CN108867582B - 基于过饱和tdg对鱼类影响的梯级电站生态调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，步骤如下：①对目标梯级电站的实际泄水方案的过饱和TDG时空分布进行模拟，绘制鱼类致死风险程度分布图；②改变实际泄水方案中的泄水运行建筑物，按照步骤①的操作绘制鱼类致死风险程度分布图；③比较步骤①②中鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类安全区域范围更大的泄水方案作为泄水建筑物优选方案；④改实际泄水方案中单次泄水持续时间，按照步骤①的操作绘制鱼类致死风险程度分布图；⑤比较步骤①④中鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类安全区域范围更大的泄水方案作为泄水方式优选方案；⑥将实际泄水方案中的泄水建筑物和泄水方案替换为泄水建筑物和泄水方式优选方案。

Description

基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法

技术领域

本发明属于对水利工程生态调度技术领域，涉及一种基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法。

背景技术

水坝泄水过程中，大量空气被卷吸进入泄洪水流并随之进入坝下消能池内。由于消能池内气体承压急剧增大，气体溶解度较常压下显著增加，导致大量气体溶解，在水流流出消能池进入下游河道后，气体溶解度随周围环境压力的减小而降低，但由于过量的溶解气体很难短时间内完全释放回到大气，从而导致总溶解气体(Total Dissolved Gas，简称TDG)过饱和。过饱和TDG在水坝下游河道内的释放过程缓慢，TDG过饱和水流将在较大范围内长时间存在。若鱼类长时间持续暴露于TDG过饱和水体中，易患气泡病甚至死亡，对流域生态环境产生严重的不利影响。高坝工程水坝泄水TDG过饱和对鱼类的不利影响则更为显著。

目前，流域水电开发以梯级电站开发方式为主，上游梯级泄水产生的TDG过饱和水体输移至下游梯级的坝前，并通过发电引水进入下一梯级，流域梯级电站的建设会造成显著的TDG过饱和累积影响。例如，根据2008年澜沧江流域观测结果，漫湾水坝泄水时产生的TDG过饱和水流到达下游的大朝山坝前时，TDG饱和度仍高达120％，并通过大朝山发电尾水累积至大朝山电站下游河道。2009年大渡河流域梯级电站TDG过饱和原型观测表明，龚嘴水坝泄水期间，其下游33km处铜街子坝前的TDG饱和度一直高于118％，最高达到130％，这种情况下，即使铜街子水坝不泄水，其发电产生的出库水流也将以较高的TDG水平对下游造成不利影响。

在实际工程中，通常采用工程措施或调度措施来减缓河道水体TDG过饱和对鱼类带来的不利影响。我国对TDG过饱和的研究起步较晚，目前尚无关于TDG过饱和工程消减措施的报道。根据国外研究结果，TDG过饱和工程消减措施包括在溢洪道中设置导流板、增加消力池底板高程等，但工程措施的施工量大、周期长、花费大，重要的是工程措施的实施必须建立在确保不影响水工建筑物稳定和工程泄流消能安全的基础上，而高坝泄水安全问题和泄洪需求较低坝工程更为突出。目前高坝泄水TDG过饱和影响减缓措施的研究主要针对调度措施开展，通过生态调度对TDG饱和度的分布进行有效控制，从而减轻甚至避免TDG过饱和对水生动物带来的不利影响。

目前已有对以过饱和TDG为目标的生态调度方法的报道，但是，现有生态调度运行方案通常只针对单一电站，未结合梯级水库联合泄水对TDG过饱和的累积影响进行梯级水库群的联合优化调度，也未考虑到河段鱼类的过饱和TDG耐受性，而不同流域鱼的种类是存在较大差异的，因而现有技术难以针对性和有效地缓解TDG过饱和对鱼类的不利影响。因此，有必要需结合流域鱼类TDG过饱和耐受性，对现有以控制TDG过饱和为目标的水库生态调度方法进行进一步的优化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，以解决现有以过饱和TDG为目标的生态调度方法存在的难以针对性和有效地缓解TDG过饱和对鱼类的不利影响的不足，更有效地减轻TDG过饱和对鱼类造成的不利影响。

本发明提供的基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，步骤如下：

(1)选定需要进行生态调度的梯级电站作为目标梯级电站，搜集目标梯级电站中各级电站的实际泄水调度方案，包括搜集泄洪流量、发电流量、泄洪时间以及和泄洪建筑物信息；

(2)对目标梯级电站的实际泄水调度方案的过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制实际泄水调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

(3)改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中的泄水运行建筑物，形成泄水建筑物筛选调度方案，然后对泄水建筑物筛选调度方案的过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制泄水建筑物筛选调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

(4)比较步骤(2)、(3)中所得鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的泄水调度方案对应的泄水建筑物方案作为泄水建筑物优选方案；

(5)改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中单次泄水持续时间开展非连续泄水，形成泄水方式筛选调度方案，然后对泄水方式筛选调度方案的过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制泄水方式筛选调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

(6)比较步骤(2)、(5)中所得鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的泄水调度方案对应的泄水方式筛选调度方案作为泄水方式优选方案；

(7)将目标梯级电站的实际泄水调度方案中的泄水建筑物和泄水方案改变为步骤(4)和(6)中的泄水建筑物优选方案和泄水方式优选方案，即得到目标梯级电站的生态调度方案；

步骤(2)、(3)、(5)中，绘制各调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图的方法为：

①调查梯级电站流域范围内的鱼种类，确定梯级电站流域范围内的各类鱼暴露于各不同TDG过饱和环境下的半致死时间；

②根据步骤(2)、(3)、(5)中调度方案中过饱和TDG时空分布情况，确定典型河流断面的TDG饱和度以及相应的持续时间，将各典型断面上TDG饱和度持续时间与对应TDG饱和度下的半致死时间进行比较，判断该区段内的鱼类是否能够安全存活，进而确定鱼类致死风险程度，作出鱼类致死风险程度分布图。

上述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法的技术方案中，目标梯级电站包括两级电站，步骤(2)中对目标梯级电站的实际泄水调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟包括以下步骤：

①上级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型对上级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到上级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

②下级电站库区过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，采用深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对下级电站库区过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站库区典型时刻TDG饱和度分布图；

③下级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型对下级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到下级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

④下级电站坝下河段过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型对下级电站坝下河段过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图。

上述生态调度方法的技术方案中，步骤(3)中在构建泄水建筑物筛选调度方案时，仅改变目标梯级电站的上级电站的实际泄水调度方案中的泄水运行泄洪建筑物，根据泄水建筑物筛选调度方案，重复上述步骤①～④的操作对泄水建筑物筛选调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟。

上述基于生态调度方法的技术方案中，步骤(5)中在构建泄水方式筛选调度方案时，通过改变改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中单次泄水持续时间开展非连续泄水，根据泄水方式筛选调度方案，重复上述步骤①～④的操作对泄水方式筛选调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟。非连续泄水方案的确定遵循以下几个原则：

1)在实际泄洪调度时间段内进行非连续泄水方案的优化，尽量不延长泄洪至原泄洪方案时段以外；

2)结合鱼类TDG过饱和耐受性确定单次泄水的持续时间；

3)在不改变实际泄水方案中的泄水建筑物的基础上，合理分配各泄水建筑物下泄流量；

4)在保证水坝安全和泄洪安全要求的前提下，充分利用水库库容的调蓄能力，满足水库汛期水位要求。

上述基于生态调度方法的技术方案的步骤(3)和(5)中，泄水建筑物筛选调度方案和泄水方式筛选调度方案中，除了泄水建筑物及泄水方式发生了变化之外，其他条件均不变，保证泄水建筑物筛选调度方案和泄水方式筛选调度方案的泄水能力应于实际泄水调度方案相同，这有利于保证水工建筑的安全。

