過飽和總溶解氣體釋放過程預測

黃奉斌,李 然,鄧 云,曲 璐

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,四川成都 610065)

水電工程在發揮其巨大經濟和社會效益的同時,不可避免地會對環境產生不利影響。例如,在大壩泄洪時,伴隨泄水產生的過飽和總溶解氣體(TDG)導致水體中含有過量的氣體,易引發魚類氣泡病,嚴重威脅它們的生存和繁殖。為了魚類以及其他水生生物的生存和繁衍,大壩泄水產生的過飽和TDG應當得到有效的控制。1986年美國環保局[1]規定河流允許的TDG過飽和度為110%。我國目前雖然沒有相應的環境控制標準,但水體溶解氣體過飽和問題將日漸突出并備受關注。1987年,我國葛洲壩泄洪時下游水體中大量魚類出現氣泡病癥狀,并導致部分死亡。1994年6月,新安江水庫開閘泄流,導致距電站大壩3km的建德市虹鱒場的虹鱒普遍患氣泡病,因病致死的虹鱒占死魚總量的62.2%[2],這些魚類的死亡均與水中TDG過飽和有關。

為了定量預測和研究高壩下游TDG過飽和的影響程度和范圍,需要對過飽和TDG在下游河道的輸移釋放規律進行研究。美國陸軍工程兵團[3]在2005年提出了縱向一維過飽和TDG釋放模型。Politano等[4]、Weber等[5]用兩相流模擬了溢洪道下游過飽和氣體的釋放過程。國內隨著大量的高壩大庫進入設計和建設階段,也展開了過飽和TDG的相關研究,李然等[6]、蔣亮等[7-8]進行了過飽和TDG釋放的室內試驗以及理論分析研究,對二灘、大渡河等電站進行了原型觀測和數值模擬。程香菊等[9]采用數值模擬手段對葛洲壩電站下游過飽和TDG的沿程釋放規律進行了初步探討。但總體來說,由于下游河道內過飽和TDG原型觀測資料缺乏,對河道內過飽和TDG釋放過程的預測尚存在諸多困難和問題。

本文從室內試驗、原型觀測結果出發,探討得到過飽和TDG沿程釋放規律,并修正了過飽和TDG的縱向一維釋放模型,該模型可用于定量預測過飽和TDG的釋放過程。

1 室內機理試驗研究

1.1 試驗裝置和試驗條件

試驗裝置如圖1所示。利用空氣壓縮機制造溶解氣體飽和度約為116%的過飽和水體,容器尺寸為圓柱形,底面半徑15cm,高30cm,水深 25 cm。水體內TDG飽和度測量采用加拿大Point Four Systems Inc.生產的 PT4 Tracker with TGP Smart Probe,將測得的水體中TDG的壓力與當地標準大氣壓進行比較,得到水體中TDG的過飽和度,測量精度達到0.1%。將探頭和攪拌器固定于水面下15 cm處?？刂茢嚢杵鞯牟煌D速,在轉速 n分別為 200 r/min,400r/min,600r/min時測量TDG飽和度隨時間的變化過程,所得結果如圖2所示。

圖1 室內耗散機理試驗裝置

圖2 TDG飽和度隨轉速及時間變化關系曲線

由圖2可以看出,在初始時段水體過飽和TDG迅速下降,之后隨著水體內TDG過飽和度的降低,耗散速率越來越慢,直至趨近于飽和狀態;轉速越大,紊動強度越大,耗散速度越快。轉速為600r/min時,水體在 26 min后 TDG降至 102%;轉速為400r/min時,水體在41min后TDG 降至102%;轉速為200 r/min時,需91minTDG方能降至102%。說明紊動是影響水體過飽和TDG釋放的重要因素之一。

3 過飽和TDG釋放的數學模型

關于過飽和TDG在下游河道的釋放過程,美國陸軍工程兵團曾提出過飽和TDG在下游河道的釋放服從于一階動力學過程。公式表述為式中:G為計算時刻的TDG飽和度,%;G0為TDG初始飽和度,%;Geq為TDG平衡飽和度,%;t為滯留時間,h;kT為釋放系數,h-1。

在Columbia河上,美國陸軍工程兵團把kT的估算公式形式寫為

2 原型觀測

四川大學2007年對黃果樹瀑布下游白水河河道水體、二灘電站下游金沙江河道水體及銅街子電站下游大渡河河道水體開展了過飽和TDG釋放的原型觀測。

圖3為河道水體TDG的沿程釋放過程。圖3(a)表明,觀測期間黃果樹瀑布下游河道內TDG飽和度較大,為114.4%。水流經過約4 km的河道后,TDG飽和度即衰減至102.7%,平均每千米減小約2.2%,可見該瀑布下游河道過飽和TDG釋放速率相當快。分析原因,一是由于河道水淺,水流中的過飽和溶解氣體與大氣充分交換所致;另外,河道內分布著多個小落差跌水,跌水有助于水體與大氣的充分接觸和質量交換,從而加速了過飽和TDG向大氣中釋放的速度。

圖3(b)表明,二灘電站壩下水流經過93km河道后,TDG過飽和度僅降低7%,平均每千米減小約0.075%。圖3(c)表明,銅街子電站下游TDG過飽和度最大值為136.7%,水體經過9.7 km河道后TDG飽和度降低至129%,平均每千米減小約0.7%?？梢?相對于金沙江的過飽和氣體沿程釋放速度,銅街子電站下游大渡河干流的過飽和氣體釋放速度較快。分析原因,銅街子電站下游河道的流速比二灘電站下游金沙江河道流速大而水深較小,因此加速了水體中TDG的耗散。由此說明在天然河道中,影響大壩泄洪時產生過飽和TDG耗散的主要因子是水深、紊動強度以及靜水壓強。由于試驗裝置內水體深度與河道的深度有一定差別,導致了容器內的凈水壓強比河道的靜水壓強小。式中:U為斷面平均流速,m/s;H為斷面平均水深,m;Dm為TDG的分子擴散系數,m2/s。

