高坝下游水体中溶解气体过饱和问题研究

提出高坝下游水垫塘中总溶解气体(TDG)饱和度的计算与下游河道水体TDG饱和度的计算应采用不同的方法;并利用高速射流实验,及自行设计的产生TDG过饱和的实验装置,进一步分析了高坝下游水体中TDG过饱和的成因,找到了影响大坝下游TDG释放速率的主要因素.指出由于水垫塘中气泡被带入水体深处,使得水体存在溶解度梯度,溶解度沿着水深方向增加,深处水体能溶解更多的气体,在水流的紊动掺混下,高浓度的溶解气体被带入到较浅水深处,造成部分水体TDG过饱和.在没有掺气的条件下,过饱和溶解气体释放速率随着紊动强度的增大而增大,随着水深的增加而减少.     

模拟高坝泄水TDG过饱和的实验系统研究

针对模拟高坝泄水产生总溶解气体(TDG)过饱和实验装置匮乏的问题,设计了一种通过密闭高压产生TDG过饱和水体并与不饱和水以不同比例混合,同时产生多股不同饱和度水流的实验装置.对实验系统的测试表明,水流温度恒定,水体TDG过饱和度与外加压强存在显著的直线回归关系,饱和度可控制在100%～145%范围并达到可控性与重复性的实验要求.利用该实验装置可研究高坝泄水导致的水体TDG过饱和产生机理及对高坝下游水生生态系统的影响.     

水坝泄水气体过饱和对鱼类影响及减缓技术研究综述

水坝泄水总溶解气体（TDG）过饱和可导致鱼类患气泡病甚至死亡，给水生态系统健康带来严重危害。近年来随着中国越来越多的高坝工程投入运行，水坝泄水气体过饱和对鱼类影响逐渐成为制约高坝泄水安全运行的重要生态风险。本文需要通过对国内外研究文献的梳理分析，结合研究团队近年来在该领域的研究成果，从鱼类耐受性响应、过饱和TDG规律、减缓技术以及发展动态等几个方面对水坝泄水气体过饱和对鱼类影响及减缓技术研究开展了回顾分析。首先面向我国长江上游特有鱼类保护需求，分析了溶解气体过饱和危害以及不同特征鱼类对溶解气体过饱和的躲避能力和耐受规律。在此基础上，从过饱和TDG生成和释放角度，揭示了水坝泄水溶解气体过饱和规律及其模拟预测方法，从工程措施、调度措施和生态功能利用措施三方面阐述了过饱和气体减缓技术及其工程应用现状。基于我国高坝工程泄水生态安全需求，开展了国内外发展动态分析，指出进一步深入揭示高坝泄水气体过饱和机制、完善和发展高坝泄水过饱和气体预测方法和技术、加强和深化过饱和TDG减缓技术的工程可行性研究、实施基于减缓过饱和TDG影响的流域梯级多目标优化调度、推进我国关于鱼类对过饱和TDG耐受标准的建立是当前面临的关键问题与技术挑战。本文成果旨在为水坝泄水气体过饱和问题的解决以及高坝运行生态安全保障研究提供思路借鉴和科学依据。     

鱼道内过饱和总溶解气体释放规律的试验研究

随着梯级电站的建成运行,总溶解气体（total dissolved gas,TDG）过饱和对鱼类的不利影响受到广泛关注。TDG过饱和水流在库区内的释放速度十分缓慢,上游梯级泄水的不利影响通常会持续到下一梯级坝前。鱼道是恢复河流连通性的重要手段,也是鱼类可能集中分布的区域,TDG过饱和的库区水体作为补给来源可能对通过鱼道的鱼类造成不利影响。本文以自主设计的鱼道型式作为试验水槽,设计开展了不同流量条件下的过饱和TDG输移释放过程试验研究,并根据试验条件开展数值模拟计算,反算得到各条件下的释放系数。结果表明水深是影响过饱和TDG释放的重要因素,过饱和TDG的释放系数随着水深的增大而减小,释放系数与流速、紊动动能、紊动动能耗散率间单因子关系不显著。另外,鱼道复杂的挡板结构使水流流程增长,增加了过饱和TDG释放时间,与无挡板的顺直水槽相比,鱼道内过饱和TDG的释放速度显著提高。该研究为探讨过饱和TDG对过鱼通道内鱼类的不利影响的预测提供参考,同时复杂结构促进过饱和TDG释放的成果也为减缓TDG过饱和不利影响的措施研究提供新思路和参考。     

