魚道水力學(xué)試驗研究

呂海艷,徐 威，葉 茂

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

隨著水利水電工程的不斷建設(shè)，使原有連續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)被分隔成不連續(xù)的環(huán)境單元，造成了生境的破碎，工程的建成和運(yùn)行將使洄游魚類不能到達(dá)原來的棲息地，其生存和繁殖將受到影響，可能引起種群數(shù)量下降、魚類種群遺傳多樣性喪失和經(jīng)濟(jì)魚類品質(zhì)退化等，最終對魚類資源產(chǎn)生影響。因此, 為了保護(hù)魚類資源, 恢復(fù)河流生物多樣性，水利樞紐工程會越來越多地設(shè)置不同類型的過魚設(shè)施。我國的魚道研究工作在上個世紀(jì)50年代開始展開，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建魚道約80座，主要分布在東南沿海。但目前國內(nèi)對過魚設(shè)施的研究與設(shè)計還比較粗淺，成功的過魚建筑物更是屈指可數(shù)。在此期間，魚道水工水力學(xué)模型試驗研究也在不斷開展。

2 工程概況

某水電站樞紐由擋水建筑物、引水建筑物、泄水建筑物和廠區(qū)建筑物四大部分組成。擋水建筑物采用黏土心墻土石壩，引水及泄洪建筑物集中布置在河床右岸。泄洪建筑物由表孔溢洪道作為經(jīng)常性泄洪設(shè)施，同時設(shè)置一底孔共同擔(dān)負(fù)泄洪任務(wù)。廠區(qū)樞紐建筑物布置于右岸壩后、溢洪道出口左側(cè)，包括主機(jī)間、安裝間、副廠房、開關(guān)站和尾水渠等。

根據(jù)流域魚類資源狀況及電站建設(shè)對其產(chǎn)生的影響，本工程擬從保護(hù)魚類棲息環(huán)境、改善電站運(yùn)行期魚類產(chǎn)卵條件、修建半洄游性魚類魚道、加強(qiáng)魚類跟蹤監(jiān)測等多方面采取綜合、系統(tǒng)的魚類保護(hù)措施，以達(dá)到減免工程對魚類的不利影響，維護(hù)區(qū)域生物多樣性，充分發(fā)揮工程效益的目的。

根據(jù)漁獲物調(diào)查表明，電站壩址處流域的魚類主要由兩大類群組成：鯉科的裂腹魚亞科和鰍科的條鰍亞科，其中裂腹魚類為優(yōu)勢類群，裸裂尻魚、橫口裂腹魚和西藏裂腹魚的生物量占絕對優(yōu)勢，共占96.36%。

3 魚道池室設(shè)計

3.1 設(shè)計尺寸

參考國內(nèi)外魚道經(jīng)驗及水工設(shè)計手冊，考慮實際情況，同時根據(jù)落差、消能大小、出口流量、坡度、魚類克流速度等初設(shè)魚道的尺寸如下：魚道布置在河床右岸，全長為834.16m，魚道建筑物主要由魚道進(jìn)口、明渠段、隧洞段、魚道出口等組成，魚道坡度1/28，魚道凈寬2.0m，池室長度為3.70m，共180個水池，每隔10個水池設(shè)立一個長7.00m的休息池，共18個。為適應(yīng)過魚時段庫水位的變幅，設(shè)置2個魚道出口。1號出口底板高程為4 309.50m，2號出口底板高程為4 310.80m。

池室及隔板具體形狀和尺寸見圖1。

VIDELER通過多年的模型試驗在1993年提出了魚類游泳速度的經(jīng)驗公式，當(dāng)體長L<0.5m時，魚類的最大游泳速度為：

Vmax=0.4+7.4L

(1)

魚類的最適游泳速度為：

Vcr=0.15+2.4L

(2)

根據(jù)調(diào)查，該工程主要過魚對象成熟個體平均體長約0.35m，代入上述公式計算得出：主要過魚對象最大游泳速度為3.0m/s，最適游泳速度為1.0m/s?？紤]魚道流速應(yīng)能使魚類較易上溯，本階段魚道設(shè)計流速確定為1.0～1.5m/s。