上述生态调度方法的技术方案中，过饱和TDG生成模型如式(1)所示，

式(1)中，G_s(％)为消能池出口TDG饱和度，h_r(m)为消能池出口水深，h_d(m)为消能池内水垫厚度，G_s0(％)为消能池内气体过溶生成的TDG饱和度，

式(2)中，ΔP(m H₂O)为掺气水流入水滞点处的相对压强，P₀(m H2O)为当地大气压，G_eq(％)为平衡饱和度，取值为100％，t_R(s)为水体在承压系统内的滞留时间，

式(3)中，Fr₁为水流入水断面处弗劳德数，h_k(m)为坝下总水深，l₀(m)和l(m)分别为水流入水点距消能池上游边墙距离和消能池长度，g＝9.81m/s²。

上述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法的技术方案中，纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型方程由第一水动力学方程、第一水温方程和过饱和TDG输移释放方程组成，

第一水动力方程见式(4)～(5)，

式(4)～(5)中，A(m²)为过水面积，Z(m)为水位，Q(m3/s)为流量，U(m/s)为断面平均流速，S_f为水力比降，R(m)为水力半径，n为粗糙系数；

第一水温方程如式(6)所示，

式(6)中，T(℃)为水温，为移流产生的热变化率，为离散产生的热变化率，为表面热交换率，C_p(J/(kg·℃))为水的比热，ρ(kg/m3)为水体密度，B(m)为河面宽度，D_L(m²/s)为纵向弥散系数，为水体与大气之间的热交换通量，

式(7)中，B(m)为河宽，h(m)为平均水深，u^*(m/s)为摩阻流速，

式(8)中，为水面净吸收的太阳短波辐射，为大气长波辐射，为水体长波的返回辐射，水面蒸发热损失，为热传导通量，

式(9)中，是到达地面的总太阳辐射量，γ是水面反射率，γ＝0.03；

式(10)中，σ是Stefan-Boltaman常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)，γ_a为长波反射率，取值0.03，T_a(℃)为水面上2m处的气温，ε_a(％)为大气发射率；

当气温>4.0℃时，

当气温≤4.0℃时，

式(11)～(12)中，C_r(％)为云层覆盖率，e_a(hPa)为水面上空气的蒸发压力，

式(13)中，hum(％)为相对湿度；

式(14)中，ε_w为水体的长波发射率，ε_w＝0.965，T_s(℃)为水体表面温度；

式(15)中，f(W)为风函数，

式(16)中，W(m/s)是水面上10m处的风速，ΔT(℃)为水温与气温差，e_s(hPa)是相应于T_s的紧靠水面的空气饱和蒸发压力，

过饱和TDG输移释放方程如式(19)所示，

式(19)中，G(％)表示TDG饱和度，G_eq(％)表示TDG平衡饱和度，k_T(s^-1)表示过饱和TDG释放系数，

式(20)中，U_i(m/s)为i断面平均流速，H_i(m)为i断面平均水深，φ_T(s^-1)为考虑分子扩散、紊动扩散作用的综合系数，φ_T(s^-1)＝10^-10～10^-7；

采用有限差分格式对纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型方程进行离散并用追赶法进行求解，假定初始时刻河道内为恒定流过程，对初始水位进行分段试算，水温初始分布采用计算初的入流水温，河道TDG饱和度初值均为100％；采用上游断面入流过程作为上游边界条件，下游边界采用水位～流量关系，入流TDG饱和度的边界条件确定时，考虑来流水温引起的溶解度变化，根据TDG质量浓度除以混合后温度对应的饱和度得到。

上述生态调度方法，深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型由状态方程、第二水动力学方程、第二水温方程和TDG输运方程组成；

状态方程中仅考虑水温变化对密度的影响，如式(21)所示，

ρ＝f(T_w) (21)

式(21)中，T_w(℃)为水体温度；

第二水动力学方程由式(22)所示的连续方程，式(23)所示的动量方程和式(32)所示的自由水面方程组成，

垂向动量方程采用静压假定：

式(22)～(24)中，u(m/s)、w(m/s)分别为纵向流速和垂向流速，B(m)为宽度，g＝9.81m/s²，ρ(kg/m³)为水体密度，根据式(21)求解，η(m)为水面高程，P(N/m²)为压强，α_r为河床的坡度，τ_xx和τ_xz分别为纵向切应力和垂向切应力，τ_xx和τ_xz的计算式见式(25)～(26)，

式(25)～(26)中，A_x为纵向紊动粘性系数，为波数，T_w为风浪周期，τ_b为边界层切应力，A_z为垂向涡粘系数，τ_xw(N/m²)为因风而产生的纵向剪切应力；

l_m＝Δz_max (30)

式(27)～(30)中，C_D为拖曳系数，C为谢才系数，ρ_a(kg/m³)和ρ_w(kg/m³)分别为气体密度和水体密度，W(m/s)为风速，Θ₁和Θ₂均为风的方向角，A_z(m²/s)为垂向涡粘系数，κ为卡门常数，κ＝0.4，k为波数，Δz_max(m)为垂向网格间距的最大值，c＝0.15，R_i为理查森数，

自由水面方程如式(32)所示，

式(32)中，η(m)为水面高程，h(m)表示水深，B_η(m)为水面宽度；

第二水温方程为式(33)所示，

式(33)中，S_T(W/m²)为水温源汇项，表示水体与大气之间的热交换通量，S_T的计算方式见上述式(8)～(18)；

TDG输运方程如式(34)所示，

式(34)中，S_G为TDG源项，包含气体传质和水气界面传质两部分，S_G的计算式见式(35)，

S_G＝k_T(G_eq-G)+(K_La)_s(G_s-G) (35)

式(35)中，G(％)为计算单元的TDG饱和度，G_eq(％)为当地平衡饱和度，G_s为水体表面的平衡饱和度，G_s＝100％，(K_La)_s为水气界面传质系数，k_T(h^-1)为水体内TDG释放系数，(K_La)_s和k_T均结合温度场进行温度修正，修正后的(K_La)_s用K_L表示，修正后的k_T用K_T表示，

K_L＝0.6885×1.44^W×1.062^(T-20) (36)

K_T＝K₂₀×1.062^(T-20) (37)

式(36)～(37)中，W(m/s)为库区水体表面10m处的风速，K₂₀为20℃下气体传质系数，K₂₀根据原型观测结果得到；

水体内部仅考虑由于承压变化导致的气体传质过程，因此库区水面以下的TDG源项如式(38)所示，

S_G＝k_T(G_eq-G) (38)

式(38)中，G(％)为计算单元的TDG饱和度，G_eq(％)为当地平衡饱和度，k_T(h^-1)为水体内TDG释放系数，k_T均结合温度场进行温度修正，修正后的k_T用K_T表示，K_T的计算式见式(37)；

深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型方程的离散和求解：计算区域的离散采用交错网格，模型变量u、w等布置在网格边界中心点，ρ、T、G等布置在网格中心，对控制方程采用有限差分法进行离散并使用追赶法求解。

与现有技术相比，本发明产生了以下有益的技术效果：

1.本发明提供的基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，充分考虑了梯级电站联合泄水对TDG过饱和的累积影响，以梯级电站作为优化生态调度方式的对象，同时，该方法充分考虑了实际河段鱼类的过饱和TDG耐受性，以实际河段鱼类的过饱和TDG耐受性为基础来绘制鱼类致死风险程度分布图，本发明将梯级联合泄水过饱和TDG分布预测与鱼类的致死效应紧密结合，能优化实施梯级泄水调度可改善水电开发导致的TDG过饱和累积效应，减轻甚至避免TDG过饱和对鱼类的不利影响，为实现生态友好型水电开发提供科学依据，可有效解决现有技术难以针对性和有效地缓解TDG过饱和对鱼类的不利影响的问题。

