楊春霞，鄭源, ，張玉全，羅紅英

（1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京211100；2. 西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝 860000）

一、前言

水電被歸類為可再生能源，《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出可再生能源是中國(guó)非化石能源的主力，也是中國(guó)未來能源轉(zhuǎn)型的依托?！笆濉笨稍偕茉窗l(fā)電裝機(jī)總量年均增長(zhǎng)4.25×107kW、總投資規(guī)模將達(dá)2.5萬億元。清潔低碳能源將是“十三五”期間能源供應(yīng)增量的主體[1,2]。黨的“十九大”報(bào)告提出要堅(jiān)持新發(fā)展理念。發(fā)展是解決我國(guó)一切問題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，發(fā)展必須是科學(xué)發(fā)展，必須堅(jiān)定不移貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，堅(jiān)持人與自然和諧共生。目前，生態(tài)環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為國(guó)家和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。在美國(guó)，綠色環(huán)保組織基于三文魚的生態(tài)問題長(zhǎng)期呼吁拆除哥倫比亞河下游的Bennevilee、Dalles、John Day、McNary四座電站大壩，緬因州肯納貝克河上的愛德華茲水壩最終于1999年拆除，成為一個(gè)標(biāo)志性事件。2015年，重慶市“小南海電站”建設(shè)項(xiàng)目被環(huán)境保護(hù)部叫停的事件，也折射出我國(guó)水電開發(fā)中面臨的巨大生態(tài)困境。然而，簡(jiǎn)單地將“魚”與“水電”對(duì)立起來的認(rèn)識(shí)顯然是不可取的?？紤]水電開發(fā)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展已經(jīng)成為共識(shí)，專家學(xué)者和管理者千方百計(jì)地尋找能夠緩解筑壩對(duì)魚類洄游阻隔的辦法。為上行過壩魚設(shè)置魚梯、升魚機(jī)、魚閘等通道；下行過壩魚則主要通過溢洪道或水輪機(jī)泄放到下游。

二、魚類下行過壩措施及存在問題

目前所有下行過魚設(shè)施都會(huì)對(duì)魚類產(chǎn)生一定程度的影響，且有些過魚設(shè)施工程造價(jià)高、施工難度大，還可能影響水電站的發(fā)電量[3]。

（1）當(dāng)采用機(jī)械運(yùn)輸時(shí)，耗費(fèi)的人力和財(cái)力大，且魚類在捕撈和運(yùn)輸過程中會(huì)受到不可控制的傷害；

（2）魚類通過溢洪道下行的存活率受流速、水頭因素的影響，溢洪道作為目前常用的魚類下行過壩措施，效果很不理想；

（3）幼魚旁路系統(tǒng)，常規(guī)工程中很難有橫穿大壩的旁路水道，若是采用駁船和卡車運(yùn)魚，需要耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力，且在運(yùn)輸過程中不可避免地會(huì)造成幼魚死亡；

（4）采用水表面通道，幼魚被誘導(dǎo)收集后仍需要通過機(jī)械運(yùn)輸或者溢流堰過壩。

對(duì)魚類通過各種過魚設(shè)施的生存率進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，所有過魚設(shè)施都會(huì)對(duì)魚類產(chǎn)生一定程度的影響。

事實(shí)上，無論采用何種下行魚類過壩措施，都無法避免會(huì)有一部分魚類隨著水流進(jìn)入水輪機(jī)。因此，降低水輪機(jī)對(duì)魚類的傷害，提高魚類過壩存活率，對(duì)水輪機(jī)及其流道進(jìn)行改造十分重要。有研究表明，魚類通過設(shè)計(jì)良好的水輪機(jī)的存活率要高于通過溢洪道的存活率。

