電站尾水渠內魚道進口位置布局

李廣寧，孫雙科，郄志紅，郭子琪,，柳海濤，鄭鐵剛，孫娟娟

電站尾水渠內魚道進口位置布局

李廣寧1，孫雙科1，郄志紅2，郭子琪1,2，柳海濤1，鄭鐵剛1，孫娟娟3

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2. 河北農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，保定 071001；3. 湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢 430064）

電站尾水渠是上溯魚類較為理想的聚集場所，利用電站尾水渠合理布置魚道進口，是目前大中型河流魚道建設中的研究熱點之一。該文通過數(shù)值模擬，結合魚類游泳能力，對利用電站尾水誘魚的魚道進口布置進行研究。結果表明：機組運行方式、魚道進口位置與出流方向均對魚道進口誘魚水流產(chǎn)生較大影響。機組運行方式?jīng)Q定了尾水渠內主流的位置，并在主流兩側形成多個回流區(qū)?；亓鲄^(qū)水流的旋轉方向和位置對魚道進口誘魚水流的影響較大，魚道進口的誘魚水流動量較小，其出流方向應與回流區(qū)水流方向一致，并可根據(jù)電站運行方式，設置多個魚道進口。主流與回流區(qū)之間的過渡區(qū)域是布置魚道進口的重點區(qū)域。該研究結果可為優(yōu)化改進大中型河流魚道進口設計提供重要參考。

魚道；流場；數(shù)值模擬；尾水渠；誘魚水流；出流方向；機組運行方式

0 引 言

魚道工程是洄游魚類克服水頭差，實現(xiàn)上溯的主要措施之一，在國內大中型水利工程中廣泛應用。魚道工程的設計主要包含2個方面的問題：一是魚道內部布置體型對魚類上溯行為的影響[1]，二是魚道進口布置對集魚、誘魚效果的影響[2]。在魚道布置體型研究方面[3-6]，國內外許多學者采用室內試驗、數(shù)值模擬、原型觀測等方法，結合魚類洄游習性，提出了一系列適宜魚類上溯的布置體型，及時滿足了實際工程需要[7-9]。在魚道進口誘魚研究方面，目前國內外公認最經(jīng)濟有效的方法是在魚道進口形成誘魚水流[10]，利用魚類趨流性將其吸引至魚道內[11]。因此，魚道進口水流既是吸引魚類的手段，又是魚類進入魚道所必須克服的障礙，其流速以大于目標魚類的感應流速，又小于該魚類的臨界流速為宜[12,13]。

同時，誘魚水流還應該與環(huán)境流場相互作用形成穩(wěn)定、貫通的，并與目標魚類的游泳能力相適應的上溯通道。由此可見，電站尾水渠內魚道進口的布置方案與尾水渠內的流場均對魚道進口的誘魚效果產(chǎn)生較大的影響。

大中型河流中，魚道進口的工程尺度通常相對較小[14]，且設計流量普遍偏低，往往造成誘魚水流動量不足、覆蓋范圍較小，誘魚效果欠佳[15]。盡管如此，在實際工程中發(fā)現(xiàn)，電站尾水渠是魚類較為理想的聚集場所，如湖北省興隆樞紐工程和崔家營樞紐工程[16]、浙江省小溪灘電站[17]、楠溪江供水工程[18]等均有大量魚類在尾水渠內聚集，在此布設魚道進口具有較好的應用前景。然而，當魚道進口設置在電站廠房尾水附近時，水輪機的下泄水流又容易使誘魚水流變得模糊[19,20]，從而降低魚道進口誘魚效率，如美國Pawtucket工程[21]，盡管在尾水渠內布置有魚道進口，由于位置欠佳，當電站運行時，流場條件惡化，使得魚類無法找到魚道進口繼續(xù)上溯。因此，如何利用電站尾水渠合理布置魚道進口，是目前大中型河流中魚道建設所面臨的關鍵問題之一。

現(xiàn)有的魚道設計導則及相關研究中，對魚道進口提出了一些基本的布置原則[22,23]，但電站尾水渠內的流場結構復雜，魚道進口誘魚水流受到多種因素的影響，目前已有研究成果在指導魚道進口在尾水渠內的具體布置尚缺乏針對性。本文以某大型電站尾水渠內魚道進口布置方案為基礎，使用軟件Flow-3D進行數(shù)值模擬，對電站尾水誘魚的魚道進口布置進行研究，評價魚道進口形成的過魚通道與下游河道的聯(lián)通效果，針對大中型河流尾水渠內魚道進口提出布置建議。

