四川大学过饱和TDG及其对鱼类的影响20140423第二讲

1、水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（四川大学）（四川大学） 一、研究背景一、研究背景高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响 1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究 2 过饱和过饱和TDG生成机理及规律研究生成机理及规律研究 3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放机理及规律研究 4 过饱和过饱和TDG生成和释放规律的应用研究生成和释放规律的应用研究 5 长江上游特有鱼类对过饱和长江上游特有鱼类对过饱和TDG耐受性研究耐受性研究 6 高坝泄水过饱和高坝泄水过饱和TDG影

2、响减缓措施研究影响减缓措施研究高坝泄水会导致下游水体高坝泄水会导致下游水体 (Total Dissolved Gas，简，简称称)过饱和，致使鱼类患过饱和，致使鱼类患甚至大规模甚至大规模，严重威，严重威胁到河流水生生态系统的功能及稳定。因泄水导致的过饱和胁到河流水生生态系统的功能及稳定。因泄水导致的过饱和TDG对鱼类的影响在国内外均有报导对鱼类的影响在国内外均有报导。许多水电开发河流，特别是长江上游水系，高坝建设集中，许多水电开发河流，特别是长江上游水系，高坝建设集中，水生生物珍稀和特有程度高、物种数量大，因而高坝泄水水生生物珍稀和特有程度高、物种数量大，因而高坝泄水及其对长江上游特有鱼类的影

3、响及其对长江上游特有鱼类的影响尤为突出尤为突出。 我国我国对对TDG过饱和问题的过饱和问题的。国外关于国外关于TDG过饱和问题的研究多针对于中低坝，且针对的鱼过饱和问题的研究多针对于中低坝，且针对的鱼类为北美特有鱼类，非我国珍稀特有鱼类，因而研究成果虽可类为北美特有鱼类，非我国珍稀特有鱼类，因而研究成果虽可吸收借鉴，但不能直接应用。吸收借鉴，但不能直接应用。 高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响气体在一定条件

4、下，溶解在单位体积水里达到饱和气体在一定条件下，溶解在单位体积水里达到饱和状态时的气体的量。状态时的气体的量。水体中的总溶解气体来源于大气。水体中的总溶解气体来源于大气。 气体溶解度气体溶解度溶解气体的溶解量占所处条件下的饱和含量的百分比。溶解气体的溶解量占所处条件下的饱和含量的百分比。 饱和度饱和度s100CGC过饱和总溶解气体指溶解于水中的气体的饱和度超过过饱和总溶解气体指溶解于水中的气体的饱和度超过100%000(%)100100TDGpppGpp高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响 水坝泄水水坝泄水 温排水温排

5、水 地下水地下水 强光合作用强光合作用泄水掺气泄水掺气过饱和过饱和TDG生成生成过饱和过饱和TDG释放释放一、研究背景一、研究背景过饱和过饱和TDG生成生成过饱和过饱和TDG释放释放主要研究内容主要研究内容一、研究背景一、研究背景泄水掺气泄水掺气研究内容的确定研究内容的确定以与鱼类影响密切相关的过饱和过饱和TDG为研究对象，结合我国高坝工程泄水特性及鱼类分布特征，借助原型原型观测观测、室内实验室内实验和理论分析理论分析等研究手段，对高坝泄水总溶解气体过饱和问题的生成和释放机理生成和释放机理进行了研究，建立了高坝泄水TDG过饱和生成和释放过程的定量预测方法，并针对长江上游特有鱼类，开展了鱼类对过

6、饱和TDG的耐受性研究耐受性研究。主要研究内容主要研究内容一、研究背景一、研究背景 “长江上游特有鱼类受总溶解气体过饱和间歇胁迫影响的规律及减缓措施研究” (51379136) “水流交汇对过饱和总溶解气体分布规律的影响研究” (51279115) “高坝梯级过饱和总溶解气体释放规律及生态调控技术研究”(51179111) “高坝下游溶解气体过饱和与掺气特性关系研究”（50579043） “高坝下游溶解气体过饱和对长江上游特有鱼类影响的研究”（50979063） “通过生态调度满足鱼类需求的水力学问题研究” （50279025） 任务来源任务来源高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼

7、类的影响高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目教育部高等学校博士学科点专项科研基金教育部高等学校博士学科点专项科研基金 “含沙水体过饱和总溶解气体释放规律研究”(20110181110073) 资助 金沙江中游、金沙江下游等大型河流水电规划 白鹤滩、乌东德、双江口、巴拉等大型水利工程建设项目委托大型河流水电规划以及大型水利工程项目委托大型河流水电规划以及大型水利工程项目委托p 溶解气体过饱和的产生条件溶解气体过饱和的产生条件p高坝泄水溶解气体过饱和水平及其影响因素高坝泄水溶解气体过饱和水平及其影响因素p过饱和溶解气体释放过程（影响范围）

8、及影响因素过饱和溶解气体释放过程（影响范围）及影响因素p 过饱和溶解气体中主要组分（过饱和溶解气体中主要组分（DO与与TDG）间的关系）间的关系高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响高坝泄水总溶解气体过饱和规律及其对长江上游特有鱼类的影响1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究成都重庆昆明贵阳长沙武汉岷江金沙雅砻长怒澜沧江江江江江紫坪铺二滩漫湾三峡乌大朝山铜街子龚嘴大渡河葛洲坝南宁黄果树大瀑布珠江盘北江盘南江江原观工程原观河段河流城市图例瀑布沟深溪沟序号观测河段河段内工程或跌水名称工程特征观测河段长度(km)备注1打邦河黄果树大瀑布北盘江汇口黄果树大瀑布我国最大瀑布20

