高壩下游水中總溶解氣體過飽和研究進展

張 政，肖 柏 青

(安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

過飽和氣體問題多出現于高壩泄洪期間。高壩下泄水流具有大流速和高水頭的特點，其下泄水流與空氣接觸相互混合一方面導致過量的空氣進入水體內部，使總溶解氣體(TDG)達到過飽和狀態[1];另一方面河道中的自然水流經下泄水流沖擊作用使得河流的水流狀態、沉積物質量、水質、水溫等條件發生了改變[2-3]，二者將對下游水生態問題產生深遠影響。

所謂TDG即溶解于水體中的總溶解氣體，主要包括氧氣、氮氣、二氧化碳、水蒸氣等。不同的氣體通常有著不同的溶解度，在一定溫度和壓力作用下，空氣中的氣體會依據自身溶解度的不同部分溶解于水體中，與此同時，水體溶解的氣體也會從表面逸出，當氣體的溶解速度和逸出速度相等時，二者即可認為達到了平衡狀態，我們稱此時氣體在液體中的溶解狀態為飽和態。在某些特殊條件下，各氣體的濃度(例如氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳、水蒸氣等的濃度)高于一定溫度和壓強下的平衡濃度，此時我們將這一現象稱為TDG過飽和現象[4]。伴隨著高壩的不斷建成，TDG過飽和現象發生的越加頻繁，當過飽和TDG隨著水流向下游遷移時，下游魚類會因此患上氣泡病(GBD)，甚至造成魚類的大規模死亡。研究表明:當水體中TDG飽和度范圍在105%～110%時，就有可能使魚類患氣泡病;飽和度超過140%時，魚類在幾小時內就會迅速死亡[5-6]。在中國及一些西方國家，如美國和加拿大，已經觀察到水體中TDG飽和度高達130%的現象[7]。1986年美國環境保護署在水質標準(WQC)中將110%的TDG飽和度確定為限制標準,而我國目前還沒有相應的環境控制標準。

高壩泄水造成的過飽和氣體問題日漸突出，國內外對此進行了大量的研究并取得了豐碩成果，但目前缺乏這方面的研究總結。本文從魚類的耐受性、魚類的規避效應、促進過飽和氣體釋放的影響以及對魚類的致病機制等方面進行綜合分析，為尋找促進過飽和TDG釋放的方法提供理論依據，同時對水電工程魚類保護方案的制定提供一定的參考。

2 過飽和TDG對魚類的影響

2.1 魚類的耐受效應

高壩泄洪會導致河流中產生過飽和TDG，而TDG的釋放過程又非常緩慢，其影響區域達數百公里[8]。當地的水生生物，特別是魚類，因長時間受到過飽和氣體毒害而容易產生氣泡病(GBD)甚至死亡，總溶解氣體(TDG)過飽和對大壩下游魚類的影響已成為高壩工程最重要的生態風險之一。為研究不同濃度過飽和TDG對魚類的影響，國內外開展了大量過飽和TDG脅迫下魚類的耐受性試驗。Chen等[9]將胭脂魚放入過飽和TDG濃度水平為120%～145%的水中暴露48 h，觀察過飽和TDG對胭脂魚的急性致死效應。Dawley等[10]研究了不同濃度的過飽和TDG對幼年鮭魚和虹鱒魚的影響。黃翔等[11]將長江上游特有魚種巖原鯉暴露于過飽和TDG水體中觀察其行為和生理活動，發現巖原鯉對過飽和TDG的耐受性隨著巖原鯉魚苗的生長發育逐漸增強。宋明江等[12]發現當過飽和度達到130%～140%時，半致死時間(Median Lethal Time,LT50)并無太大變化，高濃度的過飽和TDG已經破壞了魚體的機能，魚類無法通過自身的調節來減免外界環境帶來的傷害。吳松等[13]研究了不同濃度過飽和水體對鯽魚的影響，發現魚鰓和肌肉中的CAT活性先上升后下降。參考以前有關TDG過飽和水體條件下魚類的耐受性研究，均得出了一致的結論：即隨著TDG飽和度的增加，對魚類的影響越大，半致死時間越短。半致死時間[14]是指在動物急性毒性實驗中，不同濃度的藥物導致受試動物出現半數死亡的時間，它是評估實驗魚對不同濃度TDG過飽和水體耐受性的重要參數。袁嫄等[15]對長薄鰍進行急性致死試驗和再暴露試驗，將在低濃度暴露96 h后存活的長薄鰍置于高濃度工況中，發現與原高濃度實驗組相比，實驗魚半致死時間縮短了25%～75%，得出TDG低飽和度水體對長薄鰍有慢性傷害的結論。

