水库泄水总溶解气体过饱和对鱼类的危害

2020-12-28曾晨军莫康乐关铁生陈求稳

水利水运工程学报 2020年6期

曾晨军，莫康乐，关铁生，陈求稳，李婷，张辉

(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029)

河流建坝具有防洪、发电、航运、供水、灌溉等综合效益，但对河流水生态环境也产生了一定影响[1]，其中一个突出问题是大坝泄水产生的水体总溶解气体（Total Dissolved Gas，TDG）过饱和。为了保证大坝安全，通常需要将多余的来水下泄，泄水时水流大量掺气，在水垫塘内巨大的水压作用下，大量气体溶解使水体TDG过饱和。由于TDG释放缓慢，下游河道中水体的TDG长时间保持过饱和状态[2]。高坝泄水具有“泄量大、水头高”的特点，同时梯级水库的建设使得上一梯级的下游河道成为了下一梯级的库区，由于库区水深增加、流速降低，延缓了TDG的释放[3]，导致TDG过饱和在梯级电站的河道中产生沿程累积效应[4]，因此梯级高坝引发的TDG过饱和问题尤为突出。

当TDG饱和度超过大气压和静水压力之和时，鱼类组织和体液中溶解状态的气体将析出形成气泡，罹患气泡病，对鱼类的生理和行为造成影响，严重时会导致鱼类死亡[5]。早在1965年，关于哥伦比亚河TDG过饱和现象的研究就确定了其对鱼类有潜在的危害[6]；2014年7月溪洛渡电站泄水也导致向家坝水库比较严重的鱼类死亡事件[7]。鱼类可以承受的TDG饱和度与品种、体型、身体状况、游泳深度、过饱和持续时间及水温等因素有关[8]，其中鱼类游泳深度对应的静水压力对TDG过饱和有补偿效应[9]。以饱和度100%代表饱和状态水体时，水深每增加1 m，可以补偿约10%的TDG饱和度[10]，故深度的增加有助于减缓TDG过饱和对鱼类的胁迫。野外监测[11]和室内试验[12]均表明，鱼类具有探测并利用深度补偿规避TDG过饱和胁迫的能力，即通过改变自身游泳深度至安全水深，从而获得间歇性的深度补偿以避免气泡病的发生。但是，部分鱼类需要在TDG饱和度达到一定的阈值时才会出现躲避行为[13]。此外，受网箱的限制，养殖鱼类最大游泳深度为网箱深度，在出现TDG过饱和情况时无法自由下潜，因而存在更大的风险，而网箱养殖如何才能实现有效规避过饱和TDG的影响目前尚缺乏相关依据。

本文通过建立库区立面二维TDG动态模型，结合目标鱼类安全水深阈值，分析TDG过饱和对库区野生鱼类和网箱养殖鱼类的可能危害，为梯级高坝大库生态调度和下游渔业养殖适应性管理提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

研究区域为金沙江下游溪洛渡水电站至向家坝水电站江段，总长约156 km（图1）。溪洛渡水电站于2013年5月下闸蓄水，设有7个泄洪表孔、8个泄洪深孔，坝后设水垫塘和二道坝，左右两岸共布置了4条泄洪洞，泄洪建筑物的设计和校核洪峰流量为 43 700 m3/s（P=0.1%）和 52 300 m3/s（P=0.01%）[14]。向家坝水电站是金沙江梯级水电开发的最末一个梯级，于2012年10月下闸蓄水，泄水建筑物由10个中孔和12个表孔组成，设计和校核洪峰流量分别为41 200 m3/s（P=0.2%）和 49 800 m3/s（P=0.02%）[15]。向家坝库区回水范围至溪洛渡坝址，为典型的山区狭长河道型水库[16]。研究区域渔业资源丰富，向家坝蓄水后2015年渔业资源调查显示，库区中部绥江县附近采集鱼类共60种，分别隶属于5目12科，其中包含长江上游特有鱼类12种[17]，如圆口铜鱼、长鳍吻鮈、齐口裂腹鱼等。