总溶解气体渐变饱和度下齐口裂腹鱼的耐受特征

高坝泄水产生的总溶解气体（total dissolved gas,TDG）过饱和会使下游鱼类患气泡病甚至死亡。为减缓TDG过饱和对鱼类的影响,有必要探究河流中鱼类对TDG过饱和的耐受性。针对河道中TDG过饱和变化特征,以长江上游特有的齐口裂腹鱼为研究对象,通过室内试验开展了TDG过饱和恒定胁迫和TDG过饱和渐变式胁迫下齐口裂腹鱼的耐受性研究,并利用半致死时间评价试验鱼在各工况下对过饱和TDG的耐受性,利用生存分析方法来分析不同试验工况结果的差异性。结果表明：齐口裂腹鱼在TDG饱和度维持在120%下胁迫24 h,其半致死时间为27.7 h;在TDG饱和度时均值相近的情况下,受TDG过饱和110%～130%渐变式胁迫24 h试验鱼的半致死时间较TDG过饱和120%恒定胁迫24 h降低58.2%,而先承受115%TDG过饱和胁迫72 h后,再经历110%～130%渐变式胁迫24 h的试验鱼较TDG过饱和恒定胁迫24 h降低了72.5%;低水平TDG过饱和胁迫对齐口裂腹鱼具有一定的损伤作用,与健康试验鱼直接进行110%～130%渐变式胁迫24 h相比,先经历115%TDG过饱和胁迫72 h后再受TDG过饱和渐变式胁迫24 h,试验鱼的半致死时间降低25.4%;齐口裂腹鱼在TDG过饱和恒定胁迫和TDG过饱和渐变式胁迫下均会患气泡病,症状以胸鳍气泡、背鳍气泡、尾鳍气泡较为明显。研究揭示了TDG过饱和渐变条件下齐口裂腹鱼的耐受性和气泡病特征,有助于下一步开展水库生态调度优化方案研究及鱼类受TDG胁迫的气泡病响应研究。     

总溶解气体过饱和对长薄鳅的急性和慢性致死效应研究（研究生论坛）

高坝在泄流过程中可携带大量空气进入水体,形成总溶解气体（Total Dissolved Gas,简称TDG）过饱和,给下游水生生物尤其是鱼类的生存造成威胁。本文以长江流域特有珍稀鱼种—长薄鳅为研究对象,对其进行不同TDG饱和度下致死实验和再暴露实验,旨在研究长薄鳅对TDG过饱和水体的耐受性以及低饱和度对其的慢性伤害作用。结果表明长薄鳅连续暴露在TDG饱和度为120%、130%和140%的水体中的半致死时间分别为152.81h、64.02h和14.89h。将在110%和120%饱和度下暴露96h后存活的长薄鳅,再次放入到140%浓度下进行暴露,该情况下两组的半致死时间为8.72h和7.14h,较原140%工况下正常实验鱼半致死时间分别快41.4%和52.05%;将在110%和120%饱和度下暴露96h后存活的长薄鳅,再次放入130%浓度下进行暴露,该情况下两组的半致死时间为47.77h和15.52h,较原130%工况下正常实验鱼半致死时间快25.56%、75.81%。结果表明TDG低饱和度水体对长薄鳅有慢性伤害的影响。     