1 數(shù)值模型及驗證

1.1 基本方程及求解方法

數(shù)值模擬采用standard湍流模型[24]，該模型基本方程包括水流連續(xù)方程、動量方程、紊動能及耗散率方程。

（1）連續(xù)方程

（2）動量方程

（3）紊動能方程

（4）紊動能耗散率方程

式（1）～（6）中，為時間，s；、、為時均速度在、、方向的分量，m/s；為密度，kg/m3；、μ分別為粘性系數(shù)和紊動粘性系數(shù)，m2/s；為時均壓強，Pa；為紊動能，m2/s2；為紊動能耗散率，m2/s3；G為紊動能產(chǎn)生項，各項紊流常數(shù)取值為C=0.09，σ=1.3，σ=1.0，1ε=1.44，2ε=1.92。

液體自由表面采用VOF（volume of fluid）方法[25]進行處理，模型求解采用有限體積法，二階迎風格式，壓力-速度耦合采用壓力校正法，離散方程的求解采用GMRES（generalized minimal residual）法，時間差分采用全隱格式。

1.2 研究區(qū)域及邊界條件

研究區(qū)域包括某電站廠房尾水出口、尾水渠及下游部分河道，如圖1所示。在電站1號機組尾水出口右側，布置有1#魚道進口；在2號與3號機組之間尾水出口隔墩上，布置2#魚道進口；兩個魚道進口的出流速度均設定為1 m/s，出流方向均與壩軸線平行并指向左岸，兩個魚道進口的水深均大于1 m，以保證垂向水深滿足過魚要求。

圖1 研究區(qū)域平面布置、魚道進口布置及出流方向

利用數(shù)學模型研究各種運行條件下魚道進口過魚通道與誘魚水流的變化規(guī)律。人工建筑物及河道天然地形采用嵌套加密的矩形網(wǎng)格，坐標與壩軸線平行，坐標與壩軸線垂直，坐標代表高程。魚道出口附近網(wǎng)格尺寸為0.1 m，其余部位網(wǎng)格尺寸從0.3 m到1 m不等，網(wǎng)格總數(shù)約72萬，研究區(qū)域三維數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域三維數(shù)值模型

電站機組尾水出口為模型入流邊界，依據(jù)計算工況不同，設定不同進流流量；自電站機組尾水出口向下游1.2 km處河道斷面為模型出口，根據(jù)水位-流量關系及運行工況設定水位；周邊固壁滿足無滑移條件；液面為自由水面。

1.3 模型驗證

在前期的研究中，針對某電站尾水渠（圖3）流場進行了物理模型試驗研究，幾何比尺為1∶90，主要建筑物包括上游水庫、泄水閘、消力池、防沖槽、下游河道、電站廠房等（圖4）。其中電站采用河床式廠房，共6臺機組，單機流量464 m3/s，機組尾水渠經(jīng)反坡段與下游河道銜接。模型試驗中采用電磁流量計控制流量；水位采用水位測針測量，測針最小刻度讀數(shù)為0.1 mm；流速采用多普勒電磁流速儀（ADV）進行測量，試驗中多次重復測量取平均值，測量精度為0.001 m/s。

注：X=100 m及X=160 m斷面所在的坐標系原點位于壩軸線上。

圖4 主要建筑物物理模型試驗布置

運用本文數(shù)學模型，對電站3臺機組同時運行的工況（1#+2#+3#）進行數(shù)值模擬。數(shù)學模型內尾水渠范圍為=64～198 m，=68～213 m，針對尾水渠內=100 m和=160 m（圖3）兩個斷面的表層（水面下1 m）流速與水面高程進行提取，并與試驗結果[26]進行對比，如圖5所示，計算值與試驗值變化趨勢一致。流速最大誤差為0.03 m/s，水面線最大誤差為5 mm。數(shù)學模型計算精度滿足本文針對魚道進口局部誘魚流場開展細化研究的要求[27,28]。

