk為消力池水墊厚度，m。

2.2 天然河道縱向一維過飽和TDG釋放預(yù)測模型

2.2.1 水動力學(xué)方程

(2)

式中，i為河道底坡；s為河道長，m；Q為斷面流量，m3/s；V為斷面平均流速，m/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；h為斷面水深，m；K為斷面平均流量模數(shù)；n為糙率；g為重力加速度，m/s2；R為水力半徑，m。

2.2.2 過飽和TDG輸移擴散方程

過飽和TDG在下游水體的輸移釋放模型采用一維輸移擴散方程，其中過飽和TDG釋放采用美國陸軍工程兵團提出的一階動力學(xué)過程。方程表述為：

(3)

式中，G為計算時刻的TDG飽和度，%；Geq為TDG平衡飽和度，%；u為斷面平均流速，m/s；t為滯留時間，s；kTDG為釋放系數(shù)，s-1。

2.3 庫區(qū)立面二維過飽和TDG釋放預(yù)測模型

2.3.1 連續(xù)性方程

(4)

式中，u、w分別為縱向和垂向流速，m/s；B為寬度，m；q為單寬流量，m2/s；x、z為右手笛卡爾二維空間坐標(biāo)系。

2.3.2 動量方程

(5)

式中，u、w分別為縱向和垂向流速，m/s；t為時間；B為寬度，m；g為重力加速度，m/s2；ρ為密度，kg/m3；p為壓強，N/m2；τxx和τxz為紊動切應(yīng)力，N/m2；α為河床與x方向的夾角；x、z為右手笛卡爾二維空間坐標(biāo)系。

2.3.3 自由水面計算方程

(6)

式中，ξ為水面高程，m；h為水深，m；Bξ為對應(yīng)高程的水面寬度，m；B為水面寬度，m；u為縱向流速，m/s；t為時間；q為單寬流量，m2/s；x、z為右手笛卡爾二維空間坐標(biāo)系。

2.3.4 TDG輸運方程

(7)

式中，B為水面寬度，m；u、w分別為縱向和垂向流速，m/s；t為時間；G為計算單元的TDG飽和度，%；x、z為右手笛卡爾二維空間坐標(biāo)系；Dx、Dz分別為縱向和垂向的離散系數(shù)；SG為TDG源項，考慮了因為壓強、溫度等條件的改變引起的水體內(nèi)過飽和TDG的釋放，以及表層水體與大氣間的傳質(zhì)作用。源項表達式如下：

SG=kTDG(Geq-G)+(KLa)s(Gs-G)

(8)

式中，G為計算單元的TDG飽和度，%；Gs為當(dāng)?shù)卮髿鈮合碌腡DG飽和度，%；Geq為當(dāng)?shù)仄胶怙柡投龋?；kTDG代表計算水體內(nèi)過飽和TDG釋放系數(shù)，h-1；(KLa)s是自由水面的水氣傳質(zhì)系數(shù)，其中a為比表面積，m-1。

2.4 壩下近壩河段平面二維過飽和TDG預(yù)測模型

連續(xù)性方程

(9)

動量方程x方向：

動量方程y方向：

輸運方程

(10)

以上式中，t為時間；x、y、z為右手笛卡爾二維空間坐標(biāo)系；ξ為水位，m；g為重力加速度，m/s2；h為水深，m；u、v分別表示在x、y方向的流速分量，m/s；p為壓強，kN/m2；ρ0為參考水密度，kg/m3；ρ為密度，kg/m3；Ex、Ey為TDG在x、y方向上的擴散系數(shù)；SΦG為源匯項；kTDG為過飽和TDG釋放系數(shù)；G為過飽和TDG濃度；f為柯氏力參數(shù)；Txx、Txy、Tyy表示不同方向切應(yīng)力。

2.5 混合模型

泄水產(chǎn)生的過飽和TDG在下游河道的輸移釋放過程中伴隨發(fā)電尾水或支流的匯入，采用混合模型考慮發(fā)電尾水或支流匯入影響，即：

(11)

式中，G為匯流與主流混合后的TDG飽和度，%；Gm為匯流混合前主流的TDG飽和度，%；Gb為匯流TDG飽和度，%；Qm、Qb分別為主流流量和匯流流量，m3/s；α為摻混系數(shù)，取值區(qū)間為0≤α≤1。