总溶解气体过饱和对长薄鳅的急性和慢性致死效应研究

高坝在泄流过程中可携带大量空气进入水体,形成总溶解气体(total dissolved gas,简称TDG)过饱和,给下游水生生物尤其是鱼类的生存造成威胁。本文以长江流域特有珍稀鱼种——长薄鳅为研究对象,对其进行不同TDG饱和度下致死试验和再暴露试验,旨在研究长薄鳅对TDG过饱和水体的耐受性及低饱和度对其的慢性伤害作用。结果表明长薄鳅连续暴露在TDG饱和度为120%、130%和140%水体中的半致死时间分别为152.81、64.02和14.89 h。将在110%和120%饱和度下暴露96 h后存活的长薄鳅,再次放入到140%浓度下进行暴露,该情况下两组的半致死时间为8.72和7.14 h,较原140%工况下正常试验鱼半致死时间分别快41.4%和52.05%;将在110%和120%饱和度下暴露96 h后存活的长薄鳅,再次放入130%浓度下进行暴露,该情况下两组的半致死时间为47.77和15.52 h,较原130%工况下正常试验鱼半致死时间快25.56%、75.81%。结果表明TDG低饱和度水体对长薄鳅有慢性伤害的影响。     

TDG过饱和对鲫鱼的急性毒性效应及CAT活性的影响

为探讨TDG过饱和对鲫鱼的影响,采用流水式生物测试法研究TDG过饱和对鲫鱼的急性毒性效应及CAT活性的影响。结果表明:TDG过饱和水体对第1批鲫鱼胁迫时间为8、10、11和14 h的半致死浓度(LC50)分别是150.7%、139.2%、137.9%和136.2%,第2批试验鲫鱼暴露9、10、11、15 h的半致死浓度分别为142.1%、141.2%、139.0%、134.7%。此外,鲫鱼受TDG饱和度为145%的水体胁迫,肌肉组织和鳃组织CAT活性呈先升后降趋势,且肌肉组织CAT活性低于鳃组织。     

新型射流消能的流态演变与极限临底流速研究

本文列举了多个水电站采用挑流及底流消能的应用情况及泄洪雾化特点。针对向家坝水电站所采用的多股多层水平淹没射流的消能型式,分析了影响其效率效果的17个物理参数。表孔单独泄洪条件下,消力池内分别呈自由射流、半潜射流、淹没射流及回复底流的流态演变;中孔单独泄洪条件下,随下游水位的变化,其出现偏流,并随下游水位的升高而消失,同时空间扩散比对其流态演变影响明显;联合泄洪,下游水位对其流态演变影响明显,同时表孔适当收缩对流态改变影响明显。研究表明：表孔单独泄洪,影响其最大临底流速的参数为出口跌坎高程和水流弗氏数;中孔单独泄洪,影响最大临底流速的参数主要为出口跌坎高程和跌坎底坡比;联合泄洪,影响其最大临底流速的为表孔收缩比、表孔侧收缩比、表中孔出口高程差、表中孔出口水流弗氏数及中孔跌坎底坡比。本文展望了高水头大流量低雾化泄洪消能的研究前景。     

翻板闸流量系数变化特性试验研究

翻板闸门开启后,门上门下两层泄流,为堰、孔混合流,复杂的流态给工程的水力设计带来了难度,现有研究均是以求得综合流量系数为目标。为分开讨论在堰、孔独立出流时的相互影响,通过开展模型试验,基于翻板闸最大开度工况下的过流特性,研究来流量大小和下游水深对翻板闸过流能力的影响。试验来流量分别为0.06、0.08、0.10、0.12 m³/s,下游水深分别为0.50、0.55、0.60、0.65 m的工况组合,共16种工况进行试验。试验结果表明下游水深一定时,流量系数与来流量呈正相关关系;来流量一定时,流量系数与下游水深呈负相关关系。该研究成果基于大开度工况,可进一步研究其他工况的流量系数。     

Prediction for supersaturated total dissolved gas in high-dam hydropower projects

The supersaturated total dissolved gas (TDG) generated during high dam spills may cause gas bubble disease for fish and ultimately endanger their existence. As more and more high-dam hydropower projects have been constructed in China, the environmental assessment of the supersaturated TDG is becoming more and more important. It is of great importance for quantitative impact assessment of the supersaturated TDG of high dams and for the construction of ecological friendly high-dam hydropower projects. Based on the conceptual summarization of the TDG production process, the TDG prediction model for high-dam projects, in which the ski-jump energy dissipation is adopted, is developed in the paper. The model is validated by field data and employed in the TDG prediction of a high-dam hydropower project to be built in southwest China.     