圖5 尾水渠典型斷面實測與計算值比較

2 研究方案及判別條件

2.1 過魚對象

過魚對象主要為分布在長江流域的四大家魚（青魚、草魚、鰱魚、鳙魚），河湖洄游魚類[29]，性成熟個體于4—7月進行生殖洄游[30]。四大家魚在水體中的分布因習性而異[31]，青魚多于中層與底層水域活動，草魚多于中層水域活動，鰱魚多于表層水域活動，鳙魚多于表層與中層水域活動。

2.2 過魚通道及誘魚水流優(yōu)劣判斷方法

過魚通道內流速應大于目標魚類的感應流速且小于魚類臨界流速[12,13]。本文中過魚對象體長約200～500 mm，適宜過魚對象洄游上溯的流速區(qū)間主要集中于0.4～1.2 m/s[32,33]。本研究中將下游河道內流速分為4個流速帶，分別為0～0.4、0.4～0.8、0.8～1.2及>1.2 m/s。其中，0～0.4 m/s的流速分布區(qū)域，魚類不易定位主流，為方向感較弱區(qū)，不宜作為過魚通道；0.4～0.8 m/s 的流速分布區(qū)域，為魚類喜好流速區(qū)域，可以較為輕松的上溯，為最優(yōu)過魚通道區(qū)域；0.8～1.2 m/s流速分布區(qū)，雖同樣在過魚對象喜好流速范圍內，但魚類上溯時需要耗費較多的能量，為輔助過魚通道；大于1.2 m/s流速區(qū)，流速大于過魚對象的臨界流速，該區(qū)域不可作為過魚通道，為流速屏障區(qū)[34]。

本文魚道進口誘魚水流的優(yōu)劣按以下標準判斷：1）誘魚水流覆蓋范圍較大；2）誘魚流速滿足魚類上溯要求；3）誘魚水流與河流中的魚類上溯通道相互連通；4）魚道進口具有足夠的水深。

3 計算結果及分析

3.1 尾水渠與河流之間的過魚通道

電站機組運行時魚類進入電站尾水渠的現(xiàn)象已被多個實踐工程所證實，但關于洄游魚類如何進入尾水渠尚缺定論。本文通過分析表1所示工況下尾水渠與下游河道間的過魚通道，對該問題進行說明。

表1 不同運行工況下的流量與尾水渠水位

單臺機組運行時，尾水出流占據(jù)尾水渠的部分面積，主流流速較高（>1.2 m/s），形成流速屏障；兩側流速適中（0.4～1.2 m/s），可形成過魚通道，并自尾水渠一直連通至下游河道。河道中的魚類往往被發(fā)電尾水吸引向尾水渠方向聚集，并可沿主流兩側的過魚通道上溯至尾水渠內，直到機組尾水出口附近。如，1#機組運行時，主流靠近尾水渠右岸，左側過魚通道自尾水渠一直連通至下游河道（圖6a、6b），6#機組運行時，在主流右側形成過魚通道（圖6c、6d）。河流內的洄游魚類沿尾水主流某一側的過魚通道上溯至尾水出口附近的概率較大。

多臺機組運行時，雖然尾水出流占據(jù)了尾水渠內較大面積，但是在主流的兩側仍然可以形成過魚通道，并與下游河道相連。如，1#+2#+3#機組運行時，主流靠近尾水渠右半部分，主流流速較高（>1.2 m/s），主流左側形成過魚通道（圖6e、6f）。4#+5#+6#機組運行時，在主流右側形成過魚通道（圖6g、6h）。由此可知，當過魚通道貫穿整個尾水渠并與下游河道相連通時，洄游魚類可沿過魚通道上溯至機組尾水出口附近。

由以上分析可見，當尾水渠與河流之間存在適宜于魚類洄游的過魚通道時，魚類能順利上溯至機組尾水出口附近；當不存在過魚通道時（圖6i、6j），魚類仍可上溯至閘壩下游消力池，伺機進入尾水渠。

注：圖中坐標原點位于壩軸線上尾水渠右側64m處，X坐標軸指向下游為正向，Y坐標軸指向左岸為正向。綠色區(qū)域為最優(yōu)過魚通道，黃色區(qū)域為輔助過魚通道，紅色區(qū)域為流速屏障。下同。