3 結(jié)果與分析

3.1 巴塘水電站單獨運行

巴塘單獨泄洪條件下，預(yù)測范圍為巴塘壩址至蘇洼龍庫尾間金沙江干流河段。采用TDG釋放模型，分別對巴塘水電站在工況1(兩年一遇洪水)和工況2(五年一遇洪水)情況下，過飽和TDG在巴塘至蘇洼龍庫尾河段的輸移釋放過程進行預(yù)測，計算河段內(nèi)典型斷面預(yù)測結(jié)果見表1。

表1 巴塘單獨泄洪下過飽和TDG輸移釋放預(yù)測結(jié)果

巴塘尾水出口至蘇洼龍庫尾段的TDG的輸移釋放過程見圖2。

圖2 巴塘壩址下游河段內(nèi)TDG飽和度沿程變化示意

工況1洪水條件下，泄水生成的TDG飽和度為119.7%(泄洪流量2 016.8 m3/s)。接納左側(cè)的發(fā)電尾水(發(fā)電流量1 553.2 m3/s)與之摻混，在不考慮上游梯級泄洪影響下，發(fā)電尾水TDG飽和度值為100%，加之流量與泄水流量比為3：4，尾水摻混對降低泄水生成的TDG飽和度的作用顯著，認為兩股水流在壩下0.5 km均勻混合，混合后的TDG飽和度為111.1%，比泄洪生成的TDG飽和度降低了8.6%。壩下0.7 km處左岸巴楚河匯入，未考慮支流梯級泄洪的影響，TDG飽和度值為100%，匯入后使金沙江干流內(nèi)TDG飽和度降低0.6%，至110.5%，隨著向下游輸移釋放，TDG飽和度逐漸降低，至距離巴塘壩址12 km的蘇洼龍庫尾斷面TDG飽和度降低為109.1%。

工況2洪水條件下，泄水生成的TDG飽和度為125.3%，接納尾水后在壩下0.5 km處與尾水混合后的TDG飽和度值降低為116.7%。壩下0.7 km處巴楚河匯入后使河道內(nèi)TDG飽和度再降低1.0 %，為115.7%，再經(jīng)過12 km河道釋放至蘇洼龍庫尾時，TDG飽和度降至113.8%。

3.2 巴塘水電站與葉巴灘水電站聯(lián)合運行

采用TDG釋放模型，分別對巴塘、葉巴灘聯(lián)合泄洪下工況3(兩年一遇)和工況4(五年一遇)過飽和TDG在巴塘至蘇洼龍庫尾河段的輸移釋放過程進行預(yù)測，計算河段內(nèi)典型斷面預(yù)測結(jié)果(見表2)。

表2 巴塘與葉巴灘聯(lián)合泄洪下巴塘下游段過飽和TDG輸移釋放預(yù)測結(jié)果

巴塘尾水出口至蘇洼龍庫尾段的TDG的輸移釋放過程如圖3所示。

圖3 巴塘壩址下游河段內(nèi)TDG飽和度沿程變化示意

工況3洪水泄水生成的TDG飽和度為119.7%，至壩下0.5 km與發(fā)電尾水摻混后，下降5.5%，降為114.2%，壩下0.7 km處巴楚河支流TDG飽和度為100%，匯入后使河道內(nèi)TDG飽和度降低0.7%，降為113.5%，至蘇洼龍庫尾，TDG飽和度降為111.7%。

工況4洪水泄水生成的TDG飽和度為125.3%，至壩下0.5 km與發(fā)電尾水摻混后，降低4.9%，降為120.4%，壩下0.7 km處巴楚河支流TDG飽和度為100%，匯入后使河道內(nèi)TDG飽和度降低1.3%，降為119.1%，至蘇洼龍庫尾，TDG飽和度降為116.8%。

3.3 巴塘水電站與拉哇、葉巴灘水電站聯(lián)合運行

采用TDG釋放模型，分別對巴塘水電站與拉哇、葉巴灘水電站聯(lián)合運行工況5(兩年一遇)和工況6(五年一遇)過飽和TDG在巴塘至蘇洼龍庫尾河段的輸移釋放過程進行預(yù)測，計算河段內(nèi)典型斷面預(yù)測結(jié)果(見表3)。

巴塘尾水出口至蘇洼龍庫尾段的TDG的輸移釋放過程見圖4。

工況5洪水泄水生成的TDG飽和度為119.7%，至壩下0.5 km與發(fā)電尾水摻混后，由于上游拉哇泄洪引起的TDG飽和度較高，至巴塘壩前溶解氣體仍釋放較少，巴塘泄洪水流與發(fā)電尾水混合后，飽和度升高2.9%，升至122.6%，壩下0.7 km處巴楚河支流TDG飽和度為100%，匯入后使河道內(nèi)TDG飽和度降低1.1%，降為121.5%，至蘇洼龍庫尾，TDG飽和度降為118.5%。