高坝枢纽泄洪消能建筑物智能巡检与安全评价理论方法和技术研究展望

西南高坝枢纽众多,高拱坝泄洪孔口及水垫塘等泄洪消能建筑物的定期巡检与安全评价已成为保障工程安全运行的关键。受制于西南河流含沙水体、水下附着淤积等复杂苛刻检测条件,对高速水流与过流面损伤的耦合机制认识不清,缺乏损伤检测、评价的理论方法和技术手段等问题,高效精准巡检和科学全面评价仍存在诸多困难。针对西南高坝枢纽泄洪消能建筑物运行期面临的结构安全问题,系统开展高拱坝泄洪孔口及水垫塘过流面的磨蚀、裂缝等典型损伤特征及演变规律、损伤智能识别及结构安全风险评价等问题研究,揭示高速水流作用下过流面耦合损伤演变机理,突破适用于孔口及水垫塘等复杂环境的自适应智能巡检方法,研发多维感知信息的损伤智能分类与量化关键技术,并构建“巡检-监测-模拟”多源数据融合的泄洪消能结构安全分析与评价模型,并以大渡河大岗山水电站为典型案例,对智能巡检方法和评价模型进行应用验证,以期为高坝运行安全和损伤防控提供切实的理论和技术方法。     

马堵山水电站溢流坝消能方式再优化试验研究

通过马堵山水电站溢流表孔水工断面模型消能型式优化试验表明,采用矩型宽尾墩＋挑流的联合消能方式可以有效地消杀下泄水流的巨大能量,大坝下游河床冲坑深度明显减小,整体试验表明该消能方式能够有效地减小下游河道两岸回流范围和强度,为设计提供了科学依据。     

不同引渠形式下深式短管进口泄流能力的试验研究

为研究红岩河水库导流泄洪洞深式短管进口引渠形式由明渠改成涵洞后对其泄洪能力的影响,对其在明渠和涵洞两种形式下分别做水工模型试验,验证其水力特性。结果表明,较明渠形式,涵洞形式下的导流泄洪洞同水位下泄流量有不同程度的减小,下泄流量减小在导流泄洪洞进口为压力流状态时表现明显,且减小值随水位的升高而变大;大坝度汛期100年一遇洪水时,试验下泄流量较设计下泄流量约小6.35%;运行期100年一遇洪水时,试验下泄流量较设计下泄流量约小6.51%;运行期2 000年一遇洪水时,试验下泄流量较设计下泄流量约小6.95%。建议在将红岩河水库导流泄洪洞深式短管进口引渠由明渠改成涵洞形式后,需关注导流泄洪洞的下泄流量减小问题,避免由于水库下泄流量不足引起的大坝安全问题。     

改善泄洪放空洞挑流消能效果的试验研究

采用水力模拟方法研究了某水库泄洪放空洞泄流状况及下游消能、冲刷、流态等问题.由于该泄洪放空洞属改建,轴向布置与下游河道边界不相适应,挑射水流入河后顶冲下游河道右岸防护堤,引起强烈的涌浪波动,以致壅高水位并造成流态紊乱,直接威胁堤防.通过分析研究,提出了将挑流鼻坎向左转角32°的优化方案,并采用束窄出口及圆弧扭面衔接的技术,调整挑射水流方向,有效保证了下游消能安全,同时避免了主流顶冲右岸堤防;由于消除了拦沙坎,下游出流平顺,边岸涌浪基本消失,大大降低了下游洪水位,削减了边岸回流强度与淘刷,保证了右岸施工营地的安全.     

低坝消力戽的水流特性

本文阐述了在低坝中应用消力戽宣泄单宽流量１～５．５ｍ３／ｓ·ｍ时的下游水流流态演变规律及各种流态下的冲刷特性，并探讨了小流量初始泄流对下游河床的影响。得出的结论是：在适宜的水力要素及结构尺寸条件下，随着消力戽下游水位由低向高变化，依次出现与高坝中相同的水流流态。在溢流低坝中采用消力戽消能在技术上是可行的。