2.本发明采用的过饱和TDG生成模型、纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型和深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型都是在现有技术的基础上进行了针对性的改进得到的，过饱和TDG生成模型综合考虑了气体承压和滞留时间、消能池出口水深等因素对过饱和TDG的影响，解决了现有TDG机理模型预测中存在的水动力学条件考虑不足、模型参数难以确定等问题，纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型充分考虑电站泄水及过饱和TDG传输的非恒定流特征以及风速和水温时空变化对过饱和TDG释放速率的影响，深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型在大型深水库区立面二维TDG输移释放模型的基础上，进一步综合考虑水温、风速等因素对过饱和TDG释放过程的影响，本发明的方法能更加准确地对梯级电站的过饱和TDG时空分布进行模拟。

3.实验表明，采用本发明提供的生态调度方法，通过优选泄水建筑物结合非连续泄水的优化调度措施，河段内鱼类致死区和亚致死区范围显著减小，鱼类安全区域增大，有效减小了水坝泄水导致TDG过饱和对鱼类的不利影响。

4.本发明所述方法提出的改变泄水建筑物方案、非连续泄洪方案以及两者相结合的方案都是保证了出库流量与实际泄水调度方案相同，能够保障泄水建筑物的安全，具有实际操作意义。

附图说明

图1是实际泄水调度方案中溪洛渡电站的流量调度过程图。

图2是采用实际泄水调度方案时溪洛渡坝下TDG饱和度随时间变化曲线。

图3是向家坝库区入出库流量过程。

图4是向家坝库区入库水温和TDG饱和度过程。

图5是向家坝库区典型时刻TDG饱和度分布图。

图6是向家坝坝下TDG饱和度随时间变化曲线。

图7是向家坝坝下河段TDG饱和度随时间分布图，图中的曲线自上向下依次为向家坝坝下0km、33km、53km、78km处的TDG饱和度随时间分布图。

图8是实际泄水调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图。

图9是泄水建筑物筛选调度方案中溪洛渡电站的流量调度过程图。

图10是采用泄水建筑物筛选调度方案和实际泄水调度方案时溪洛渡电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线。

图11是向家坝电站库区典型时刻TDG饱和度分布图。

图12是采用泄水建筑物筛选调度方案时向家坝库区下泄TDG饱和度随时间变化曲线。

图13是采用泄水建筑物筛选调度方案和实际泄水调度方案时向家坝发电尾水TDG饱和度对比图。

图14是向家坝坝下0.5km的TDG饱和度随时间变化曲线。

图15是采用泄水建筑物筛选调度方案时向家坝电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图图中的曲线自上向下依次为向家坝坝下0km、33km、53km、78km处的TDG饱和度随时间分布图。

图16是采用泄水建筑物筛选调度方案和实际泄水调度方案时向家坝坝下75km处南溪断面TDG饱和度对比结果。

图17是采用泄水建筑物筛选调度方案和实际泄水调度方案时鱼类致死风险程度分布图。

图18是溪洛渡电站非连续泄水方案流量分配图。

图19是溪洛渡电站采用非连续泄水方案和实际泄水方案的流量过程对比图。

图20是向家坝电站非连续泄水方案流量分配图。

图21是向家坝电站采用非连续泄水方案和实际泄水方案的流量过程对比图。

图22是非连续泄水方案中溪洛渡坝下TDG饱和度随时间变化曲线。

图23是非连续泄水方案下不同时刻向家坝库区TDG饱和度分布图。

图24是非连续泄水方案下向家坝库区下泄TDG饱和度随时间变化过程。

图25非连续泄水方案和实际泄水方案下向家坝发电尾水TDG饱和度对比图。

图26是非连续泄水方案和实际泄水方案下鱼类致死风险程度分布图。

图27是生态调度方案下向家坝电站库区典型时刻TDG饱和度分布图。

图28是生态调度方案和实际泄水方案下鱼类致死风险程度分布图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明提供的基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

实施例

本实施例中，以2014年7月溪洛渡～向家坝梯级电站调度运行方式为例，对本发明提供的基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法作详细说明，步骤如下：

步骤一，选定需要进行生态调度的梯级电站作为目标梯级电站，搜集目标梯级电站中各级电站的实际泄水调度方案，包括搜集泄洪流量、发电流量、泄洪时间以及和泄洪建筑物信息；

步骤二，对目标梯级电站的实际泄水调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制实际泄水调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；该步骤中，对目标梯级电站的实际泄水调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟包括以下步骤：

①上级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型对上级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到上级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

②下级电站库区过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，采用基于流场和温度场耦合求解的深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对下级电站库区过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站库区典型时刻TDG饱和度分布图；

③下级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型对下级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到下级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

④下级电站坝下河段过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG释放模型对下级电站坝下河段过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图。

步骤三，改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中的泄水运行泄洪建筑物，形成泄水建筑物筛选调度方案，然后重复步骤二的操作，对泄水建筑物筛选调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制泄水建筑物筛选调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

步骤四，比较步骤二、三中所得鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的泄水调度方案对应的泄水建筑物方案作为泄水建筑物优选方案；

步骤五，改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中单次泄水持续时间开展非连续泄水，形成泄水方式筛选调度方案，然后重复步骤二的操作，对泄水方式筛选调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制泄水方式筛选调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

步骤六，比较步骤二、五中所得鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的泄水调度方案对应的泄水方式筛选调度方案作为泄水方式优选方案；

步骤七，将目标梯级电站的实际泄水调度方案中的泄水建筑物和泄水方案改变为步骤四和六中的泄水建筑物优选方案和泄水方式优选方案，即得到目标梯级电站的生态调度方案。

步骤二中采用的过饱和TDG生成模型、深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型和纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型如上述发明内容部分所述，其中，纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型采用VB语言对程序进行编写，并运用于WINDOWS平台，深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型基于CE-QUAl-W2软件采用FORTRAN语言开发TDG过饱和释放计算模块，并运用于WINDOWS平台。

更详细的步骤如下：

(1)以溪洛渡～向家坝梯级电站作为目标梯级电站，搜集2014年7月目标梯级电站中各级电站的实际泄水调度方案，包括搜集泄洪流量、发电流量、泄洪时间以及和泄洪建筑物信息。

溪洛渡水电站为金沙江下游规划中的第三级，为混凝土双曲拱坝，最大坝高285.5m，水库正常蓄水位600.0m，死水位540.0m，水库总库容126.7亿m³，调节库容64.6亿m³，可进行不完全年调节。电站共设18个发电引水口，分布在坝上游两岸，左、右岸各9个。进水口底板高程518.0m，进口尺寸8.0×10.0m。泄洪建筑物由坝身泄洪表孔和深孔以及泄洪洞组成，泄洪表孔共7孔，每孔宽12.5m，孔底高程589.0m，泄洪深孔共8孔，孔口尺寸为6.7×6.0m(宽×高)，坝下水垫塘总长400.0m，底高程为335.0m，二道坝顶高程为375.5m，最大坝高40.5m，泄洪洞为5个，底板高程545.0m，进口尺寸12.0×15.0m，泄洪洞出口下游基岩高程为363.5m，冲坑最深点高程为337.5m。溪洛渡水电站运行方式为：主汛期(7～9月)水库汛期排沙限制水位570.00m，9月16日水库开始蓄水，9月底抬高到600.0m运行，12月至次年5月为供水期，水库由600.0m消落至死水位540.0m。

