范 圍，敖 亮，王 軍，王遠銘

(1.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2.遵義市水資源服務(wù)中心，貴州 遵義 563000； 3.四川大學(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)

引 言

水體總?cè)芙鈿怏w(Total Dissolved Gas，簡稱TDG)過飽和是指溶解在水中的氣體量超過水體本身的溶解能力的現(xiàn)象。TDG過飽和往往使水體中的魚類患上氣泡病，嚴重時甚至導(dǎo)致其死亡[1-2]。高壩工程在汛期下泄洪水的同時，周圍大量空氣被卷吸進入泄洪水流并隨之進入壩下消能池內(nèi)，在壩下游消能池內(nèi)水壓力的作用下，水體對氣體的溶解能力增大，卷吸入的大量氣體溶解于消能池水體中。水流流出消能池進入下游河道后，隨著周圍環(huán)境壓力的減小，水體溶解氣體的能力降低，過量的溶解氣體很難在短時間內(nèi)完全釋放回到大氣，從而導(dǎo)致了下游河道的總?cè)芙鈿怏w過飽和[3～5]。

近年來，隨著中國能源需求的增長，眾多的200m高壩或超高壩已陸續(xù)在長江上游的干支流規(guī)劃或修建[6-7]。高壩的修建，使得TDG過飽和成為一個嚴重的環(huán)境問題[8]。自上世紀60年代起，在北美Columbia流域因高壩運行使得壩下游TDG飽和度經(jīng)常在120%以上[1-2]；Weitkamp等(2003)發(fā)現(xiàn)在1997～2000年美國Clark Fork河下游在TDG飽和度達到120%～130%時，當(dāng)?shù)佤~類表現(xiàn)出了明顯的氣泡病癥狀[9]；Stenberg等(2020)發(fā)現(xiàn)了當(dāng)TDG飽和度均值在110%以上時在挪威的兩條河流中大西洋鮭魚出現(xiàn)了氣泡病癥狀甚至死亡現(xiàn)象[10]；在巴西的Sao Francis河，2007年辛戈水電站泄洪引起的TDG過飽和使得超過297噸的羅非魚死亡[11]；在我國，譚德彩(2006)研究發(fā)現(xiàn)三峽大壩泄洪引起的TDG過飽和使得下游魚類患上了氣泡病[12]。

2014年溪洛渡電站建成后初次泄洪，導(dǎo)致了下游向家壩庫區(qū)超過40噸的魚類死亡[13]。為闡述TDG過飽和對魚類的影響，本文以2014年汛期發(fā)生在金沙江下游向家壩庫區(qū)的死魚事件為例，采用高壩泄流過飽和TDG的生成預(yù)測模型，分析計算了魚類死亡期間壩下TDG飽和度變化情況，研究成果對于認識TDG過飽和水體對魚類的影響特征具有科學(xué)意義，可作為金沙江下游水電站運行調(diào)度的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

金沙江下游干流規(guī)劃有向家壩、溪洛渡、白鶴灘和烏東德4個梯級水庫(圖1)。4個梯級水庫在正常蓄水位下庫容達52～205億m3，水深達120～255m，均為高壩巨型水庫。其中溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)的金沙江干流，上接白鶴灘水電站，下與向家壩水庫相連，是中國已建成的第二大水電站。溪洛渡水電站壩頂高程610m，最大壩高278m，正常蓄水位600m，死水位540m，防洪限制水位560m，總庫容129.1×108m3，調(diào)節(jié)庫容64.6×108m3。

圖1 金沙江下游梯級電站位置示意圖Fig.1 Cascade hydropower stations in the downstream of Jinsha River

隨著向家壩與溪洛渡電站的建成，其在汛期下泄洪水造成的TDG過飽和問題已不容忽視。調(diào)查發(fā)現(xiàn)向家壩電站在泄洪期間壩下游存在著較高的TDG飽和度[5,14]。根據(jù)溪洛渡水電站運行調(diào)度資料，其建成后第一次泄洪開始時間為2014年7月4日18點，第一次泄洪結(jié)束時間為7月11日14時，共歷時164h。泄洪期間導(dǎo)致的下游水體TDG過飽和使得向家壩庫區(qū)死亡魚類超過40噸[10]。死亡魚伴隨著鰭條氣泡附著，充血以及眼球突出等現(xiàn)象，體現(xiàn)出較為明顯的氣泡病特征。