三、魚類通過水輪機(jī)的損傷機(jī)理研究

魚類通過水輪機(jī)時(shí)的存活率主要依賴于魚類通過水輪機(jī)系統(tǒng)時(shí)采取的路徑。一旦魚體離開前池，進(jìn)入水輪機(jī)系統(tǒng)，它受到的傷害就和流道內(nèi)非常迅速的幾何物理變化和水流流動(dòng)特性變化密切相關(guān)。1995年，美國(guó)陸軍工程師團(tuán)（USACE）成立了一個(gè)水輪機(jī)流道魚類存活率研究小組。通過分析，小組專家們將魚類通過水輪機(jī)流道下行時(shí)可能受到的傷害機(jī)理分為機(jī)械、壓力、剪切力和空蝕四種原因[4～6]。圖1給出了水輪機(jī)不同區(qū)域可能造成傷害的原因。

（一）機(jī)械原因

魚隨水流通過水輪機(jī)流道時(shí)，直接與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪葉片相撞、摩擦，摩擦傷害程度取決于流量和流速、水輪機(jī)葉片數(shù)目和間距以及流道的幾何形狀，但是并不能確定或區(qū)別由于摩擦所造成的損傷的量，魚的死亡率隨轉(zhuǎn)輪圓周速度的增加而增加；通過活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉等固定機(jī)械部件引起的擦傷；魚卡在葉片末端與外殼之間受到擦傷，可以通過檢查魚體判斷擦傷情況，如局部瘀傷、深層割傷，甚至是斬首傷害。但是，無法精確地判斷傷害是由摩擦還是擦傷造成的，并且一些由擦傷造成的基本癥狀也有可能是其他的損傷機(jī)制所造成。

圖1 水輪機(jī)不同區(qū)域可能造成傷害的原因

魚在撞擊水輪機(jī)系統(tǒng)部件時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生傷亡。魚體撞擊水輪機(jī)系統(tǒng)部件的可能性取決于幾個(gè)因素：魚的大小、葉片的數(shù)目及其間距、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、流速和流量等。早在1957 年，Raben [7]就提出了一種葉片撞擊模型，預(yù)測(cè)魚類和渦輪葉片的潛在撞擊概率，隨后很多研究者拓展這個(gè)模型并應(yīng)用在不同的渦輪機(jī)械中。直接的目測(cè)觀察不到撞擊傷亡的相關(guān)死亡率，也無法證明概率預(yù)測(cè)模型。Ploskey等[8,9]將其應(yīng)用在水輪機(jī)中，采用確定的和隨機(jī)的葉片撞擊模型來把新安裝的新型水輪機(jī)過魚性能和已有的水輪機(jī)進(jìn)行比較。通過確定性模型預(yù)測(cè)的受傷率高于實(shí)驗(yàn)中受傷率，通過隨機(jī)性模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。Esch等[10,11]將葉片撞擊模型應(yīng)用在泵中，投入1 253條鯉魚到軸流泵中，在一個(gè)較寬的運(yùn)行范圍內(nèi)研究魚的損傷率，測(cè)量到的鯉魚死亡率和葉片撞擊模型得到的數(shù)據(jù)相一致。Deng等[12]通過對(duì)原型尺寸的活魚生存研究和物理水輪機(jī)模型中使用浮子的觀察發(fā)現(xiàn)，兩種葉片撞擊概率預(yù)測(cè)模型相當(dāng)。隨機(jī)模型的預(yù)測(cè)比確定性模型的預(yù)測(cè)更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因?yàn)殡S機(jī)模型考慮了魚接近水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片前緣的方向。潘強(qiáng)等[13]研究了一種應(yīng)用在軸流泵中的葉片撞擊數(shù)學(xué)模型，對(duì)某一軸流泵的魚類通過性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，包括葉片撞擊概率、撞擊死亡率和魚類死亡率。

（二）壓力原因

水流通過水輪機(jī)流道進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)水壓力發(fā)生改變，魚從高壓側(cè)移動(dòng)到低壓側(cè)時(shí)，因壓力急劇變化使魚體受到損傷，魚體損傷的程度取決于壓差的大小和梯度、魚的類型、尺寸等因素。魚體能承受的壓力變化是和它們進(jìn)入水輪機(jī)系統(tǒng)前已經(jīng)適應(yīng)的壓力相關(guān)的，根據(jù)USACE的研究，魚體承受壓力的變化范圍是從低水頭水電站絕對(duì)壓力（146 kPa）到高水頭電站的絕對(duì)壓力（605 kPa）。

