組合隔板式魚道水力特性數(shù)值模擬研究

陳 磊，譚均軍，石小濤，柯森繁，譚紅林，李 鴻

(1.三峽大學(xué) 湖北省魚類過(guò)壩技術(shù)國(guó)際科技合作基地，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

大壩、堰等水利設(shè)施的修建中斷了河流的連續(xù)性，阻隔了魚類的洄游通道，改變了魚類棲息地環(huán)境，甚至導(dǎo)致某些溯河洄游魚類種群的滅絕[1]。魚道作為給魚類提供洄游通道的過(guò)魚設(shè)施，在維系河流連通性與魚類種群交流方面具有重要的作用[2]。

隔板式魚道主要由進(jìn)口、池室和出口組成。其設(shè)計(jì)原理是利用隔板將水槽分成許多梯級(jí)池室，在池室中利用水墊、水流對(duì)沖、水流擴(kuò)散進(jìn)行消能，以達(dá)到改善水流流態(tài)、降低池室流速的目的，并能通過(guò)調(diào)整隔板的結(jié)構(gòu)構(gòu)造適應(yīng)不同魚類的需要。按隔板的位置和形狀可分為溢流堰式、淹沒(méi)孔口式、豎縫式和組合式魚道[3]。溢流堰式魚道水位變化范圍很小，過(guò)流平穩(wěn)，水流通過(guò)開(kāi)敞式溢流孔流動(dòng)，利用隔板間水墊削減能量和減緩流速；其適用于對(duì)水位變化適應(yīng)能力差、喜歡在水流表層活動(dòng)和有跳躍習(xí)性的魚類[4]。淹沒(méi)孔口式魚道孔口大小因過(guò)魚對(duì)象體形大小不同而異，孔口通常布置在中底層；其適用于生活在需要一定水深的中、大型魚類[5-6],江蘇團(tuán)結(jié)河閘魚道、洋口北閘魚道等均采用淹沒(méi)孔口式魚道。豎縫式魚道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水流消能主要集中在豎縫處，消能效果較堰式和淹沒(méi)孔口式更充分，且能適應(yīng)上下游水位變化，魚類受水位變化的影響較小[7]，豎縫的束窄作用使魚道內(nèi)流速過(guò)大，一般適用于大、中型魚類[6]；加拿大弗雷塞(Fraser)河上的鬼門峽(Hell’s Gate)魚道、江蘇斗龍港閘、吉林老龍口水利樞紐等均采用豎縫式。組合式魚道能夠較好地綜合各種形式(堰式、淹沒(méi)孔口式及豎縫式)魚道水力特性的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造出不同種魚類所需的水流條件，滿足多種不同溯游習(xí)性魚類的要求，為洄游魚類提供適宜的上溯通道。

魚道的水力特性是影響魚類能否順利通過(guò)的重要因素[8]，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用流體力學(xué)軟件對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬研究。Fujihara等[9]采用三維紊流模型及VOF自由水面處理方法分析溢流堰-潛孔組合式魚道水力特性，結(jié)果表明三維VOF模型能較好地模擬魚道內(nèi)三維水力特性；高東紅等[10]采用Fluent對(duì)三維魚道的水力特性及魚體行進(jìn)能力進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明模擬結(jié)果與以往物理模型試驗(yàn)所觀察的現(xiàn)象一致；Cea等[11]應(yīng)用混合長(zhǎng)度模型、k-ε模型和代數(shù)應(yīng)力模型對(duì)豎縫式魚道的水力特性進(jìn)行分析研究，并將計(jì)算數(shù)據(jù)與水工模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好。鑒于此，本研究采用豎縫和溢流組合式魚道，以黑水河某魚道工程為例，運(yùn)用Flow-3D進(jìn)行三維全流場(chǎng)數(shù)值模擬，研究該組合式魚道的三維水力特性，分析其水面線、流速、流態(tài)等水力參數(shù)的分布規(guī)律，并對(duì)魚道的上游出口段、下游轉(zhuǎn)彎段及進(jìn)口段進(jìn)行重點(diǎn)分析，以期為魚道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供技術(shù)參考。

2 工程概況

2.1 概 況

金沙江黑水河某水電站為引水式電站，攔河閘壩無(wú)調(diào)節(jié)功能，工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電。水庫(kù)正常蓄水位1 069.67 m，正常蓄水位下庫(kù)容28.4萬(wàn)m3，電站多年平均流量51.6 m3/s,裝機(jī)容量為20 MW，壩高5.30 m。在攔河引水樞紐上結(jié)合生態(tài)電站布置魚道，魚道設(shè)置一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，下游進(jìn)口布置在攔河壩消力池后，魚道槽身緊挨左岸岸邊布置，上游出口布置在攔河壩上游約70 m處?？紤]該工程特點(diǎn)及洄游性魚類對(duì)水流、濺水聲等的敏感性及趨近性，研究采用豎縫與溢流組合式魚道。結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 魚道設(shè)計(jì)Fig.1 Fishway design