魚類在不同過飽和度下的適應性不同，半致死效應也存在差異，建議將實驗魚在不同飽和濃度下表現出來的氣泡病癥狀和半致死時間或半致死濃度聯系起來，以明確不同過飽和濃度下魚類受到的損害程度。同時，建議通過對高壩下游魚種的耐受性研究確定下游氣體飽和度的閾值，通過閾值來確定建筑物的適宜下泄流量。

2.2 不同魚種的差異性影響

高壩泄水會威脅下游河段魚類的生存，國內外現有研究成果主要是針對高壩下游特有魚種進行研究，而不同魚種對過飽和TDG的耐受能力存在差異。例如，基于長江流域現有魚類的研究，對各TDG飽和度下不同魚種的半致死時間進行比較，發現在TDG飽和度為120%時，齊口裂腹魚的半致死時間為10.70 h，而長薄鰍的半致死時間高達152.81 h；在TDG飽和度為125%時，齊口裂腹魚的半致死時間為9.50 h，而胭脂魚的半致死時間為43.40 h；在TDG飽和度為140%時，胭脂魚的半致死時間為4.70 h，而長薄鰍的半致死時間為14.89 h。

不同魚種對過飽和TDG具有不同的耐受能力。相關研究表明：試驗魚的大小、體型、魚齡、實驗工況下的水溫和水深也影響著魚類對過飽和TDG的耐受特性[16]?，F有成果主要是針對某流域下特定魚種的研究，而缺少具有普適性的預測模型，建議將魚的體型、年齡、大小、水溫、水深同半致死濃度建立起數學模型，而在研究某一魚種時可以通過參數率定以修正該數學模型，從而獲得具有針對性的結果。

3 魚類的規避效應

過飽和總溶解氣體(TDG)增加了魚類患氣泡病甚至死亡的可能性，提高TDG過飽和水體中魚類的存活率對于維持生態系統平衡至關重要。研究表明，目前普遍用于改善魚類存活的方法有兩種：① 開發增加過飽和TDG消散率的方法；② 提供或增強具有較低TDG飽和度的避難區域。Xia等[17]通過對河流主流和支流交匯處的TDG進行數值模擬，發現支流的收斂降低了主流的TDG飽和度，當加深河床和安裝阻力障礙后，低飽和區域面積會擴大，該區域可為魚類提供避難場所，以擺脫過飽和TDG的破壞性影響。為了驗證魚類是否可以檢測并且規避這種TDG過飽和水體，袁佺[18]和王遠銘[19]分別以長薄鰍幼魚和齊口裂腹魚幼魚為實驗對象，采用陡坡直線型避讓實驗裝置，探討不同TDG飽和度下實驗魚的避讓能力。實驗結果表明：當TDG濃度達到130%時，實驗魚表現出明顯的異?，F象，且濃度越高反應越明顯。周晨陽等[20]以半齡齊口裂腹魚為研究對象，營造了TDG過飽和室內避難模型，實驗結果表明，齊口裂腹魚的避難趨勢隨著水流TDG飽和度的升高逐漸增強。但是并不是所有魚類都能對過飽和TDG進行探知和回避，即使能夠對這種外界刺激做出反應，也往往因種類不同而表現出差異。以長江流域生長的魚種為例，圖1對比了4種魚類在不同濃度過飽和水體下的回避率。

