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在大坝泄洪时，下泄的高速水流会裹挟大量气泡进入消力池底部，高压下气泡溶解在水中，使水体中总溶解气体（Total dissolved gas，TDG）过饱和。过饱和TDG会在下游河道缓慢释放，其释放过程会干扰水生生物尤其是鱼类正常的生命活动，可能导致鱼类患“气泡病”死亡[1]。20世纪60年代，在美国哥伦比亚河首次观察到该现象，引起了广泛关注。在我国，新安江水库、三峡水库、溪洛渡等水利枢纽工程下游也发现了气泡病致鱼类死亡的问题[2-4]。
针对水体中TDG过饱和问题，国内外学者展开了一系列研究，主要分为TDG过饱和的生成与释放2个方面。水体中TDG过饱和主要在消力池内发生，发生过程伴随复杂的气泡传质，消力池下游水体中TDG浓度与下泄流量、消力池水深、大气压强等因素密切相关[5-7]。一些学者尝试通过建立模型来描述水体中TDG过饱和的发生过程。如处在前沿的多相流模型，是由POLITANO et al[8]于2009年首次引入，再经过YANG et al[9]、WANG et al[10]、HUANG et al[11]的进一步发展，已成为目前通用性最好的近坝水体TDG过饱和的模拟模型。TDG释放过程的研究区域主要是坝址下游河道。升温、曝气、高泥沙均能促进TDG释放[12-15]。研究者也建立了TDG释放过程的预测模型。最典型的是华盛顿大学提出的一阶动力学过程[16]，随后逐渐发展为二维模型，如FENG et al[17]、曾晨军等[2]建立的纵向二维模型，以及黄菊萍等[18]建立的横向二维模型。
过去60年间，关于水体中TDG过饱和的研究取得了很大进步，但也存在一些不足。由于对气液传质过程的认识还不充分，不能构建完善的、普适的数学模型，而已建的模型中，释放系数还需依靠经验公式或监测数据率定。我国还存在研究区域单一的问题[19-20]，之前的研究多集中在长江流域，其他开发水电的流域少有涉及。本文基于广西大藤峡水库上下游长期监测数据，研究了大藤峡周边河道水体中TDG的变化规律，评估了大藤峡现行水利调度方式的生态风险，为大藤峡水利枢纽下游生态环境保护提供支持。
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大藤峡水利枢纽为大（1）型Ⅰ等工程，总库容34.79亿m3，泄水闸共设2个高孔和24个低孔，布置在碾压混凝土纵向围堰坝段两侧。目前已投入运行的是大藤峡一期工程，即左岸工程，包括左岸泄水闸、船闸、南木江副坝、黔江副坝、3台发电机组，约占总工程量的2/3。一期项目建成的泄水闸共16个，其中靠左的3个为高孔泄水，其余13个为低孔，建成后的泄水任务主要由低孔承担。2020年，大藤峡一期左岸工程全面建成并投产运行。截至2021年9月6日，大藤峡左岸工程已正式运行1周年，3台发电机组年发电量37.5亿KWh，蓄水水位可达51 m，并初步具备水资源配置功能。
大藤峡工程坐落于广西壮族自治区桂平市[21]，坝址下游约10 km的位置即为黔江、郁江汇流口。黔江与浔江是西江干流相邻的两个河段，以汇流口为界，上游为黔江，下游为浔江。该地区地处亚热带季风气候区，黔江、浔江的年径流量集中分布在5—8月，占比超过60%。
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于2021年4月26日—9月28日、2022年6月25日—8月16日两个时间段内对大藤峡周边约140 km河道展开逐日监测。共设置断面11个。断面具体位置见图1。2021年对图1中11个监测断面均进行监测。2022年，监测图1中编号1至4、6、9、10共计7个断面处，由于监测时段水流湍急，不满足江中监测条件，故数据均在岸边采集。直接监测指标包括总溶解气体压力（Total Dissolved Gas Pressure，TGP）、水深（h）、水温、大气压等，采用美国哈希Hydrolab DS5测定。流量等水文数据从大藤峡运行管理部门获取。TDG通过TGP计算获取。
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TGP数据需要转化为TDG饱和度，计算公式见式（1）：
式中，
$ \mathrm{T}\mathrm{D}\mathrm{G} $ 为水体中总溶解气体饱和度，$\text{%} $ ；$ \mathrm{T}\mathrm{G}\mathrm{P} $ 为水体中总溶解气体压力，mmHg；$ \mathrm{B}\mathrm{P} $ 为水体中总溶解气体饱和浓度，mmHg。对坝下数据的分析需要借助TDG释放方程，根据华盛顿大学对气体传质过程的研究[22]，TDG在下游河道的逸散过程满足一阶动力学方程，见式（2）：
积分得到式（3）：
式中：
$ G $ 为某断面水体中TDG浓度，%；$ {G}_{0} $ 为TDG初始浓度，%；$ {G}_{eq} $ 为水体中TDG平衡浓度，取为100%；$ {k}_{T} $ 为气液传质系数，采用O’Connor提出的经验公式估算，见式（4）；$ t $ 为滞留时间，s。滞留时间由两监测断面间距与河流流速确定，流速可由大藤峡出库流量计算。式中，
$ {v}_{m} $ 为距地面10 m高处的风速，m/s。利用EXCEL对监测数据整合统计，利用Origin 2018绘图分析。