为研究溪洛渡水电站泄水导致的TDG过饱和对鱼类的胁迫效应，以2014年溪洛渡泄水导致向家坝库区死鱼现象为例，采用文献调研和对渔民走访调查的方式，获取了该时期的溪洛渡水电站运行数据，以及相应的鱼类死亡数据。

图1 研究区域地理位置及目标河段高程Fig. 1 Geographical location and elevation of the target study region

1.2 库区TDG饱和度预测模型

1.2.1 控制方程本文采用TDG饱和度预测模型的控制方程如下：

连续方程：

动量方程：

自由水面方程：

状态方程：

式中：u、w分别为纵向和垂向流速(m/s)；B为宽度(m)；q为单宽流量(m2/s)；g为重力加速度(m/s2)；ρ为密度 (kg/m3)；p 为压强 (N/m2)；τxx和 τxz为紊动切应力 (N/m2)；α 为河床与 x方向的夹角 (°)；ξ为水面高程 (m)；h 为水深 (m)；Bξ为水面宽度 (m)；Tw为水温 (℃)。

通用输运方程：

式中：Φ为标量，代表横向平均温度(℃)或TDG饱和度(%)；SΦ为标量对应的源项；Dx为纵向弥散系数(m2/s)；Dz为垂向弥散系数(m2/s)。热输运中的源项SΦT仅考虑由水面进入水体的热交换，忽略底质热交换，因此热通量计算方程为：

式中：Haw为水面进入水体的热通量(W/m2)；Hsn为太阳短波辐射(W/m2)；Han为大气长波辐射(W/m2)；Hbr为水体长波的返回辐射(W/m2)；He为水面蒸发热损失(W/m2)；Hc为热传导通量(W/m2)。

TDG源项SΦG的计算方程为：

式中：Gs为当地大气压下饱和状态的饱和度(%)，通常为100%；G为水体饱和度(%)；k为释放系数(s−1)，采用Streeter提出的经典复氧方程[18]计算：

式中：v为断面平均流速(m/s)；H为断面平均水深(m)。

1.2.2 网格划分与边界条件设置选取溪洛渡水电站至向家坝水电站全长约156 km的库区水域为计算区域。采用均匀网格对计算区域进行离散，其中垂向网格尺寸为1 m，纵向网格尺寸为1 000 m，计算区域内共计14 011个网格。以中国三峡集团网站公布的溪洛渡水电站出库流量和向家坝水电站出库流量，作为模型入流边界和出流边界(图2(a))。气象参数采用计算时段内中国气象数据网公布的向家坝库区屏山气象站逐小时气象数据。模型入流TDG饱和度边界根据USACE建立的过饱和TDG生成预测模型计算得到，入流水温采用溪洛渡坝下1 km处水温监测数据(图2(b))。

图2 向家坝库区流量以及入流TDG饱和度和水温边界条件Fig. 2 Flow rate, TDG saturation and water temperature boundary conditions for the modeled Xiangjiaba Reservoir

1.2.3 模型验证以2017年6月20日—7月2日为模型的验证期，并以此期间的实测数据对模型进行验证。鉴于溪洛渡水电站在6月20日之前未发生泄水行为，因此计算区域初始TDG场设置为饱和状态。由于缺乏库区初始水温分布，根据2017年1月1日—6月20日的向家坝库区水温和气象资料，计算库区水温分布，将计算得到的2017年6月20日库区水温分布作为模拟时段的初始水温场。

向家坝坝前水位验证及向家坝库区沿程TDG饱和度验证结果见图3，水位和TDG饱和度检验精度评定显示R2分别为0.991和0.915，说明模型采用的参数合理，结果可靠，可以用于向家坝库区TDG时空分布模拟计算。

1.2.4 模拟工况设置为分析坝下近区饱和度对库区TDG饱和度分布的影响，拟定坝下近区TDG饱和度工况为115%～150%，并根据USACE建立的TDG生成预测模型[19]，计算各饱和度工况对应的流量值，模拟工况见表1。由于每年6—10月为溪洛渡水电站泄水期，因此采用向家坝库区屏山站丰水年6—10月的平均水文气象数据为模型边界，库区初始水温场和TDG饱和度场与模型验证采用的初始场一致。