圖1 不同魚種在不同過飽和氣體濃度下的回避率

由圖1可知，TDG飽和度一定時，長薄鰍與其他3類魚種相比，表現出了較弱的回避率。而巖原鯉和齊口裂腹魚在TDG飽和度高于110%時表現出了一致的回避率。規避實驗會因魚種、年齡以及體態大小間的差異而產生影響。而在實際工況中因為水深較大，魚類通常也會利用補償水深來減弱和避免過飽和水體對自身帶來的傷害[21]。其原因在于，氣體在水中的溶解度與壓強呈正比關系，隨著壓強的增大,水體中氣體的溶解度也相應增大。而壓強包括空氣壓力和靜水壓力，隨著水體深度的增加，水體中的靜水壓力增大，導致氣體的溶解度也增大，此時水體越不容易發生TDG過飽和的現象，魚類探知到低飽和適宜環境便向水體深處游動來躲避高飽和TDG對自身帶來的損害。目前關于過飽和TDG的研究成果主要集中于過飽和水體對魚類的影響，而魚類對這種過飽和水環境產生的規避效應還有待深入研究，通過研究魚類應對外界刺激的反應，可以從另一個角度制定出保護魚類資源的措施。

4 魚類氣泡病的發生機理

20世紀初，科學家已經認識到水體中過飽和氣體可引起魚類氣泡病，但是對氣泡病這一宏觀現象的產生機理尚沒有最終的結論。多位學者在觀察由于氣泡病引起的死魚中，發現血管和魚腸道內存在大量的游離氣體和氣泡，鰓絲可發現柱狀氣泡，還發現氣泡充塞在細動脈的分支，引起鰓小瓣惡化，形成動脈瘤[12,22]。20世紀60，70年代，大部分學者認為氮氣過飽和是導致氣泡病的主要因素，極少數學者認為高濃度的溶解氧可能引發氣泡病。Harvey[23]將氧氣分為生物源氧氣和非生物源氧氣，認為非生物源氧氣的過飽和常伴隨氮氣過飽和，兩者一起導致氣泡病。Rucker與Kangas[24]根據實驗結果分析得出，水中總氣壓比溶解氮分壓對氣泡病的影響要大得多。在解釋過飽和氣體如何導致魚類氣泡病上，一般認為：魚類血液中的過飽和溶解氣體在水溫和壓力條件改變時會從溶解狀態恢復到氣體狀態，析出的氣泡堵塞血管，致使魚類死亡[11]。與該觀點類似，Knittel等[25]認為在過飽和水體中，過量溶解的氣體會以小氣核形式析出，微小氣泡會通過呼吸作用進入魚體內的血液循環系統，血液中的血紅蛋白僅對有用的氧進行適量的吸收，而剩余的氣體如溶解氮就會在相應部位血管中堵塞形成氣泡病，最終導致血液在血管中瘀滯，直至死亡。這種觀點無法解釋患氣泡病的魚類在魚腸道內等血液很少的組織里也存在大量氣泡的事實。Mesa等[26]研究泄洪期間氣泡對大壩下游魚類的影響，發現水中過多的氣泡黏附在魚體表面，會導致魚類拒絕攝食、細菌感染而死亡?？傊?，不同魚類對過飽和O2、N2的耐受性不同，因此致病的機制也會存在差異。過飽和水環境中氣泡病的發生可能是多種因素綜合作用的結果，今后還需要更深入的探索，以明確哪些因素對氣泡病是主要的。

高壩泄水通常含有大量泥沙，關于含沙水流條件下過飽和TDG對魚類的影響，國內外已開展相應的研究，研究內容涉及含沙量濃度、持續作用時間、溶解氧飽和度等綜合因素對魚類活性的影響。Erich[27]指出，下泄水流中的泥沙中含有還原性物質，這些物質會消耗魚類周圍的氧氣，形成缺氧環境。劉曉慶等[28]通過室內實驗得知，與過飽和TDG單獨作用于魚類相比，含有泥沙的TDG過飽和水體致死時間更短。張亦然等[29]通過電子顯微鏡對實驗魚進行觀察，發現泥沙會堵塞魚鰓，造成機械磨損，加速實驗魚的缺氧死亡。

