老龍口水利樞紐工程魚道數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

蘇蔚 白曉 李鑫

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院 四川 成都 610065）

魚道是供魚類上溯洄游通過水壩、水閘等障礙物的人工通道，可溝通因攔河壩(閘)等修建而被阻斷的河流生態(tài)系統(tǒng)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的強(qiáng)化，魚道作為一項(xiàng)協(xié)調(diào)水利工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)關(guān)系的生態(tài)措施而日益得到重視。老龍口水利樞紐工程魚道是我國(guó)第一座通過大馬哈魚的魚道，也是我國(guó)目前水頭差最大的魚道和底坡最陡的魚道。本文采用數(shù)值模擬手段，對(duì)該魚道內(nèi)部水力學(xué)特性進(jìn)行研究，從理論上分析其過魚能力，并結(jié)合《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則（SL609-2013）》相關(guān)規(guī)定及魚道相關(guān)研究，對(duì)豎縫式魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行探討，提出了優(yōu)化建議。

1 概述

1.1 工程簡(jiǎn)介

老龍口水利樞紐工程位于琿春河中下游，壩址位于吉林省延邊朝鮮族自治州琿春市哈達(dá)門鄉(xiāng)老龍口村。該工程是以防洪、供水為主，結(jié)合灌溉兼顧發(fā)電的綜合利用工程。水庫(kù)正常蓄水位為109.0m，死水位為99.0m。主汛期汛限水位為107.0m，后汛期汛限水位109.0m。樞紐工程主要由土石壩、岸邊溢洪道、引水隧洞、電站廠房及魚道組成。魚道布置在溢洪道內(nèi)側(cè)，采用同側(cè)豎縫式魚道。該工程于2005年9月開工，2012年02月建成并投入使用。

1.2 魚道主要設(shè)計(jì)參數(shù)[1][2][3]

琿春河主要洄游魚類為馬蘇大麻哈魚、麻哈魚、駝背大麻哈魚、日本七鰓鰻等。每年8月～10月為主要過魚季節(jié)，8月～9月為主要泄洪季節(jié)。一般經(jīng)驗(yàn)，鮭魚的極限流速為2.5m/s～3.5m/s。大麻哈魚喜好流速1.3m/s，極限流速約5m/s左右。

魚道設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。上游水庫(kù)最高過魚水位109.0m，最低102.0m，下游最高設(shè)計(jì)正常尾水位82.0m，最低81.0m,最大水位差28.0m。魚道設(shè)三個(gè)出魚口，控制上游水位變幅為102.0m～109.0m。進(jìn)魚口底高程為78.1m，進(jìn)魚口設(shè)計(jì)正常運(yùn)行水深2.9m～3.9m。上下游水位變幅較大，適宜采用豎縫式魚道。

魚道凈寬為2.5m，魚道每級(jí)凈長(zhǎng)為3.0m，魚道凈深為3.5m。魚道的坡度為1/16，魚道垂直豎縫的寬度為0.32m。進(jìn)水口的前五級(jí)魚池平面圖見圖1。

2 數(shù)值模擬

采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。本文研究的問題屬于不可壓縮流體的湍流流動(dòng)，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

2.1 控制方程

動(dòng)量方程：

k-ε方程：

圖1 進(jìn)水口平面布置圖

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 流速場(chǎng)

圖4 魚道內(nèi)流線圖

圖5 理想的水流結(jié)構(gòu)圖

表1 魚道體形尺寸合理范圍判定表

2.2 計(jì)算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

已有研究表明[4]，豎縫式魚道的水流特性有典型的二元特性，此處選取二維模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算區(qū)域選取水入口的前五級(jí)魚池，見圖1。

劃分網(wǎng)格在水池內(nèi)采用四邊形網(wǎng)格(Quad,Map)，擋板倒角部分區(qū)域采用三角形網(wǎng)格(Tri,Pave)，見圖 2。

網(wǎng)格劃分時(shí)采取分塊劃分方法，未采用加密技術(shù)。

網(wǎng)格質(zhì)量檢查：質(zhì)量最差網(wǎng)格EquiSize Skew值達(dá)到0.8，但這些網(wǎng)格只出現(xiàn)在擋板倒角尖端，其它所有區(qū)域相應(yīng)值近似為0（最佳）。所以認(rèn)為網(wǎng)格劃分基本滿足要求。

