劉彩虹，楊慧霞，梁珈珈，姚元波

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 研究的意義

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和西電東送等戰(zhàn)略的提出，已建、在建或待建的大壩數量日漸龐大，由此帶來的大壩泄流下游TDG過飽和問題日漸突出。TDG過飽和水體對魚類影響的研究結果表明，當水體中TDG飽和度達105%～110%時，可使魚類患氣泡病，而超過140%時，就會使魚類在幾小時內快速死亡[1]。據監(jiān)測，高壩下游TDG飽和度大多超過了120%，有的甚至達到了140%[2]。從以上數據來看，大壩泄流下游水體中TDG過飽和問題已經對魚類生態(tài)產生了極大的威脅，因此該問題是亟待解決的。

解決大壩下游TDG過飽和問題主要有2個途徑：一是在消力池TDG生成過程中遏制TDG的產生，二是在下游河道TDG釋放過程中促進TDG的耗散。而在自然條件下，下游河道過飽和TDG的自然耗散速率比較低、效果較差，在河道下游數十甚至數百公里依然能夠發(fā)現(xiàn)明顯的TDG過飽和現(xiàn)象[3]。以往對下游TDG耗散的研究大多基于河道水力條件和自然環(huán)境因素，比如，曲璐[4]通過實驗證明了含沙水體能夠促進TDG的釋放；馮鏡潔[3]得出了湍流強度和水壓對TDG耗散過程有顯著影響、增加水中固液界面的面積會促進TDG耗散的結論；沈霞[5- 6]的實驗結果表明過飽和TDG耗散隨水溫和湍流強度的增加而增加，且研究了匯流降低過飽和TDG水平的機理；黃菊萍[7]量化了風效應與TDG耗散的關系式；歐洋明[8]探索了曝氣對過飽和TDG耗散過程的促進作用；袁友全[9- 11]通過實驗研究了植被和固壁吸附對過飽和TDG耗散的促進作用。雖然以上研究因子對下游河道中過飽和TDG的耗散有積極作用，但河道長達數百公里，這些影響因子在經濟性和操作性上都具有相當大的難度。因而我們優(yōu)先考慮第一種途徑，即遏制消力池中TDG的產生，相比之下，此法更為高效、經濟、操作性強。

想要遏制消力池中TDG的產生，必須得先認識其生成機理，因此本文從相關概述、影響因子、預測模型等方面對大壩泄流下游過飽和TDG生成過程進行了重點分析和總結，旨在為今后的學者提供一個具體而清楚的TDG生成過程，為采取相關措施提供參考價值，進而促進此類問題的進一步研究和解決。

2過飽和TDG生成過程研究

2.1 大壩過飽和TDG生成過程概述

通過查閱相關文獻，作者對大壩泄流下游過飽和TDG生成的完整過程總結概述如下：大壩泄水時，水舌在溢洪道面和挑流過程中卷吸大量空氣，空氣在強烈摻混過程中破碎成許多尺寸不一的氣泡，大大增加了氣液傳質面積。同時水舌中已有的TDG隨著射流破碎而耗散，另外，水舌與下游水面碰撞處卷吸的大量空氣在強紊流的作用下也被剪切成小氣泡，這些氣泡隨著水舌高速下跌進入水墊塘深處，形成了氣泡夾帶。在周圍強烈的動壓、深處的靜壓以及大氣壓作用下，深處承壓時間足夠長的氣泡把質量傳遞給高溶解度的水體，故此時消力池水體中的TDG濃度非常高。當高濃度TDG水流流向下游水深較淺、溶解度較低的區(qū)域時，造成了水體TDG過飽和狀態(tài)。在濃度梯度作用下，水體通過釋放TDG來達到平衡飽和狀態(tài)，釋放出的溶解氣體以氣泡的形式析出，而含大量氣泡的水體對魚類等水生生物產生威脅。此外，魚類受威脅的另一種情況是，活動在高TDG濃度水體中的魚游到下游低TDG濃度水域時，由于濃度梯度的作用，溶解氣體將在魚的鰓和血管等器官中形成氣泡，因而使其遭受氣泡病的迫害。

2.2 TDG生成過程影響因子

大壩泄流過飽和TDG的生成是消力池內氣體過溶的結果，而氣體的溶解主要與氣體條件、環(huán)境條件、水體條件以及反應條件等4類要素有關。通常氣體條件在短時間內是比較穩(wěn)定的，在此問題研究中可暫不考慮；環(huán)境條件包括風速、植被和其它外部條件等，在強紊動的消力池氣體溶解過程中，環(huán)境條件影響較小，可忽略不計。

Geldert[12]討論了導致TDG過飽和的4個主要因素：湍流混合、氣泡-水面積增加、氣泡的較長停留時間和流體靜壓的增加。Urban[13]通過模型敏感性分析，得到尾水深度和氣泡聚并作用對TDG濃度很重要的結論。蔣亮[14- 15]通過原型觀測結果分析了壩前TDG飽和度、單寬流量、水深、廠房泄水、紊動強度、大氣壓、水溫等對TDG生成量的影響，另外又通過實驗證明了TDG過飽和的必要條件有：足夠的承壓時間、氣液交界面積、水深等；曲璐[16- 17]通過原型觀測結果，討論了消能方式、泄流量、泄洪建筑物的布置方式、水電站尾水對TDG生成的影響，并通過實驗證明了壓力、曝氣強度和氣泡溶解時間是影響過飽和TDG產生的重要因素，湍流強度和水-空氣接觸面積是影響過飽和TDG生成率的主要因素。politano[18]強調TDG產量與溢洪道射流狀態(tài)密切相關。付小莉[19]利用數學模型模擬分析了不同溢洪道結構對消力池內過飽和TDG的影響。馮鏡潔、馬倩[20- 21]分析了梯級水電站對TDG產生的累積效應。薛宏程[22]通過物理實驗探索了射流破碎過程中流入邊界條件對TDG生成過程的影響。唐雷[23]分析了水溫對過飽和TDG生成的影響。