有研究認(rèn)為魚對(duì)壓力的降低比對(duì)壓力的增加更敏感。壓力和死亡率相關(guān)是因?yàn)轸~鰾減壓而受到的損傷。圖2為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的由于壓力急劇下降導(dǎo)致的魚死亡率情況。Xu等[14]研究草魚在射流泵中的運(yùn)動(dòng)及傷害情況，指出壓力與速度變化導(dǎo)致的應(yīng)力可能導(dǎo)致魚鰓與魚鱗的損傷，非對(duì)稱的流道擴(kuò)散可能造成魚體與固壁的碰撞。

圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)得由于壓力急劇下降導(dǎo)致的魚死亡率情況

（三）剪切力和湍流原因

水流通過水輪機(jī)流道進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)水壓力發(fā)生改變。水輪機(jī)過流流道中靠近固體邊界附近出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力，剪切力和湍流越大，魚類受傷的可能性越大。最高剪切力值接近于流體和固體速度之間的交界面，比如葉片前緣、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉。福伊特團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析來證實(shí)上述區(qū)域的的高剪切力。當(dāng)魚進(jìn)入水輪機(jī)系統(tǒng)中的“破壞性”剪切力區(qū)域時(shí)，魚會(huì)受到傷害，有時(shí)甚至是致命的。傷害的程度和魚的種類、大小及進(jìn)入剪切帶的方式有關(guān)。

大多數(shù)軸流式水輪機(jī)在活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片之間有間隙，從這些間隙中的泄漏以及水輪機(jī)非最優(yōu)工況在高剪切力區(qū)域?qū)е铝鲃?dòng)分離從而產(chǎn)生渦。量化這些高剪切應(yīng)力區(qū)域可以協(xié)助水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，從而減少剪切力區(qū)域，增強(qiáng)魚的生存能力。例如，對(duì)于軸流式水輪機(jī)，最大化地傾斜葉片，并使葉片前緣角度和速度矢量相匹配從而減少渦，使剪切力區(qū)域減少。在混流式水輪機(jī)中，尾水管渦流中的漩渦也有相關(guān)的剪切力，并且可能是魚受到傷害的剪切力的主要來源。

Neitzel等[15]通過實(shí)驗(yàn)得到了魚類對(duì)剪切速度的安全極限受魚種類和方位的影響，用應(yīng)變率作為強(qiáng)度指標(biāo)來描述魚在剪切環(huán)境中所受到的水動(dòng)力，在應(yīng)變速率等于或小于500 cm/s時(shí)魚沒有明顯損傷。Cada [16]通過數(shù)值模擬及原型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)幼鮭通過軸流式水輪機(jī)受到的剪切力損傷進(jìn)行研究，結(jié)果得出水輪機(jī)流道中可能造成魚體損傷或死亡的剪切力區(qū)域?yàn)楣潭▽?dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉附近區(qū)域、轉(zhuǎn)輪區(qū)域及尾水管區(qū)域。

（四）空蝕原因

空化氣泡在產(chǎn)生和潰滅時(shí)所產(chǎn)生的高壓沖擊波會(huì)使魚類產(chǎn)生損傷。

Turnpenny 等[17]采用水下火花發(fā)生裝置來產(chǎn)生空化氣泡，試驗(yàn)中，一組連續(xù)汽泡在試驗(yàn)魚頭部及身體周圍潰滅，并沒有對(duì)試驗(yàn)魚造成組織損傷，但這并不代表水輪機(jī)內(nèi)的空化氣泡不會(huì)對(duì)過機(jī)魚造成損傷。這種裝置被認(rèn)為并沒有達(dá)到真正水輪機(jī)中空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高能量水平。邵奇等[18]采用人工模擬方法模擬鯉魚、草魚、鯽魚不同大小個(gè)體在不同水輪機(jī)工況條件下的損傷，發(fā)現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)下壓力梯度對(duì)魚類的生存構(gòu)成威脅，魚鰾受損，在肝、腎等處有出血點(diǎn)。

