郭灘航運樞紐魚道進口水流條件優(yōu)化數(shù)值模擬

齊春風，劉 哲，李君濤，歐陽群安，普曉剛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

河流上筑壩設(shè)閘破壞了河道水流的連通性，阻斷了魚類洄游通道，魚道作為幫助魚類順利通過樞紐障礙物的重要工程措施，在中、低水頭水工建筑物中對魚類的保護起到了很大作用[1-3]。而魚道進口是魚道工程的“針眼”，魚道進口設(shè)置是否合理是魚道工程設(shè)計的關(guān)鍵。眾多學者對魚道進口布置方式進行了研究[4-8]，Lindberg等[4]對瑞典Norrfors大壩魚道進口位置流場及誘魚效果進行了現(xiàn)場觀測，謝春航等[5]研究了魚道進口布置方式對集誘魚水流水力特性的影響，認為集誘魚通道布置方式能更有效地吸引魚類，黎賢訪等[6]研究了魚道進口角度對集誘魚效果的影響，認為魚道進口軸線與河道成30°最利于集誘魚，王猛等[7]研究了仿自然通道魚道進出口布置方式,認為布置多高程的魚道進口可有效適應(yīng)水位變幅，Andersson[8]和李廣寧[9]等分別研究了電站尾水渠內(nèi)的魚道進口流場分布，認為魚道進口位置和機組出流方式會對魚道進口集誘魚產(chǎn)生較大影響，史斌[10]、于廣年[11]、劉志國[12]、鄒秋寶[13]等還分別結(jié)合具體工程對魚道進口布置進行了優(yōu)化。綜合國內(nèi)外試驗研究成果和工程實踐經(jīng)驗，魚道進口設(shè)計一般遵循以下原則：魚道進口應(yīng)布置于經(jīng)常有水流下泄、魚類洄游路線及集群的區(qū)域，并盡可能靠近魚類上溯的最上邊界，魚道進口附近水流應(yīng)平穩(wěn)順直、不應(yīng)存在回流區(qū)和大尺度漩渦，且最小流速應(yīng)大于魚類的感應(yīng)流速，最大速度應(yīng)小于魚類的突進速度。實際工程中，魚道作為水利工程的補助設(shè)施，魚道進口布置還受制于其他工程設(shè)施的布置條件、運行方式、河道水深等諸多因素的影響，需要綜合論證。

郭灘航運樞紐工程屬于南陽唐河航道梯級開發(fā)建設(shè)項目(圖1)，為低壩枯水渠化的航運樞紐，樞紐建筑物主要包括泄水閘、船閘和魚道，樞紐總布置如圖1所示。唐河生態(tài)調(diào)查表明，郭灘航道工程水域內(nèi)的水生生態(tài)保護目標主要為經(jīng)濟魚類(赤眼鱒)和小型魚類(細尾蛇鮈、銀鮈類)產(chǎn)卵場，魚道重點過魚時間為每年的4-8月，過魚保證率為95%。根據(jù)工程特點和過魚要求，魚道進口布置在左岸翼墻下游附近、壩軸線下游106 m處。受泄水閘調(diào)度方式影響，在枯水期樞紐設(shè)計運行控制方式下，魚道進口將位于泄流回流區(qū)內(nèi)，難以達到理想的誘魚效果。為此，需要對郭灘航運樞紐魚道進口的實際水流條件進行模擬，通過合理的樞紐運行方式調(diào)控，為魚類上溯提供適宜水流條件。

圖1 郭灘航運樞紐布置

1 數(shù)學模型

泄水閘淹沒出流在河道內(nèi)擴散，至下游一定距離后，下泄水流將沿豎向分布均勻。郭灘魚道進口位置距泄水閘的距離超過100 m，根據(jù)類似工程研究經(jīng)驗，可近似認為水流沿水深方向已分布均勻，泄水閘開度對魚道進口位置處流場的影響不大。為計算方便，本文忽略泄水閘開度對魚道進口位置處流場的影響，采用Flow-3D軟件淺水模型進行樞紐工程河段的平面二維數(shù)值模擬。

1.1 基本控制方程

忽略垂直方向加速度，將三維水體運動基本方程(質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)和動量守恒方程(Navier-Stokes方程))沿水深積分平均，即可得淺水模型控制方程

(1)

(2)

(3)

1.2 模擬范圍及網(wǎng)格劃分

根據(jù)樞紐工程河段的河道形態(tài)及地形特點，樞紐上下游需要有足夠長度來獲得穩(wěn)定的水流邊界條件，模型上游范圍至壩軸線上游4.7 km處、下游范圍至壩軸線下游5.3 km處，模型總長約10 km。計算網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并采用漸變網(wǎng)格對泄水閘及魚道進口區(qū)域進行局部加密，計算域主體網(wǎng)格邊長5～20 m，樞紐附近網(wǎng)格邊長2～5 m，網(wǎng)格總數(shù)約100萬個。