向家坝水电站是金沙江下游四级开发中的最末一个梯级电站，最大坝高161.0m，坝顶长度909.3m，电站正常蓄水位380.0m，回水长度145km，总库容51.6亿m³，调节库容9.0亿m³，为不完全季调节水库。向家坝水电站的泄洪消能建筑物位于河床中部，由10个中孔和12个表孔组成，中孔尺寸为6.0m×9.6m(宽×高)，进口底槛高程305.0m，溢流反弧末端水平跌坎高程260.0m，表孔每孔净宽8.0m，堰顶高程354.0m，溢流反弧末端水平跌坎高程270.0m。中、表孔均采用底流消能型式，坝下左、右岸各接一消力池，消力池底板顶高程245.0m，长度228.0m，尾坎顶高程270.0m。1#～6#表孔和1#～5#中孔泄水进入左岸消力池，7#～12#表孔和6#～10#中孔泄水进入右岸消力池。引水发电系统分两岸布置，左岸进水口底板高程342.0m，引水钢管直径12.2m，右岸进水口底板高程321.5m，引水隧洞直径分别为13.4m、14.4m。6月中旬～9月上旬，水库水位不高于汛期限制水位370.00m运行，9月中旬，限制蓄水线和加大出力线之间仍按满发安排，以降低10月份可能出现的弃水损失，当水库处于保证出力区时，电站按保证出力发电，若水库已充蓄至正常蓄水位380.0m时，则按来水流量发电。

(2)①溪洛渡泄水过饱和TDG生成计算

根据溪洛渡电站的实际泄水调度方案(实际泄水方案)，采用过饱和TDG生成模型对计算时段内溪洛渡泄水产生的TDG饱和度进行计算。

图1是实际泄水调度方案中溪洛渡电站流量调度过程图。计算时段内电站发电机组一直保持运行，发电流量范围为4200～7630m³/s。水库于7月4日开始泄洪，其中，深孔单次泄洪持续时间分别为72h、126h、20h和24h，流量范围为332～6280m³/s，孔口组合方式为3#孔单泄、2#～6#孔组合泄洪或3#、6#组合泄洪等；泄洪洞泄洪持续88h，流量范围为1240～3270m³/s，孔口组合方式为1#与4#组合、2#与4#组合、2#与3#组合等。其余时段出库流量仅为发电尾水。由于溪洛渡电站上游较大范围内无电站运行，因此，计算中坝前和发电尾水TDG饱和度均为平衡饱和度，即100％。

根据根据溪洛渡电站的实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型计算得到计算时段内溪洛渡水坝泄水产生的TDG饱和度，并按照流量加权法与发电尾水完全掺混，计算结果如图2所示。坝下过饱和TDG的生成随泄洪流量的增加而升高。深孔泄洪最大泄洪量处于3#泄洪时段，下泄流量为6280m³/s，对应生成的TDG饱和度为128％；最小泄洪量处于1#泄洪时段，下泄流量为332m³/s，对应生成的TDG饱和度为101％。由于发电尾水的TDG饱和度为100％，发电尾水的汇入对高TDG饱和度的水流起到稀释作用，因此，混合后的饱和度水平随发电流量的增加而减小。

②向家坝库区过饱和TDG输移释放模拟

采用深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对向家坝库区至向家坝坝前进行预测，计算区域为溪洛渡坝址～向家坝坝址间全长约156km的库区水域。采用计算时段内向家坝库区入、出库流量过程为流量边界条件，见图3，其中，出库流量＝发电流量+表孔泄洪流量+中孔泄洪流量。库尾TDG饱和度采用溪洛渡泄水与发电尾水完全掺混后的TDG饱和度计算结果，水温边界采用溪洛渡坝下溪洛渡站的水温监测数据，入库TDG饱和度和水温过程采用向家坝库区屏山和绥江气象站逐日气象资料，见图4。水库初始水位采用计算时段初库区的水位值，由于缺乏库区初始水温分布，因此采用2012～2014年向家坝库区水温和气象资料进行水温循环计算，得到2014年7月1日库区水温分布作为计算时段的水温初始场。2014年溪洛渡电站于7月4日开始泄洪，同时该河段内无其它电站运行，因此，库区内TDG饱和度初始值为100％。

图5是计算时段向家坝库区典型时刻TDG饱和度分布图。7月7日19:00，溪洛渡电站泄洪洞开始泄洪，向家坝库区入流TDG饱和度由114％上升至143％。随着TDG入库高饱和度持续时间的增加，高TDG饱和度水体随流输移至库中，导致库区TDG饱和度升高。至7月8日0:00，溪洛渡电站泄洪洞泄洪生成的高TDG饱和度水体已至溪洛渡坝下90km处，深孔泄洪生成的TDG过饱和水体到达向家坝坝前，并通过发电尾水和表、中孔下泄。7月11日14:00～7月16日12:00溪洛渡电站停止泄洪，向家坝入库TDG饱和度为100％，受来流低TDG饱和度水体的稀释以及水体输移作用，至7月15日0:00库区内饱和度基本恢复至100％。

③向家坝泄水过饱和TDG生成模拟

根据实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型对向家坝泄水产生的TDG饱和度进行模拟。由于表孔和中孔泄流跌落高差足够大分，可忽略向家坝库区内TDG对向家坝水电站TDG生成的影响。左、右岸泄洪水流与发电尾水完全掺混后河道TDG饱和度随时间变化过程曲线如图6所示，向家坝电站泄洪期间，泄洪水流TDG饱和度较高，发电尾水的掺混对高TDG饱和度的泄洪水流起到稀释作用，坝址近坝区TDG过饱和程度有所降低，TDG饱和度最大值为146％(7月9日2:00)；然而，非泄洪时段，受上游梯级泄水的影响，向家坝发电尾水也呈TDG过饱和状态，导致向家坝非泄洪时段近坝区水流TDG也呈过饱和状态，饱和度最大值为131％(7月15日18:00～7月16日0:00)。

④向家坝坝下过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型对向家坝坝址下游至南溪长约80km河段的过饱和TDG输移释放进行模拟。计算流量采用图3所示的计算时段向家坝电站的出库流量过程。入流断面的TDG饱和度采用图6所示的向家坝泄洪水流与发电尾水完全掺混后的近坝区TDG饱和度。假定初始时刻河道内为恒定流过程，对初始水位进行分段试算；水温初始分布采用计算初的入流水温；河道TDG饱和度初值均为100％。

图7是向家坝坝下河段TDG饱和度随时间分布图。河道内TDG饱和度的分布主要受上游来流的影响。由于过饱和TDG在河道内的释放是很缓慢的过程，加之河道流速较大，水流在短时间内输移至出口断面，导致整个河段TDG过饱和。TDG饱和度峰值随着距向家坝坝址距离的增加而减小，峰值出现时间也存在一定的延迟。入流断面TDG饱和度最大值为7月9日2:00的144％，出流断面TDG饱和度最大值为7月9日14:00的125％，峰值于首末断面的延迟时间约为12h，饱和度释放幅度为19％，释放速率约为0.26％/km。

⑤基于鱼类耐受性的TDG过饱和影响分析、绘制鱼类致死风险程度分布图

根据发明人所在课题组的前期研究成果，确定长江流域种群数量较大、经济价值较高的岩原鲤、齐口裂腹鱼、胭脂鱼暴露于不同TDG饱和度水平下的半致死时间LT₅₀(半数死亡时间)，如表1所示。

表1鱼类暴露于各不同TDG过饱和环境下的LT₅₀

鱼种类	LT<sub>50</sub>(140％)/h	LT<sub>50</sub>(135％)/h	LT<sub>50</sub>(130％)/h	LT<sub>50</sub>(125％)/h	LT<sub>50</sub>(120％)/h
						岩原鲤	1.2	3.2	4.8	9.9	14
胭脂鱼	3.9	4.6	7.4	12.4	/
						齐口裂腹鱼	6.4	3.1	5.5	11.4	16.6