四、魚類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)概念

（一）魚類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)思路

目前，國(guó)內(nèi)外正積極努力研究既能高效發(fā)電又能幫助魚類安全下行的魚類友好型水輪機(jī)[19～22]。研究者們對(duì)魚類友好型水輪機(jī)的設(shè)計(jì)研究主要從以下思路著手：①確定設(shè)計(jì)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，包括：確定過魚目標(biāo)存活率，確定水輪機(jī)目標(biāo)效率；②初步計(jì)算水輪機(jī)的外形尺寸，并進(jìn)行三維幾何建模；③采用CFD技術(shù)對(duì)水輪機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使得上述的機(jī)械、壓力、剪切力、空蝕等因素滿足目標(biāo)魚體的存活率要求，同時(shí)還需滿足水輪機(jī)的效率目標(biāo)。

（二）魚類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)展

1. 魚類友好型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)設(shè)計(jì)

美國(guó)能源部啟動(dòng)了“先進(jìn)水電站水輪機(jī)系統(tǒng)科研計(jì)劃（AHTS）”，該計(jì)劃的目的是提出既能減少對(duì)魚類損傷，又能提高水輪機(jī)運(yùn)行效率的魚類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)方案。在該計(jì)劃中，福伊特集團(tuán)（Voith）提出了魚類友好型轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)理論：轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)可高效率運(yùn)行，沒有空蝕，可降低傷害魚類的概率；除去轉(zhuǎn)子中心體、葉片和轉(zhuǎn)輪室中環(huán)附近的間隙，包括導(dǎo)葉處的縫隙，轉(zhuǎn)輪體、葉片及出水環(huán)間的縫隙，以降低魚類受傷概率，并提高水輪機(jī)效率；去除導(dǎo)葉的突出部分，并通過變柱形出水環(huán)為球形出水環(huán)以減少間隙，同時(shí)提高能效；適當(dāng)?shù)夭贾霉潭▽?dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉位置，以消除因撞擊而使魚類受傷的可能性[23,24]；采用生物降解的潤(rùn)滑液、潤(rùn)滑脂和無潤(rùn)滑脂的活動(dòng)導(dǎo)葉軸瓦，避免有害的污染物進(jìn)入水中；拋光所有的表面焊縫，以降低對(duì)魚的擦傷等。

2. 魚類友好型貫流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)

目前魚類友好型貫流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)主要按以下方法進(jìn)行優(yōu)化：①增大轉(zhuǎn)輪直徑，并相應(yīng)降低轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；②減少轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量，減小轉(zhuǎn)輪體積，減小葉片長(zhǎng)度，采用厚的葉片前緣；③減少導(dǎo)葉突起；④增加導(dǎo)葉與葉片之間的距離；⑤合理布置活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉，使其位置及方向趨于一致；⑥優(yōu)化壓力梯度，減少壓力突變。

3. 魚類友好型混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)

魚類友好型混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)主要從以下幾方面著手：①減少葉片數(shù)，加大流道尺寸；②采用較厚的葉片進(jìn)口邊，使轉(zhuǎn)輪的效率和水頭特性曲線更平坦；③降低導(dǎo)葉的懸臂，以消除產(chǎn)生有害渦流的間隙，增加導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)輪之間的距離，并使導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉對(duì)齊等。

4. 其他魚類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)