9、北盘江水系2岷江紫坪铺坝址成都紫坪铺岷江干流最大电站；挑流消能60岷江水系3雅砻江二滩坝址金沙江龙街渡口二滩我国已建最高拱坝；挑流消能130十二大水电基地之一4三峡坝址武汉三峡、葛洲坝装机容量最大电站；规模最大的连续梯级电站挑流消能；650长江干流5澜沧江漫湾坝址光山江桥漫湾、大朝山连续高坝梯级电站；挑流消能170十二大水电基地之一6大渡河瀑布沟电站大渡河汇口瀑布沟、深溪沟、龚嘴、铜街子不同消能型式（面流与底流消能）的连续梯级电站300十二大水电基地之一典型工程泄水下游观测河段长达典型工程泄水下游观测河段长达。1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型

10、观测研究1.1 黄果树大瀑布及下游打邦河河段的观测研究黄果树大瀑布及下游打邦河河段的观测研究黄果树大瀑布打邦河打邦河瀑布下游河道过饱和瀑布下游河道过饱和TDG释放速率相当快释放速率相当快l由于河道水深浅，过饱和水流与大气充分交换所致由于河道水深浅，过饱和水流与大气充分交换所致l河道内分布有多个小落差跌水，跌水有助于过饱和水体与大气的充分接触和质河道内分布有多个小落差跌水，跌水有助于过饱和水体与大气的充分接触和质量交换，在一定程度上也加速了过饱和量交换，在一定程度上也加速了过饱和TDG向大气的释放过程。向大气的释放过程。日期黄果树水文站 (瀑布上游) 铁桥断面(瀑布下游)王二河汇口上游(瀑布下游

11、)左中右左中右6.26110.1111.4107.4102.66.27105.6106.0105.6105.6102.1101.9101.86.28104.4105.3104.4104.56.29104.5103.6103.8104.41.1 黄果树大瀑布及下游打邦河河段的观测研究黄果树大瀑布及下游打邦河河段的观测研究黄果树大瀑布过饱和黄果树大瀑布过饱和TDG观测结果表观测结果表黄果树瀑布下游TDG饱和度与单宽流量关系图 TDG饱和度与单宽流量之间有着良好的线性相关关系，饱和度与单宽流量之间有着良好的线性相关关系，两者相关系数为两者相关系数为0.98。1.1 黄果树大瀑布及下游打邦河河段的观测

12、研究黄果树大瀑布及下游打邦河河段的观测研究1.2 紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究安澜索桥观测安澜索桥观测 泄洪洞泄水观测泄洪洞泄水观测 探头探头紫坪铺坝下紫坪铺坝下500m的彩虹桥断面观测得到的的彩虹桥断面观测得到的TDG饱和度最大值为饱和度最大值为128.3，发生时间在，发生时间在2006年年12月月28日溢洪道完全关闭几分钟后，日溢洪道完全关闭几分钟后，泄洪洞全面开启泄水时。泄洪洞全面开启泄水时。 TDG横断面分布横断面分布1.2 紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究泄水下游

13、横断面上过饱和泄水下游横断面上过饱和TDG呈现不均匀分布，但愈往下游，横呈现不均匀分布，但愈往下游，横向分布愈不明显向分布愈不明显过饱和过饱和TDG与泄洪流量关系与泄洪流量关系紫坪铺下游TDG饱和度与流量变化关系紫坪铺下游彩虹桥断面TDG饱和度与泄水流量关系图 1.2 紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究过饱和过饱和TDG随时间的变化过程与下泄流量过程极其相近，两者随时间的变化过程与下泄流量过程极其相近，两者有较好的相关关系，相关系数为有较好的相关关系，相关系数为0.82。过饱和过饱和TDG释放过程释放过程在约在约40km的河道内，过的河道内，过饱和饱和TDG已

14、基本恢复至已基本恢复至正常饱和状态，且正常饱和状态，且TDG饱和度衰减速率随着距饱和度衰减速率随着距离的增加逐渐减小。离的增加逐渐减小。12月26日柏条河12月25日1.2 紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究紫坪铺工程及下游岷江河段的观测研究1.3 二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究三滩桥断面1.3 二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究TDG饱和度与泄洪流量的关系较混乱，难以用线性关系进行拟合。饱和度与泄洪流量的关系较混乱，难以用线性关系进行拟合。初步

15、分析是由于不同泄洪建筑物造成的过饱和初步分析是由于不同泄洪建筑物造成的过饱和TDG水平不同所致。水平不同所致。过饱和过饱和TDG水平与泄洪流量的关系水平与泄洪流量的关系 1.3 二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究TDG饱和度沿程变化显著，汇入金沙江后饱和度沿程变化显著，汇入金沙江后TDG水平明显下降。水平明显下降。过饱和过饱和TDG沿程释放过程沿程释放过程 TDG与与DO关系关系TDG和和DO随时间的变化趋势有一定程度的接近，但随时间的变化趋势有一定程度的接近，但DO变化幅值变化幅值大于大于TDG变化幅值，且变化幅值，且DO波动变化明显，波动变

16、化明显，TDG和和DO饱和度之饱和度之间难以找到固定的相关关系。间难以找到固定的相关关系。1.3 二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究二滩工程及下游雅砻江和金沙江河段的观测研究1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究1.4 三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究三峡三峡葛洲坝葛洲坝荆州码头荆州码头西陵长江大桥断面观测得到的西陵长江大桥断面观测得到的TDG饱和度最大值为饱和度最大值为138.4，DO饱饱和度最大值为和度最大值为132，出现时间在，出现时间在7月月10日日19：04。黄陵庙断面观测到黄陵庙断面观测到TDG饱和度最大值饱和度最大值