根据金沙江下游河段鱼类资源现状调查结果，研究河段鱼类种类以鲤形目为主，约占调查收集鱼类总数的68.0％。《溪洛渡坝下相关水域死鱼事件调查报告》调查表明，2014年7月溪洛渡下游受过饱和TDG致死的鱼苗种类以鲤、鲫、铜鱼等为主。由TDG过饱和急性致死试验结果看出，齐口裂腹鱼对TDG过饱和耐受性优于其余岩原鲤和胭脂鱼，岩原鲤对TDG饱和度的耐受性最差。此处选择最不利情况，采用过饱和TDG对岩原鲤的急性致死试验结果对TDG饱和度对流域鱼类的影响进行分析。以各TDG过饱和度下的LT₅₀为标准，分析研究河道内鱼类受过饱和TDG影响的程度和范围。考虑到天然鱼类主动回避及水深补偿作用，基于鱼类耐受性的TDG过饱和影响分析时，向家坝库区TDG饱和度取水体表面至水深3m的区间内TDG饱和度的平均值，向家坝坝址下游TDG饱和度为断面平均TDG饱和度。

首先根据前一步骤的计算结果分析整理得到各断面TDG饱和度分别大于140％、135％、130％、125％和120％的最大持续时间T_140％、T_135％、T_130％、T_125％和T_120％。然后以表1中的LT₅₀为标准，比较各断面上TDG饱和度持续时间与对应TDG饱和度下的LT₅₀，判断该区段内鱼类是否能够安全存活。采用实际泄水调度方案时，计算河段各TDG饱和度水平最大持续时间统计结果见表2。

表2采用实际泄水调度方案时计算河段各TDG饱和度水平最大持续时间

溪洛渡坝址下游60km范围内T_120％均接近90h，约为对应LT₅₀(14.0h)的6.4倍，T_125％和T_130％也远远大于其对应的LT₅₀(125％)和LT₅₀(130％)，因此，判断该区段对鱼类是致死的。溪洛渡坝址下游60～100km范围内，虽然T_130％～T_140％低于其对应的LT₅₀，T_125％与LT₅₀(125％)的9.9h接近，但该范围内T_120％大于其对应的LT₅₀，考虑上游断面对鱼类的安全影响，可判断该区段对鱼类是亚致死区域，生活在该区段3m水深范围内且不具有回避高饱和度水体能力的鲤形目鱼类具有很高的患病甚至致死概率。溪洛渡坝址下游100～156km范围内，各TDG饱和度的最大持续时间均小于对应的LT₅₀，因此，判定该区域对鱼类安全。

向家坝坝址下游60km范围内各饱和度的最大持续时间均大于对应的LT₅₀，因此，认为该区段对鱼类致死。向家坝坝下60km～坝下78km(南溪)范围内，虽然T_130％～T_140％的最大持续时间都小于其对应的LT₅₀，但是该区段内T_120％均远远高于LT₅₀(120％)的14h，同时考虑上游的安全情况，判断该区段对鱼类亚致死。

图8为实际泄水调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图。根据《溪洛渡坝下相关水域死鱼事件调查报告》，溪洛渡坝下永善断面处死鱼时段主要发生在7月8日；屏山(距溪洛渡坝址90km)和绥江(距溪洛渡坝址96km)死鱼时段主要发生在7月9日～7月13日；翠屏区(向家坝坝下23km)死鱼时段主要发生在7月10日；临港(向家坝坝下39km)死鱼时段主要发生在7月11日；南溪(向家坝坝下75km)死鱼时段主要发生在7月11日～7月17日。根据计算河道鱼类致死区间的判定结果，溪洛渡坝下10km和96km处高饱和度水流所处时间区间分别为7月7日19:00～7月11日12:00和7月8日12:00～7月12日7:00；向家坝坝下23km、39km和96km断面处高饱和度水流所处时间区间分别为7月8日12:00～7月11日21:00、7月8日17:00～7月12日16:00和7月9日10:00～7月20日19:00。可以看出，计算时段内向家坝库区饱和度时空分布与监测数据匹配，可以较好地模拟TDG过饱和水流在库区的输移释放。

(3)优选泄水建筑物方案研究

由步骤(2)对实际泄水调度方案的TDG饱和度时空分布结果可知，溪洛渡电站泄洪洞泄水时，坝下TDG饱和度高达145％，导致向家坝库区TDG饱和度整体偏高，同时，向家坝库区TDG过饱和水体还将通过向家坝发电尾水进入向家坝下游河段，与向家坝泄洪产生的TDG过饱和水体掺混产生叠加作用，这说明相比于下游梯级而言，上游梯级的生态调度更为重要。因此，关于泄水建筑物优选方案，重点针对溪洛渡电站开展。

根据2014年7月4日18:00～7月28日12:00溪洛渡电站调度资料(图1)，溪洛渡电站泄洪共分5个时段，其中7月7日20:00～7月11日12:00为泄洪洞泄洪，流量范围为1240～3370m³/s，其余时段为深孔泄洪，流量范围为332～6280m³/s。为减小溪洛渡电站泄水期间的TDG过饱和水平，泄水建筑物筛选调度方案(泄水建筑物优选方案)中，采用全深孔泄洪方案，即将实际泄水调度方案泄洪洞泄洪时段全部改用3#～6#深孔泄洪，泄水总流量与实际泄水调度方案相同，如图9。

①溪洛渡泄水过饱和TDG生成计算

根据泄水建筑物筛选调度方案，参照步骤(2)①的操作，采用过饱和TDG生成模型对计算时段内溪洛渡泄水产生的TDG饱和度进行计算，结果如图10所示。原泄洪洞泄洪时段(7月7日20:00～7月11日12:00)改为深孔泄洪后，溪洛渡电站坝下TDG饱和度最大值由原来的144％降低至128％，TDG过饱和水平明显降低。

②向家坝电站库区库区过饱和TDG输移释放模拟

根据泄水建筑物筛选调度方案，参照步骤(2)②的操作，采用深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对向家坝电站库区过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到向家坝电站库区典型时刻TDG饱和度分布图，如图11所示。原泄洪洞泄洪时段(7月8日0:00)改为深孔泄洪后，不仅使该时段内向家坝库区过饱和TDG分布普遍降低，而且使后续时段内TDG饱和度也明显降低。

③向家坝电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据泄水建筑物筛选调度方案，参照步骤(2)③的操作，采用过饱和TDG生成模型对向家坝电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，对应不同时刻向家坝坝前过饱和TDG分布，得到向家坝表孔、中孔以及发电尾水出口对应高程下泄流TDG饱和度随时间变化过程，如图12所示，发电尾水TDG饱和度对比结果如图13所示。以深孔泄洪代替泄洪洞以后，向家坝电站发电尾水TDG饱和度最大值约为116％，较实际泄水调度方案的135％降低了约19％。图14是向家坝坝下0.5km的TDG饱和度随时间变化曲线。受上游梯级泄水建筑物改变的影响，原泄洪洞泄水时段入库水流TDG饱和度降低，该部分水体在向家坝坝前通过发电引水系统下泄，在向家坝电站运行调度方式不变的情况下，发电尾水TDG饱和度的降低增加了泄洪水流被稀释的程度，向家坝坝下近坝区域的TDG饱和度降低。

④向家坝电站坝下河段过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，参照步骤(2)④的操作，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型对向家坝电站坝下河段过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到向家坝电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图，如图15所示。图16是向家坝坝下75km处南溪断面TDG饱和度与实际泄水调度方案的对比结果。向家坝泄水期间坝下TDG饱和度最大值为144％，由于该时刻发电流量很小，水流掺混作用小，TDG饱和度无较大差异；非泄洪时段，坝下入流仅为发电尾水，TDG饱和度最大值由实际泄水方案的130％降低至110％，改善效果显著。因非泄洪时段TDG饱和度的大幅降低，原本为持续高TDG饱和度的时段成为高饱和度与低饱和度交替出现的状态，减小了各TDG饱和度的最大持续时间。

⑤绘制鱼类致死风险程度分布图

参照步骤(2)⑤中的操作，比较各断面上TDG饱和度持续时间与对应TDG饱和度下的LT₅₀，判断该区段内鱼类是否能够安全存活，采用泄水建筑物筛选调度方案时，河段各TDG饱和度水平最大持续时间的统计结果见表3。

