助力生态友好型水电工程建设：水坝泄水溶解气体过饱和规律及减缓技术研究|水坝|水电工程|泄水|组分|高坝

关于水坝泄水溶解气体过饱和问题的研究可追溯至20世纪60年代。随着美国哥伦比亚河上诸多水坝陆续建成运行，水坝泄水的溶解气体过饱和现象以及由此引起的鱼类气泡病问题被发现并受到关注。我国对这一问题的研究大致始于葛洲坝工程及后续的三峡工程建成后。

典型水坝工程泄水照片

近年来，随着国家“西部大开发”和“西电东送”“南水北调”等战略的实施，我国流域水电梯级开发及高坝建设取得了巨大成就。随着越来越多的高坝建成运行，高坝泄水溶解气体过饱和及其对鱼类影响问题日益凸显，关于这一领域的研究成果不断以论文或研究报告的形式涌现，但迄今尚缺少一本系统介绍高坝泄水溶解气体过饱和问题的专著。

作者团队对水坝泄水气体过饱和问题的研究起步于2005年获批的国家自然科学基金项目“高坝下游溶解气体过饱和与掺气特性关系研究(50579043)”。后期受国家自然科学基金、教育部博士点基金和国家重点研发计划等多项项目的陆续资助，为溶解气体过饱和问题的持续研究提供了重要支持和保障。在此期间，受白鹤滩、乌东德、双江口、大岗山、玛尔挡和如美等众多高坝工程建设公司委托开展的气体过饱和相关研究，亦极大促进了研究成果的工程验证和推广应用。本书的出版得到了国家自然科学基金重点项目“梯级开发河流洪水过程与水生态效应互馈机制及其协同调控研究(52039006)”、国家重点研发计划项目“水利工程环境安全保障及泄洪消能技术研究(2016YFC0401700)”资助。

本书在编著过程中，瞄准国际学术前沿，查阅分析了国内外大量文献资料，并将作者团队近年来对气体过饱和问题的系列研究成果和学识观点贯穿其中。作为水坝泄水溶解气体过饱和研究方面的专著，本书对气体溶解理论进行了详尽阐述，对水坝泄水的过饱和溶解气体的生成和释放机制、预测方法乃至减缓措施均做了较为系统和深入的研究，特别是在影响最为深刻的高坝泄水气体过饱和问题方面取得了可喜的研究进展。本书力求思路明确，机理阐述清晰，理论分析和推导严谨，试验或原型观测资料验证充分。行之于途而应于心。希望本书的出版有助于提高公众对水坝泄水气体过饱和问题科学客观的认识和评价，并对这一问题的有效解决有所启迪和帮助，为建设生态友好型水电工程尽绵薄之力。

借本书的出版，我们得以对溶解气体过饱和问题的研究进行认真梳理，亦更加坚定和明确今后前进的动力和努力的方向。同时我们也深刻认识到，经十余年的潜心研究，我们对溶解气体过饱和问题的认识虽得到了不断丰富和深化，但高坝泄水运行过程中许多工程难题远未得到有效解决，面对不断凸显的新问题我们亦常会茫然而不知所措。日积跬步无有尽，百川汇流终成海。殷切期待更多学者和技术人员投入这一领域的研究，愿与更多同仁切磋共进。

本书由四川大学李然、冯镜洁和李克锋共同编著，由许唯临院士审定。感谢四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室为气体过饱和问题的研究提供了先进的平台支持和条件保障。感谢赵文谦教授、李嘉教授等各位前辈和老师对作者在环境水力学领域的引领和帮助。古语云“能用众智，则无畏于圣人矣”。多年来前辈们的学识和智慧、鞭策和建议是我们不懈进取的动力和源泉。特别感谢我们已毕业和即将毕业的一批批研究生。筚路蓝缕，一次次栉风沐雨中开展的野外监测，一个个夙兴夜寐得以完成的试验，一篇篇淬砺而成的硕博士论文成就了本书的核心内容。

杨志峰院士为本书作序

水坝泄水产生的过饱和溶解气体可导致鱼类等水生生物患气泡病甚至死亡，成为威胁水坝安全运行的重要生态风险。本书对气体在水中的溶解、溶解气体过饱和概念以及过饱和溶解气体对鱼类的影响等基础理论和背景知识进行介绍，综合采用原型观测、机理试验和数学模型等手段，对水坝泄水特别是高坝泄水的溶解气体过饱和形成和释放机制及其预测方法开展系统深入的研究，并提出一系列溶解气体过饱和问题的减缓技术。