17、144.2，出现时间在，出现时间在7月月9日日13：39， DO饱和度最大值为饱和度最大值为133，出现时间在，出现时间在7月月9日日14：20。 1.4三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究过饱和过饱和TDG与泄洪流量关系与泄洪流量关系西陵大桥断面TDG饱和度与流量关系过饱和度与泄流流量呈现一定相关，相关系数过饱和度与泄流流量呈现一定相关，相关系数0.64 TDG与DO关系葛洲坝泄水TDG和DO变化关系图 渣场断面TDG和DO变化关系图1.4 三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究TDG与与DO在部分时刻呈现

18、相似的变化趋势，但两者之间的在部分时刻呈现相似的变化趋势，但两者之间的关系并不固定关系并不固定 过饱和TDG释放过程1.4 三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究三峡、葛洲坝工程及下游长江河段的观测研究长江河道过饱和长江河道过饱和TDG沿程恢复相当缓慢，部分时段三峡泄水产生沿程恢复相当缓慢，部分时段三峡泄水产生的过饱和影响一直持续到武汉。的过饱和影响一直持续到武汉。观测期间，三峡泄洪流量和坝下总溶解气体饱和度在不断变化，观测期间，三峡泄洪流量和坝下总溶解气体饱和度在不断变化，观测到的过饱和气体影响范围也随之在三峡至武汉之间不断变化。观测到的过饱和气体影响范围也随之在三峡至武汉之间不断变化。

19、1.5 漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究漫湾观测照片漫湾观测照片1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究 漫湾大桥断面观测到的最高饱和度为漫湾大桥断面观测到的最高饱和度为124.4%，发生在，发生在7月月30日上日上午泄洪表孔泄洪时，对应泄洪流量午泄洪表孔泄洪时，对应泄洪流量1810m3/s。 泄洪洞泄洪时漫湾大桥断面最高饱和度为泄洪洞泄洪时漫湾大桥断面最高饱和度为120%，对应泄洪流量，对应泄洪流量880m3/s大朝山泄水照片大朝山泄水照片大朝山库区大朝山库区 大朝山泄洪期间，大朝山坝下大朝山泄洪期间，大朝山坝下4000m的水文站断面

20、观测到的的水文站断面观测到的TDG饱和度最大值为饱和度最大值为120.3%，时间发生在，时间发生在7月月31日凌晨日凌晨4时时1#表孔表孔泄洪时，泄洪流量泄洪时，泄洪流量1070m3/s，发电流量，发电流量1870 m3/s。 1.5 漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究1.5 漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究大朝山库区垂向大朝山库区垂向TDG分布分布在上游漫湾电站泄水期间大朝山库区内在上游漫湾电站泄水期间大朝山库区内TDG呈现明显的垂向分布，呈现明显的垂向分布，其中，在其中，在510m水深范围

21、内水深范围内TDG饱和度最大，而表层和深层水体饱饱和度最大，而表层和深层水体饱和度较小。垂线上和度较小。垂线上TDG饱和度最大差值出现在饱和度最大差值出现在7月月31日，差日，差11%TDG释放过程1.5 漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究TDG与DO关系1.5 漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究漫湾、大朝山电站及下游澜沧江河道的观测研究在在TDG与与DO之间存在线性相关关系，但不同地点以及不同时刻，之间存在线性相关关系，但不同地点以及不同时刻，两者的关系并不一致两者的关系并不一致1.6 瀑布沟下游大渡河河段的观测研究瀑布沟下游大渡河河

22、段的观测研究1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究铜街子坝前500m垂向分布龚嘴坝前TDG垂向分布1.6 龚嘴、铜街子电站及下游大渡河河段的观测研究龚嘴、铜街子电站及下游大渡河河段的观测研究过饱和过饱和TDG垂向分布垂向分布在观测深度内，在观测深度内，TDG饱和度呈现垂向分布饱和度呈现垂向分布1.6 龚嘴、铜街子电站及下游大渡河河段的观测研究龚嘴、铜街子电站及下游大渡河河段的观测研究龚嘴泄水过饱和过饱和TDG释放过程释放过程1.6 龚嘴、铜街子电站及下游大渡河河段的观测研究龚嘴、铜街子电站及下游大渡河河段的观测研究TDG与流量关系与流量关系龚嘴泄水铜街子泄水TDG饱和度与单宽流量的相关

23、性较差。饱和度与单宽流量的相关性较差。1.7 原型观测结果的总结分析原型观测结果的总结分析TDG和和DO之间难以建立固定的相关关系。之间难以建立固定的相关关系。由于由于DO浓度很大程度上浓度很大程度上取决于水体耗氧过程，与水体中污染物种类和浓度有关，而取决于水体耗氧过程，与水体中污染物种类和浓度有关，而TDG中除中除DO外，外，主要成分为氮气，氮气属惰性气体，不受水质和污染物降解的影响，因而在主要成分为氮气，氮气属惰性气体，不受水质和污染物降解的影响，因而在污染水体中，污染水体中，TDG与与DO的关系会随着水质状况的改变而发生改变，造成两者的关系会随着水质状况的改变而发生改变，造成两者的关系在

