仿自然通道進口處補水系統(tǒng)優(yōu)化布置研究

汪洹湛，王均星，李 倩

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

0 引 言

人類在河道中修建的大壩、水閘等眾多水工建筑物，切斷了魚類上溯的通道，影響了河道中的動植物種群。原生魚類種群自由遷徙的途徑被切斷，導致其遺傳多樣性降低[1]。從生態(tài)、經(jīng)濟效益等多方面來看，修建魚道是十分必要的。

傳統(tǒng)的工程魚道存在過魚目標單一、施工材料方法不環(huán)保、不利于運行維護管理等問題，使其在維護水生態(tài)系統(tǒng)完整性方面貢獻有限[1]。為了解決以上諸多問題，20世紀70年代，Katopodis等首次提出了仿自然型過魚通道。仿自然型過魚通道采用天然漂石、沙礫、礫石和蠻石等材料，通過不同的碼放方式，盡可能地模擬天然河流的水流狀態(tài)，使其有利于水能的耗散，使得水流條件更接近天然河道，從而提高過魚效率[2]。同時，礫石、蠻石等經(jīng)水流的沖刷和水體營養(yǎng)物質(zhì)輸移以后，石塊間隙會逐漸形成新的浮游群落，成為可供魚類棲息、繁殖的場所[3]。魚道進口處對魚類吸引能力的大小，直接決定了整個魚道的過魚效果，一般魚道進口應滿足以下條件：①能適應不同過魚季節(jié)運行水位的變化；②一般布置在有水流下泄、魚類洄游路線及魚類集群的位置；③進口附近水流流態(tài)良好，不應出現(xiàn)漩渦、水躍和回流等[4]。在仿自然通道的進口處可設置集魚系統(tǒng)，集魚系統(tǒng)一般架設于水庫與仿自然通道之間，作用在于將水庫中的魚類更集中地吸引至仿自然通道中。實際工程中，在集魚系統(tǒng)內(nèi)部可以設置補水管，使其滿足一定的水力學條件，更好地吸引魚類進入集魚系統(tǒng)，進而進入仿自然通道，提高過魚效率。本文以雅口仿自然通道集魚系統(tǒng)為例，通過分析水工模型試驗所得的數(shù)據(jù)資料，進行補水系統(tǒng)的優(yōu)化布置，提出提高魚類通過率的辦法。

1 雅口仿自然通道工程概況

雅口航運樞紐位于湖北省宜城市，是漢江干流湖北省內(nèi)梯級開發(fā)中的第6級。雅口仿自然通道長560.58 m，采用梯形斷面，底寬2.0 m，邊坡為1∶2.5，水深2.0 m，正常運行時水面寬12.0 m，通道縱坡1%，邊坡采用漿砌蠻石，底部鋪以卵石或礫石塊。集魚系統(tǒng)底部與仿自然通道進口處水平相接，底部高程48.72 m，在高程49.46 m設置9個進魚孔(尺寸1 m×1 m)，從靠近仿自然通道的進魚孔依次編號為1號至9號，其中1號至8號面向尾水渠并與水流方向垂直，9號位于與尾水方向平行的側(cè)墻上。集魚系統(tǒng)寬度為2 m，長為63.64 m。由于集魚系統(tǒng)架設在1號、2號、3號尾水管正上方，故本次模型試驗只設置位于集魚系統(tǒng)正下方的三組尾水管。集魚系統(tǒng)平面布置圖如圖1所示，集魚槽剖面圖如圖2所示。

圖2 集魚槽剖面圖(單位：m)Fig.2 Profile of the fish collection channel

本工程過魚設施的過魚對象為壩址處分布的所有魚類，其中重點考慮鰱、草魚、青魚、鳙、赤眼鱒、長吻鮠等魚類。根據(jù)魚類游泳能力測試試驗得到，鰱、草魚、青魚、鳙等主要洄游生物感應流速為0.2 m/s，喜好流速為0.48～0.96m/s，極限流速為1.2 m/s[5,6]。