5 過飽和TDG的釋放

過飽和溶解氣體的釋放屬于水氣界面傳質過程，其傳質速率主要受氣液界面面積、溫度、水體紊動強度等因素影響[30]。此外,泥沙也會影響過飽和總溶解氣體的釋放。許多學者從如何加速過飽和氣體釋放，減輕過飽和水體帶來的負面影響方面開展了諸多研究，具體論述如下。

5.1 泥 沙

高壩泄洪通常是高含沙水流，水中泥沙顆粒的存在增加了TDG在水中的粘附介質，使得溶解的氣體能更加迅速地轉變為自由狀態并聚集，最后以氣泡的形式漂浮到空氣中。Qu[31]通過室內試驗，提出可開啟排沙孔等泄洪調度方式使下泄水流中懸沙含量增加，以此加快沿程過飽和總溶解氣體的釋放速率。馮鏡潔等[32]通過自行設計靜置水柱、攪拌誘發紊動、明渠流水槽實驗，探究泥沙對過飽和TDG釋放速率的影響，實驗結果表明，過飽和氣體的釋放速率隨著泥沙含量的增加而加快。然而需要指出的是，高壩排沙時，泥沙會和過飽和TDG同時作用于下游水生生物。劉曉慶[33]以巖原鯉幼魚為實驗魚開展室內試驗，對總溶解氣體飽和度分別為100%，125%，130%，135%，140%的水體，分別設置含沙濃度為0，200，600，800，1000mg/L的實驗條件，在過飽和總溶解含沙水體工況下對實驗魚進行持續暴露實驗。實驗結果表明，在過飽和含沙水體中，巖原鯉幼魚的半致死時間隨著TDG飽和度的增高、含沙濃度的增大而減小。

5.2 溫 度

氣體在水中的溶解度除了受壓強影響外還與溫度呈反比關系。研究表明：在標準大氣壓下，溫度每升高1℃，總溶解氣體的飽和度就會增加2%[11]，溫度越高總溶解氣體飽和度就越大，過飽和水體隨著溫度的升高就更容易向飽和態轉化。這是因為，隨著溫度的升高，水中的氣體分子具有更大的動能，其運動速率升高，溶解在水中的氣體越容易從水中逸出，從而使溶解度降低。Shen[34]等通過實驗研究了靜態和湍流條件下溫度對過飽和TDG耗散的影響。結果表明，過飽和TDG耗散系數隨溫度和湍流強度的增加而增大。王皓冉[4]等通過監測不同時刻雅礱江三灘橋斷面的水溫和總溶解氣體飽和度，發現水溫和總溶解氣體飽和度表現出良好的相關性。

5.3 水體紊動強度

過飽和溶解氣體的釋放過程受到水深、河流形態、靜水壓力、水溫和湍流強度等因素的限制。在實際工程中，河流深度、河流形態和水溫難以人為控制，因此紊動強度成為促進過飽和氣體釋放的主要研究方向。杜開開等[35]通過以潛水泵數量、功率、擺放方式、排水方向等因素為變量研究對過飽和溶解氧釋放的影響。其中潛水泵在實驗中充當紊動源，水泵產生的紊動強度有效促進了水中過飽和溶解氧的釋放。在一些緩慢流動的水中，例如水庫或湖泊，風可能是顯著影響傳質過程的重要因素。Huang等[36]通過風驅動實驗和數值模擬研究TDG在風力驅動流中的運輸和耗散過程，實驗結果表明，由于風速的增加提高了湍流能量和湍流耗散速率，可顯著加快過飽和TDG的耗散。劉燚等[37]通過室內試驗觀察到同一風速下，過飽和水體濃度越高，其釋放速率越快，隨著濃度的降低，釋放速率呈遞降趨勢。