注：a=15°,b=45°,A=0.4m,D=0.4m,E=2.0m,G=0.15m,H=0.80m,L=3.7m

3.2 魚道模型設(shè)計

根據(jù)試驗任務(wù)實際情況、試驗設(shè)備、場地及精度要求，模型為比尺1∶10的正態(tài)模型。模型用有機(jī)玻璃制作，魚道原型糙率np=0.014，換算成模型糙率為nm0=0.009 538。根據(jù)經(jīng)驗，有機(jī)玻璃板制作的模型糙率約為0.008，即該模型的模型糙率略偏小，試驗中對一段模型(10個魚池+1個休息池)做了粗糙處理，使糙率達(dá)到nm0=0.01左右，流量0.93m3/s時處理前魚道內(nèi)平均水深1.66m，處理后水深增為1.71m，增加了3.22%，平均流速也從1.54m/s降為1.50m/s，降幅2.22%。試驗表明，加糙處理前后魚道內(nèi)水深和流速略有差異，但影響較小，未加糙的試驗結(jié)果偏于安全。

試驗中通過局部模型試驗對水池的底板坡度、隔板型式、過魚孔位置進(jìn)行比較，選擇滿足水力要素

和流態(tài)要求的水池體型；再在局部模型試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行整體水工水力學(xué)模型試驗，主要完成魚道進(jìn)、出口設(shè)計及優(yōu)化。

3.3 魚道的水力學(xué)實驗

3.3.1 魚道進(jìn)口試驗

為提高下游進(jìn)口的進(jìn)魚效果，確保魚類能在魚道出流量的引導(dǎo)下找到魚道進(jìn)口進(jìn)入，在魚道進(jìn)口附近的魚道邊墻上埋設(shè)誘魚噴水管，通過邊墻引至魚道進(jìn)口邊墻上，形成噴射水流，誘使魚類進(jìn)入魚道。將魚道進(jìn)口至下游約100m至魚道進(jìn)口上游10m范圍內(nèi)的河道清理到4 284.50m，形成水池，開挖邊界與河床以1∶15的坡度銜接，水流沿坡平穩(wěn)過渡。經(jīng)試驗，上游水位4 311.3m時，魚道過流量0.93m3/s，電站不發(fā)電時，魚道進(jìn)口流速較河道流速大，誘魚成功率較高；當(dāng)電站機(jī)組運(yùn)行時，魚道進(jìn)口附近河道水流較平順，河道最大流速0.93m/s，與魚道進(jìn)口的流速較接近，為防止魚類越過魚道進(jìn)口直接沿河道上溯，需在魚道進(jìn)口上游設(shè)置攔魚電柵。

魚道下游進(jìn)口第一堵隔板的位置經(jīng)過試驗研究，設(shè)在不同的位置(分別為樁號0+3.5m、0+7.2m、0+10.9m、0+14.6m)，實測了下游水位4 286.6m和4 287.46m時魚道進(jìn)口斷面(樁號0+0)的流速分布(見圖2)。試驗結(jié)果表明，當(dāng)1號隔板設(shè)在樁號0+10.9m時，進(jìn)口斷面流速分布相對均勻。所以，建議1號隔板與進(jìn)口距離在10～14m之間。

3.3.2 魚道池室水力條件試驗

經(jīng)過試驗觀測，魚道池室內(nèi)水流流向明確，主流順暢，主流經(jīng)過過魚孔后流向魚池左側(cè)，受左側(cè)邊墻與隔板的影響產(chǎn)生回流，沿墩頭繞至下一道過魚孔，

圖2 魚道進(jìn)口斷面流速分布示意

在魚池兩側(cè)存在小范圍回流區(qū)，但強(qiáng)度不大，無漩渦、水躍等流態(tài)產(chǎn)生，表底流態(tài)、流向基本一致(見圖3)。池室內(nèi)的紊流降低了流速，各過魚孔最大流速均在底部，流速在1.11～1.75m/s之間，中垂線平均流速為0.85～1.53m/s，基本滿足魚道的設(shè)計平均流速1.0～1.5m/s。魚道池室水力參數(shù)見表1。

圖3 魚道池室內(nèi)流態(tài)

表1 實測魚道池室水力參數(shù)

3.3.3 電站進(jìn)水口對魚道出口的影響

該電站魚道出口位于上游庫區(qū)，1號出口距壩軸線約76m，距電站進(jìn)水口僅30m，2號出口距離較遠(yuǎn)，電站運(yùn)行時對魚道出口流場是否存在影響，是一個需要研究的問題。試驗實測了兩種電站運(yùn)行工況的上游庫區(qū)流速分布：電站引用流量8.55m3/s(一臺機(jī)組運(yùn)行)、17.1 m3/s(兩臺機(jī)組運(yùn)行)。