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大藤峡水库坝前库区监测选择在距离主坝1 km的南木江副坝（库区左岸）开展。该区域水流平稳，监测条件良好。2021年在断面1共测得63组数据，2022年测得32组数据，深度区间0.5～2 m之间。2021和2022年两年监测数据的特征值见表1。从数据整体来看，监测期间库区水体中TDG浓度均值均小于100%，饱和数据占比在15%以下。从标准差来看，数据波动不大，这表明库区水体中TDG并未饱和；从监测深度来看，随着监测深度增大，TDG饱和占比减少，说明接近水面的位置TDG更容易达到饱和。
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大藤峡一期工程建成后，泄水任务主要由偏向江中的5～12号闸门承担，在出库流量较大时，于5～12号闸门可以观察到较明显的水跃雾化现象，说明下泄水流的流速很大。考虑到仪器工作条件与数据准确性两方面因素，选择在距离大坝1.87 km的交通桥进行监测，监测主要在桥的右岸进行，在2022年也进行了为期3日的横向监测。横向监测数据见表2。
表2可知，交通桥处水体中TDG浓度从右至左呈现出明显的下降趋势，二者差值可达22.8%，差别较大。这种现象的产生与大藤峡一期工程闸门工作方式以及坝址下游河道形态有关。一期工程承担主要泄流任务的是偏向右侧的5～12号闸门，且坝址到交通桥的河道向左偏，使主流区更加偏向于右岸。由于交通桥与大坝相距不到2 km，下泄水流到达交通桥位置时，横向上TDG还未完全混匀，所以交通桥处水体中TDG浓度右岸高、左岸低。该现象说明，如何选择交通桥断面的监测位置会对水体中TDG浓度变化量计算产生较大的影响。由于过量气体的溶解主要发生在消力池，是由大量泄水导致的，所以在承担泄水任务的闸门下游进行监测效果最好。在本研究中，最优监测位置就是交通桥右岸，交通桥左岸、江中两位置的数据误差更大。故以下分析均基于交通桥右岸测得的TDG浓度数据进行。
将过坝前后水体中TDG浓度的变化量与出库流量作相关性分析，结果表明TDG浓度变化量
$ \mathrm{\Delta }G $ 与出库流量Q的Person相关系数为0.840，二者之间具有较明显的正相关关系，可以做线性拟合，结果见图2。线性拟合R2=0.702，表明$ \mathrm{\Delta }G $ 与Q之间具有良好的线性关系，故可借助拟合方程对泄流带来的TDG浓度增长做预估。除此之外，图2还可看出，监测期间大藤峡出库流量有明显的分层，较大的流量在8 000 m3/s以上，较小的流量在6 000 m3/s以下。结合监测日期进行分析，发现较大的流量多出现在6月及7月，较小的流量常见于6月前、7月后，主要是由大藤峡防洪调度方案决定的。为记述方便，下文将流量较大的时间段称为大流量期，流量较小的时间段则称为小流量期。 -
由于我国目前尚未设立相关标准，本文采用美国相关标准进行分析。1986年，美国环保局规定，为保护天然水体中鱼类免受气泡病威胁，河道水体中TDG饱和度不应超过110%[23]。本文也参照110%的限值。前述分析可以看出，出库流量越大，下游水体中出现TDG过饱和的可能性越高。而大小流量期出库流量相差较大，下游监测数据表现出较大的差异性，需要分情况讨论。从监测序列中筛选具有代表性的数据作图分析，筛选原则主要有两点：所选数据的监测日期应尽量均匀分散于整个监测周期之中，体现时间的代表性；所选数据对应的大藤峡出库流量应尽量均匀分散于监测期间大藤峡出库流量范围之内，体现流量的代表性。筛选不同代表时段数据进行对比分析，见图3。
在小流量时期，下游水体中TDG浓度峰值很少超过100%。即使偶尔有饱和数据，也并未达到110%的标准限值。从数据整体趋势看，小流量期数据在饱和线附近波动，这是气液传质达到动态平衡的表现。可见，小流量期的泄水不会产生过饱和，数据波动属于正常现象。而对于大流量期，距离坝址最近的下游点位，如交通桥、汇流口黔江上游等处水体中TDG峰值却明显过饱和，交通桥处水体中TDG浓度可达120%，超过了标准限值。从数据整体趋势看，大流量期的数据可以分为两段。第一阶段，TDG过饱和，逸散占气液传质的主导地位，TDG浓度在下游逐渐降低，在距离坝址20 km左右回落至110%以下。第二阶段，TDG变化情况与小流量期类似，TDG几乎不会饱和。综上分析可以看出，大流量期会出现下游河道TDG过饱和现象，但仅在坝下20 km以内的河道被观测到。
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较大的出库流量会使大藤峡下游水体中出现TDG过饱和，并对下游生态产生影响，但其负面影响的大小主要由TDG释放速率决定。一般而言，TDG释放速率越大，TDG过饱和的负面影响范围越小。由于小流量期大藤峡周边水体中没有TDG过饱和现象，故以下基于大流量期的监测数据，对大藤峡下游水体中的TDG释放速率展开讨论，从而判定大藤峡一期工程的运行对下游生态是否存在较大的负面影响。根据大流量期的监测数据，作者计算了大藤峡下游水体中TDG释放速率，并与之前的研究结果做了对比，对比结果见表3。