24、不同时间或不同的地点存在非常大的差别。鉴于这一原因，的关系在不同时间或不同的地点存在非常大的差别。鉴于这一原因，对过饱对过饱和和TDG的研究中，用的研究中，用DO代替代替TDG的做法会导致较大误差。的做法会导致较大误差。 TDG与流量之间的相关关系非单一关系，除流量因素外，需同与流量之间的相关关系非单一关系，除流量因素外，需同时考虑掺气、消能工内压力、紊动等其它要素的综合影响。时考虑掺气、消能工内压力、紊动等其它要素的综合影响。工程泄流消能方式不同，工程泄流消能方式不同，TDG过饱和水平差别较大。坝下过饱和水平差别较大。坝下TDG过饱和度与泄水建筑物的泄洪布置方式密切相关过饱和度与泄水建筑物的

25、泄洪布置方式密切相关 。1 过饱和过饱和TDG原型观测研究原型观测研究1.7 原型观测结果的总结分析原型观测结果的总结分析坝下坝下TDG沿横向呈现不均匀分布，其中主流区域沿横向呈现不均匀分布，其中主流区域TDG饱和度普饱和度普遍大于非主流区域，泄洪侧遍大于非主流区域，泄洪侧TDG饱和度普遍大于发电侧。饱和度普遍大于发电侧。泄洪期间泄洪期间TDG饱和度垂向上分布不均匀，不均匀程度与水深、饱和度垂向上分布不均匀，不均匀程度与水深、流速等要素相关。流速等要素相关。发电对水体中发电对水体中TDG饱和度没有显著影响。饱和度没有显著影响。支流汇入可以使总溶解气体饱和度明显减小，且支流汇入可以使总溶解气体饱

26、和度明显减小，且TDG浓度变化浓度变化基本符合流量加权平均的混合公式。基本符合流量加权平均的混合公式。不同特征水体之间过饱和不同特征水体之间过饱和TDG沿程恢复和释放过程差别较大，沿程恢复和释放过程差别较大，其中水深是影响过饱和其中水深是影响过饱和TDG释放的重要因素。释放的重要因素。水体中水质、泥沙含量等水质特性对过饱和水体中水质、泥沙含量等水质特性对过饱和TDG的释放有一定的释放有一定影响。影响。二、主要研究成果二、主要研究成果TDG过饱和水流的产生装置研究过饱和水流的产生装置研究* 高压水柱装置* 高压釜实验装置910109910910910412278306526431112.1 过饱

27、和过饱和TDG生成机理研究生成机理研究2 过饱和过饱和TDG生成机理及规律研究生成机理及规律研究 可同时产生不同过饱和度可同时产生不同过饱和度的多股水流，且流量稳定的多股水流，且流量稳定，掺气、水流等实验条件，掺气、水流等实验条件可控，成功解决了实验研可控，成功解决了实验研究中究中TDG过饱和水流供应过饱和水流供应受限问题，为准确高效开受限问题，为准确高效开展展TDG过饱和规律及其对过饱和规律及其对鱼类影响的研究提供了重鱼类影响的研究提供了重要技术条件和质量保障，要技术条件和质量保障，推动了过饱和推动了过饱和TDG问题及问题及其对鱼类影响的实验研究其对鱼类影响的实验研究进程进程 溶解度与压力关

28、系氧气的溶解度符合亨利定律，即在温度一定的情况下，溶解度与压力成正比。气泡溶解 实验气体溶解速率与气泡比表面积和水体紊动强度密切相关 气泡尺寸 实验气泡尺寸愈小，比表面积愈大，水体中TDG过饱和的生成速率愈快。气体在水中的溶解实验气体在水中的溶解实验2.1 过饱和过饱和TDG生成机理研究生成机理研究高速掺气水流射流实验高速掺气水流射流实验自由射流时水体自由射流时水体TDG过饱和度明显较淹没射流时小。结果表明，过饱和度明显较淹没射流时小。结果表明，充分掺气和承压（水深）是充分掺气和承压（水深）是TDG过饱和形成的必要条件，同时，过饱和形成的必要条件，同时，气泡在水中滞留时间也是影响水体气泡在水中

29、滞留时间也是影响水体TDG过饱和的主要因素。过饱和的主要因素。2.1 过饱和过饱和TDG生成机理研究生成机理研究高速水流掺气实验高速水流掺气实验掺气是产生过饱和掺气是产生过饱和TDG的必要条件之一；气泡比表面积（气泡的必要条件之一；气泡比表面积（气泡尺寸）和紊动是影响尺寸）和紊动是影响TDG过饱和生成速率的重要因素过饱和生成速率的重要因素2.1 过饱和过饱和TDG生成机理研究生成机理研究掺气水流气泡分布研究掺气水流气泡分布研究 采用图像处理技术，引入基于数学形态学方法的气泡填充，将距离采用图像处理技术，引入基于数学形态学方法的气泡填充，将距离加分水岭变换方法应用在粘连气泡分割中，通过图像预处理

30、、图像加分水岭变换方法应用在粘连气泡分割中，通过图像预处理、图像分割、气泡填充、气泡分割等一系列图像处理技术分析得到，掺气分割、气泡填充、气泡分割等一系列图像处理技术分析得到，掺气水流中气泡分布具有较好的正态分布规律水流中气泡分布具有较好的正态分布规律粘连气泡分割前后图像对比气泡粒径的正态分布拟合结果 2.1 过饱和过饱和TDG生成机理研究生成机理研究过饱和过饱和TDG生成与含沙量的关系实验生成与含沙量的关系实验含沙水体含沙水体TDG饱和度和清水没有显著变化，表明泥沙含量对水体中过饱和饱和度和清水没有显著变化，表明泥沙含量对水体中过饱和TDG的生成没有显著影响。的生成没有显著影响。2.1 过饱