表3采用泄水建筑物筛选调度方案时河段各TDG饱和度水平最大持续时间

通过对比断面各TDG饱和度水平的持续时间与对应TDG饱和度下的LT₅₀，结合上游断面鱼类影响程度，判断得到向家坝库尾～溪洛渡坝下40km范围内、向家坝坝址～向家坝坝下53km(李庄)范围内为鱼类致死区域。溪洛渡坝址以下40～60km范围内、向家坝坝下53km(李庄)～向家坝坝下60km范围内为鱼类亚致死区域，河道其它区域为鱼类安全区域。据此作出泄水建筑物筛选调度方案下鱼类致死风险程度分布图，见图17。

(4)比较步骤(2)、(3)中所得鱼类致死风险程度分布图(图17)发现，泄水建筑物筛选调度方案下鱼类致死区范围减小，安全区域显著增加，尤其以向家坝库区的效果最为明显。向家坝坝址下游鱼类安全区域范围增大。因此，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的泄水调度方案对应的泄水建筑物方案，即步骤(3)中的泄水建筑物方案作为泄水建筑物优选方案。

由上内容可知，通过合理选择水坝泄水建筑物，以等流量情况下泄水导致TDG过饱和程度相对较低的泄水建筑物替代生成TDG过饱和程度较高的泄水建筑物可以有效改善目标梯级电站下游河段TDG饱和度的时空分布，降低河道内TDG过饱和水平；TDG饱和度的降低也使得高TDG饱和度持续的时间减小，从而增加鱼类安全区域。

(5)优选泄水方式研究

根据2014年7月4日18:00～7月28日12:00溪洛渡电站调度资料，溪洛渡水坝泄水最长的泄洪时段持续泄洪166h(2014年7月4日17:00～7月11日15:00)，向家坝水坝泄水最长持续173h(2014年7月5日07:00～7月12日13:00)。此处同时调整溪洛渡和向家坝电站单次泄水的持续时间，将原本持续泄水方式调整为泄水时段与非泄水时段交替的周期性泄水方式，形成非连续泄水方案(即泄水方式筛选调度方案)，具体如下：

(A)非连续泄水方案中，溪洛渡和向家坝泄水时段与实际泄水方案一致，即溪洛渡和向家坝泄水时段分别为7月4日17:00～7月11日15:00和7月5日7:00～7月12日13:00。

(B)根据表1确定的研究河段各TDG饱和度下的LT₅₀，以鱼类在TDG饱和度为120％水体中持续暴露的LT₅₀＝14.0h为参考，设定梯级单次泄水持续时间不大于10h，两次泄水的时间间隔为5h。

(C)非连续泄水方案中溪洛渡电站深孔和泄洪洞的泄洪时段分配与实际泄水调度方案保持一致，即7月4日17:00～7月7日18:00为深孔泄洪，7月7日18:00～7月11日15:00为泄洪洞泄洪。计算时段内向家坝电站泄水方式为表孔和中孔同时泄洪。

(D)对于溪洛渡深孔的非连续泄水方式，为满足下泄流量的要求，各泄洪周期内均采用5个深孔同时泄水并增加单孔下泄流量。非连续泄水方案下，溪洛渡库区入、出库过程如图18所示，非连续泄水方案出库流量和泄洪流量与实际泄水调度方案(实际泄水方案)的对比见图19。同时向家坝仍采用表孔和中孔同时泄水，所有孔口均参与泄水，并通过增加泄水期间单孔流量以满足泄水要求和保证大坝安全。非连续泄水方案下，向家坝库区入、出库过程如所示图20，非连续泄水方案向家坝出库流量和泄洪流量与实际泄水方案的对比见图21。

实际泄水方案中，溪洛渡和向家坝入、出库流量和库区水位监测数据见表4，根据非连续泄水方案下溪洛渡和向家坝入、出库过程及水坝工程特性，由水库水位～库容曲线得到该方案下溪洛渡库区和向家坝库区水位、流量统计结果，见表5。

表4实际泄水方案下溪洛渡库区和向家坝库区水位、流量统计

表5非连续泄洪方案下溪洛渡库区和向家坝库区水位、流量统计

①溪洛渡泄水过饱和TDG生成计算

根据非连续泄水方案，参照步骤(2)①的操作，采用过饱和TDG生成模型对计算时段内溪洛渡泄水产生的TDG饱和度进行计算，结果如图22所示，同实际泄水方案类似，泄洪洞泄水期间坝下TDG过饱和程度明显高于深孔泄水时段。非连续泄水方式下，电站为周期性泄水，每个周期内泄水持续时间为10h，导致坝下TDG饱和度呈周期性波动变化。

②向家坝电站库区过饱和TDG输移释放模拟

根据非连续泄水方案，参照步骤(2)②的操作，采用深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对下向家坝站库区过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到向家坝电站库区典型时刻TDG饱和度分布图，如图23所示。TDG饱和度的时空分布同实际泄水方案类似，主要受上游泄水产生的TDG生成过程的影响。由于单次泄水的持续时间缩短，库区内TDG过饱和水体为不连续分布。随着向下游输移距离的增加，过饱和TDG分布的不连续现象逐渐减弱。

③向家坝电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据非连续泄水方案，参照步骤(2)③的操作，采用过饱和TDG生成模型对向家坝电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，向家坝表孔、中孔泄水以及发电尾水下泄的TDG饱和度随时间变化过程和发电尾水TDG饱和度与实际泄水方案对比结果分别如图24、26所示。由于向家坝库尾入流TDG饱和度的周期性变化，向家坝电站发电尾水TDG饱和度同样呈现周期性波动变化；由于溪洛渡电站间断泄水的影响，向家坝发电取水的饱和度也得到一定程度的降低。

④向家坝电站坝下河段过饱和TDG输移释放模拟

根据非连续泄水调度方案，参照步骤(2)④的操作，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型对向家坝电站坝下河段过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到向家坝电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图。

⑤绘制鱼类致死风险程度分布图

参照步骤(2)⑤中的操作，比较各断面上TDG饱和度持续时间与对应TDG饱和度下的LT₅₀，判断该区段内鱼类是否能够安全存活，采用非连续泄水方案时，河段各TDG饱和度水平最大持续时间的统计结果见表6。

表6采用非连续泄水方案时河段各TDG饱和度水平最大持续时间

由表6可知，在计算河段高饱和度持续时间显著降低，其中以T_120％降低幅度最为显著，整个向家坝库区及坝址下游河段T_120％均小于LT₅₀(120％)。但由于溪洛渡泄洪洞泄水时段坝下TDG饱和度高达145％，所以，虽然非连续泄水方案下计算河段饱和度高于130％～140％的最大持续时间有明显的降低，但仍高于对应的半数死亡时间LT₅₀(130％)～LT₅₀(140％)。溪洛渡坝址下游40km范围内，虽然T_120％在10h～12h之间，小于LT₅₀(120％)，但是T_130％～T_140％为7～11h，大于对应半数死亡时间LT₅₀(130％)～LT₅₀₍140％)，因此，向家坝库尾～溪洛渡坝址下游40km范围内为鱼类致死区。溪洛渡坝址下游40～60km范围内T_120％、T_135％和T_140％小于对应的LT₅₀，T_125％与LT₅₀(125％)接近，但T_130％约为LT₅₀(130％)的2.1倍，结合上游断面对鱼类的影响，判断该区间对鱼类亚致死。溪洛渡坝址下游60km～向家坝坝前范围内各饱和度最大持续时间均小于对应的LT₅₀，因此，该区域对鱼类是安全的。同样的分析得到，向家坝坝址～向家坝坝址下游10km范围为鱼类致死区域，向家坝坝址下游10～33km合江门断面范围内对鱼类亚致死，向家坝坝址下游33km合江门断面～78km南溪断面范围内为鱼类安全区域。根据上述判别结果，绘制非连续泄水方案下鱼类致死风险程度图，见图26。