除大藤峡之外的研究区域内，下游水体中TDG释放速率在0.7%/km以下，且没有监测到TDG浓度回落至110%以下的距离（表3）；大藤峡下游水体中TDG释放速率可达1%/km，约是其他流域的2～3倍，且在下游20 km之后就不再有过饱和现象。由此可见，大藤峡一期工程运行带来的TDG过饱和对下游生态的影响很小。相关研究表明，TDG释放速率的影响因素主要有含沙量、水温、水体湍动程度、支流汇入等，结合相关研究划定的研究区域，作者认为大藤峡下游河道内TDG释放速率偏高的主要原因是郁江支流汇入。郁江是西江水系最大的支流，汛期时的水量约是干流流量的1/5，水量大且距离大藤峡坝址仅10 km。从汇流口郁江上游的监测断面（断面4）得到的监测数据显示：郁江断面TDG浓度在93%～104%范围内波动，全期监测数据中，饱和数据占比11%。说明郁江水体在汇流前仍处于不饱和状态，与坝上水体类似。郁江的汇入可能从以下两个方面加速干流水体中TDG的逸散：改变干流水动力条件，加速TDG释放；不饱和水体与过饱和水体混合的稀释作用。
可利用TDG逸散方程验证上述猜想（式（2）），TDG释放速率在下游河道内会逐渐减小。若通过计算发现汇流口下游水体中TDG释放速率不小于汇流上游水体中TDG释放速率，则说明大藤峡下游水体中TDG释放速率确实受支流汇入影响而加快了。使用断面2、断面3的监测数据来计算汇流口上游水体中TDG释放速率，汇流口下游水体中TDG释放速率可利用断面3至断面5或断面3至断面6计算，计算结果见图4。
图4（a）可知，支流汇入后TDG释放速率显著高于支流汇入前。而从图4（b）可以看出，汇流前后水体中TDG释放速率并没有明确的关系。这种差异是由断面5、断面6不同的地理位置导致的。通过分析断面5、断面6所有的TDG浓度数据发现，断面6处水体TDG浓度一直维持在饱和浓度附近，变化很小。而断面5的数据波动很大，会出现断面5水体TDG浓度低于同日在断面6处测得的TDG浓度的现象，且这种现象占比达40%。由于断面5距离汇流口过近，干支流在流经断面5时水体还未混匀，仅在右岸进行监测不能很好地反映断面5处水体中TDG的真实浓度，分析结论也应由断面6的数据得出。即，支流汇入对干流河道水体中TDG逸散有较好的促进作用。
为定量分析支流汇入带来的影响，需要用无支流汇入时的理论TDG浓度与实测浓度进行比较，同样利用TDG逸散方程进行计算，计算涉及两个断面。为减小误差，汇流口上游选择距汇流口更近的断面3的数据，不选择断面2；汇流口下游选择混合均匀的断面6的数据，不选择断面5。同样要求是同一天测得的数据。依据该原则筛选监测数据，结果如下：2021年无符合条件的数据，2022年有20组同日监测的断面3、断面6数据。利用式（2）解得
$ {G}_{1} $ 的计算式，见式（5）：式中：
$ {G}_{1} $ 为断面6处水体TDG浓度，%；$ {G}_{0} $ 为断面3处水体TDG浓度，%；$ {G}_{eq} $ 为TDG平衡浓度，取100%；$ {k}_{\mathrm{T}} $ 为断面3至断面6（以下称为河段）的释放系数；$ t $ 为水流通过河段用的时间，s。把筛选出的数据代入式（5）可求出断面6处水体TDG的理论浓度。将计算结果与实测值作散点图，见图5。
$ {G}_{1} $ 的理论值要高于实测值，二者平均相差13.21%，最大差值可达22.73%。这进一步说明了支流汇入对干流水体中TDG释放的巨大促进作用。大藤峡一期工程泄水引起下游水体中TDG过饱和对生态的负面影响很小，定性定量两个层次分析均表明下游水体中TDG释放速率高的重要因素是支流汇入。同时，支流汇入对干流的影响需要一个过程来实现，如何利用河流动力学深入研究支流汇流口水体中TDG分布，将是今后该领域的重要研究方向。
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基于2021和2022两年大藤峡周边水体中TDG浓度监测数据，分析了河道中TDG浓度的变化规律。大藤峡一期工程正式投产后，泄水量较大时大坝下游水体会产生TDG过饱和现象，但能够快速恢复正常，对下游生态环境的影响不大。本文主要研究结论如下。
（1）大藤峡库区水体中TDG基本处于不饱和状态，由大藤峡泄水导致的TDG增量与大藤峡出库流量间有较好的线性关系。
（2）小流量期：大藤峡日均出库流量多在6 000 m3/s以下，下游水体中TDG浓度在100%左右波动，不产生过饱和现象。大流量期：大藤峡日均出库流量通常在8 000 m3/s以上，近坝水体TDG浓度可达120%以上。虽然峰值很高，但逸散快速，坝址下游20 km处，水体TDG浓度已回落至正常值。
（3）大藤峡下游水体中TDG释放速率明显高于其他类似区域，主要是低TDG浓度的支流水体汇入干流所致。
大藤峡一期工程运行期间水体总溶解气体变化特征
Characteristics of total dissolved gas change in water during the operation of the phase I project of the Datengxia project