3.2 尾水渠內流場及過魚通道

單臺機組運行時，機組出流對誘魚水流形成兩種典型的影響方式。一種是，尾水出流導致魚道出口附近形成回流區(qū)，誘魚水流與回流區(qū)的水流方向相同，兩股水流匯合，誘魚水流覆蓋范圍加大，過魚通道沿水流方向延長。如2#和3#機組分別單獨運行時的1#魚道進口處的過魚通道。另一種是，尾水出口位于魚道進口的外部，誘魚水流難以穿透尾水出流，從而改變方向并與主流融合，過魚通道沿主流邊緣延伸至下游。如1#機組單獨運行時的1#魚道進口；3#機組單獨運行時的2#魚道進口處的過魚通道，如圖7所示。

多臺機組運行時，尾水渠內形成具有多個回流區(qū)的復雜流場結構，其影響誘魚水流的方式與單臺機組類似，如圖8所示。如，工況2#+4#機組、2#+5#機組、3#+4#機組運行時，1#魚道進口的誘魚水流與回流方向相同，兩股水流匯合，覆蓋范圍得到加強；又如，3#+5#機組、3#+6#機組運行時，機組尾水出口正好位于2#魚道進口的外部，誘魚水流與主流合并。特別的，當誘魚水流出流方向與旋轉水流方向相反時，誘魚水流往往被抑制，覆蓋范圍減小。如，工況2#+4#機組運行、2#+5#機組運行時，2#魚道進口的誘魚水流與回流方向相反，誘魚水流被部分抵消，過魚通道變短。

3.3 魚道進口影響因素分析及布置建議

魚道進口的出流方向、出流位置以及機組運行方式均對魚道進口誘魚水流產(chǎn)生較大影響（表2）。機組運行方式不僅決定了尾水渠內主流的位置，同時還形成了多個回流區(qū)，其旋轉方向和位置對誘魚水流的影響較大。當魚道進口的誘魚水流與回流區(qū)的旋轉水流方向相一致時，誘魚水流往往被加強，從而增加其覆蓋范圍。當魚道進口的誘魚水流與回流的旋轉水流方向相矛盾時，往往被迫改變水流方向，其影響范圍大大減小。即使魚道進口的誘魚水流的流速相對較高，但是由于誘魚水流的動量較小，依然難以穿透回流區(qū)。

圖7 單機運行典型過魚通道

圖8 兩臺機組運行典型過魚通道

通過分析尾水渠內流場結構，認為尾水渠內魚道進口布置方式可主要分為以下三類：

1）靠近邊墻的一臺機組單獨運行時，可將主流與回流區(qū)之間的過渡區(qū)域作為布置魚道進口的重點區(qū)域。此種流場結構中，主流居于尾水渠內正對機組出口的一側，另一側較為寬闊，未形成明顯旋流，誘魚水流難以穿透尾水出流，誘魚水流適宜布置在主流邊緣的位置，從而與主流匯合，形成沿主流邊緣的過魚通道，如圖9a所示。

2）運行機組的出流位置距離邊墻有一定距離時，魚道誘魚水流出流方向應與旋轉水流方向保持一致。在此種流場結構中，主流與邊墻間容易形成強烈的小型回流區(qū)，如圖9b所示，若機組出流位置與邊墻距離進一步加大，則該回流區(qū)的直徑也增大，但是強度有一定程度減弱，即旋轉水流的流速一定程度減小，如圖9c所示，當水流沿壩軸線方向出流時，往往會獲得較長的有效誘魚范圍。

3）機組間隔運行，即兩臺運行機組之間存在不運行的機組時，兩個主流間形成兩個逆向的回流區(qū)，兩個回流區(qū)水流方向相反，如圖9d所示。在此種流場結構中，布置原則與第二類水流結構類似，建議布置魚道進口時保證魚道誘魚水流出流方向與旋轉水流方向一致。

表2 不同機組運行方式對誘魚水流的影響

4 結 論

本文采用三維數(shù)值模擬，通過分析電站尾水誘魚的魚道進口布置、電站機組運行方式對尾水渠內魚道進口誘魚水流的影響，對利用電站尾水誘魚的魚道進口布置進行了研究，得出以下結論：

1）電站機組運行時產(chǎn)生的水流具有較大動量，使尾水渠與河流之間產(chǎn)生適宜于魚類洄游的過魚通道，魚類可以沿此通道上溯。

2）機組運行方式對魚道進口位置的選擇影響較大。不同的運行方式下過魚通道位置有較大差異，且伴隨不同尺度、位置的回流區(qū)，進口布置時應考慮其布置位置，盡可能在較多工況下使誘魚水流與過魚通道連接。