1.2 研究方法

本文收集了自2014年7月4日18點始，至7月11日14時結(jié)束，共164小時之間每2小時的溪洛渡水電站入庫馬家河測點水位及壩下游中心場測點水位，還收集了溪洛渡電站在此期間的入庫流量以及表孔、深孔、泄洪洞等出庫流量，分析了泄洪期間流量與水位隨時間的變化規(guī)律。

采用Lu[5]建立的高壩泄流過飽和TDG的生成預(yù)測模型，根據(jù)溪洛渡泄洪量、發(fā)電量、壩前水位、壩下水位、以及溪洛渡泄洪建筑物工程特性等因素，計算得7月4日～11日泄洪期間壩下游生成的TDG飽和度。模型將過飽和TDG的生成概化為空中射流、沖坑內(nèi)過溶以及沖坑出口快速釋放三個階段。

第一階段射流入水TDG飽和度G0d：

G0d=G0u-(G0u-Geq){1-exp[-1.12

(1)

其中，G0d為入水TDG飽和度，%；G0u為來流初始飽和度，%；Geq為TDG平衡飽和度，取100%，Hp為出水口與沖坑內(nèi)水位高程差，m；v0為出口流速，m/s；α為出水口挑角。

第二階段沖坑內(nèi)過飽和TDG生成飽和度：

(2)

其中，GS0為沖坑內(nèi)氣體過溶生成的TDG飽和度，%；P0為當(dāng)?shù)卮髿鈮海琺 H2O；ΔP為沖坑內(nèi)部摻氣水流入水滯點處的相對壓強，tR為滯留時間。

第三階段沖坑出口快速釋放后TDG飽和度：

(3)

式中，Gs為沖坑出口下游TDG飽和度，%；hr為沖坑出口下游水深，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 外部環(huán)境因子分析

如圖2所示，溪洛渡建成后的第一次泄洪期間，其入庫流量在6 310～12 200m3/s之間，平均值為9 919.3m3/s；出庫流量在5 940～11 200m3/s之間，平均值為10 287.5m3/s。泄洪導(dǎo)致溪洛渡庫區(qū)及壩下游水位發(fā)生變動，其中庫區(qū)水位由泄洪前的563.01m降低至560.77m，壩下游水位由泄洪前的381.47m升高至383.08m(圖3)?？傮w看來入庫流量的變化較為平緩，而出庫流量在最初的16h內(nèi)變化較大，由泄洪開始時的7 660m3/s逐步降低至5 940m3/s，而后又急劇上升至10 700m3/s。16h以后出庫流量逐漸穩(wěn)定，保持在10 000m3/s左右。隨著出入庫流量的變動，庫區(qū)與壩下游水位也相應(yīng)發(fā)生變化，庫區(qū)水位呈現(xiàn)先增后降的過程，而壩前水位在泄洪前16h內(nèi)變化較為劇烈，之后保持相對穩(wěn)定。

圖2 溪洛渡入、出庫流量變化趨勢Fig.2 Variation trend of inflow and outflow of Xiluodu Reservoir

圖3 溪洛渡庫區(qū)、壩下水位變化趨勢Fig.3 Variation trend of water level in reservoir area and under dam of Xiluodu Reservoir

出庫流量主要由發(fā)電流量與泄洪流量構(gòu)成，其中發(fā)電流量在4 470～7 580m3/s之間，平均發(fā)電流量為6 942.1m3/s。依據(jù)泄洪設(shè)施的不同，泄洪流量可分為深孔出流和寫泄洪洞出流兩個部分，7月4日18點至7月7日20點溪洛渡主要采用深孔泄洪，流量在332～6 130m3/s之間，平均深孔泄洪流量為3 780.6m3/s；7月7日20點至7月11日14點溪洛渡主要采用泄洪洞泄洪，流量在1 240～3 370m3/s之間，平均泄洪洞泄洪流量為2977.3m3/s(圖4)。泄洪(Qd)與發(fā)電流量(Qp)比如圖5所示，除7月6日0點至8點外，其余時段內(nèi)Qd/Qp值均小于1。溪洛渡泄洪與發(fā)電流量之間呈現(xiàn)較弱的負相關(guān)關(guān)系(圖6)。