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摘要: 在大坝泄水时，大量空气被夹带溶入水体，导致水体中总溶解气体（TDG）过饱和，其负面生态影响会在下游河道持续存在一定距离，增加鱼类患气泡病的风险。为研究大藤峡水利枢纽一期工程建成运行后下游水体中TDG的变化规律，该研究开展了连续监测。结果显示：大藤峡库区水体中TDG过饱和现象不明显，对下游水生态影响很小，且过坝引起的TDG增量与大藤峡出库流量具有较好的线性关系。日均出库流量在6 000 m3/s以下时，下游水体中TDG浓度在100%附近波动，不存在过饱和问题；日均出库流量达到8 000 m3/s或更高时，在下游水体监测到120%以上的高TDG浓度，但在坝下20 km回落至标准限值110%以下，对下游生态影响不大。郁江支流汇入对干流水体中高浓度TDG逸散有较强的促进作用。Abstract: When the dam discharges water, a large amount of air is entrained and dissolved into the water, resulting in supersaturation of total dissolved gas (TDG), Its adverse effects will exist in the downstream for a long distance, which may increase risk of fish bubble disease. In order to study the change characteristics of TDG during the operation of the Phase I Project of the Datengxia Project, continuous monitoring of TDG was carried out. Data analysis conclusion: TDG supersaturation in the upstream of the Datengxia Project is not obvious, and has little impact on the downstream; there is a good linear relationship between the TDG concentration increment and discharge of the Datengxia Project; when the daily average discharge is below 6 000 m3/s, the concentration of TDG in the downstream fluctuates around 100%, and there is no supersaturation; when the daily average discharge rate is above 8 000 m3/s, the TDG in the downstream is more than 120%, but it falls below the standard limit of 110% at 20km below the dam, which has little impact on the downstream ecology; the confluence of the Yujiang River into the main stream can promote the dissipation of high-concentration TDG in the main stream.
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Key words:
- dam discharge /
- total dissolved gas /
- supersaturation /
- confluence /
- release coefficient
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图 3 坝下水体不同流量条件下的TDG变化特征
Figure 3. The distribution of TDG downstream under different water discharge
表 1 坝上1 km处TDG监测结果
Table 1. The monitoring data of TDG in the river 1 km upstream of the dam
监测时
间/a监测深
度/mTDG变化
范围/%TDG均值/
%标准差 饱和数据
占比/%2021 1 84.49～111.76 96.81 4.61 14.9 2 85.28～103.70 96.00 3.89 7.6 2022 0.5 90.10～102.10 96.19 2.87 10.5 2 89.20～96.60 92.66 2.70 0.0 
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表 2 坝下1.87km交通桥TDG监测数据
Table 2. The monitoring data of TDG at the bridge 1.87 km downstream of the dam
监测日期 右岸TDG/% 江中TDG/% 左岸TDG/% TDG最大
差值/%2022-06-30 122.8 115.8 103.7 19.1 2022-07-07 118.5 − 96.3 22.2 2022-07-08 119.1 112.2 96.3 22.8 注：“-”处数据缺失。
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图( 5) 表( 3)
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