2 模型試驗

物理模型采用幾何比尺為λL=30水工正態(tài)模型，按照重力相似準則進行設計[7,8]，其他比尺見表1。模型模擬范圍為上游仿自然通道出口至下游集魚系統(tǒng)，其中在集魚系統(tǒng)上游模擬了電站尾水管來更精確地反映下游水庫的水流條件。整個集魚系統(tǒng)用有機玻璃制作，制作過程嚴格按照模型比尺進行，制作精度控制為0.1 mm。本試驗使用直讀式流速儀進行點流速測量；流量通過IFM5080K型電磁流量計控制。

表1 模型比尺表Tab.1 Model scales

本次模型試驗根據(jù)上下游水位的不同，組合產(chǎn)生4組工況，其中工況1的上游水位為55.72 m，下游水位為50.32 m，上下游水位差即仿自然通道進出口處水位差達到最大，流速、流態(tài)均最具有代表性。在工況1中，只運行1號機組為工況1-1，只運行2號機組為工況1-2，只運行3號機組為工況1-3。本工程在通常情況下只運行1號機組，故本文均選取工況1-1進行研究分析，其下泄流量為372.4 m3/s。

3 試驗結(jié)果與分析

測量每個進魚孔流速，集魚槽內(nèi)流速為內(nèi)部流速，集魚槽外流速為外部流速。流速方向及大小如圖3所示。

圖3 流速方向與大小(單位：m/s)Fig.3 Velocity and their direction

試驗表明，當只運行1號機組時：①仿自然通道的進口處受到上游下泄水流的影響，流速分布在0.22～0.44 m/s之間，略大于魚類感應流速，未達到魚類極限流速甚至喜好流速，故不能滿足魚類繼續(xù)洄游的需求。②集魚槽內(nèi)流速分布在0.05～0.55 m/s之間，流速偏小，不能誘導其中的魚類逆水流方向從集魚槽洄游至魚道進口，進而進入仿自然通道。在9號進魚孔處，受整個尾水渠內(nèi)水流影響，水流方向與魚類洄游方向相同，嚴重干擾了魚類進入集魚系統(tǒng)。③進魚孔由于尺寸的突然縮小，水流流速相對魚道進口與集魚槽內(nèi)流速有所增加，流速分布在0.16～0.49 m/s之間。由于整個集魚系統(tǒng)架設在尾水管上方，受尾水管下泄水流的影響，進魚孔處流速增大，但是附近流態(tài)較為紊亂，在水深較大的區(qū)域存在漩渦，導致每個進魚孔處無明顯主流，不能使魚類清晰地辨別出水流方向，從而不能順利進入集魚系統(tǒng)。④整個集魚系統(tǒng)內(nèi)流態(tài)較差，雖然無漩渦、水躍和回流等不良流態(tài)，但是主流流速小，流向不明確，不能指引魚類沿著正確的方向繼續(xù)洄游，魚類若能進入集魚系統(tǒng)，也會于其中徘徊不前。理論研究表明，只要滿足魚道進口處下泄水流的流速小于目標魚類的沖刺速度，則魚道進口下泄水流的流速越大越好[4]。故此處集魚系統(tǒng)誘魚效果差，不滿足設計要求。

4 優(yōu)化方案

為改善集魚系統(tǒng)的誘魚效果，對原方案做出如下優(yōu)化：①將原集魚系統(tǒng)中的9個進魚孔改成2個輔助進魚口，尺寸如圖4所示。②對集魚系統(tǒng)內(nèi)部進行定點補水，設置3根不同補水管分別對主進口處、集魚系統(tǒng)兩個輔助進魚口進行補水。主進魚口處設置補水管，與水平方向呈30°，使其既對集魚槽內(nèi)補水，也對主進魚口補水。其余兩個輔助補水管對集魚系統(tǒng)兩個