31、和过饱和TDG生成机理研究生成机理研究清浑水体中TDG过饱和生成垂向分布 1001101201301400.51.02.03.04.0水深(%)TDG 饱和度(%)工况1工况2工况3工况4工况5工况6 小结小结2.1 过饱和过饱和TDG生成机理研究生成机理研究l实验压力在实验压力在9MPa以下时，氧气溶解度与压力间呈现很好的直以下时，氧气溶解度与压力间呈现很好的直线关系，即溶解度与压力成正比。线关系，即溶解度与压力成正比。l高坝泄水下游水体充分掺气、承压以及气泡在水体内足够的高坝泄水下游水体充分掺气、承压以及气泡在水体内足够的滞留时间的是滞留时间的是TDG过饱和产生的必要条件，同时，气泡比表面

32、过饱和产生的必要条件，同时，气泡比表面积和紊动强度是影响过饱和积和紊动强度是影响过饱和TDG生成速率的重要因素，气泡比生成速率的重要因素，气泡比表面积愈大（气泡尺寸愈小）、紊动愈强，过饱和表面积愈大（气泡尺寸愈小）、紊动愈强，过饱和TDG生成速生成速率越快。率越快。l运用图像处理技术分析得到，掺气水流中气泡分布具有较好运用图像处理技术分析得到，掺气水流中气泡分布具有较好的正态分布规律。的正态分布规律。l泥沙含量对水体中泥沙含量对水体中TDG过饱和的生成影响不显著。过饱和的生成影响不显著。 2.2 高坝挑流消能过饱和高坝挑流消能过饱和TDG预测方法的建立预测方法的建立2 过饱和过饱和TDG生成机

33、理及规律研究生成机理及规律研究水舌自由水面冲坑自由水面泄洪洞大坝hdhr高坝挑流消能示意图 冲坑（水垫塘）内高压掺气水流中气体的过溶过程 水流流经冲坑（水垫塘）出口时，由于压力和水深突然减小导致的过溶TDG的瞬间快速释放过程1101=2deqPGGP3 21=expdddrhGGkh系数泄洪洞泄水泄洪孔泄水0.400.550.380.560.10.20.080.122.2 高坝挑流消能过饱和高坝挑流消能过饱和TDG预测方法的建立预测方法的建立3 2101=exp2dddeqeqdrPhGGGkPh1dk参数率定参数率定 100.0110.0120.0130.0140.012345678工况编号

34、饱和度(%)计算值实测值泄洪洞泄水 100.0110.0120.0130.0140.0123工况编号饱和度(%)计算实测泄洪孔泄水 2.2 高坝挑流消能过饱和高坝挑流消能过饱和TDG预测方法的建立预测方法的建立模型验证模型验证 二滩泄水验证结果 三峡泄水验证结果 1.31.30.30.32.56.02.17.96.57.36.205101520253012345678910 11工况TDG 过饱和度(%)实测预测差值2.3 小结小结(1)(1)基于对过饱和基于对过饱和TDG产生条件的分析，研制了具有自主知识产产生条件的分析，研制了具有自主知识产权的产生过饱和权的产生过饱和TDG水流的高压水柱实

35、验装置水流的高压水柱实验装置，成功解决了关于，成功解决了关于TDG过饱和问题实验研究中的关键技术难题，为准确高效地开展过饱和问题实验研究中的关键技术难题，为准确高效地开展TDG过饱和规律及其对鱼类影响的研究提供了重要技术条件和质过饱和规律及其对鱼类影响的研究提供了重要技术条件和质量保障量保障。(2) 高坝泄水下游水体充分掺气、承压以及气泡在水体内足够的高坝泄水下游水体充分掺气、承压以及气泡在水体内足够的滞留时间是滞留时间是TDG过饱和产生的必要条件；气泡比表面积和紊动强过饱和产生的必要条件；气泡比表面积和紊动强度是影响过饱和度是影响过饱和TDG生成速率的重要因素，其中气泡比表面积愈生成速率的重

36、要因素，其中气泡比表面积愈大（气泡尺寸愈小）、紊动愈强，过饱和大（气泡尺寸愈小）、紊动愈强，过饱和TDG生成速率越快；泥生成速率越快；泥沙含量对水体中沙含量对水体中TDG过饱和的生成影响不显著。过饱和的生成影响不显著。2 过饱和过饱和TDG生成机理及规律研究生成机理及规律研究2.3 小结小结(2)(3)引入基于数学形态学方法的气泡填充方法，将距离加分水岭引入基于数学形态学方法的气泡填充方法，将距离加分水岭变换方法应用在粘连气泡分割中，通过图像预处理、图像分割、变换方法应用在粘连气泡分割中，通过图像预处理、图像分割、气泡填充、气泡分割等一系列图像处理技术分析得到，掺气水流气泡填充、气泡分割等一系

37、列图像处理技术分析得到，掺气水流中气泡分布具有较好的正态分布规律。中气泡分布具有较好的正态分布规律。(4) 首次建立了高坝挑流消能过饱和首次建立了高坝挑流消能过饱和TDG生成预测公式。利用原生成预测公式。利用原型观测资料对公式进行了参数率定和公式验证。该型观测资料对公式进行了参数率定和公式验证。该方法的建立是方法的建立是高坝工程过饱和高坝工程过饱和TDG定量预测研究领域的开拓性研究工作，对于定量预测研究领域的开拓性研究工作，对于定量预测高坝工程总溶解气体过饱和程度，客观公正评价高坝工定量预测高坝工程总溶解气体过饱和程度，客观公正评价高坝工程生态环境风险，探讨高坝工程环境保护具有重要意义。程生态

