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水坝泄水气体过饱和对鱼类影响及减缓技术研究综述.pdf
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1、河流保护与治理DOI:10.15961/j.jsuese.202200117水坝泄水气体过饱和对鱼类影响及减缓技术研究综述李然1,2,李克锋1,2,冯镜洁1,2*,王远铭1,2(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065;2.四川大学 水利水电学院,四川 成都 610065)摘要:水坝泄水总溶解气体(total dissolved gas,TDG)过饱和可导致鱼类患气泡病甚至死亡,给水生态系统健康带来严重危害。近年来随着中国越来越多的高坝工程投入运行,水坝泄水气体过饱和对鱼类影响逐渐成为制约高坝泄水安全运行的重要生态风险。本文通过对国内外研究文献的梳理分析,
2、结合研究团队近年来在该领域的研究成果,从鱼类耐受性响应、过饱和TDG规律、减缓技术以及发展动态等几个方面对水坝泄水气体过饱和对鱼类影响及减缓技术研究开展了回顾分析。首先面向中国长江上游特有鱼类保护需求,分析了溶解气体过饱和危害以及不同特征鱼类对溶解气体过饱和的躲避能力和耐受规律。在此基础上,从过饱和TDG生成和释放角度,揭示了水坝泄水溶解气体过饱和规律及其模拟预测方法,从工程措施、调度措施和生态功能利用措施三方面阐述了过饱和气体减缓技术及其工程应用现状。基于中国高坝工程泄水生态安全需求,开展了国内外发展动态分析,指出进一步深入揭示高坝泄水气体过饱和机制、完善和发展高坝泄水过饱和气体预测方法和技
3、术、加强和深化过饱和TDG减缓技术的工程可行性研究、实施基于减缓过饱和TDG影响的流域梯级多目标优化调度、推进中国关于鱼类对过饱和TDG耐受标准的建立是当前面临的关键问题与技术挑战。本文成果旨在解决水坝泄水气体过饱和问题以及高坝运行生态安全保障研究提供思路借鉴和科学依据。关键词:水坝泄水;总溶解气体;过饱和;鱼类;耐受能力;减缓措施中图分类号:TK131.34文献标志码:A文章编号:2096-3246(2023)04-0091-11Review on the Effect of Dissolved Gas Supersaturation of Dam Spill on Fishes and i
4、ts Mitigation MeasuresLI Ran1,2,LI Kefeng1,2,FENG Jingjie1,2*,WANG Yuanming1,2(1.State Key Lab.of Hydraulics and Mountain River Eng.,Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China;2.College of Water Resources and Hydropower,Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China)Abstract:Total dissolved gas(TDG)supersaturation caus
5、ed by dam spills may lead to gas bubble disease and even fish mortality,resulting in ser-ious negative impacts on the aquatic ecosystem.With more and more high dams put into operation in recent years,the problem of total dissolvedgas supersaturation has become an important ecological risk restrictin
6、g the safe operation of high dam discharge in China.By combining literat-ure analyses and the authors research experience in the field,the problem of dissolved gas supersaturation,its effect on fish and the mitigationmeasures were retrospected.First,for the protection needs of endemic fish in the up