3）魚道進口誘魚水流動量較小，難以穿透尾水渠內的回流區(qū)。當誘魚水流與回流區(qū)旋轉水流方向一致時，水流得到增強，誘魚范圍增大；當誘魚水流與回流區(qū)方向相反時，水流受到抑制，誘魚范圍減小。誘魚水流方向應與回流的方向保持一致，主流與回流區(qū)之間的過渡區(qū)域是布置魚道進口的重點區(qū)域。

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Arrangement of fishway entrance in power station tailrace channel

Li Guangning1, Sun Shuangke1, Qie Zhihong2, Guo Ziqi1,2, Liu Haitao1, Zheng Tiegang1, Sun Juanjuan3

(1.,,100038,; 2.,,071001,; 3.,430064,)

In large and middle rivers, the scale of the fish way entrance is relatively small, and the design discharge is really low, which often leads to insufficient momentum of the attraction flow, and induce poor attraction effect. In practice, tailrace channel of power station is an ideal gathering place for the migration fish. Therefore, how to reasonable arrange the fishway entrance in tailrace channel is one of the key problems in fishway construction in nowadays. Although, there are some basic principles for the fishway entrance layout, but they are not enough to apply because of the complexity of flow field structure in the tailrace channel. The present research results are still not effectively to guide the specific layout of the fishway entrance in the tailrace channel. In this paper, numerical simulations are used to study the flow field for the arrangement of fishway entrance in the tailrace channel, and to evaluate the connectivity of the migration corridor to downstream river. First of all, a physical model experiment is carried out to verify the numerical model, the maximum error of the flow velocity is 0.03 m/s and the maximum error of the water surface line is less than 5 mm. Then, the numerical simulation is used to analyze the fishway entrance arrangement in the tailrace of a power station, based on the typical three-dimensional flow structure and the swimming ability of the fish. The results showed that the water flow produced by the power station unit has great momentum, and a passage which is suitable for fish migration is formed between the tail water channel and the river. The inducing fish flow is greatly influenced by the operation mode of the unit, the location of the fish inlet and the outlet direction. The operation mode of the power station not only determines the location of the main stream in the tailrace, but also forms several recirculation zones on both sides of the main stream. The flow rotation direction and position in recirculation zones have great influence on the inducing fish flow. The transition region between the mainstream and the recirculation zones is the key area for the layout of the fishway entrance. The selection of the specific location should consider the swimming ability of fish, and the connectivity with the migratory passage downstream. Because the momentum of attraction flow is less than flow of the recirculation zones, the former is enhanced and the coverage range is increased when the attraction flow has the same flow direction with the recirculation zones. When the attraction flow is opposite to the flow direction of the recirculation zones, it is restrained and the cover range will be reduced. The layout design of fish entrance should be designed through the operation mode of the power unit reasonable position and outflow direction. In practice the momentum of attraction flow is usually relatively small, the direction of the attraction flow should be in accordance with the direction of the flow in recirculation zones, and the fish entrances can be arranged in multiple locations according to the operation mode of the unit. The research results will provide important reference for the layout optimization of the fishway entrance design in the large and medium-sized river.

fishways; flow field; numerical simulation; tailrace channel; attraction flow; outflow direction; operation mode of unit

李廣寧，孫雙科，郄志紅，郭子琪，柳海濤，鄭鐵剛，孫娟娟. 電站尾水渠內魚道進口位置布局[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(24)：81－89.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.010 http://www.tcsae.org

Li Guangning, Sun Shuangke, Qie Zhihong, Guo Ziqi, Liu Haitao, Zheng Tiegang, Sun Juanjuan. Arrangement of fishway entrance in power station tailrace channel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 81－89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.010 http://www.tcsae.org

2019-07-30

2019-12-06

國家自然科學基金（51709278，51679261）；國家重點實驗室團隊重點項目（SKL2018ZY08）；中國水科院青年研究專項（HY0145B162019，HY0145B152018）

李廣寧，高級工程師，博士，主要從事水力學研究工作。Email：lgnchina@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.010

S956

A

1002-6819(2019)-24-0081-09