1.3 邊界條件及河道糙率

模型進口采用流量邊界，給定進口斷面流量和水面高程，進口水位取郭灘樞紐正常蓄水位83.0 m；模型出口采用壓力邊界，給定出口斷面水面高程，出口水位由郭灘樞紐壩址處的水位流量關(guān)系推算得到并充分考慮下游水臺子樞紐水位運行區(qū)間；模型上方自由表面為水體與大氣的交界面，設(shè)為氣壓邊界。河道糙率考慮床面形態(tài)、植被條件等因素，并參考物理模型，取0.045。

樞紐工程河段數(shù)學模型及其邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖2 郭灘航運樞紐數(shù)學模型

1.4 模型驗證

為驗證數(shù)學模型的合理性，采用2018年5月23日實測洪水成果資料對數(shù)值模擬水位、流速進行驗證。圖3為相同流量下水位、流速計算值與實測值的對比，可以看出工程河段沿程水位及斷面流速的計算值與實測數(shù)據(jù)基本吻合，可以滿足規(guī)范要求精度，建立的數(shù)學模型是可靠的。

圖3 數(shù)學模型驗證

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

結(jié)合樞紐運行控制方式并考慮樞紐壩址處的最小生態(tài)流量，模型計算選取5.85 m3/s 、100 m3/s 、200 m3/s 、300 m3/s 、400 m3/s 共五級流量進行。根據(jù)樞紐工程的水生生態(tài)保護目標，魚類感應(yīng)流速多為0.2 m/s，喜好流速在0.3～0.8 m/s，極限流速根據(jù)魚類體長略有不同，兼顧游泳能力較弱的魚類和體型相對較小的魚類，防止魚在魚道中產(chǎn)生過度疲勞，同時保證魚道過魚效率，魚道進口適宜流速范圍取0.2～1.2 m/s。

2.1 原樞紐運行方式魚道進口水流條件

在擬定的計算流量范圍內(nèi)，原樞紐運行方式為泄水閘中間四孔泄流，典型流量級(300 m3/s)泄水閘下游流場分布如圖4所示。水流經(jīng)泄水閘中間四孔下泄至下游河道后水平擴散，受河道兩岸邊坡約束，在下泄主流兩側(cè)形成較大范圍回流區(qū)，各級流量下魚道進口均位于回流區(qū)內(nèi)，使得魚道進口附近存在回流和漩渦。各級流量下魚道進口附近(取魚道進口上游100 m、橫向10 m范圍)最大流速分布如圖5所示，可以看出魚道進口附近回流流速隨下泄流量的增加而增大，當流量為300 m3/s時、魚道進口附近最大流速為1.32 m/s，當流量為400 m3/s時、魚道進口附近最大流速可達1.85 m/s。魚道進口附近較大范圍的回流會嚴重阻礙洄游魚類上溯至進魚口。

圖4 泄水閘下游流場分布(300 m3/s)

2.2 樞紐運行方式優(yōu)化魚道進口水流條件

魚道進口水流條件與泄水閘調(diào)度方式密切相關(guān)，針對原樞紐運行方式下下泄主流兩側(cè)形成較大范圍回流區(qū)、魚道進口存在回流和漩渦的情況，采取調(diào)整樞紐運行方式的措施來優(yōu)化魚道進口水流條件。為保證魚道進口常有下泄水流，調(diào)整泄水閘的開啟方式，使得下泄主流靠近河道左側(cè)且水流平順、流速不宜過大。根據(jù)魚道進口水流條件變化情況，共設(shè)計了三組調(diào)整方案，泄水閘開啟方式調(diào)整方案如表1所示。

表1 泄水閘開啟方式調(diào)整方案

典型泄水閘開啟方案下典型流量級(方案3，300 m3/s)泄水閘下游流場分布如圖6所示。泄水閘左側(cè)連續(xù)五孔泄流，使得下泄主流靠近河道左側(cè)，魚道進口附近可形成指向下游的穩(wěn)定流場，從而有可能創(chuàng)造出適合魚類上溯的水流條件。

圖6 泄水閘下游流場分布(300 m3/s，方案3)