考虑到过饱和TDG沿程逐渐衰减，距离坝下近区越远，鱼类受到的胁迫程度越轻。同时自溪洛渡坝下33 km处的桧溪断面（图1）起，河道存在网箱养殖，且该断面开始出现鱼类死亡[7]，因此以该断面作为控制断面，分析过饱和TDG胁迫下向家坝库区鱼类安全水深阈值。

1.3 鱼类TDG耐受阈值及安全水深阈值计算

TDG过饱和对各生长阶段鱼类均存在不同程度的影响，且不同鱼类对TDG过饱和的耐受性也存在差异。美国国家环保局1986年发布的天然河道水质管理标准[20]中指出，自然水体TDG饱和度应小于110%。四川大学测试了TDG过饱和对长江上游岩原鲤鱼苗[12]和齐口裂腹鱼[21]两种鲤形目鱼类的胁迫效应，发现岩原鲤鱼苗的TDG饱和度耐受阈值为115%，齐口裂腹鱼在饱和度120%的水体中2 h便开始出现死亡。综合以上内容，本文选择最不利情况，以饱和度110%作为鱼类的耐受阈值。考虑深度补偿效应后的水体TDG饱和度计算方法[10]：

式中：Gcomp为深度补偿后的TDG饱和度(%)；P0为当地大气压(mmHg)。

为便于判断鱼类活动深度是否受过饱和TDG胁迫，提出安全水深阈，即考虑水深补偿效应下，鱼类免于受过饱和TDG胁迫时的最小安全水深，本研究采用的是Gcomp为110%时对应的水深。

2 结果分析

文献调研显示，2014年7月5日14时—11日8时，溪洛渡水电站出库流量持续超过10 000 m3/s，期间水体TDG饱和度值均超过135%，最大达到144%[3]；在2014年7月5—13日期间，向家坝库区的绥江段水面大量鱼类患气泡病死亡，主要为草鱼、鲤鱼、长吻鮠和太湖新银鱼[7]。通过对当地渔民走访调查，分别统计2014年7月溪洛渡坝下桧溪镇网箱养殖鱼类死亡情况与网箱破损情况，结果表明死亡鱼类主要是鲤鱼、鲇、长吻鮠、鲫鱼，生物量占比分别为39.2%、34.1%、14.2%和10.5%，另外该区域还有至少65口网箱损毁。

2.1 模型验证期库区饱和度分布

模型验证期（2017年6月20日—7月2日），不同饱和度的水体在河道中以云团状向下游运动，如图4所示。6月27日0时（图4(a)）库区TDG峰值饱和度达到120%，结合图2(b)中入流的TDG饱和度随时间变化情况可以发现，这部分高TDG饱和度水体主要来自溪洛渡6月25至26日的泄水期。在6月25日之前和6月26日之后入流的TDG饱和度相对较低，导致下游TDG饱和度沿程分布出现先升高后降低的趋势。从6月27日0时开始，向家坝库区86 km断面处TDG饱和度达到110%，在未来24 h内该断面的TDG饱和度持续升高，超过118%，并在一段时间内持续保持高饱和度。24 h内饱和度超过118%的峰值云团前端向下游推进22.1 km，峰值云团尾端向下游推进36.3 km，纵向长度覆盖的范围明显变窄，由34.0 km降低到19.8 km。

图4 典型时间段向家坝库区TDG饱和度分布Fig. 4 Spatial distributions of TDG saturation in the Xiangjiaba Reservoir of typical time periods

2.2 模拟工况控制断面TDG饱和度分布

在溪洛渡坝下近区各TDG饱和度工况下，控制断面TDG饱和度沿水深方向的分布见图5。整体上看，控制断面TDG饱和度沿水深方向变化不大。水流从坝下近区运动至控制断面的过程中，TDG不断发生传质释放。鉴于控制断面距坝下近区较近（仅33 km），且TDG传质过程较慢，断面饱和度均值稍低于相应坝下近区的TDG饱和度。由于TDG传质发生在水气交界面，因此表层的TDG饱和度值为整个控制断面的最低值。