圖3 河道水體TDG釋放過程曲線

kT估算公式(式(2))的局限在于其僅考慮分子擴散的作用,忽略了紊動擴散的作用,因此應用于大江大河時誤差較大。

采用二灘電站下游金沙江干流河段和銅街子電站下游大渡河干流河段原型觀測資料,對上述數學模型進行參數率定,得到金沙江干流河段和大渡河干流河段的kT值分別為0.0678h-1和0.2013h-1,相關系數R2分別為0.9995和0.9694。率定結果如圖4所示。

通過對天然河道原型觀測值進行擬合,得出金沙江干流河段和大渡河干流河段飽和TDG沿程kT分別為0.0678h-1和0.2013h-1。金沙江干流河段深度比大渡河干流河段大,而流速較小,因此金沙江干流過飽和TDG釋放系數比大渡河小。

根據馮鏡潔等[10]對金沙江、瀾滄江、岷江、長江等多條河流過飽和TDG釋放過程的原型觀測成果,考慮分子擴散作用以外的紊動作用等在過飽和TDG釋放過程中的作用,對 kT的估算公式進行修正,得到

式中:φT為考慮分子擴散、紊動擴散作用等的綜合系數,量綱為T-1。

采用式(3)計算得到金沙江、大渡河原型觀測河段的 φT分別為4.43×10-10s-1和3.13×10-9s-1。

4 某電站下游過飽和TDG沿程釋放預測

金沙江中游某待建電站最大壩高138m,泄洪建筑物由左岸溢洪道和廠房左右兩側的泄洪沖沙底孔組成。根據相關研究成果,該電站通過表孔挑流單泄流量2188m3/s時,壩下生成的最大TDG飽和度為122.5%[11]。不考慮下游河道支流匯入情況,采用前述過飽和TDG釋放模型對下游過飽和TDG水流沿程釋放過程進行預測。

預測模型采用式(1),其中kT根據式(3)計算得到。φT的取值參照前述金沙江河道原型觀測率定的成果4.43×10-10s-1。沿程斷面平均流速和平均水深采用縱向一維計算軟件HEC-RAS計算得到,由此得到過飽和TDG釋放系數的沿程變化情況,如圖5所示,預測得到壩下游TDG飽和度的沿程衰減過程如圖6所示。計算結果表明:經過100km的天然河道后,水體TDG飽和度從122.5%降至115%;經過172km后TDG飽和度降至110%?？梢?該工程泄洪產生的TDG過飽和的水體在下游河道的釋放速度較慢,影響范圍較大,需要進一步采取措施減緩水體中過飽和TDG對魚類的影響。

圖5 下游河道kT沿程變化

圖6 下游河道TDG飽和度的沿程變化

5 結 語

電站泄洪造成的下游水體中TDG過飽和問題是水電開發的環境影響所面臨的一個重要問題。過飽和TDG沿程釋放規律研究是客觀公正地預測和評價水體中過飽和TDG對水生生態影響的重要基礎。本文在室內機理試驗研究和對二灘電站下游河道、銅街子電站下游河道原型觀測的基礎上,對過飽和TDG沿程釋放的定量預測進行探討,研究發現水深、靜水壓強以及紊動強度是影響氣體釋放的主要因素。過飽和TDG釋放速率隨水體深度的增加而減小,隨紊動強度的增加而增大。并且過飽和TDG釋放過程隨時間的推移逐漸減慢。

本文預測研究對定量評價水體中TDG的過飽和程度具有重要意義。由于過飽和TDG釋放研究起步較晚,室內試驗和原型觀測資料還需要在今后進一步完善和豐富。

本文采用的過飽和TDG釋放預測模型沒有考慮泄水的非恒定過程。同時過飽和TDG釋放除了受流速的影響外,還要受溫度、含沙量

、

河道地形等條件的影響。為了進一步完善縱向一維過飽和TDG釋放預測模型,需積累更多的過飽和TDG原型觀測資料,并對kT及 φT的取值范圍作進一步率定。同時,可以對泄水的非恒定流特征進行研究,并開展二維或三維天然河道釋放過程預測,進一步完善過飽和TDG沿程釋放模型。

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[5]WEBER L,HUANG H,LAI Y,et al.Modeling total dissolved gas production and transport downstream of spillway:threedimensional development and application[C].IAHR&INBO[s.l.],2004.

[6]LI Ran,LI Jia,LI Ke-feng,et al.Field observation of total dissolved gas supersaturation of high dams[C].33IAHR Congress.[s.l.],2008.

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[8]蔣亮,李然,李嘉,等.高壩下游水體中溶解氣體過飽和問題研究[J].四川大學學報:工程科學版,2008,40(5):69-73.

[9]程香菊,陳永燦.大壩泄洪下游水體溶解氣體超飽和理論分析及應用[J].水科學進展,2007,18(3):346-350.

[10]馮鏡潔,李然,李克鋒,等.高壩下游過飽和TDG釋放過程研究[J].水力發電學報,2010,29(1):7-12.

[11]李然,李嘉,李克鋒,等,高壩工程總溶解氣體過飽和預測研究[J].中國科學,2009,39(12):1887-2006.