各泄水閘開啟方案下魚道進口附近最大流速分布如圖7所示，具體分析如下：

7-a 泄水閘開啟方案1 7-b 泄水閘開啟方案2

(1)方案1。當來流量為5.85 m3/s時，靠近魚道進口的泄水閘左側(cè)12#孔開啟，魚道進口附近水流平順，進口上游100 m范圍內(nèi)最大流速為0.32 m/s，可滿足魚類上溯要求；當來流量為100 m3/s時，泄水閘左側(cè)的12#、11#孔開啟，魚道進口附近雖然水流平順，但其上游100 m范圍內(nèi)最大流速可達1.58 m/s、超過了魚類的突進速度，難以滿足魚類上溯要求；當來流量為200 m3/s和300 m3/s時，泄水閘由左側(cè)起分別間隔開三孔和四孔，水流下泄后在下游河道內(nèi)形成漩滾，魚道進口附近位于水流漩滾區(qū)，流速方向多變，難以滿足魚類上溯要求；當來流量為400 m3/s時，泄水閘左側(cè)連續(xù)六孔開啟，魚道進口附近水流平順，進口上游100 m范圍內(nèi)最大流速為1.04 m/s，可滿足魚類上溯要求。

鑒于第一次調(diào)整后，在來流量為100 m3/s、200 m3/s和300 m3/s時，魚道進口水流條件仍然難以滿足要求，有必要繼續(xù)調(diào)整泄水閘的開啟方式。針對來流量100 m3/s的魚道進口流速過大問題，將泄水閘連續(xù)兩孔開啟增至連續(xù)三孔開啟，從而減小下泄水流流速；針對來流量200 m3/s和來流量300 m3/s的魚道進口漩滾問題，將泄水閘間隔開啟改為連續(xù)開啟，從而消除水流漩滾。調(diào)整后的泄水閘開啟方式即為方案2。

(2)泄水閘開啟方案2。當來流量為100 m3/s時，靠近魚道進口的泄水閘左側(cè)12#、11#、10#連續(xù)三孔開啟，魚道進口附近水流平順，進口上游100 m范圍內(nèi)最大流速為1.10 m/s，可滿足魚類上溯要求；當來流量為200 m3/s和300 m3/s時，泄水閘各開啟左側(cè)三孔和四孔，受閘孔射流影響，魚道進口附近水流平順、無回流，但進口附近的流速較大，來流量200 m3/s時最大流速可達1.34 m/s，來流量300 m3/s時最大流速可達1.33 m/s，超過了魚類的突進速度，難以滿足魚類上溯要求。

鑒于第二次調(diào)整后的計算結(jié)果，當來流量為200 m3/s和300 m3/s時，魚道進口附近無回流但流速過大，考慮進一步加大泄水閘過流寬度，從而減小過流速度。當來流量為200 m3/s時，將泄水閘左側(cè)連續(xù)三孔泄流增至連續(xù)四孔泄流；當來流量為300 m3/s時，將泄水閘左側(cè)連續(xù)四孔泄流增至連續(xù)五孔泄流。再次調(diào)整后的泄水閘開啟方式即為方案3。

(3)泄水閘開啟方案3。泄水閘開啟方式再次調(diào)整后，魚道進口附近水流均比較平順，當來流量為200 m3/s時魚道進口附近最大流速為1.06 m/s，當來流量為300 m3/s時最大流速為1.14 m/s，魚道進口附近的水流條件均滿足要求。

優(yōu)化后的泄水閘開啟方式及對應(yīng)的魚道進口、船閘引航道口門區(qū)水流條件見表2?？梢钥闯?，在推薦的泄水閘調(diào)度方式下，魚道進口位置附近水流平穩(wěn)順直，流速范圍可滿足魚類上溯要求；船閘下游引航道口門區(qū)流速極值在規(guī)范限值范圍內(nèi)，通航水流條件也可滿足船舶安全航行要求。

表2 優(yōu)化后的泄水閘開啟方式及魚道進口、船閘引航道口門區(qū)水流條件

3 結(jié)論

(1)原樞紐設(shè)計運行方式下，魚道進口位置處于泄流回流區(qū)內(nèi)，大范圍回流難以滿足魚類上溯條件。

(2)針對魚道進口不良水流條件問題，采取調(diào)整樞紐運行方式的措施來進行優(yōu)化，對泄水閘開啟方式進行了3次調(diào)整。將泄水閘泄流位置由中間改為左側(cè)，并根據(jù)下泄流量制定不同的下泄閘孔組合，通過逐步調(diào)整泄水閘開孔位置和開孔寬度，獲得了考慮魚道進口布置的泄水閘優(yōu)化開啟方案。

(3)各流量級推薦泄水閘調(diào)度方式下，魚道進口位置附近水流平順，最大流速均小于魚類突進速度，可滿足魚類上溯要求；船閘引航道口門區(qū)流速極值在規(guī)范限值范圍內(nèi)，也可滿足船舶航行要求。

魚道進口水流條件與泄水閘調(diào)度方式密切相關(guān)，通過調(diào)整泄水閘泄流開啟方式，樞紐下游可創(chuàng)造出適宜魚類上溯的水流條件。