圖4 溪洛渡出庫流量組成Fig.4 Outflow composition of Xiluodu Reservoir

圖5 溪洛渡泄洪發(fā)電流量比Fig.5 Ratio of flood discharge to generating flow in Xiluodu Reservoir

圖6 溪洛渡泄洪、發(fā)電流量相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between flood discharge and power generation flow of Xiluodu Reservoir

2.2 過飽和TDG計算及其對魚類影響分析

TDG過飽和的生成計算采用Lu[5]建立的高壩泄流過飽和TDG的生成預(yù)測模型，計算得7月4日～11日泄洪期間壩下游生成的TDG飽和度如圖7所示。

在壩下水墊塘內(nèi)，隨著泄洪流量的增加，TDG飽和度由128.3%逐漸升高至180.2%(7月5日10時)，并在之后的泄洪過程中保持TDG飽和度在180%左右，最后泄洪階段TDG飽和度降至165.1%。經(jīng)發(fā)電尾水摻混后，TDG飽和度降至101.2%～146.1%之間，平均TDG飽和度為125.4%，從7月5日10時起，至7月11日8時，摻混后的TDG飽和度均在120%以上。

圖7 溪洛渡泄洪生成TDG飽和度Fig.7 TDG saturation generated by flood discharge of Xiluodu Reservoir

向家壩庫區(qū)死魚時段主要集中在7月8日至7月13日。越接近壩址下游，魚類死亡時間越早，距離壩址越遠，死亡時間則相對滯后。研究表明，當(dāng)水體中TDG飽和度在120%以上時，魚類在短時間內(nèi)易患上氣泡病并進一步發(fā)生死亡現(xiàn)象，120%～125%TDG過飽和水體中的魚類的生存半致死時間大多在24h以內(nèi)[15-16]。自7月5日10時起，溪洛渡泄洪所引起的TDG飽和度均超過120%，考慮到TDG過飽和水體從壩下至庫區(qū)輸移所需的時間，庫區(qū)魚類所面臨的TDG過飽和脅迫根據(jù)與壩址的距離相應(yīng)延后。此外，由于補償水深作用的存在，魚類在TDG過飽和水體中的存活時間還受到其所處水體深度的影響，淺層水體魚類(尤其是處于網(wǎng)箱中的養(yǎng)殖魚類)相較于深層水體中的魚類更容易受到TDG過飽和的脅迫[2]。

隨著金沙江下游梯級電站的規(guī)劃與建成，其在汛期下泄洪水造成的TDG過飽和問題已不容忽視，研究減緩TDG過飽和對魚類影響的措施已刻不容緩，其工作主要包括三個方面的內(nèi)容：一是探究在不同TDG飽和度下金沙江魚類的響應(yīng)機制；二是優(yōu)選金沙江下游梯級電站運行調(diào)度方式，以達到降低TDG飽和度的目的；三是探究金沙江魚類回避TDG過飽和水體的規(guī)律，營造金沙江魚類回避TDG過飽和水體的空間。

3 結(jié) 論

本文以2014年汛期發(fā)生在向家壩庫區(qū)的死魚事件為例，分析了泄洪期間流量、水位等外部環(huán)境因子的變化，并基于此計算出溪洛渡壩下游的TDG過飽和情況，得到以下主要結(jié)論：

3.1 泄洪期間，溪洛渡入庫流量在6 310～12 200m3/s之間，出庫流量主要由發(fā)電流量與泄洪流量構(gòu)成，在5 940～11 200m3/s之間，庫區(qū)水位由泄洪前的563.01m降低至560.77m，壩下游水位由泄洪前的381.47m升高至383.08m。

3.2 在壩下水墊塘內(nèi)，TDG飽和度由128.3%逐漸升高至180.2%，經(jīng)發(fā)電尾水摻混后，平均TDG飽和度變?yōu)?25.4%，魚類死亡期間TDG飽和度均在120%以上，表明死魚事件的主要原因為下游飽和度超過120%的高TDG水體。