新疆鏨高水電站魚道水力特性研究

楊 盼，王繼保，吳 歡，向晨光，宋基權(quán)，夏 偉，陳艷超

(三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌443000)

豎縫式魚道作為一種常見的魚道設計形式，在我國得到了廣泛運用，如吉林老龍口魚道[1]，湘江土谷塘魚道[2]，北京上莊閘魚道[3]等。在生態(tài)問題越來越被重視的情況下，作為保護魚類洄游繁殖的魚道已經(jīng)成為水利設施中必須修建的一部分。目前，我國的魚道建設多借鑒國外的經(jīng)驗，但國內(nèi)外過魚對象不同，所以我國魚道的建設仍需通過自我摸索來找到適合我國魚類洄游的魚道布置形式。本文的模擬對象鏨高水電站魚道的設計形式新穎，具有一定突破性。同時，鏨高水電站魚道也是新疆高原地區(qū)即將修建的第一座過魚設施。因此，本文以鏨高水電站魚道初步設計形式為基礎，對魚道單個池室和兩側(cè)矩形彎道的新穎布置形式進行數(shù)值模擬，分析鏨高水電站魚道的水動力條件，以為我國新疆高原地區(qū)后續(xù)的魚道建設提供經(jīng)驗和依據(jù)，也為我國的魚道創(chuàng)新設計提出新方向。

1 工程概況

1.1 概況

鏨高水電站工程位于葉爾羌河山區(qū)河段，工程開發(fā)任務為發(fā)電。水庫正常蓄水位1 611 m，相應庫容1 656.1萬m3，調(diào)節(jié)庫容611萬m3，最大壩高21.3 m，發(fā)電引水流量375.6 m3/s。在攔河引水樞紐上結(jié)合生態(tài)電站布置魚道。魚道設置一道進口和一道出口，進口位于生態(tài)電站尾水渠末端左側(cè)，魚道槽身沿生態(tài)電站左側(cè)平臺布置，出口在埋涵段至0+458.00處進入攔河引水樞紐上游水庫。采用同側(cè)豎縫式魚道。鏨高樞紐布置如圖1所示，魚道設計如圖2所示。

圖1 鏨高樞紐布置

圖2 魚道設計

1.2 過魚對象及其游泳能力

鏨高水電站魚道的過魚對象有：塔里木裂腹魚(自治區(qū)Ⅱ級保護魚類)、寬口裂腹魚、重唇裂腹魚、厚唇裂腹魚、扁嘴裂腹魚、長身高原鰍、隆額高原鰍、葉爾羌高原鰍等8種土著魚類。研究表明，以厚唇裂腹魚為代表，保護魚類的感應流速為0.12～0.34 m/s；臨界游泳速度為1.01～1.44 m/s；持續(xù)游泳速度為0～1.0 m/s；耐久游泳速度為1～1.3 m/s；爆發(fā)(突進)游泳速度為1.35～2.48 m/s。

1.3 魚道主要尺寸

鏨高水電站魚道采用5級折返式的布置形式，魚道總長485 m，平均縱坡3.3%。單個池室長1.8 m，寬1.2 m，豎縫寬0.3 m，隔板高1.5 m，每隔10塊隔板設置一個休息池，長度為魚道池室長度的兩倍。彎道均布置為休息池。單個池室、左右側(cè)彎道尺寸見圖。魚道正常運行工況下，流量為0.455 7 m3/s，保持運行水深為1.0 m。魚道進口底板高程1 593.30 m，出口底板高程1 609.50 m。而魚道進口水位在1 594.11～1 600.81 m之間，魚道出口水位在1 611～1 612.96 m之間，最大水位差為18.85 m。上下游水位變幅較大，故采用豎縫式魚道。

鏨高水電站魚道單個池室的長寬比為3∶2，與徐體兵等[4]研究得出魚道單個池室的最佳長寬比10∶8相比，池室結(jié)構(gòu)相對偏長。魚道底坡為3.3%，對比國內(nèi)已建魚道[5- 6]中屬于提水高度較高的。同時，鏨高水電站魚道彎道的轉(zhuǎn)彎角度為180°，轉(zhuǎn)彎半徑為1.2 m，左右兩側(cè)彎道布置形式不一致，左側(cè)彎道增設了導流隔板，與常規(guī)的彎道布置不同。本文將對鏨高水電站魚道的單個池室和兩側(cè)彎道進行重點研究，并對左右側(cè)彎道進行流態(tài)對比分析，研究彎道內(nèi)設置隔板對于彎道內(nèi)水流流態(tài)的影響。

圖3 池室及左右彎道尺寸示意(單位：m)

鏨高水電站魚道模型網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格。劃分最大網(wǎng)格15 cm，最小網(wǎng)格5 cm，總網(wǎng)格單元為5 000 000個。邊界條件設置為：魚道中間隔板、兩側(cè)邊界均設置墻體，均不可過流；魚道出口段采用流量進口邊界條件，流量為0.455 7 m3/s，初始條件控制水深為1.5 m，魚道進口段采用壓力邊界，控制水深為0.8 m。本文采用SIMPLEC算法。