2.2 過(guò)魚對(duì)象及其游泳能力

根據(jù)工程河段魚類資源調(diào)查結(jié)果，本工程過(guò)魚對(duì)象以短須裂腹魚(Schizothorax Wangchiachii Fang)、齊口裂腹魚(Schizothorax Prenant)等裂腹魚類及鰍類為主，并適當(dāng)兼顧其他各種可能魚類，其主要過(guò)魚季節(jié)為4—7月份。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[12-17]資料、魚道工程特點(diǎn)及過(guò)魚對(duì)象游泳能力(表1)知：目標(biāo)魚類感應(yīng)流速<0.244 1 m/s，臨界游泳速度為0.65～1.39 m/s，爆發(fā)游泳速度為0.85～2.49 m/s；為確保主要過(guò)魚對(duì)象能夠通過(guò)魚道上溯，魚道設(shè)計(jì)流速應(yīng)依據(jù)過(guò)魚對(duì)象游泳能力并結(jié)合《水電工程過(guò)魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35054—2015)規(guī)定，為此，確定魚道設(shè)計(jì)流速為0.75 m/s。

表1 過(guò)魚對(duì)象游泳能力Table 1 Swimming ability of target fish

2.3 魚道主要尺寸

根據(jù)《水電工程過(guò)魚設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35054—2015)，魚道由進(jìn)口段、轉(zhuǎn)彎段、魚道出口段組成，魚道總長(zhǎng)352.60 m，底坡為1.8%。單個(gè)池室長(zhǎng)2.0 m，寬1.60 m，豎縫寬度為0.30 m，隔板厚度0.20 m，魚道池室水位級(jí)差Δh為0.04 m；每隔15個(gè)池室設(shè)置一個(gè)休息室，休息室為平坡，長(zhǎng)度為魚道池室的2倍，魚道下游轉(zhuǎn)彎段布置為休息室。魚道單個(gè)池室及剖面尺寸見(jiàn)圖2。魚道正常運(yùn)行工況下流量為0.56 m3/s，保持運(yùn)行水深為1.80 m。上游水位高程為1 069.67 m，魚道上游底板高程為1 067.87 m，下游水位高程為1 063.87 m，魚道下游底板高程為1 062.07 m，上下游水位差為5.80 m。

圖2 魚道單個(gè)池室及剖面尺寸示意圖Fig.2 Fishway profile and single chamber dimensions

3 數(shù)值方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

本研究魚道模型為典型的自由液面模型，根據(jù)魚道設(shè)計(jì)體型布置的平面布置圖和魚道剖面圖，在Space-Claim按原型1∶1建立魚道幾何整體模型，利用Tru-VOF方法追蹤自由液面，基于有限差分法將模擬控制方程離散為代數(shù)方程組進(jìn)行求解計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格數(shù)約為2 900萬(wàn)，固體模型網(wǎng)格約為290萬(wàn)，其中最大網(wǎng)格15 cm，最小網(wǎng)格6 cm。魚道中間采用溢流式隔板和豎縫式隔板，兩側(cè)邊界設(shè)置為墻體，均不過(guò)流，自由表面的邊界條件設(shè)定為壓力邊界條件P,其大氣壓強(qiáng)為1.01×105Pa，流體分?jǐn)?shù)F=0(充滿空氣)，采用流量進(jìn)口邊界條件，下游采用壓力出口邊界條件，壁面采用無(wú)滑移壁面條件，壁面糙率為0.013[18]；初始條件上、下游水深為設(shè)計(jì)上、下游水位高程減去該魚道底板高程；采用具有較好收斂性的SIMPLEC算法。

3.2 控制方程

本研究的模型屬于不可壓縮流體的湍流流動(dòng)，采用RNGk-ε紊流模型，其主要控制方程如下[19]：

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

k方程

(3)

ε方程

采用Tru-VOF方法追蹤自由水面流動(dòng)，采用流體容積分?jǐn)?shù)αω描述水和氣自由表面的各種變化,求解水氣兩相體積分?jǐn)?shù)連續(xù)方程確定自由水面位置。其方程為[7]

(5)