38、环境风险，探讨高坝工程环境保护具有重要意义。2 过饱和过饱和TDG生成机理及规律研究生成机理及规律研究3.13.23.3过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究过饱和过饱和TDG释放系数与释放系数与DO释放系数及释放系数及DO复氧系数的关系实验复氧系数的关系实验 紊动对过饱和紊动对过饱和TDG释放过程的影响实验释放过程的影响实验 泥沙含量对过饱和泥沙含量对过饱和TDG释放过程的影响实验释放过程的影响实验 温度对过饱和温度对过饱和TDG释放过程的影响实验释放过程的影响实验复杂水域内过饱和复杂水域内过饱和TDG释放规律研究释放规律研究天然河道过饱和天然河道过饱和TDG释放过程的预测研究释放过程的

39、预测研究纵向一维模型的建立纵向一维模型的建立天然河道过饱和天然河道过饱和TDG释放系数的取值分析释放系数的取值分析 释放系数估算方法的提出释放系数估算方法的提出 深水库区立面二维过饱和深水库区立面二维过饱和TDG释放模型研究释放模型研究 二、主要研究成果二、主要研究成果3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究DO欠饱和欠饱和水体复氧试验水体复氧试验过饱和和过饱和和TDG释放系数释放系数水体复氧系数水体复氧系数TDG和和DO过饱和过饱和水体释放试验水体释放试验过饱和过饱和DO释放系数释放系数过饱和过饱和TDG释放系数的取值分析释放系数的取值分析过饱和过饱和TDG释放系数与释放系数与DO

40、释放系数及释放系数及DO复氧系数的关系实验复氧系数的关系实验(1)试验装置示意图过饱和过饱和TDG释放系数与释放系数与DO释放系数及释放系数及DO复氧系数的关系实验复氧系数的关系实验(2)3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究采用替代系数引起的过饱和TDG释放时间的计算误差图 过饱和DO释放时间的计算误差图（复氧系数代替过饱和DO释放系数） 在对在对TDG释放过程的研究中，需要对过饱和释放过程的研究中，需要对过饱和TDG释放系数进释放系数进行专门研究，不能简单以过饱和行专门研究，不能简单以过饱和DO释放系数或氧亏水体复氧系释放系数或氧亏水体复氧系数代替数代替TDG释放系数。释放系数

41、。3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究过饱和过饱和TDG释放系数与释放系数与DO释放系数及释放系数及DO复氧系数的关系实验复氧系数的关系实验(3)紊动对过饱和紊动对过饱和TDG释放过程的影响实验释放过程的影响实验TDG饱和度随时间变化关系曲线释放系数与紊动强度的关系图3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究搅拌诱发紊动实验搅拌诱发紊动实验泥沙含量对过饱和泥沙含量对过饱和TDG释放过程的影响释放过程的影响静置水柱实验静置水柱实验明渠水流实验明渠水流实验l水体中泥沙的存在有利于过饱和水体中泥沙的存在有利于过饱和TDG的释放，且含沙量越大，过的释放，且含沙量越大，过饱和饱和T

42、DG释放速度愈快。释放速度愈快。这主要是由于水体中泥沙颗粒的存在增加了水体中这主要是由于水体中泥沙颗粒的存在增加了水体中TDG的可附着介质，促使溶的可附着介质，促使溶解气体变为游离态并聚并，最终以气泡形式上浮到空气中。解气体变为游离态并聚并，最终以气泡形式上浮到空气中。l过饱和过饱和TDG释放速度随水体紊动强度的增大而显著加快。释放速度随水体紊动强度的增大而显著加快。 3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究 0510152025050100150200耗散时间(h)TDG过饱和度(%)清水浑水清水拟合线浑水拟合线 500RPM1001051101151201251301350.00

43、.10.20.30.40.5释放时间(h)TDG饱和度(%)清水0.4kg/m0.8kg/m1.2kg/m温度对过饱和温度对过饱和TDG释放过程的影响释放过程的影响(20)20 1.060TKK复杂水域内过饱和复杂水域内过饱和TDG释放规律研究释放规律研究(1) 18.8cm9.546.315.015.51.812.331.3鱼道模型试验装置示意图鱼道模型整体示意图鱼道模型单池尺寸示意图）3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究复杂水域内过饱和复杂水域内过饱和TDG释放规律研究释放规律研究(2) 3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究 鱼道模型过饱和TDG释放试验结果统计

44、表工况编号入流流速(m/s)入流水深(m)入流过饱和度(%)出流过饱和度(%)TDG饱和度降低值(%)10.060.0837.429.57.920.080.1031.527.24.330.110.1133.429.63.840.140.1226.924.12.80.1m/s首末级鱼池内流场分布复杂水域内过饱和复杂水域内过饱和TDG释放规律研究释放规律研究(3) 3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究鱼道内紊动动能分布图 ( m2.s-2)鱼道内过饱和TDG浓度分布图 (%)复杂水域内过饱和复杂水域内过饱和TDG释放规律研究释放规律研究(4) 3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释

45、放机理研究过饱和TDG释放系数与平均紊动动能关系图复杂水域内过饱和复杂水域内过饱和TDG释放规律研究释放规律研究(5) 3.1 过饱和过饱和TDG释放机理研究释放机理研究在有阻挡建筑物存在时，过饱和在有阻挡建筑物存在时，过饱和TDG的释放速率比在顺直边界条件下显著的释放速率比在顺直边界条件下显著增大，说明水流的绕流、回流现象可以增加水体滞留时间，提高紊动强度，增大，说明水流的绕流、回流现象可以增加水体滞留时间，提高紊动强度，从而促进过饱和从而促进过饱和TDG的释放。在高紊动区域，过饱和的释放。在高紊动区域，过饱和TDG释放速率与紊动释放速率与紊动强度成正相关关系，紊动强度越大，强度成正相关关系