由于庫區(qū)的模型流速為毫米量級, 常規(guī)的測速儀器無法滿足精度要求, 故采用挪威生產(chǎn)的小威龍測速儀 ( VECTRINO VELOCMIETER )。模型試驗實測結(jié)果與采用FLUENT軟件計算的三維流場結(jié)果吻合。由于試驗?zāi)Ｐ椭话ㄒ话雽挾鹊膸靺^(qū)范圍，過水面積減小，所以模型試驗的流速較計算流速偏大。庫水位4 311.27m、魚道過流0.93m3/s、電站進(jìn)水口過流8.55m3/s及17.1m3/s時水面、Z=4 310.0m、Z=4 308.0m三個平面的流場分布見圖4～7。電站一臺機(jī)組運(yùn)行時，實測電站進(jìn)口斷面在三個平面上的流速分別為0.044m/s、0.033m/s、0.02m/s，魚道出口流速為0.01～0.03m/s；電站兩臺機(jī)組運(yùn)行時，實測電站進(jìn)口斷面在三個平面上的流速分別為0.056m/s、0.076m/s、0.081m/s，魚道出口流速為0.03～0.07m/s。電站進(jìn)水口前庫區(qū)流速較小，電站運(yùn)行時對魚道出口流場基本沒有影響，兩臺機(jī)組運(yùn)行時電站進(jìn)口前的流速也較小，魚類被電站進(jìn)口吸入的可能性較低。

4 魚類可通過性試驗

為驗證魚道的體型和池室內(nèi)部的水流流態(tài)及流速是否符合魚類的要求，本試驗進(jìn)行了魚類通過性試驗。經(jīng)過試驗觀測到，試驗魚在電站不引用流量時能夠較快找到魚道進(jìn)口，而在電站運(yùn)行時，由于上游來水干擾，要花費(fèi)更多的時間尋找進(jìn)口，通過噴水裝置能夠提高誘魚效率。試驗魚進(jìn)入魚道后能夠順利通過過魚孔，自主地上溯，不會在水池中迷失方向，并在休息池休息，隔板下游側(cè)的小回流區(qū)也可供魚類作短暫休息，至出口附近時，由于流態(tài)發(fā)生變化，試驗魚經(jīng)過短暫的徘徊適應(yīng)后游入庫區(qū)。

圖4 電站進(jìn)水口過流8.55m3/s時水面流場

圖5 電站進(jìn)水口過流8.55m3/s時Z=4 310m平面流場

圖6 電站進(jìn)水口過流8.55m3/s時Z=4 308m平面流場

圖7 電站進(jìn)水口過流17.1m3/s時庫區(qū)流場

5 結(jié) 語

通過試驗研究并對測量結(jié)果分析后，得出：

(1)魚道的進(jìn)口直接影響過魚的效果，為提高進(jìn)魚效果，需對進(jìn)口處的河道進(jìn)行處理并設(shè)置誘魚及攔魚設(shè)施，調(diào)整第一堵隔板的位置使進(jìn)口斷面流速分布相對均勻。

(2)隔板式魚道是利用隔板將水槽上下游的總水位差分成許多梯級池室，通過調(diào)整過魚孔的形式、位置、尺寸，利用水墊、沿程摩阻、局部摩阻及水流紊動碰撞、擴(kuò)散來消能，改善流態(tài)，降低過魚孔的流速并使各隔板過魚孔的流速盡量一致。

(3)魚道出口須適應(yīng)水庫水位的變化，遠(yuǎn)離廠房、泄水建筑物進(jìn)口，避免魚類被吸入。

(4)通過對魚道物理模型進(jìn)行魚類可通過性試驗，能驗證魚道的體型和池室內(nèi)的水流流態(tài)及流速是否符合魚類的要求，為魚道設(shè)計的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。

為了保護(hù)魚類資源、 恢復(fù)河流生物多樣性，水利樞紐工程會越來越多地設(shè)置不同類型的過魚設(shè)施，但目前國內(nèi)對過魚設(shè)施的研究與設(shè)計還比較粗淺，成功的過魚建筑物更是屈指可數(shù)。為做好的魚道設(shè)計，還有待進(jìn)行細(xì)致的魚類洄游情況調(diào)查及相關(guān)研究工作，力爭做成一座成功的魚道，為國內(nèi)過魚設(shè)施研究提供有益的參考。

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