2.3 邊界條件及湍流參數(shù)設(shè)置

設(shè)定水進(jìn)口為速度入口（VELOCITY_INLET),水出口為自由出流（OUTFLOW），其它為壁面（WALL）。

2.4 計(jì)算方法

壓力速度耦合采用SIMPLE算法。計(jì)算工況為魚道正常運(yùn)用狀態(tài)，入口流速為2.1m/s，出口為自由出流。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 流速場(chǎng)分析

魚道流速場(chǎng)分布如圖3。魚道內(nèi)豎縫處最大流速為2.86m/s，滿足大馬哈魚的沖刺速度（小于3.5m/s)，目標(biāo)魚類采用沖刺速度可以通過豎縫。

由流速場(chǎng)分布，每一級(jí)魚池長(zhǎng)擋板后水流速都小于10的0次方數(shù)量級(jí)，擋板形成的角落近似為靜水區(qū)，可供魚休息。所以可不建休息池以節(jié)省投資。

從速度角度分析，該魚道滿足目標(biāo)魚類的過魚條件。

3.2 水流結(jié)構(gòu)分析

由魚道內(nèi)流線圖（圖4），水流由入口進(jìn)入第一級(jí)魚池，在入口兩側(cè)各形成一個(gè)回流區(qū)。主流從豎縫流出后,在導(dǎo)板作用下,偏向水池中央,當(dāng)接近下一道豎縫時(shí),受到導(dǎo)板的作用,又折向豎縫。經(jīng)過每一個(gè)豎縫后，每一個(gè)隔板處，在主流兩側(cè)各存在一個(gè)回流區(qū),左側(cè)回流為逆時(shí)針方向,右側(cè)回流為順時(shí)針方向。

根據(jù)相關(guān)研究[5]，較理想情況下主流分布區(qū)域更趨于集中，回流區(qū)分布更有利于魚類休息，其理想水流結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖5所示。

但從老龍口魚道水流結(jié)構(gòu)流線圖（圖4）可以看出，流線圖中主流分布區(qū)域過大，難以滿足主流大體上居于魚道水池中央處的條件?；亓鲄^(qū)分布在魚類通過豎縫前，豎縫后較遠(yuǎn)處才有回流區(qū)以供魚休息。所以本水流結(jié)構(gòu)并非最佳流態(tài)，適合魚類上溯的水力條件不甚理想。

4 結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整優(yōu)化

4.1 魚道體形尺寸合理范圍判定

根據(jù)有關(guān)研究建議和《設(shè)計(jì)導(dǎo)則》相關(guān)規(guī)定等[4]，對(duì)老龍口魚道體形尺寸合理范圍判定如表1。

4.2 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化建議

根據(jù)上述老龍口魚道體形尺寸判定，對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化提出以下建議：

（1）導(dǎo)向角明顯偏小，建議適當(dāng)加大（由26°加大到35°），以便調(diào)整主流更趨于集中。

（2）池室單級(jí)長(zhǎng)度偏小，建議適當(dāng)加大（由3m加大到3.5m）。

（3）建議結(jié)合導(dǎo)向角加大和池室長(zhǎng)度調(diào)整，以及其對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分區(qū)的影響，復(fù)核導(dǎo)板長(zhǎng)度。

老龍口魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸后數(shù)值模擬分析結(jié)果，速度大小范圍變化不大，但水流結(jié)構(gòu)更趨于合理，與圖6狀態(tài)趨同性更好，主流分布區(qū)域更趨于集中，回流區(qū)分布更有利于魚類休息。

5 關(guān)于豎縫魚道設(shè)計(jì)優(yōu)化的討論和建議

豎縫式魚道是目前國(guó)內(nèi)普遍采用形式，豎縫式可分為同側(cè)豎縫式、異側(cè)豎縫式、雙側(cè)豎縫式，其中同側(cè)豎縫式應(yīng)用廣泛。陜西境內(nèi)漢江中上游目前規(guī)劃設(shè)計(jì)的旬陽(yáng)水電站、白河水電站及黃金峽水利樞紐等工程均采用同側(cè)豎縫式魚道。如旬陽(yáng)水電站［6］魚道平面呈盤折布置，上下游水位差最大為24m，縱坡為1/50，垂直豎縫的寬度為0.5m，凈寬為2.5m，每級(jí)凈長(zhǎng)為3.0m。工程影響范圍漢江中上游內(nèi)共有魚類8科42種，其中鯉科占總種數(shù)的52%，為工程影響河段的優(yōu)勢(shì)類群目標(biāo)魚類。設(shè)計(jì)流速不大于1.2m/s，采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