2 單個池室水力特性分析

2.1 單個池室流態(tài)分析

根據(jù)已有研究表明，當魚道底坡小于5%時，水流流態(tài)呈現(xiàn)二維特性[7- 8]，所以以下分析均以二維為主。如圖4所示，單個池室內(nèi)水流呈現(xiàn)“S”形的主流區(qū)，且主流區(qū)的流速較大，流速在1.0～1.8 m/s之間，而過魚對象爆發(fā)(突進)游泳速度為1.35～2.48 m/s，因此魚類可上溯。主流區(qū)將單個池室分為了兩個大小不等的回流區(qū)，較大回流區(qū)在池室左側(cè)內(nèi)兩個長隔板之間形成；較小的回流區(qū)在短隔板后側(cè)區(qū)域形成。回流區(qū)內(nèi)的流速較小，流速在0.1～0.3 m/s之間。池室內(nèi)存在低流速區(qū)，可供魚類短暫的休息。單個池室內(nèi)水流在豎縫處產(chǎn)生水面跌落，此時水深降至最低，同時流速達到最大。其后水深略微呈上升趨勢，在池室后半段基本保持不變。

圖4 單個池室模擬結(jié)果(流速單位：cm/s)

2.2 單位水體消能率

魚道中水流的紊動雖然可以降低流速，但紊動如過于劇烈也會對魚類上溯產(chǎn)生不利影響。已有研究表明[9]，為保證單個池室內(nèi)水流的紊動不影響魚類上溯，單個池室的大小需要滿足容積功率耗散E<150 W/m2。單個池室的容積功率耗散計算公式為

(1)

圖5 右側(cè)彎道模擬結(jié)果(流速單位：cm/s)

式中，E為容積功率耗散，W/m2；P為水的密度，kg/ m3；B為過魚池寬度，m；hm為水池中的平均水深，m；lb為過魚池長度，m；d為隔板厚度，m。按式(1)計算得出鏨高水電站魚道單個池室的容積功率耗散約為21.28 W/m2<150 W/m2，因此，魚道單個池室內(nèi)水流流速和紊動均適合魚類上溯。

3 彎道水力特性分析

3.1 右側(cè)彎道水力特性

右側(cè)彎道模擬結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，魚道內(nèi)水流在矩形彎道內(nèi)急速旋轉(zhuǎn)進入下一個池室內(nèi)，矩形彎道休息池內(nèi)水流的最大流速為1.4 m /s。水流從上一次池室豎縫射流流出后，遇到彎道外壁后被壅高，形成壅水并且緊貼彎道外壁向下一級池室豎縫流動；由于水流從豎縫處出來后斷面突然擴大，過水面積明顯增大，主流兩側(cè)形成兩個回流區(qū)，分別處于矩形彎道的上部和中部，回流區(qū)流速較小，在0.1～0.3 m/s之間；而主流區(qū)流速較大，在1.0～1.4 m/s之間。矩形彎道內(nèi)回流區(qū)域大，能夠充分消能，降低水流流速，為魚類上溯提供了休息空間。

3.2 左側(cè)彎道水力特性

魚道左側(cè)矩形彎道布置形式較為新穎，在矩形彎道內(nèi)加設了一個隔板，將傳統(tǒng)魚道中的彎道休息室分成了2個過魚池室。左側(cè)彎道模擬結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，主流直接從上一級豎縫射流進入矩形彎道內(nèi)的豎縫處，同時在主流兩側(cè)均形成2個回流區(qū)。之后，主流沿矩形彎道內(nèi)豎縫方向流動，遇到矩形彎道下部外壁被雍高，貼壁進入下一個池室豎縫，同時，左側(cè)矩形彎道下面的池室內(nèi)，在主流兩側(cè)也存在2個回流區(qū)。左側(cè)彎道內(nèi)主流區(qū)集中在矩形彎道中部，流速在1.0～1.2 m/s之間，回流區(qū)流速在0.1～0.4 m/s之間。

圖6 左側(cè)彎道模擬結(jié)果(流速單位：cm/s)

根據(jù)文獻[8，10- 13]，魚道內(nèi)彎道水流一般會對洄游魚類形成阻礙。但根據(jù)分析結(jié)果可知，鏨高水電站魚道的兩側(cè)矩形彎道并不會給魚類上溯帶來困擾。通過對比兩側(cè)矩形彎道的水力特性分析，結(jié)果顯示，加設隔板之后，矩形彎道內(nèi)水流主流區(qū)被約束在彎道中部，不再貼壁，有利于魚類找到上溯通道；矩形彎道內(nèi)回流區(qū)的數(shù)量由2個變?yōu)?個，但回流區(qū)域減小，供魚類休息空間變小；矩形彎道內(nèi)水流消能更充分，水流流速略微減小，但紊動能明顯變小。因此，加設隔板之后，矩形彎道內(nèi)水流條件總體上更為有利于魚類上溯。

4 結(jié) 論

(1)鏨高水電站魚道單個池室內(nèi)水流呈現(xiàn)“S”型主流區(qū)，主流區(qū)兩側(cè)形成回流區(qū)；同時，單個池室內(nèi)紊動也并不劇烈，滿足魚類上溯要求。

(2)魚道左側(cè)矩形彎道內(nèi)設置隔板之后，主流區(qū)被約束在矩形彎道中部，可為魚類連續(xù)上溯提供明顯的路線，矩形彎道內(nèi)回流區(qū)數(shù)量增多，回流區(qū)域面積減小，水流流速略微減小，紊動能明顯變小。

在魚道建設初期，通過借鑒國外的魚道建設經(jīng)驗來修建適合我國魚類洄游的魚道，可以給我們提供明確的研究方向，但這也給我們的創(chuàng)新思維帶來了局限性。目前，我國的魚道建設仍需要進行大量的大膽嘗試，才能研究出更為適合我國魚類洄游的魚道。