5.4 阻水介質

高壩泄水過程中，下游水位在排放期間上升，淹沒了底部的部分植被，而植被的莖和葉能提供大量的固體-液體接口，吸附溶于水中的氣體。根據溶解氣體的熱力學理論，溶解氣體的析出過程應分為4個步驟：首先，少量溶解氣體形成氣核；然后，氣體核周圍的溶解氣體附著在它上面，產生一個微小的氣泡；此外，在壓力、浮力和氣泡-液體傳質的作用下，微小氣泡逐漸成長為粗氣泡；最后，通過空氣-水表面傳質，將總氣泡從水中排出。因此增加水中的沙、人工氣泡、活性炭等介質可為形成氣核提供很大的優勢。類似的，下游河道中淹沒的植被也能作為加速過飽和TDG釋放速率的媒介。Yuan等[38]在實驗裝置中通過分別種植人造植物和樹脂玻璃板進行植被對過飽和TDG釋放的影響研究，實驗結果表明，在水中種植植被可以有效地促進過飽和TDG的消散，而且隨著植被密度的增加過飽和TDG的耗散率變高。馮鏡潔等[39]以立柱為阻水介質模擬水下植被，研究結果表明：隨著立柱密度、表面粗糙程度、立柱外觀不規則性的增高，促進過飽和TDG的釋放效果越明顯。

5.5 曝 氣

水下曝氣能增加水氣界面面積，增加水體的湍流強度。為了探索曝氣對過飽和TDG釋放速率的影響，Ou等[40]在曝氣水柱中探究了過飽和TDG釋放速率與曝氣條件(如氣體流速，水深和孔徑)之間的關系，研究結果表明：隨著氣體流速的增加，過飽和水體的耗散速率呈指數型增長，對于一定的氣體流速，耗散系數隨著水深和擴散器孔徑的增加而減小。黃膺翰等[41]通過室內試驗，建立了DO釋放系數與曝氣量和曝氣深度間的定量關系。曝氣技術在環境工程和化工領域表現出了良好的實用性和經濟性，但使用曝氣產生的氣泡促進過飽和TDG的消散卻是一種前瞻性方法，天然水體中由于地形條件復雜，尚存諸多不確定因素，如何將曝氣技術應用于促進過飽和TDG釋放過程，還有待進一步研究。

6 結 論

高壩泄水產生的過飽和TDG水流蔓延至下游，會對下游水生生物繁殖產生嚴重影響。國外對高壩泄水產生的過飽和水體研究較早，而國內起步相對較晚。我國尚未規定過飽和TDG的限制標準，而高壩泄水引起的過飽和問題卻日漸突出，因此需要綜合分析魚類資源對過飽和TDG的耐受能力，有效降低高壩下泄水流中的過飽和濃度，從而保護水生生態環境。本文通過對國內外關于過飽和水體的相關文獻進行綜述，分別從高壩泄水對魚類的致死效應、魚類對過飽和TDG的規避效應、加速過飽和TDG釋放的措施以及致病機制等幾個方面進行綜合分析并得出以下結論。

(1)過飽和水環境中，隨著過飽和度的增加，魚類受到的影響也越大。與高濃度過飽和水體相比，低濃度的水環境對魚類具有慢性傷害。與過飽和TDG單獨作用于魚類相比，下泄水流中的泥沙會加速實驗魚的死亡。

(2)不同的魚種對過飽和TDG具有不同的耐受能力，其能力強弱與魚類的大小、體型、魚齡、水溫以及水深等因素有關?，F有研究成果中缺乏能將多種因素聯系在一起并具有普適性的預測模型。

(3)魚類會對過飽和區域進行探知和回避，提供和增強具有較低TDG飽和度的避難區域有利于減輕過飽和TDG對魚類資源帶來的損害。

(4)為了加速過飽和TDG的釋放進程，本文分別從泥沙、溫度、水體紊動強度、阻水介質、曝氣幾個方面分別綜述分析，其中紊動強度能有效加速過飽和TDG的釋放，是主要的研究方向。過飽和總溶解氣體在高壩下游的衰減速度極其緩慢，而如何在安全行洪前提下加速過飽和TDG的釋放是下一步研究的重點。

(5)高壩泄水導致的過飽和TDG使得下游魚類深受其害，現有研究主要集中在魚類的耐受性、減少過飽和氣體產生以及促進過飽和氣體釋放等方面，而魚類氣泡病與過飽和氣體之間的內在聯系，以及氣泡病發生機制的研究尚不夠深入。明確過飽和氣體對魚類的致病機制，有利于在理論指導下尋找減少對魚類危害的措施。