式中：ui為各向的速度分量;αω為水的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)αω=0時(shí)，計(jì)算單元內(nèi)全為氣相;當(dāng)αω=1時(shí)，計(jì)算單元內(nèi)全為水相;當(dāng)0<αω<1時(shí)，計(jì)算單元內(nèi)同時(shí)包含水相和氣相。

4 結(jié)果分析

4.1 池室自由水面

魚道池室水面線如圖3所示。水流從上游魚道出口進(jìn)入魚道池室水深為1.80 m，水流在各個(gè)池室內(nèi)水面較為平緩，池室內(nèi)最低水位均出現(xiàn)在豎縫與堰口下游附近，豎縫與堰口處有明顯水面跌落現(xiàn)象。

圖3 魚道水面線示意圖Fig.3 Simulations results of water surface

4.2 不同水深斷面流場(chǎng)分析

圖4為魚道池室流線分布與豎縫斷面流速分布。從圖4可知在魚道池室存在多股主流區(qū)，水流經(jīng)過(guò)溢流孔后偏向豎縫處邊壁，主流呈彎曲狀，在另一側(cè)邊壁出現(xiàn)較大回流區(qū)，水流經(jīng)過(guò)豎縫后貼近邊壁，與溢流孔出流間存在一個(gè)小回流區(qū)，主流存在明顯的貼壁現(xiàn)象。圖5為池室水深分別為1.1 m和0.5 m的平面流速分布。在水深1.1 m平面的水平方向上，溢流孔與豎縫處流速較大，主流經(jīng)過(guò)溢流孔后彎向豎縫側(cè)，在池室另一側(cè)出現(xiàn)低流速區(qū)；垂直方向上，接近水面水流彎曲較大，距離底部越近，該平面流速分布較為均勻，豎縫中部與底部流速較大，最大為0.94 m/s，溢流孔口最大流速為1.08～1.12 m/s，且水面流速低于底部流速。水深0.50 m時(shí)，水深低于溢流孔口高度，魚道為異側(cè)豎縫式魚道，水流經(jīng)過(guò)豎縫后貼壁流動(dòng)，在池室中間出現(xiàn)低流速區(qū)。過(guò)魚對(duì)象裂腹魚類在均勻水流中臨界流速為0.75～1.24 m/s(見(jiàn)表1)。整體上，池室流速分布在過(guò)魚對(duì)象的克流能力范圍之內(nèi)，魚道池室內(nèi)存在低流速區(qū)域，能為魚類提供休憩空間使其恢復(fù)能量，但池室內(nèi)存在明顯的主流貼壁現(xiàn)象。

圖4 池室流態(tài)及流速分布Fig.4 Streamlines of flow pattern and distribution of flow velocity in fishway pool

圖5 不同斷面水深流速分布Fig.5 Distribution of flow velocity in the presence of different water depths

4.3 魚道出口段水力特性分析

魚道出口附近池室是衡量魚類能否從魚道上溯成功的典型池室，豎縫處流速分布為0.76～0.89 m/s，豎縫處平均流速為0.83 m/s，回流區(qū)流速分布范圍為0.09～0.25 m/s(圖6(a))。根據(jù)相關(guān)魚類游泳能力測(cè)試結(jié)果，該數(shù)值模擬結(jié)果在豎縫處流速范圍低于長(zhǎng)薄鰍(0.95 ～1.87 m/s)和短須裂腹魚(0.75±0.076 m/s)臨界游泳速度，池室中局部流速最大值在爆發(fā)流速范圍之內(nèi)，滿足過(guò)魚要求。

4.4 下游轉(zhuǎn)彎段水力特性分析

邊永歡等[20]對(duì)豎縫式魚道180°轉(zhuǎn)彎段的水流流場(chǎng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)彎道內(nèi)水流流向改變一般會(huì)對(duì)魚類上溯洄游產(chǎn)生阻礙。由模擬結(jié)果可知，轉(zhuǎn)彎段主流沿著彎段外側(cè)邊壁流動(dòng)，其分布范圍為0.50～0.66 m/s，平均流速為0.58 m/s(圖6(b))；內(nèi)側(cè)為低流速區(qū)，流速范圍為0.09～0.42 m/s。轉(zhuǎn)彎段流速在目標(biāo)魚類上溯克流范圍內(nèi)，但存在主流貼壁現(xiàn)象，需對(duì)其結(jié)構(gòu)開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4.5 下游進(jìn)口段水力特性分析

