在同步冷凝器运行过程中，水力发电涡轮机产生的总溶解气体过饱和度

《Ecological Informatics》：Hydropower turbine-generated total dissolved gas supersaturation during synchronous condense operations

总溶解气体（TDG）超饱和是水电工程中的生态风险问题，本研究以加拿大Seven Mile坝为例，通过实地监测与数值模拟，揭示了同步补偿（SC）模式下TDG超饱和的生成机制与影响因素。实验表明，单台SC涡轮运行时，下游TDG峰值可达146%，且影响范围 confined于距涡轮出口0.5公里内。通过开发包含气液界面传质、自由表面湍流效应的数学模型，结合CFD模拟，发现压缩空气压力、冷却水流量和涡轮转速是主要控制参数，其中冷却水流量增加可使TDG水平降低20%-30%。研究证实SC模式与常规发电协同运行能有效稀释TDG，为水电工程生态调度提供了理论依据。

　　总溶解气体（Total Dissolved Gas, TDG）在河流中的超饱和现象是长期以来备受关注的环境问题之一。当水中溶解的气体总量超过饱和状态时，会对水生生物，尤其是鱼类，造成潜在的健康威胁。具体而言，当TDG浓度超过110%时，可能会增加鱼类的死亡率。在本研究中，科学家们关注的是水力发电机组在同步补偿（Synchronous Condense, SC）模式下是否会产生显著的TDG超饱和现象，并进一步探讨其产生的机制及对生态环境的影响。

### 一、TDG超饱和现象的背景

在水力发电过程中，TDG的生成通常与水坝的泄洪过程密切相关。当水流从溢洪道跌落至水池时，空气会被水流带动进入水中，导致溶解气体的超饱和。然而，近年来，一些水力发电设施报告称，在SC模式下，TDG的生成同样具有重要影响。SC模式是一种通过向水流中注入压缩空气以优化电网运行效率的运行方式。这种模式下，水流的运动模式和气液相互作用的物理机制与常规运行模式存在差异，因此需要更深入的研究来评估其对环境的潜在影响。

### 二、研究方法与地点

本研究选取了加拿大不列颠哥伦比亚省Pend d'Oreille河上的Seven Mile Dam（简称SEV）作为研究对象。该水坝是一个混凝土重力坝，最大高度为80米，其运行模式包括发电和SC模式。在SC模式下，水轮机的导叶被关闭，压缩空气被注入到水轮机内部，以降低水位并减少机械损失。研究团队在SC模式的不同运行条件下进行了现场监测，并结合实验数据和数值模拟，分析了TDG的生成和扩散机制。

### 三、现场监测与数据采集

为了评估TDG的生成情况，研究团队在SEV的上游和下游设置了多个监测点。其中包括一个位于前池（forebay）的监测站（P0）和两个位于尾水区域（tailrace）的监测站（P1和P2），还有一个位于距离坝体780米的监测站（P3）。这些监测站使用Point Four Smart TGP探头，通过膜扩散技术进行连续监测，其精度约为±0.3%。监测数据涵盖了不同SC运行场景下的TDG浓度变化，并用于验证和调整研究模型。

在监测过程中，发现P1和P2两个监测站由于水流的湍流影响，出现翻转现象，导致部分数据丢失。为了确保数据的准确性，P2被重新调整至靠近河岸的位置，并且在后续的测试中保持稳定。同时，P1的监测位置也因水流的漂移而有所变化。尽管如此，整体数据仍表明，在SC模式下，尾水区域的TDG浓度会显著上升，达到甚至超过146%。这一结果表明，SC模式确实可能成为TDG超饱和的一个重要来源。

### 四、气液质量传递机制

TDG的生成和扩散主要依赖于气液之间的质量传递过程。在SC模式下，水轮机内部的气液界面是关键区域，压缩空气通过这些界面进入水流，导致溶解气体浓度升高。气液质量传递系数是这一过程中的重要参数，它受到多种因素的影响，包括水流速度、气泡大小分布、湍流强度以及操作条件的变化。通过实验和理论分析，研究团队提出了一个简化的质量传递模型，用于描述SC模式下气液界面的气体溶解过程，并模拟TDG的扩散路径。

在实验中，研究人员发现质量传递系数随着Froude数的增加而提高。Froude数用于表征水流的自由表面运动，它反映了水流速度与重力作用之间的关系。在SC模式下，由于水轮机的旋转，水流在自由表面区域会产生波动，这种波动会增强气液之间的接触面积和质量传递效率。此外，冷却水的排放量和操作时间也对TDG的生成有重要影响。较高的冷却水排放量能够有效稀释尾水区域的TDG浓度，从而降低其对水生生物的危害。