46、，紊动强度越大，TDG释放越快。释放越快。 3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放机理及规律研究 3.2天然河道过饱和天然河道过饱和TDG预测方法研究预测方法研究(1)水动力学方程2211111222211()()1111()()88iiiiiiiiiiiiiiUAU As UAU AZZgAAKKiiiARnK321(2)过饱和TDG输移释放方程/()Tk x UeqoeqGGGGe模型基本方程模型基本方程释放系数的取值分析释放系数的取值分析二滩电站下游金沙江河段TDG释放过程漫湾电站下游河道TDG释放过程率定关系图（泄洪洞泄洪） y = 14e-0.02xR2 = 0.9858051

47、015200102030历时(h)TDG过饱和度(%)实测点指数拟合三峡电站下游长江河段TDG释放过程 y = 11.1e-0.563xR2 = 0.91440510150.02.04.06.0历时(h)TDG过饱和度(%)实测点指数拟合紫坪铺电站下游柏条河段TDG释放程 工况编号所测区段释放系数(h-1)相关系数R21二滩电站下游雅砻江河道（Q=7400M3/S）0.09910.99812二滩电站下游雅砻江河道(Q=6700 M3/S)0.06790.92833二滩电站下游雅砻江河道(Q=3300 M3/S)0.09650.99894二滩电站下游金沙江干流河道(Q=7230 M3/S)0.0

48、6180.93235二滩电站下游金沙江干流河道(Q=7280 M3/S)0.06000.96996三峡电站下游长江河道（宜昌至武汉）0.01400.90137三峡电站下游长江河道（城陵矶至武汉）0.02000.98588紫坪铺电站下游柏条河0.56300.91449紫坪铺电站下游走马河0.65000.948510漫湾电站下游澜沧江天然河道（泄洪洞泄流）0.10600.997711漫湾电站下游澜沧江天然河道（表孔泄流）0.09550.960812大朝山电站下游澜沧江河道0.12900.898313铜街子电站下游大渡河河道0.20130.969414大渡河上铜街子库区内0.15990.983815

49、澜沧江上大朝山库区内0.00300.9313各河段的释放系数存在显著差别，总体上表现出大型河流释放系数较小，而小型各河段的释放系数存在显著差别，总体上表现出大型河流释放系数较小，而小型河流释放系数较大，以及天然河道释放系数大于库区水体的规律河流释放系数较大，以及天然河道释放系数大于库区水体的规律 3.2天然河道过饱和天然河道过饱和TDG预测方法研究预测方法研究天然水体释放系数统计表天然水体释放系数统计表*3600 ()mnTk RHFruR释放系数计算方法的提出释放系数计算方法的提出T33600mD UkH美国陆军工程兵团： 本研究得到： 3.2天然河道过饱和天然河道过饱和TDG预测方法研究预

50、测方法研究释放系数计算方法的提出释放系数计算方法的提出 3.2天然河道过饱和天然河道过饱和TDG预测方法研究预测方法研究工况编号所测区段释放系数(h-1)综合系数(s-1)1二滩电站下游雅砻江河道（Q=7400M3/S）0.09919.2310-102二滩电站下游雅砻江河道(Q=6700 M3/S)0.06795.6910-103二滩电站下游雅砻江河道(Q=3300 M3/S)0.09651.0510-94二滩电站下游金沙江干流河道(Q=7230 M3/S)0.06185.9210-105二滩电站下游金沙江干流河道(Q=7280 M3/S)0.06005.0010-106三峡电站下游长江河道（

51、宜昌至武汉）0.01401.4310-107三峡电站下游长江河道（城陵矶至武汉）0.02001.5410-108紫坪铺电站下游柏条河0.56306.4710-89紫坪铺电站下游走马河0.65008.6210-810漫湾电站下游澜沧江天然河道（泄洪洞泄流）0.10601.3410-911漫湾电站下游澜沧江天然河道（表孔泄流）0.09551.0710-912大朝山电站下游澜沧江河道0.12901.1610-913铜街子电站下游大渡河河道0.20138.5610-914大渡河上铜街子库区内0.15998.2210-915澜沧江上大朝山库区内0.00301.2910-101根据大型深水库根据大型深水库

52、过饱和过饱和TDG分布分布特征，建立了特征，建立了宽宽度平均立面二维度平均立面二维过饱和过饱和TDG释放释放模型。模型。2采用大朝山库区采用大朝山库区坝前垂线坝前垂线及及典型典型断面断面原型观测成原型观测成果对模型进行果对模型进行验验证证 3研究得到库区内研究得到库区内TDG浓度浓度垂向、垂向、纵向分布规律分纵向分布规律分布布3.3 深水库区立面二维过饱和深水库区立面二维过饱和TDG释放模型研究释放模型研究3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放机理及规律研究3.3 深水库区立面二维过饱和深水库区立面二维过饱和TDG释放模型研究释放模型研究(1)3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放

53、机理及规律研究22()()xzBDBDBUBWBS Btxzxz()() ()TeqLssSkCCK aCC模型方程模型方程3.3 深水库区立面二维过饱和深水库区立面二维过饱和TDG释放模型研究释放模型研究(2)3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放机理及规律研究 2009年8月1日-50-40-30-20-100100105110115120125TDG饱和度(%)水深(m)计算值实测点大朝山水库过饱和大朝山水库过饱和TDG垂向分布垂向分布 计算与实测对比图计算与实测对比图 1001101201302009-7-28 0:002009-7-29 0:002009-7-30 0:0020