綜上，目前對消力池中TDG生成過程影響因子的研究集中于水溫、水質、水深、泄流量、紊動強度、壩前TDG濃度等水體條件和水氣接觸面積、氣泡承壓時間等反應條件。這些研究成果符合氣體溶解度與溫度、水深、壓力相關的定義，但大多只做了定性研究，并未進行定量研究，這將是未來進一步研究的方向。

2.3 大壩下游TDG預測模型

預測大壩下游TDG水平的模型可分為3類：經驗模型、數值模型和物理模型[24]。經驗模型基于數據擬合，不與物理過程聯(lián)系；物理模型基于實體、概念和力學定律，描述了氣體轉移過程，其系數用實測數據擬合；數值模型的發(fā)展由單相流模型發(fā)展到了兩相流模型，由一維模型發(fā)展到了三維模型。

1971年Roesner和Nordon[25]提出了第一個溢洪道下游TDG一維預測物理模型：

Cd=Cse-(Cse-Cu)exp(-Kt)

(1)

式中，Cd、Cu—大壩下游和上游的TDG濃度；Cse—消力池中的TDG有效飽和濃度。

此模型中TDG水平是由消力池中氣泡的傳質系數K和停留時間t決定的，后來被Johnson[26]、Geldert[12]、Urban[13]等人進行了發(fā)展和完善。2000年Orlins和Gulliver[27]第一次把物理模型和數值模型結合，開發(fā)了第一個二維橫向平均TDG預測模型：

(2)

式中，C—TDG濃度；Ceq—氣泡-水界面處的平衡濃度(考慮靜水壓力)；KL,B—氣泡-水界面處的傳質系數；KL,s—大氣-水表面處的傳質系數；x、y—水平和垂直空間坐標；U、V—相應的速度分量；Dz—水中氣體紊動擴散系數。

該模型把從物理模型中測量或基于測量的計算值用作數值模型的輸入條件。2004年Weber[28]建立了第一個三維預測數值模型，此后Politano[29- 30]不斷地對三維模型進行改進，2009年Politano[31]開發(fā)了一個非定常三維兩相流模型來預測水動力學和TDG分布。

20世紀后，國內也展開了對過飽和TDG的研究。2003年刁明軍[32]首次采用紊流兩相流模型和VOF法對空中射流水舌和水墊塘流態(tài)進行了模擬，此模型被后面的學者廣泛用作TDG預測模型中的流體動力學模型。2007年程香菊[33]通過水體摻氣濃度、氣泡直徑確定了氣泡傳質系數，并采用三維k-ε雙方程模型計算流場，建立了過壩水流溶解氣體濃度對流擴散方程來預測TDG濃度。2008年覃春麗[34]采用水氣兩相流單流體模型求解了流場，作為TDG濃度對流擴散方程的輸入數據。2009年，李然[35]建立了第一個高壩挑流消能的下游TDG預測經驗模型，該模型充分考慮了水深和壓力對TDG生成的影響：

(3)

2010年程香菊[36]利用水力條件一定時、泄水建筑物下游氣體傳質速率不變的特性，建立了下游TDG的預測方法。2013年馮鏡潔[37]建立了一個深水庫的非穩(wěn)定TDG輸運和分布的二維橫向平均TDG預測模型。

近幾年的研究方法較為新穎，研究內容開始呈現(xiàn)多樣化。2016年heddam[38]開發(fā)了一個基于廣義回歸神經網絡的大壩溢洪道下游TDG預測經驗方法。2017年Jalayeri[39]開發(fā)了一種基于粒子跟蹤計算流體動力學模型(FLOW- 3D)和電子表格(PPTG)分析模型的新預測方法。2017年Witt[40]假設質量轉移發(fā)生在平均氣泡深度，定義為尾水深度的一半，基于此提出了簡化的一階TDG預測方法。2018年薛宏程[22]首次考慮到射流破碎階段中TDG的耗散過程，建立了射流破碎過程中過飽和TDG耗散的計算模型。

學者們早期采用物理實驗模型來進行大壩下游過飽和TDG的預測，但物理實驗模型相似性只能滿足弗勞德數，而不能滿足雷諾數和韋伯數，不能等比例地模擬氣泡分布、氣泡在水中的停留時間等條件，因此對于此類問題的求解不能直接采用物理實驗模型的方法[27]。一段時間后，學者們提出了數值模型，并把通過物理模型測量或者計算的信息用作數值模型的輸入，再經過眾多學者對數值模型的研究，用流體力學數值模型取代了之前的物理模型，從流體力學數值模型中獲取數據作為TDG預測數值模型的輸入數據，大大地提高了可操作性與經濟性。目前計算流體動力學(CFD)已經成為預測大壩下游TDG的潛在工具，但隨著數值模型的發(fā)展，對計算機要求越來越高，導致數值模擬存在一些經濟和收斂困難，另外，當前的模型參數率定工作量大，依然不能夠精準地模擬大壩完整的TDG生成過程，因此還需要眾多學者一起努力來解決這些難題。

3 結論

大壩泄流下游TDG過飽和問題從20世紀60年代引起廣泛關注以來，在模型預測、傳質機理等方面已經取得了很多成果，并逐漸從預測TDG生成過程的研究轉向了對TDG耗散過程的研究，但這些研究成果依然不能被廣泛用于解決實際需求，因此本文通過對大壩過飽和TDG生成過程的分析總結，以期為今后進一步的研究和最終解決實際問題提供參考價值。