(6)比较步骤(2)、(5)中所得鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的非连续泄水方案作为泄水方式优选方案。

由以上内容可知，在满足泄水要求和保证大坝安全的前提下通过改变水坝单次泄水持续时间可以有效改善河段TDG饱和度的时空分布，减小各饱和度最大持续时间，避免鱼类长时间持续暴露于TDG饱和度较高的水体中。

(7)将目标梯级电站的实际泄水调度方案中的泄水建筑物和泄水方案改变为步骤(4)和(6)中的泄水建筑物优选方案和泄水方式优选方案，即得到目标梯级电站的生态调度方案。

以下参照步骤(2)的操作，绘制绘制生态调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图来说明生态调度方案的效果。

图27为向家坝电站库区典型时刻TDG饱和度分布图，采用深孔泄水后原本TDG饱和度较高的泄水时段TDG饱和度水平降低至120％左右，由于非连续泄水的优化叠加作用，库区内过饱和水体呈非连续分布，有效降低了水体内饱和度的最大持续时间。表7为采用生态调度方案时，河段各TDG饱和度水平最大持续时间的统计结果。

表7采用生态调度方案时河段各TDG饱和度水平最大持续时间

由于溪洛渡电站坝下生成TDG过饱和水平降低和电站单次泄水持续时间的降低，向家坝库区内TDG饱和度大于125％～140％的持续时间为0，饱和度大于120％的最大持续时间也小于对应的LT₅₀(120％)。因此，生态调度方案下，向家坝整个库区范围内均为鱼类安全区。由生态调度方案下的鱼类致死风险程度分布图(图28)可直观地看出，生态调度方案显著减小了金沙江下游河段鱼类致死区和亚致死区的范围，仅向家坝坝址下游较小区域范围内存在鱼类致死区和亚致死区。说明本发明所述方法可显著改善研究河段TDG饱和度的时空分布，减小因梯级电站泄水导致TDG过饱和累积效应以及对鱼类带来的不利影响。

表8为各泄水方案下向家坝库区及下游河段鱼类影响区域范围统计结果，可以看出通过优选泄水建筑物结合非连续泄水的优化调度措施，河段内鱼类致死区和亚致死区范围显著减小，鱼类安全区域增大，优化调度措施有效减小了水坝泄水导致TDG过饱和对鱼类的不利影响。

表8各泄水方案下计算河段鱼类影响区域统计结果

泄水方案	鱼类致死区/km	鱼类亚致死区/km	鱼类安全区/km
				实际泄水	120	58	56
向家坝单独泄水	53	7	174
				优选泄水建筑物	93	27	114
非连续泄水	50	43	141
				生态调度	10	23	201

Claims (7)

1.基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，其特征在于步骤如下：

(1)选定需要进行生态调度的梯级电站作为目标梯级电站，搜集目标梯级电站中各级电站的实际泄水调度方案，包括搜集泄洪流量、发电流量、泄洪时间以及泄水运行建筑物信息；

(2)对目标梯级电站的实际泄水调度方案的过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制实际泄水调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

(3)改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中的泄水运行建筑物，形成泄水建筑物筛选调度方案，然后对泄水建筑物筛选调度方案的过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制泄水建筑物筛选调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

(4)比较步骤(2)、(3)中所得鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的泄水调度方案对应的泄水建筑物方案作为泄水建筑物优选方案；

(5)改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中单次泄水持续时间开展非连续泄水，形成泄水方式筛选调度方案，然后对泄水方式筛选调度方案的过饱和TDG时空分布进行模拟，并绘制泄水方式筛选调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图；

(6)比较步骤(2)、(5)中所得鱼类致死风险程度分布图，选择鱼类致死风险程度分布图中鱼类安全区域范围更大的泄水调度方案对应的泄水方式筛选调度方案作为泄水方式优选方案；

(7)将目标梯级电站的实际泄水调度方案中的泄水建筑物和泄水方案改变为步骤(4)和(6)中的泄水建筑物优选方案和泄水方式优选方案，即得到目标梯级电站的生态调度方案；

步骤(2)、(3)、(5)中，绘制各调度方案对应的鱼类致死风险程度分布图的方法为：

①调查梯级电站流域范围内的鱼种类，确定梯级电站流域范围内的各类鱼暴露于各不同TDG过饱和环境下的半致死时间；

②根据步骤(2)、(3)、(5)中调度方案中过饱和TDG时空分布情况，确定典型河流断面的TDG饱和度以及相应的持续时间，将各典型断面上TDG饱和度持续时间与对应TDG饱和度下的半致死时间进行比较，判断该区段内的鱼类是否能够安全存活，进而确定鱼类致死风险程度，作出鱼类致死风险程度分布图。

2.根据权利要求1所述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，其特征在于目标梯级电站包括两级电站，步骤(2)中对目标梯级电站的实际泄水调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟包括以下步骤：

①上级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型对上级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到上级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

②下级电站库区过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，采用深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对下级电站库区过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站库区典型时刻TDG饱和度分布图；

③下级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据实际泄水调度方案，采用过饱和TDG生成模型对下级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到下级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

④下级电站坝下河段过饱和TDG输移释放模拟

根据实际泄水调度方案，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型对下级电站坝下河段过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图。

3.根据权利要求2所述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，其特征在于步骤(3)中，构建泄水建筑物筛选调度方案时，仅改变目标梯级电站的上级电站的实际泄水调度方案中的泄水运行建筑物，根据泄水建筑物筛选调度方案，按照以下步骤①～④的操作对泄水建筑物筛选调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟：

①上级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据泄水建筑物筛选调度方案，采用过饱和TDG生成模型对上级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到上级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

②下级电站库区过饱和TDG输移释放模拟

根据泄水建筑物筛选调度方案，采用深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对下级电站库区过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站库区典型时刻TDG饱和度分布图；

③下级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据泄水建筑物筛选调度方案，采用过饱和TDG生成模型对下级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到下级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

④下级电站坝下河段过饱和TDG输移释放模拟

根据泄水建筑物筛选调度方案，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型对下级电站坝下河段过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图。

4.根据权利要求3所述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，其特征在于步骤(5)中，构建泄水方式筛选调度方案时，通过改变改变目标梯级电站的实际泄水调度方案中单次泄水持续时间开展非连续泄水，根据泄水方式筛选调度方案，按照以下步骤①～④的操作对泄水方式筛选调度方案中过饱和TDG时空分布进行模拟：

①上级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据泄水方式筛选调度方案，采用过饱和TDG生成模型对上级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到上级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

②下级电站库区过饱和TDG输移释放模拟

根据泄水方式筛选调度方案，采用深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型对下级电站库区过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站库区典型时刻TDG饱和度分布图；

③下级电站泄水过饱和TDG生成模拟

根据泄水方式筛选调度方案，采用过饱和TDG生成模型对下级电站泄水产生的TDG饱和度进行模拟，得到下级电站坝下TDG饱和度随时间变化曲线；

④下级电站坝下河段过饱和TDG输移释放模拟

根据泄水方式筛选调度方案，采用纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型对下级电站坝下河段过饱和TDG的输移释放进行模拟，得到下级电站坝下河段TDG饱和度随时间分布图。

5.根据权利要求2至4之一所述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，其特征在于，过饱和TDG生成模型如式(1)所示，

式(1)中，G_s(％)为消能池出口TDG饱和度，h_r(m)为消能池出口水深，h_d(m)为消能池内水垫厚度，G_s0(％)为消能池内气体过溶生成的TDG饱和度，