54、09-7-31 0:002009-8-1 0:002009-8-2 0:00日期流量(m3/s)大转弯码头计算值新村码头计算值大朝山坝前计算值大转弯码头实测值新村码头实测值大朝山坝前实测值大朝山库区内过饱和大朝山库区内过饱和TDG释放随时间关系的实测与计算结果对比释放随时间关系的实测与计算结果对比 模型验证模型验证Distance(m)Elevation (m)0100002000030000400005000060000700008000090000840860880900920TDG: 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117

55、118 119 120 121 122 12307/29/2009 14:00大朝山库区过饱和大朝山库区过饱和TDG浓度分布图（单位浓度分布图（单位:%）3.3 深水库区立面二维过饱和深水库区立面二维过饱和TDG释放模型研究释放模型研究(3)3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放机理及规律研究过饱和过饱和TDG分布规律分布规律 与泄洪水流非恒定与泄洪水流非恒定TDG饱和度的过程相应，库区内的饱和度的过程相应，库区内的TDG浓度分布随之发浓度分布随之发生变化，且随着水流向下游的逐渐推进，过饱和生变化，且随着水流向下游的逐渐推进，过饱和TDG峰值逐渐坦化，持续峰值逐渐坦化，持续时间被拉长。时

56、间被拉长。TDG饱和度在垂线上呈现由水面向下饱和度值逐渐增加，在饱和度在垂线上呈现由水面向下饱和度值逐渐增加，在10m左右深度达到某一极大饱和度后，左右深度达到某一极大饱和度后，TDG饱和度随深度增加而逐渐减小。饱和度随深度增加而逐渐减小。3.4 小结小结(1)(1) 实验研究了过饱和水体实验研究了过饱和水体TDG释放系数、释放系数、DO释放系数及氧亏释放系数及氧亏水体复氧系数三者之间的相互关系。结果表明，过饱和水体水体复氧系数三者之间的相互关系。结果表明，过饱和水体TDG释放系数、释放系数、DO释放系数及氧亏水体复氧系数三者之间差别较大，释放系数及氧亏水体复氧系数三者之间差别较大，采用过饱和

57、采用过饱和DO释放系数或欠饱和释放系数或欠饱和DO复氧系数代替过饱和复氧系数代替过饱和TDG释释放系数开展预测研究可引起较大的计算误差。放系数开展预测研究可引起较大的计算误差。(2)过饱和过饱和TDG释放速度随水体紊动强度的增大而显著加快。释放速度随水体紊动强度的增大而显著加快。(3) 过饱和过饱和TDG与水体泥沙含量和紊动强度之间存在显著相关与水体泥沙含量和紊动强度之间存在显著相关关系。水体中泥沙的存在有利于过饱和关系。水体中泥沙的存在有利于过饱和TDG的释放，且含沙量越的释放，且含沙量越大，过饱和大，过饱和TDG释放速度愈快。释放速度愈快。3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放机理及

58、规律研究3.4 小结小结(2)(4) 水流的绕流、回流现象可以增加水体滞留时间，提高水体紊水流的绕流、回流现象可以增加水体滞留时间，提高水体紊动强度，从而促进过饱和动强度，从而促进过饱和TDG的释放。的释放。(5) 天然河道释放系数差别显著，总体上表现为大型河流释放系天然河道释放系数差别显著，总体上表现为大型河流释放系数较小，而小型河流释放系数较大，以及天然河道释放系数大于数较小，而小型河流释放系数较大，以及天然河道释放系数大于库区水体的规律，据此提出了考虑河道水深、流速及紊动条件的库区水体的规律，据此提出了考虑河道水深、流速及紊动条件的释放系数的估算公式。释放系数的估算公式。(6) 建立了宽

59、度平均立面二维过饱和建立了宽度平均立面二维过饱和TDG释放模型，模型考虑库释放模型，模型考虑库区水温分层影响及泄洪水流的非恒定流特征，可以实现对泄水产区水温分层影响及泄洪水流的非恒定流特征，可以实现对泄水产生的过饱和生的过饱和TDG在库区输移释放全过程的精细模拟。在库区输移释放全过程的精细模拟。3 过饱和过饱和TDG释放机理及规律研究释放机理及规律研究1 金沙江中游水电梯级开发金沙江中游水电梯级开发TDG过饱和影响过饱和影响2 金沙江下游水电梯级开发的金沙江下游水电梯级开发的TDG过饱和影响过饱和影响3 金沙江乌东德水电站过饱和金沙江乌东德水电站过饱和TDG影响研究影响研究 4 金沙江白鹤滩电

60、站过饱和金沙江白鹤滩电站过饱和TDG影响研究影响研究5 脚木足河巴拉电站过饱和脚木足河巴拉电站过饱和TDG影响研究影响研究 6 大渡河双江口水电站大渡河双江口水电站TDG过饱和影响研究过饱和影响研究二、主要研究成果二、主要研究成果金沙江干流中游河段梯级电站纵剖面图4 过饱和过饱和TDG生成和释放规律的应用研究生成和释放规律的应用研究4.1 金沙江中游水电梯级开发金沙江中游水电梯级开发TDG过饱和影响过饱和影响4.1金沙江中游水电梯级开发金沙江中游水电梯级开发TDG过饱和影响过饱和影响工况编号电站名称泄洪消能方式泄洪流量(m3/s)坝下TDG饱和度()1龙盘泄洪洞单泄（挑流）2500.0126.