2.3 深度补偿效应下安全水深阈值

由于表层水体是过饱和TDG对鱼类产生胁迫的主要区域，因此选取各工况下控制断面表层6 m水深内的TDG饱和度进行分析。考虑深度补偿效应下控制断面附近沿水深方向TDG饱和度分布见图6。对比图5和6，在深度补偿效应作用下，尽管在水面附近，深度补偿后的TDG饱和度与补偿前变化不大，但是随着水深的增加，深度补偿后的TDG饱和度迅速降低。对比各工况控制断面饱和度低于110%的鱼类安全生境区域可以发现，随着坝下近区饱和度的升高，鱼类安全生境区域相应减少。将各工况满足鱼类生境需求（TDG≤110%）的安全水深阈值进行统计列于表2。由表2可见：随着坝下近区饱和度的升高，鱼类需要的安全水深越大，其中安全水深阈值最小（0.48 m）的工况为坝下近区TDG饱和度115%，安全水深阈值最大（3.98 m）的工况为坝下近区TDG饱和度150%。

图5 各工况下控制断面TDG饱和度垂向分布Fig. 5 Vertical distribution of TDG supersaturation in each simulation condition

图6 各工况控制断面附近考虑深度补偿后的饱和度垂向分布Fig. 6 Vertical distribution of hydrostatic compensated TDG supersaturation nearby the control section in each simulation condition

表2 各工况下控制断面安全水深阈值Tab. 2 Threshold safety depth of control section in each simulation condition

3 TDG过饱和对库区鱼类的影响及应对措施

3.1 TDG过饱和对库区野生鱼类的影响

2014年7月泄水期间，库区水面患气泡病死亡的鱼类主要为草鱼、鲤鱼、长吻鮠和太湖新银鱼[7]。2018年向家坝库区鱼类资源调查表明，溪洛渡坝下33 km的桧溪镇附近，以瓦氏黄颡鱼、寡鳞飘鱼、光泽黄颡鱼、圆口铜鱼等为该江段主要的渔获物，其中圆口铜鱼生物量占比最大[22]。对比鱼类资源调查结果和鱼类死亡调研结果，生物量最大的圆口铜鱼却并不是主要的死亡鱼类，这主要和圆口铜鱼的生活习性有关。圆口铜鱼为下层鱼类，杨志等[23]在金沙江下游进行圆口铜鱼生境调查的结果显示，其游泳深度的平均值为6.22 m。但是泄水期间，溪洛渡坝下近区TDG饱和度最大值为144%[3]，对应的桧溪断面鱼类安全水深阈值为3.55 m，小于圆口铜鱼的平均游泳深度。因此，圆口铜鱼的平均游泳深度足以保证其免受过饱和TDG的胁迫。死亡鱼类中，草鱼是死亡生物量最大的鱼类，主要是因为草鱼为桧溪下游绥江县断面附近主要的渔获物，生物量占比达到53.1%[17]，同时草鱼主要生活在水域的中层，有时也在表层和近岸多水草区域，游泳深度较圆口铜鱼浅，因此，草鱼受过饱和TDG胁迫严重。蛇河下游成年大鳞大麻哈鱼游泳轨迹监测结果[11]以及岩原鲤[12]、齐口裂腹鱼[21]、胭脂鱼[24]等鱼类的胁迫试验结果均表明，鱼类具有利用压力补偿，探测并躲避TDG过饱和胁迫的能力；但是部分鱼类需要饱和度达到一定的阈值才会有相应的躲避行为[13]，且躲避行为还受其他环境因素或物种特定属性的影响。目前草鱼的躲避能力还未见相关报道。当水体TDG饱和度达到144%时，草鱼是否具有利用深度补偿进行躲避的能力，还有待进一步开展野外游泳轨迹监测以及室内胁迫试验确定。由于鱼类的生活习性各不相同，对流速和水深的喜好也存在较大差异，因此野生鱼类的喜好游泳深度及利用深度补偿的能力，决定了其受TDG过饱和水体危害的程度。