7、per reaches of the Yangtze River,the negative effect of TDGsupersaturation and the tolerance ability of fishes to TDG supersaturation were reviewed.The mechanism of TDG supersaturation and its simula-tion technology was revealed from the perspective of the generation and dissipation process.The miti
8、gation technology and its engineering applic-ation were described from the engineering measures,dispatching measures,and ecological function utilization measures.According to the ecolo-gical safety demand of high dam discharge in China,the research trend at home and abroad was analyzed.It was propos
9、ed that the current keyproblems and challenges mainly include further revealing the mechanism of TDG supersaturation,improving the accurate and advanced predic-收稿日期:2022 02 16基金项目:国家自然科学基金重点项目(52039006);国家自然科学基金面上项目(51879173)作者简介:李然(1968),女,研究员,博士.研究方向:环境水力学.E-mail:*通信作者:冯镜洁,E-mail:网络出版时间:2022 05 16
10、 14:08:36 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 4 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.42023 年 7 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESJuly 2023tion methods,strengthening the engineering feasibility study of TDG mitigation technology,implementing the cascade muti-object optimal dis-patching based on TDG supersaturation m
11、itigation,and promoting the establishment of fish tolerance standards to TDG supersaturation.The ef-fort of this paper aims at providing scientific reference and guide for the solution of TDG supersaturation and guarantee the ecological safety ofhigh dam operation.Key words:dam spill;total dissolved
12、 gas;supersaturation;fish;tolerance;mitigation measure 水体中溶解气体过饱和是指由于自然或人为因素引起的水体中溶解气体饱和度高于100%的现象。在这种条件下,水体中溶解气体的浓度大于当地气压条件对应的溶解气体的溶解度。水体中溶解气体包括溶解氧、溶解氮及二氧化碳等组分,各组分之和统称为总溶解气体(total dissolved gas,TDG)。在自然界中,水温突升、光合作用、水坝泄水等过程均可能导致水体中出现溶解氧、溶解氮等单一气体组分的溶解气体或总溶解气体过饱和。当水体中过高的溶解气体压力得不到环境压力补偿情况下会析出成为气泡。大量气泡在