式(2)中，ΔP(m H₂O)为掺气水流入水滞点处的相对压强，P₀(m H2O)为当地大气压，G_eq(％)为平衡饱和度，取值为100％，t_R(s)为水体在承压系统内的滞留时间，

式(3)中，Fr₁为水流入水断面处弗劳德数，h_k(m)为坝下总水深，l₀(m)和l(m)分别为水流入水点距消能池上游边墙距离和消能池长度，g＝9.81m/s²。

6.根据权利要求2至4之一所述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，其特征在于，纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型方程由第一水动力学方程、第一水温方程和过饱和TDG输移释放方程组成，

第一水动力方程见式(4)～(5)，

式(4)～(5)中，A(m²)为过水面积，Z(m)为水位，Q(m3/s)为流量，U(m/s)为断面平均流速，S_f为水力比降，R(m)为水力半径，n为粗糙系数；

第一水温方程如式(6)所示，

式(6)中，T(℃)为水温，为移流产生的热变化率，为离散产生的热变化率，为表面热交换率，C_p(J/(kg·℃))为水的比热，ρ(kg/m³)为水体密度，B(m)为河面宽度，D_L(m²/s)为纵向弥散系数，为水体与大气之间的热交换通量，

式(7)中，B(m)为河宽，h(m)为平均水深，u^*(m/s)为摩阻流速，

式(8)中，为水面净吸收的太阳短波辐射，为大气长波辐射，为水体长波的返回辐射，水面蒸发热损失，为热传导通量，

式(9)中，是到达地面的总太阳辐射量，γ是水面反射率，γ＝0.03；

式(10)中，σ是Stefan-Boltaman常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)，γ_a为长波反射率，取值0.03，T_a(℃)为水面上2m处的气温，ε_a(％)为大气发射率；

当气温>4.0℃时，

当气温≤4.0℃时，

式(11)～(12)中，C_r(％)为云层覆盖率，e_a(hPa)为水面上空气的蒸发压力，

式(13)中，hum(％)为相对湿度；

式(14)中，ε_w为水体的长波发射率，ε_w＝0.965，T_s(℃)为水体表面温度；

式(15)中，f(W)为风函数，

式(16)中，W(m/s)是水面上10m处的风速，ΔT(℃)为水温与气温差，e_s(hPa)是相应于T_s的紧靠水面的空气饱和蒸发压力，

过饱和TDG输移释放方程如式(19)所示，

式(19)中，G(％)表示TDG饱和度，G_eq(％)表示TDG平衡饱和度，k_T(s^-1)表示过饱和TDG释放系数，

式(20)中，U_i(m/s)为i断面平均流速，H_i(m)为i断面平均水深，φ_T(s^-1)为考虑分子扩散、紊动扩散作用的综合系数，φ_T(s^-1)＝10^-10～10^-7；

采用有限差分格式对纵向一维非恒定流水温耦合过饱和TDG输移释放模型方程进行离散并用追赶法进行求解，假定初始时刻河道内为恒定流过程，对初始水位进行分段试算，水温初始分布采用计算初的入流水温，河道TDG饱和度初值均为100％；采用上游断面入流过程作为上游边界条件，下游边界采用水位～流量关系，入流TDG饱和度的边界条件确定时，考虑来流水温引起的溶解度变化，根据TDG质量浓度除以混合后温度对应的饱和度得到。

7.根据权利要求2至4之一所述基于过饱和TDG对鱼类影响的梯级电站生态调度方法，其特征在于，深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型由状态方程、第二水动力学方程、第二水温方程和TDG输运方程组成；

状态方程中仅考虑水温变化对密度的影响，如式(21)所示，

ρ＝f(T_w) (21)

式(21)中，T_w(℃)为水体温度；

第二水动力学方程由式(22)所示的连续方程，式(23)所示的动量方程和式(32)所示的自由水面方程组成，

垂向动量方程采用静压假定：

式(22)～(24)中，u(m/s)、w(m/s)分别为纵向流速和垂向流速，B(m)为宽度，g＝9.81m/s²，ρ(kg/m³)为水体密度，根据式(21)求解，η(m)为水面高程，P(N/m²)为压强，α_r为河床的坡度，τ_xx和τ_xz分别为纵向切应力和垂向切应力，τ_xx和τ_xz的计算式见式(25)～(26)，

式(25)～(26)中，A_x为纵向紊动粘性系数，为波数，T_w为风浪周期，τ_b为边界层切应力，A_z为垂向涡粘系数，τ_xw(N/m²)为因风而产生的纵向剪切应力；

l_m＝Δz_max (30)

式(27)～(30)中，C_D为拖曳系数，C为谢才系数，ρ_a(kg/m³)和ρ_w(kg/m³)分别为气体密度和水体密度，W(m/s)为风速，Θ₁和Θ₂均为风的方向角，A_z(m²/s)为垂向涡粘系数，κ为卡门常数，κ＝0.4，k为波数，Δz_max(m)为垂向网格间距的最大值，c＝0.15，R_i为理查森数，

自由水面方程如式(32)所示，

式(32)中，η(m)为水面高程，h(m)表示水深，B_η(m)为水面宽度；

第二水温方程为式(33)所示，

式(33)中，S_T(W/m²)为水温源汇项，表示水体与大气之间的热交换通量，S_T的计算方式见式(8)～(18)，

式(8)中，为水面净吸收的太阳短波辐射，为大气长波辐射，为水体长波的返回辐射，水面蒸发热损失，为热传导通量，

式(9)中，是到达地面的总太阳辐射量，γ是水面反射率，γ＝0.03；

式(10)中，σ是Stefan-Boltaman常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)，γ_a为长波反射率，取值0.03，T_a(℃)为水面上2m处的气温，ε_a(％)为大气发射率；

当气温>4.0℃时，

当气温≤4.0℃时，

式(11)～(12)中，C_r(％)为云层覆盖率，e_a(hPa)为水面上空气的蒸发压力，

式(13)中，hum(％)为相对湿度；

式(14)中，ε_w为水体的长波发射率，ε_w＝0.965，T_s(℃)为水体表面温度；

式(15)中，f(W)为风函数，

式(16)中，W(m/s)是水面上10m处的风速，ΔT(℃)为水温与气温差，e_s(hPa)是相应于T_s的紧靠水面的空气饱和蒸发压力，

TDG输运方程如式(34)所示，

式(34)中，S_G为TDG源项，包含气体传质和水气界面传质两部分，S_G的计算式见式(35)，S_G＝k_T(G_eq-G)+(K_La)_s(G_s-G) (35)

式(35)中，G(％)为计算单元的TDG饱和度，G_eq(％)为当地平衡饱和度，G_s为水体表面的平衡饱和度，G_s＝100％，(K_La)_s为水气界面传质系数，k_T(h^-1)为水体内TDG释放系数，(K_La)_s和k_T均结合温度场进行温度修正，修正后的(K_La)_s用K_L表示，修正后的k_T用K_T表示，K_L＝0.6885×1.44^W×1.062^(T-20) (36)

K_T＝K₂₀×1.062^(T-20) (37)

式(36)～(37)中，W(m/s)为库区水体表面10m处的风速，K₂₀为20℃下气体传质系数，K₂₀根据原型观测结果得到；

水体内部仅考虑由于承压变化导致的气体传质过程，因此库区水面以下的TDG源项如式(38)所示，

S_G＝k_T(G_eq-G) (38)

式(38)中，G(％)为计算单元的TDG饱和度，G_eq(％)为当地平衡饱和度，k_T(h^-1)为水体内TDG释放系数，k_T均结合温度场进行温度修正，修正后的k_T用K_T表示，K_T的计算式见式(37)；

深水库区立面二维过饱和TDG输移释放模型方程的离散和求解：计算区域的离散采用交错网格，模型变量u、w等布置在网格边界中心点，ρ、T、G等布置在网格中心，对控制方程采用有限差分法进行离散并使用追赶法求解。