魚能夠感受到水流流速的細(xì)微變化，喜歡利用對(duì)其上溯有利的水流，魚道下游進(jìn)口段附近的水力條件直接影響魚類通過(guò)魚道上溯的效果。由圖6(c)可知，靠近魚道進(jìn)口處各池室水深基本保持不變，池室主流靠近下游側(cè)邊墻，該處流速為0.50 m/s，出口處斷面平均流速為0.30 m/s，該流速大于目標(biāo)魚類感應(yīng)流速0.13 m/s，小于臨界流速，滿足目標(biāo)魚類流速需求。

圖6 魚道池室流場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of flow field in fishway pool

5 優(yōu)化方案

根據(jù)上述運(yùn)行工況中數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析可知，組合隔板式魚道在進(jìn)口、出口、轉(zhuǎn)彎處的流速在目標(biāo)魚類的克流能力范圍內(nèi)，但在靠近豎縫隔板處，轉(zhuǎn)彎段存在明顯的主流貼壁現(xiàn)象，且貼壁主流所包圍范圍內(nèi)存在一個(gè)區(qū)域較大的回流區(qū)，見(jiàn)圖5(b)，顯然該流態(tài)不利于魚類上溯。為克服原設(shè)計(jì)中水流流態(tài)上的不足，采用在豎縫另一側(cè)不遠(yuǎn)處邊墻增設(shè)導(dǎo)板的導(dǎo)豎式豎縫布置型式開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)改變水流在豎縫處的水流流向，進(jìn)而達(dá)到充分?jǐn)U散主流橫向的目的。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，結(jié)合現(xiàn)有的豎縫式魚道研究成果[6-9]，對(duì)魚道隔板進(jìn)行了調(diào)整，保持池室長(zhǎng)度與寬度不變，將豎縫寬度由0.30 m調(diào)整為0.41 m(圖7)；對(duì)魚道設(shè)計(jì)而言，由于豎縫寬度的改變，其過(guò)流能力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，應(yīng)依照過(guò)魚設(shè)施規(guī)范中豎縫式魚道過(guò)流能力計(jì)算公式計(jì)算過(guò)流流量。即

圖7 優(yōu)化方案池室平面尺寸Fig.7 Plane dimensions of the optimized pool

(6)

式中：Q為過(guò)流流量(m3/s);Cd為流量系數(shù)，本工程取0.85；B為豎縫寬度(m)；H為豎縫斷面水深(m)；Δh為池室隔板水位的每級(jí)級(jí)差(m)；g為重力加速度，通常取g=9.81 m/s2。經(jīng)計(jì)算得到優(yōu)化后魚道運(yùn)行工況過(guò)流流量為0.70 m3/s。

優(yōu)化方案下沿程池室及轉(zhuǎn)彎段流速分布結(jié)果見(jiàn)圖8。結(jié)果表明，與原設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化后池室內(nèi)水流流態(tài)得到了明顯改善，上游來(lái)流經(jīng)過(guò)池室隔板后沿橫向擴(kuò)散，主流流向在導(dǎo)板作用下偏向池室中央，在主流區(qū)兩側(cè)形成兩個(gè)回流區(qū)。

圖8 優(yōu)化方案不同斷面水深和轉(zhuǎn)彎段流速分布Fig.8 Distribution of flow velocity in sections with varied water depth and in turning section of optimization scheme

6 結(jié) 論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果和已建魚道工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用Flow-3D計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)某水電站組合隔板式魚道的布置方式進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了水面線、魚道進(jìn)出口和轉(zhuǎn)彎段池室不同斷面水流的流態(tài)、流速分布。得到以下結(jié)論：

(1)自由水面整體呈現(xiàn)均勻下降特性，各個(gè)池室水面較為平緩，池室內(nèi)最低水位均出現(xiàn)在豎縫與堰口下游附近，相鄰池室經(jīng)過(guò)隔板后水面變化較為明顯，在豎縫與堰口處有明顯水面跌落現(xiàn)象。

(2)魚道池室豎縫處流速分布范圍為0.76～0.89 m/s，平均流速為0.83 m/s；池室休息區(qū)流速為0.09～0.42 m/s；在下游轉(zhuǎn)彎段，其流速分布為0.50～0.66 m/s；魚道進(jìn)口處最大流速為0.50 m/s，出口斷面平均流速為0.30 m/s。

(3)組合隔板式魚道在豎縫處會(huì)產(chǎn)生兩股射流使池室流場(chǎng)分布較為紊亂，在靠近豎縫隔板處存在明顯主流貼壁現(xiàn)象。為此開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后主流偏向于池室中央，水流流速沿程衰減，利于魚類通過(guò)，主流兩側(cè)回流區(qū)域可為魚類提供較好的休息場(chǎng)所。因此，優(yōu)化后的魚道池室流態(tài)滿足魚類上溯要求。