13、水生生物血管或组织内聚集形成气泡或气栓阻塞血管,继而引发气肿、组织出血以及其他行为异常甚至死亡。此外,气泡在鱼体表沾附产生浮力会影响鱼的平衡和游动能力以及在水中的栖息深度,特别是对仔鱼和幼鱼的影响最为突出。溶解气体过饱和除对鱼类造成影响外,还可能对虾、蟹等水生动物造成伤害1。例如,蚌(Mercenaria mercenaria)患气泡病后鳃部充满气泡,阻止血液正常循环2,加利福尼亚褐虾(Pen-aeus aztecus)患气泡病后会在鳃及体表会出现气泡,导致行为异常甚至死亡3。20世纪60年代由于美国Columbia河上水坝泄水运行,溶解气体过饱和引起的鱼类气泡病问题受到高度关注1,4。196
14、2年McNary水坝下游大鳞大麻哈鱼(Oncorhynchus tshawytscha)出现因取用Columbia河中气体过饱和水源引发的气泡病问题5。1968年监测发现,John Day水坝下游溶解氮气饱和度达到145%。在捕获的鱼类中,25%的虹鳟(Salmo gairdneri)幼鱼、46%的大鳞大麻哈鱼幼鱼、68%的科霍鲑鱼(Onco-rhynchus kisutch)幼鱼出现气泡病症状,其中在鱼类死亡数量最多的6月29日,有13条红大麻哈鱼(Onco-rhynchus nerka)和365条大鳞大麻哈鱼幼鱼死亡。加之鱼梯过鱼效果限制,据估计当年夏天产卵的大麻哈鱼幼鱼数量减少达20 0
15、00尾6。1994年8月阿根廷Yacyret水坝开闸运行时出现因总溶解气体过饱和导致的水坝下游大量鱼类患气泡病死亡的现象7。Duvall等8报道,在1996至2002年间Priest Rapids水坝下游TDG饱和度达113%130%期间,捕获的大麻哈鱼幼鱼中8.5%出现了气泡病症状。中国在20世纪80年代葛洲坝运行初期,曾有文献报道葛洲坝泄水的溶解气体过饱和问题9。李玉梁等10研究指出,水工泄水建筑物存在超饱和复氧状态。1994年6月,新安江水库开闸泄洪导致下游3 km的网箱虹鳟普遍患气泡病11。2003年8月至9月三峡大坝泄水下游黄陵庙和东岳庙断面溶解氧饱和度超过了120%,9月份最大饱和
16、度达到130%12。2006年紫坪铺电站泄水下游500 m的彩虹桥断面TDG饱和度最大值为128.3%13。2014年7月,向家坝库区出现因溪洛渡泄水产生的气体过饱和致网箱养殖鱼类死亡事件,溶解氧饱和度的监测最高值为133%14,鱼类死亡数量达40余吨15。针对水坝泄水溶解气体过饱和影响问题的研究主要集中在鱼类耐受性响应、过饱和TDG生成和释放规律、减缓技术等几个方面。1 鱼类对过饱和气体的躲避和耐受能力 1.1 躲避能力鱼类对过饱和气体的躲避能力分为水平躲避和垂向躲避能力。1.1.1 水平躲避能力Blahm等16研究发现,当水平躲避试验装置中TDG过饱和水流饱和度为130%时,虹鳟幼鱼在试验
17、进行48 h后死亡率达50%,而大鳞大麻哈鱼幼鱼8 d后都未出现死亡,表明大鳞大麻哈鱼幼鱼具有较强的躲避TDG过饱和水体的能力。黄翔17和王远铭等18试验发现,当TDG饱和度高于125%时,岩原鲤(Procyprisrabaudi Tchang)、齐口裂腹鱼(Schizothorax Prenanti)均出现明显的躲避行为,而当TDG饱和度低于115%时,鱼类在水体中自由游动,未出现躲避现象。1.1.2 垂向躲避能力鱼类对过饱和TDG的垂向躲避能力与水深的补偿作用相关。PmPTDGPB水体中总溶解气体过饱和压力表示为总溶解气体压力与大气压之差:Pm=PTDGPB(1)对应于当地大气压的相对饱和
18、度GTDG为:GTDG=PTDGPB100=PB+PmPB100(2)hBPcompPTDGPB+ghB水生生物在水深下实际感受到的过饱和压力为总溶解气体压力与当地压力()之差。92工程科学与技术第 55 卷Pcomp=PTDG(PB+ghB)=PmghB(3)kg/m3gm2/s式中:为水的密度,;为重力加速度,。与此相对应,鱼类在水下感受到的过饱和度Gcomp为:Gcomp=PTDGPB+ghB=PB+PmPB+ghB(4)PcompPcomp0Pcomp=0水生生物实际感受到的过饱和压力直接决定了溶解气体的生物效应。如果在水深处,则生物体内会形成气泡甚至诱发气泡病;反之,则不会形成气泡和
19、诱发气泡病。通常将所对应的水深称为补偿水深。图1为溶解气体饱和度与补偿水深的关系示意图。由图1可知,在不同深度上仪器测量的TDG饱和度(相对于大气压而言)与水生生物实际感受到的饱和度之间的关系,即深度大约为每增加1 m,饱和度降低约10%。由此表明,在具有一定深度的天然河流中,如果鱼类可以潜入一定深度下生活,则可以借助水深补偿减轻高饱和度TDG的影响。Knittel等20将虹鳟幼鱼(Salmo gairdneri)置于TDG含量相同但深度不同的水层,结果发现深层鱼类的存活时间较长。同时,曾暴露于TDG饱和度130%的表层水体且罹患气泡病濒临死亡的虹鳟幼鱼转入水下3 m深度一段时间后,气泡病症状