3.2 TDG过饱和对网箱养殖鱼类的影响

除了野生鱼类，2014年7月泄水期间库区网箱养殖的经济鱼类也受到TDG过饱和水体的胁迫。尽管在溪洛渡水电站泄水调控的影响下，库区水位上涨，可用于深度补偿的水深增加，但是受网箱深度的影响，养殖的经济鱼类垂向活动范围受限，其最大游泳深度与网箱深度尺寸一致，导致深度补偿的效果有限。当网箱深度尺寸不足以达到安全水深阈值的要求时，将对鱼类产生致命影响。Cao等[25]在向家坝下游网箱中开展TDG过饱和对胭脂鱼幼鱼的胁迫试验结果表明，水体平均饱和度为123%时，放置在0～1 m网箱深度的胭脂鱼幼鱼死亡率达80%，而放置在2～3 m网箱深度的胭脂鱼幼鱼，死亡率仅为6.25%。对其安全水深阈值进行计算可以发现，平均饱和度123%对应的安全水深阈值为1.30 m，因此0～1 m网箱深度不满足要求，而2～3 m网箱深度满足水深要求。通过现场走访及对当地渔民的调研发现，2014年7月溪洛渡泄水期间，库区的经济鱼类主要采用垂向尺寸为3.00 m的网箱进行养殖，小于3.55 m的安全水深阈值要求。同时考虑网箱养殖的密度，鱼群在网箱各个深度均有分布，所以网箱的深度不足以为养殖鱼类提供足够的补偿水深来躲避TDG过饱和水体的胁迫。尽管部分鱼类具有探测并垂向移动以躲避TDG过饱和水体的能力，但受网箱的限制，鱼类依然会受到TDG过饱和的严重影响，导致大量死亡。另外，长吻鮠和圆口铜鱼一样，属于喜底层的鱼类。在深度补偿的效应下，野生长吻鮠受TDG过饱和水体的胁迫程度应该和圆口铜鱼一样较轻，同时桧溪镇和绥江县的鱼类资源调查均表明，鲤鱼和长吻鮠并不是库区的主要物种[18,25]，因此库区水面出现的大量死亡长吻鮠，并不是野生长吻鮠。养殖鱼类死亡情况统计结果表明大量养殖长吻鮠死亡，通过对当地渔民走访调查发现，泄水期间养殖鱼类死亡后，渔民为了方便，将死亡鱼类直接捞出后丢弃在库区。同时，该江段还存在部分养殖网箱在水流的冲击下损毁，导致死亡的养殖长吻鮠进入库区，因此，可以认为库区江面上大量死亡的长吻鮠主要来自网箱养殖。

3.3 应对措施

为降低TDG过饱和水体对养殖鱼类的胁迫效应，需要增加养殖网箱深度尺寸至安全水深以下。同时，在网箱中加设盖板，确保泄水期鱼类活动的最小水深满足水深补偿的需求，以降低网箱养殖鱼类患气泡病的几率。同时，需要注意的是，当水体TDG饱和度恢复正常时，不应立即解除对网箱养殖鱼类的水深约束，因为鱼体长时间处在过饱和水体中，突然解除深度补偿，促使体内组织和体液中的过饱和气体以气泡形式析出，罹患气泡病。谭德彩[5]将受到TDG过饱和胁迫的长江鱼转移到活水舱时，均出现存活困难的现象。因此，当水体恢复正常饱和度时，须待体内适应正常饱和度水体一段时间，再解除水深约束，恢复其在深度方向上的自由。

由于过饱和TDG对野生鱼类的胁迫程度与其本身的生活习性以及躲避能力等因素有关，为降低过饱和TDG的胁迫程度，需要提供足够的水深使其进行深度补偿。梯级电站之间，由于库区水深较大，为野生鱼类进行深度补偿提供了必要条件。但是对于最后一级电站的下游，由于主河槽泄水期流速较大，喜好静水的鱼类往往栖息于流速较低的滩地或近岸浅水区，不利于鱼类进行深度补偿，因此对于具有利用深度补偿能力的野生鱼类，梯级电站的库区相比河道更安全。同时由于距离大坝越近，鱼类受过饱和TDG影响越大，有必要对最后一级电站坝下近区的TDG过饱和度提出比中间梯级电站更严格的限制标准。为降低最后一级电站坝下近区的TDG过饱和度，可以通过梯级电站联合调度等方法，减少最后一个梯级电站的泄水流量，最大限度降低电站坝下近区TDG饱和度，改善下游鱼类生境。