### 五、数值模拟与结果分析

为了进一步理解SC模式下TDG的分布规律，研究团队采用了ANSYS CFX 2020 R2进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟。模拟结果表明，在SC模式运行期间，TDG的浓度在距离水轮机出口约20米的范围内达到最高值，随后逐渐稀释，最终在距离坝体780米的监测点P3处恢复至接近饱和状态的水平。这一结果与现场监测数据一致，说明SC模式下TDG的超饱和区域相对有限，但仍然可能对水生生物造成显著影响。

此外，研究还分析了不同操作条件对TDG浓度的影响。例如，当仅有一台水轮机处于SC模式时，尾水区域的TDG浓度可达到145.6%；而当两台水轮机同时运行在SC模式时，TDG浓度虽然有所波动，但总体上仍维持在130%至140%之间。值得注意的是，当SC模式与常规发电模式结合运行时，TDG的浓度会显著降低，达到约118.5%。这表明，通过优化运行模式，可以在一定程度上缓解TDG超饱和带来的生态风险。

### 六、对水生生物的影响

TDG超饱和对水生生物，尤其是鱼类，具有显著的生物毒性。当鱼类暴露于高浓度TDG环境中时，可能会出现气泡病（Gas Bubble Disease, GBD）。这种疾病表现为鱼体表面、口腔、鳃、鳍和眼球中形成气泡，严重时可能导致血管阻塞，进而导致鱼类死亡。研究团队指出，鱼类对TDG的耐受性与其暴露时间、水深以及个体敏感性密切相关。例如，某些幼鱼和敏感物种可能在几小时内即出现明显的症状，而暴露时间超过10小时时，死亡率可能显著上升。

通过CFD模拟，研究团队评估了SC模式下TDG对鱼类的暴露时间和空间分布。模拟结果表明，在SC模式运行3小时后，尾水区域的TDG浓度可能达到120%以上，对鱼类构成威胁。而在12小时后，TDG超饱和区域可能向下游扩展至约45米，但仍然局限于距离水轮机出口较近的范围。因此，尽管SC模式可能产生高浓度TDG，但其影响范围相对有限，只要在合理的时间内进行操作，可以有效降低对水生生物的暴露风险。

### 七、生态风险与应对策略

尽管SC模式在优化电网运行方面具有重要价值，但其对生态环境的影响不容忽视。研究指出，TDG超饱和可能对水生生态系统造成多方面的压力，包括对鱼类、底栖无脊椎动物和水生植物的影响。特别是，当TDG浓度达到或超过110%时，可能会改变水体的物理和化学特性，进而影响生物的生存环境。

为了降低这种风险，研究团队提出了多种应对策略。首先，可以考虑减少SC模式的运行时间，以限制TDG在尾水区域的累积。其次，通过调整压缩空气的压力和冷却水的排放量，可以有效稀释尾水中的TDG浓度。此外，还可以优化SC模式的运行条件，例如在鱼类活动较少的季节进行操作，以减少对水生生物的直接暴露。最后，结合特定的冲洗操作，有助于进一步控制TDG的浓度，降低其对生态系统的潜在危害。

### 八、研究的局限性与未来展望

尽管本研究提供了关于SC模式下TDG生成和扩散的详细数据，但其模型仍存在一定的局限性。例如，当前模型主要关注宏观尺度的质量传递过程，未能完全捕捉到微观尺度的湍流变化和生物反应的复杂性。因此，未来的研究需要进一步整合水动力学与生态学模型，以更全面地评估TDG超饱和对水生生物的综合影响。

此外，研究团队还建议，在不同水力发电设施中开展针对SC模式下TDG生成的现场调查，以更好地了解其在不同环境条件下的表现。通过这种方式，可以为水力发电厂提供更具针对性的运行建议，从而在保障电网稳定的同时，最大限度地减少对生态环境的负面影响。

### 九、结论

本研究通过现场监测、实验分析和数值模拟，揭示了SC模式下TDG超饱和的生成机制及其对水生生物的影响。结果表明，SC模式确实能够产生显著的TDG超饱和现象，尤其是在水轮机出口附近。然而，由于其影响范围相对有限，通过合理的运行管理，可以有效降低TDG对生态系统的潜在危害。未来的研究应进一步整合水动力学与生态学模型，以实现对水力发电过程中TDG超饱和的全面评估，并为可持续的水电运营提供科学依据。