目录速览

1　水坝泄水溶解气体过饱和研究概述　1

1.1　引言　1
1.2　水体中溶解气体过饱和的危害　2
1.2.1　气泡病症状及危害　2
1.2.2　不同溶解气体的致病作用　4
1.3　鱼类对过饱和气体的探知和躲避能力　5
1.3.1　水平躲避能力　5
1.3.2　水深补偿作用与垂向躲避能力　6
1.4　鱼类对过饱和TDG的耐受性规律　8
1.4.1　鱼类耐受性与TDG过饱和暴露条件的关系　8
1.4.2　不同鱼类对TDG过饱和的耐受性差异　10
1.4.3　鱼类不同生长阶段对过饱和TDG的耐受性差异　11
1.4.4　鱼类对过饱和TDG的耐受性标准　12
1.5　水坝泄水溶解气体过饱和规律研究的历史沿革　12
1.5.1　溶解气体过饱和生成过程研究　12
1.5.2　过饱和溶解气体释放过程研究　14
1.6　溶解气体过饱和减缓技术的发展　15
1.6.1　工程措施　15
1.6.2　调度措施　16
1.6.3　重点区域生态功能利用措施　16
1.7　发展动态分析　16
2　气体溶解与溶解气体过饱和现象　18
2.1　空气组分与各组分气体的溶解度　18
2.1.1　空气组分　18
2.1.2　空气中各组分气体在水中的溶解度　19
2.1.3　环境条件对气体溶解度的影响　21
2.2　溶解气体过饱和的概念　23
2.2.1　溶解气体饱和度　23
2.2.2　溶解气体过饱和　25
2.2.3　总溶解气体过饱和　26
2.3　自然界溶解气体过饱和现象　27
2.3.1　水温突升　27
2.3.2　光合作用　28
2.3.3　地下水开采　28
2.3.4　冰冻作用　28
2.3.5　海洋波浪作用　28
2.3.6　瀑布跌水　28
2.3.7　水坝泄水　29
2.4　天然水体中不同气体组分饱和度之间的关系　31
2.5　水体中溶解气体含量的分析与测量方法　33
2.5.1　溶解氧　33
2.5.2　溶解氮　35
2.5.3　总溶解气体　36
2.6　小结　37
3　水坝泄流消能与过饱和TDG生成机制　38
3.1　水坝泄流消能型式　38
3.1.1　底流式消能　39
3.1.2　挑流式消能　42
3.1.3　面流式消能　42
3.1.4　其他消能型式　44
3.2　高坝泄流消能与溶解气体过饱和特点　48
3.2.1　高坝泄流消能特点　48
3.2.2　高坝泄流溶解气体过饱和特点　50
3.3　过饱和溶解气体生成机制　51
3.3.1　掺气对过饱和溶解气体生成影响的试验研究　51
3.3.2　承压对过饱和溶解气体生成影响的试验研究　62
3.3.3　高压掺气条件下过饱和溶解气体生成过程研究　64
3.3.4　含沙量对过饱和TDG生成影响的试验研究　73
3.4　TDG过饱和水流的生成装置　74
3.4.1　产生TDG过饱和水流的高压釜装置　75
3.4.2　水体总溶解气体过饱和生成及其对鱼类影响研究的装置　75
3.5　小结　76
4　泄水过饱和TDG生成模型　77
4.1　泄水过饱和TDG经验关系　77
4.2　泄水过饱和TDG水动力学解析模型　78
4.2.1　Roesner坝面溢流溶解氮气解析模型　78
4.2.2　Johnson坝面溢流动力学解析模型　83
4.2.3　挑流泄水过程解析模型　86
4.2.4　挑流泄水传质动力学模型　92
4.3　泄水过饱和TDG紊流数学模型　99
4.3.1　基于气泡正态分布的过饱和TDG两相流模型　99
4.3.2　基于紊动掺气的过饱和TDG两相流模型　106
4.4　过饱和TDG生成水平与泄流消能型式的关系讨论　118
4.5　小结　119
5　水体中过饱和TDG释放机制　120
5.1　天然水体过饱和TDG释放动力学过程　120
5.2　天然水体过饱和TDG释放系数分析　123
5.3　过饱和TDG释放系数与复氧系数的关系分析　124
5.3.1　试验装置及方法　124
5.3.2　试验结果分析　125
5.3.3　采用替代释放系数引起的误差分析　126
5.4　过饱和TDG释放系数的确定方法研究　128
5.4.1　水深对过饱和TDG释放过程的影响　128
5.4.2　紊动对过饱和TDG释放过程的影响　129
5.4.3　基于水动力学条件的释放系数计算方法研究　129
5.5　环境条件对过饱和TDG释放过程的影响　132
5.5.1　初始饱和度　132
5.5.2　水温　132
5.5.3　风速　137
5.5.4　含沙量　140
5.5.5　壁面介质　144
5.6　小结　152
6　过饱和TDG输移释放模型　153
6.1　河道纵向一维过饱和TDG输移释放模型　153
6.1.1　模型方程　153
6.1.2　模型验证　155
6.2　交汇区深度平均平面二维过饱和TDG输移释放模型　157
6.2.1　模型方程　157
6.2.2　模型验证　158
6.2.3　模型应用　159
6.3　深水库区宽度平均立面二维过饱和TDG输移释放模型　161
6.3.1　模型方程　161
6.3.2　模型验证　163
6.3.3　模型应用　166
6.4　壁面介质影响的三维过饱和TDG输移释放模型　169
6.4.1　模型方程及源项　169
6.4.2　模型验证　170
6.5　小结　172
7　引水发电对过饱和TDG的影响研究　174
7.1　引水发电系统概况　174
7.2　引水发电对过饱和TDG影响的原型观测研究　175
7.3　引水发电对过饱和TDG影响的模拟分析研究　176
7.3.1　引水通道内溶解气体饱和度变化分析　176
7.3.2　水轮机内溶解气体饱和度变化分析　177
7.3.3　尾水管道中溶解气体饱和度变化模拟　177
7.4　发电尾水与泄流的过饱和TDG掺混作用研究　178
7.4.1　数学模型　178
7.4.2　发电调度对过饱和TDG分布的影响模拟　179
7.5　小结　181
8　过饱和TDG减缓措施研究　183
8.1　低流量水流的TDG过饱和处理措施　183
8.1.1　虹吸法　183
8.1.2　填料柱　184
8.2　减缓泄水TDG过饱和的工程措施　185
8.2.1　导流坎　185
8.2.2　消能墩　188
8.2.3　阶梯溢流坝　193
8.3　减缓泄水TDG过饱和的调度措施　200
8.3.1　合理协调发电与泄水流量　200
8.3.2　优选泄水建筑物　201
8.3.3　分散泄水方式　206
8.3.4　非连续泄水方式　209
8.4　重点区域生态功能利用　214
8.4.1　交汇区生态功能利用　215
8.4.2　局部区域曝气　220
8.5　小结　229
参考文献　230
主要符号表　242
附录　248