豎縫式魚道一般最大控制流速位于豎縫孔口處（如速度分布圖3），所以豎縫處流速是豎縫式魚道設(shè)計(jì)重要控制指標(biāo)。根據(jù)《導(dǎo)則》附錄A及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，全世界約30余種淡水魚類，95%以上喜歡2m/s以下的流速，大多數(shù)魚類喜歡0.3m/s～1.5m/s的流速，如鮭魚（大馬哈魚）極限流速2m以上接近或超過3m/s魚類很少。

從魚道數(shù)值模擬結(jié)果水流結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)分布，并結(jié)合有關(guān)研究［4］［5］和魚道及水利水電工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)豎縫式魚道設(shè)計(jì)提出以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施建議：

（1）采用隔板（單或兩側(cè)）預(yù)留閘孔(豎縫)技術(shù)，采用閘門或閘（刪）板措施方便地完成同側(cè)豎縫式與異側(cè)豎縫式或雙側(cè)豎縫相互轉(zhuǎn)化，特別是在原型或模型試驗(yàn)中，可方便進(jìn)行不同豎縫布置形式方案比較。

（2）采用變寬度豎縫閘（柵）板技術(shù)，根據(jù)豎縫式魚道實(shí)際運(yùn)用觀察情況，通過變寬度豎縫閘（柵）板可方便完成豎縫寬度調(diào)節(jié)（如0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m、0.45m、0.5m等分級(jí)寬度），以便流速控制；且閘（柵）板導(dǎo)板側(cè)可帶導(dǎo)向墩頭板，以便調(diào)節(jié)導(dǎo)向角度。變寬度豎縫閘（柵）板（帶導(dǎo)向墩頭板）也可進(jìn)行工廠化生產(chǎn)。

（3）采用隔板微孔技術(shù)，將豎縫式魚道隔板作成微孔板(按照水力學(xué)原理或試驗(yàn)確定孔徑及孔位疏密分布)，在基本不改變水流結(jié)構(gòu)形態(tài)（圖5狀態(tài)）前提下，可有效調(diào)節(jié)豎縫孔口流速。

（4）采用生態(tài)化設(shè)計(jì)技術(shù)，生態(tài)化設(shè)計(jì)的魚道具有以下優(yōu)點(diǎn)：軟、透、和?！败洝奔炊嗖捎萌嵝缘幕\石和砂石作為建筑材料；“透”即柔性（散體組合）天然材料使得通道上下游及與岸坡生態(tài)系統(tǒng)溝通好；“和”即保護(hù)對(duì)象不僅能夠過魚，也能吸引更多水生生物（如鰻、龜、蟹、蝦及青蛙、貝殼、蚌類等）通過或生息，且在兩岸岸坡進(jìn)行生態(tài)化處理，有利于植物生長(zhǎng)及水生物繁衍，修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的連通性。

以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施建議，可為以后豎縫式魚道設(shè)計(jì)提供借鑒。陜西水利

[1]宋德敬,姜輝,關(guān)長(zhǎng)濤,陳慶生.老龍口水利樞紐工程中魚道的設(shè)計(jì)研究 [J],海洋水產(chǎn)研究,2008年,第 29卷,第 1期.

[2]程玉輝,薛興祖.吉林省老龍口水利樞紐工程魚道設(shè)計(jì)[J].吉林水利.2010,第6期(總第337期).

[3]沈時(shí)德.吉林省暉春市老龍口水庫(kù)對(duì)大麻哈魚洄游的不利影響及對(duì)策 [J].水電站設(shè)計(jì),1997，13(3)：60～64.

[4]張國(guó)強(qiáng)，孫雙科.豎縫寬度對(duì)豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的影響 [J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2012,第31卷,第1期.

[5]徐體兵，孫雙科.豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40(11)：1386～1391.

[6]金翌，康建民，喻衛(wèi)奇等.旬陽(yáng)水電站的魚道設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，2011，12：13-15．