輔助進魚口進行定點補水，與水平方向呈30°，既能提供出水流量，又能為進入集魚槽的魚類提供上溯方向。主補水管直徑0.35 m，兩個輔助補水管直徑0.15 m。優(yōu)化后的集魚系統(tǒng)平面布置圖如圖5所示，模型如圖6所示。

圖4 輔助進魚口尺寸(單位：m)Fig.4 Size of the auxiliary fish entry

圖5 優(yōu)化后集魚系統(tǒng)平面布置圖(單位：m)Fig.5 Layout of the optimal fish collection system

圖6 輔助進魚口與補水管模型圖Fig.6 Model of the auxiliary fish entry and water supplement system

5 優(yōu)化結(jié)果與分析

對優(yōu)化后的方案進行模型試驗，集魚槽內(nèi)各測點的位置和流速如圖7所示。通過流量計檢測調(diào)節(jié)，確保主補水管補水流量為為0.33 m3/s，兩個輔助補水管補水流量為0.03 m3/s，滿足補水要求。兩個輔助進魚口的流態(tài)如圖8所示。

圖7 優(yōu)化后流速大小與方向(單位：m/s)Fig.7 Velocity and their direction after optimization

圖8 輔助進魚口處流態(tài)Fig.8 Flow regime of the auxiliary fish entry

從試驗結(jié)果可以得知：①增加定點補水后，主補水管補水效果明顯，主進魚口流速達到魚類喜好流速，在不超過魚類極限流速的情況下，能夠最大限度地吸引魚類，同時使集魚槽內(nèi)流量、流速增大。②將9個進魚孔改為2個輔助進魚口之后，輔助進魚口處流速大于集魚系統(tǒng)外部流速，主流突出，魚類更容易感應到進魚口處的水流，從而較為集中地進入集魚系統(tǒng)，同時增大集魚槽內(nèi)流量與流速。③補水角度的設置直接影響補水效果，此處補水管與水平方向呈30°，試驗證明，該措施既能保證集魚槽內(nèi)流量、流速的增加，又保證了主進魚口與兩個輔助進魚口處的流速達到誘魚要求。④3個補水管同時運行，保證了整個集魚槽內(nèi)流量穩(wěn)定，流速銜接順暢，為魚類繼續(xù)洄游創(chuàng)造良好的條件。⑤仿自然通道進口處、集魚槽內(nèi)以及兩個輔助進魚口處的流速與流量的增大，使整個集魚系統(tǒng)中的流場更加具有辨識度，流態(tài)平穩(wěn)，無漩渦、水躍等不良流態(tài)。⑥3個補水管的補水流量一共為0.39 m3/s，滿足實際工程需要，即利用較小的補水流量達到最佳的過魚效果。同時補水設施簡單，易于施工，經(jīng)濟效益高。

6 結(jié) 語

通過對雅口航運樞紐仿自然通道的集魚系統(tǒng)進行模型試驗，主要研究了有無補水管以及補水管的布置形式對集魚系統(tǒng)水力學特性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在不設置補水管的條件下，整個集魚系統(tǒng)內(nèi)流速偏小，流態(tài)較差，不能充分利用魚類的游泳能力，起不到誘魚、集魚的作用。

(2)3個補水管的布置形式要結(jié)合具體的工程條件，使其既能對集魚槽內(nèi)補水，又能對主進魚口及輔助進魚口補水，增大其流量、流速。本文中補水管與進魚孔在水平方向呈30°的布置形式很好地解決了該工程中魚道進口水力學特性不滿足過魚需求的問題，從而在魚類游泳能力滿足的條件下，能夠提高洄游魚類通過率。

在仿自然通道的進口處設置集魚系統(tǒng)，在集魚系統(tǒng)內(nèi)部通過補水措施來達到集誘魚的效果，充分發(fā)揮集魚系統(tǒng)的作用，這一做法的研究目前在國內(nèi)還比較稀少，因此本試驗具有一定的實際意義和工程價值，可為其他魚道工程提供借鑒。

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