20、缓解并存活下来。Lutz21发现,因气泡病导致的鱼类最大死亡率并不是出现在TDG饱和度最高的时段,而是在水深最小的时段,这是因为水深较浅使鱼类无法得到足够的补偿水深以躲避TDG过饱和影响。Backman等22观测发现,由于缺少补偿水深作用,室内试验的鱼类气泡病发病率显著较天然河流高,过鱼通道中鱼类气泡病症状较坝上和坝下深水区更为显著。Harmon23和Beeman24等研究发现,鱼类可以利用补偿水深来减弱或避免TDG过饱和伤害,在补偿水深以上生活的鱼类更易受过饱和TDG伤害。谭德彩25研究发现,三峡泄水期间,生活在水体底层的鱼类对TDG过饱和有较强的耐受性。黄翔17室内试验发现,在TDG饱和度
21、为150%条件下,水深30、130、230 cm处岩原鲤半数死亡时间分别为0.9、2.8、8.6 h,说明水深增加产生的补偿水深作用减弱了过饱和TDG对鱼类的伤害。这也从另一方面解释了为什么TDG过饱和的天然河流中野生鱼类死亡率较低,而网箱养殖鱼类死亡率较高的现象。1.2 不同组分气体的致病作用虽然溶解氧、溶解氮和总溶解气体的饱和度超过一定值时均可能使鱼类患气泡病甚至死亡,但由于氧气在生物机体内除了以溶解态存在外,还可与血红蛋白结合,通过生物过程得到消耗或降解,而氮气是惰性气体,在生物体内不能参加新陈代谢,由此导致溶解氧的致病作用小于溶解氮和总溶解气体。早期的试验研究发现,在只有溶解氧过饱和情
22、况下,溶解氧饱和度通常达到300%以上才可能致使鱼类患气泡病3,大菱鲆26(Scophthalmus MaximusL.)、虹鳟鱼27、大西洋鲑(Salmo salar)28等均对过饱和溶解氧的耐受能力较强。Rucker29 研究发现,在总溶解气体饱和度恒定为119%的情况下,溶解氧和溶解氮的比例在159109以下变化时,不会对鱼类产生显著影响,但在氧氮比例上升为173105时,气泡病发病率出现急剧下降。Doudoroff30试验证实,气泡病主要是总溶解气体而不是单一溶解氧或溶解氧造成的。Rucker等31将大鳞大麻哈鱼的鱼苗分别持续暴露在氮气饱和度120%,但TDG饱和度不同的水体中,在TD
23、G饱和度为116%的环境中35 d仍未出现大量死亡现象,但在TDG饱和度为120%的环境中,幼鱼在25 d即出现大量死亡。Meekin等32试验发现,大鳞大麻哈鱼幼鱼在10 cm深的井水容器中(氮气饱和度122%,TDG饱和度112%)510 d内死亡率2%5%,而在61 cm深的河水容器(氮气饱和度124%,TDG饱和度123%)57 d内死亡率达92%100%,说明TDG的致病作用大于溶解氮气。对天然水体中TDG和DO相关关系分析表明,水体中DO浓度随着水体污染程度的改变而发生变化,因此DO变化幅度通常较大,而TDG变化相对较小。特别是天然河流中,TDG和DO的相关关系具有不确定性,因此在
24、气体过饱和对鱼类影响研究中,部分研究针对溶解氧,而更多研究采用总溶解气体33。1.3 鱼类对过饱和TDG的耐受规律 1.3.1 鱼类耐受性与过饱和TDG暴露条件的关系1)持续暴露条件下的鱼类耐受性鱼类耐受性成果较多来源于室内试验。大鳞大 0123100080100100100115115110120130水面饱和度/%水下鱼类感受到的饱和度水深/m100图 1溶解气体饱和度与补偿水深的关系示意图19Fig.1Relationship between actual total dissolved gaslevels experienced by fish and various depths i
25、n theriver19 第 4 期李然,等:水坝泄水气体过饱和对鱼类影响及减缓技术研究综述93麻哈鱼幼鱼在TDG饱和度110%、水深28 cm的浅水中暴露28 h未出现死亡,且几乎未发现气泡病症状;在TDG饱和度120%水体中暴露58 h死亡率43%34;在TDG饱和度130%水体中暴露5 h开始出现死亡,9 h死亡率为50%35。岩原鲤鱼苗在TDG饱和度低于115%的室内水体中均能存活,在TDG饱和度120%以上时陆续出现死亡36。白鲈(Atractoscion nobilis)持续暴露于TDG饱和度低于110%的水中,96 h未出现死亡,但在TDG饱和度为122%的水中,鱼体内出现气栓并
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