表3 巴塘與葉巴灘、拉哇聯(lián)合泄洪下巴塘下游段過飽和TDG輸移釋放預(yù)測結(jié)果

圖4 巴塘壩址下游河段內(nèi)TDG飽和度沿程變化

工況6洪水泄水生成的TDG飽和度為125.3%，至壩下0.5 km與發(fā)電尾水摻混后，升高3.5%，升高至128.7%，壩下0.7 km處巴楚河支流TDG飽和度為100%，匯入后使河道內(nèi)TDG飽和度降低1.6%，降為127.1%，至蘇洼龍庫尾，TDG飽和度降為123.7%。

3.4 分析結(jié)論

根據(jù)上文預(yù)測分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過對兩年一遇洪水和五年一遇洪水工況下的氣體過飽和影響預(yù)測可知，隨著泄洪流量的增大，其對下游氣體過飽和的影響也隨之增大。

(2)上游梯級聯(lián)合泄洪時，會對下游河段的氣體過飽和造成累積影響。

(3)根據(jù)分析預(yù)測可知，無論是巴塘單獨運行，還是巴塘與上游梯級聯(lián)合運行，溢洪道出口斷面的氣體過飽和值基本保持不變(兩年一遇為119.7%，五年一遇為125.3%)。因此，經(jīng)過溢洪道挑流后，氣體過飽和基本維持一個穩(wěn)定值，不受上游梯級影響。

(4)根據(jù)分析預(yù)測可知，梯級累積影響主要集中在發(fā)電尾水中。巴塘單獨運行時，尾水?dāng)嗝鎿交旌髿怏w過飽和值為110.2%和115.3%；巴塘與葉巴灘聯(lián)合運行時，尾水?dāng)嗝鎿交旌髿怏w過飽和值為114.2%和120.4%；巴塘與拉哇、葉巴灘聯(lián)合運行時，尾水?dāng)嗝鎿交旌髿怏w過飽和值為122.6%和128.7%，由此可見，梯級累積影響主要集中在發(fā)電尾水中。

4 結(jié)論與建議

通過對金沙江上游巴塘水電站單獨運行，對巴塘、葉巴灘聯(lián)合運行，對巴塘、拉哇以及葉巴灘聯(lián)合運行三個工況進行計算分析發(fā)現(xiàn)，梯級聯(lián)合泄洪對下游河段的氣體過飽和存在累積影響，主要集中在發(fā)電尾水之中。為避免梯級聯(lián)合泄洪對下游氣體過飽和的影響，同時考慮到葉巴灘水電站及拉哇水電站均有一定的調(diào)節(jié)能力，形成以下建議：

(1)泄洪發(fā)生頻率控制。金沙江上游水電站泄洪時段主要在6～9月。從流域角度考慮，充分利用葉巴灘和拉哇電站的調(diào)節(jié)能力，控制各電站的泄洪時間，盡量避免巴塘、葉巴灘和拉哇三個梯級同時泄洪。

(2)優(yōu)化機組運行與泄洪過程。當(dāng)上游來流的TDG飽和度較低時，發(fā)電系統(tǒng)不改變TDG飽和度，泄洪期間加大機組發(fā)電流量或保持機組滿發(fā)，尾水與泄洪水流摻混有助于降低過飽和TDG不利影響。但若拉哇泄洪時生成的過飽和TDG至巴塘壩前仍保持高飽和度，同時巴塘泄洪生成的TDG水平相對尾水較低，這種情況下可考慮減小機組過流，增加泄洪流量。

(3)運行期監(jiān)測。鑒于國內(nèi)外對高壩泄流下游TDG過飽和問題缺乏深入系統(tǒng)的認識和研究，因此為及時了解金沙江上游各梯級電站建成后高壩泄流下游TDG過飽和狀況及其對水生生物的影響，驗證數(shù)學(xué)模型預(yù)測結(jié)果，保護工程環(huán)境，為提高我國在高壩泄流TDG過飽和領(lǐng)域的研究水平提供可靠數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)資料，有必要在電站泄洪期間開展泄洪的過飽和TDG生成預(yù)測，并對泄洪產(chǎn)生的過飽和TDG在各梯級庫區(qū)河段的釋放過程開展原型觀測研究。