奧爾登（Alden）公司側(cè)重于設(shè)計(jì)全新的水輪機(jī)[25]。奧爾登水輪機(jī)采用螺旋狀的葉片及葉片前緣裝置旋轉(zhuǎn)罩來消除常出現(xiàn)在葉緣附近的低壓渦流阻力，使魚類可恰好從轉(zhuǎn)輪葉片與座環(huán)的間隙通過，如圖3所示。通過CFD數(shù)值模擬計(jì)算表明，在葉片附近，流動(dòng)沿著下游方向，并且在輪轂和輪緣之間的葉片表面沒有流動(dòng)分離，如圖4所示。雖然奧爾登水輪機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)是消除可能造成魚類傷亡的關(guān)鍵因子，但其模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然保證了水輪機(jī)的高效率，但水流在尾水管處存在大量漩渦，這有可能使魚類在通過尾水管時(shí)被繞暈，致使其到下游后易被其他魚類或鳥類捕食。

圖3 奧爾登魚友型水輪機(jī)示意圖

圖4 奧爾登水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪前緣流速分布

阿爾斯通（ALSTOM）研制了一種最小間隙轉(zhuǎn)輪（簡(jiǎn)稱MGR），其概念為除結(jié)構(gòu)上必須的間隙外，葉片與輪轂、葉片與轉(zhuǎn)輪室之間無間隙或者間隙盡可能小[26]。最小間隙轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)可以減小與間隙相關(guān)的碾磨、空化、剪切力及湍流所引起的過魚損傷。ALSTOM 的設(shè)計(jì)人員還提出了一種計(jì)方法稱為“最小間隙導(dǎo)葉（MGGV）”，即完全消除導(dǎo)葉外伸結(jié)構(gòu)。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)是采用回轉(zhuǎn)表面底環(huán)嵌入一物，每只導(dǎo)葉處有一個(gè)嵌入物，嵌入物的形狀保證了在任何導(dǎo)葉開度下導(dǎo)葉與底環(huán)之間無間隙。MGGV 的應(yīng)用可以完全取消導(dǎo)葉外伸結(jié)構(gòu)，極大地減小流場(chǎng)中的剪切力區(qū)和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)下游區(qū)域的紊流，從而提高過機(jī)魚的存活率。此外，ALSTOM 公司還開發(fā)了渦旋形水輪機(jī)（Vortex Turbine），其采用渦旋形的外殼取代傳統(tǒng)水輪機(jī)中容易傷害魚群的固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉，使水流以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水角進(jìn)入轉(zhuǎn)輪而減小對(duì)魚群的傷害。然而這種機(jī)型主要用于小型水電站，其直錐形的尾水管雖有利于魚群通過，但會(huì)增加下游河床的沖刷和水電站的開挖高程。

此外，格蘭特縣公共事業(yè)管理區(qū)的工程師和Voith 的代表組成研究團(tuán)隊(duì)，以美國(guó)瓦納普姆（Wanapum）水電站（共10臺(tái)機(jī)組）為依托進(jìn)行魚類友好型水輪機(jī)研究[3,27]，如圖5所示。研究?jī)?nèi)容包括：轉(zhuǎn)輪尺寸和葉片數(shù)的改變、降低轉(zhuǎn)輪安裝高程以改善空化性能、延長(zhǎng)固定導(dǎo)葉以改善流態(tài)、活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉對(duì)齊、尾水管改型等。通過這些綜合設(shè)計(jì)研究，使水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)更平穩(wěn)，提高水力性能。

圖5 瓦納普姆水電站魚類友好型水輪機(jī)

五、總結(jié)與展望

（1）我國(guó)大型水電基地所在河流內(nèi)珍貴洄游魚類對(duì)壓力、剪切力等損傷因子的承受閾值尚不明確，需對(duì)它們的生物特性、行為特性進(jìn)行深入研究，確定各種特殊水動(dòng)力學(xué)條件下魚類傷害的閾值，建立相應(yīng)的魚類友好型水輪機(jī)設(shè)計(jì)的生物準(zhǔn)則。

（2）設(shè)計(jì)研究合理的試驗(yàn)系統(tǒng)，分析壓力、水流剪切力、空化特性以及機(jī)械碰撞等對(duì)魚體傷害情況的定量化影響，并觀察不同試驗(yàn)環(huán)境下魚類的行為特性和反應(yīng)。

（3）目前我國(guó)正在大力發(fā)展海洋能資源，開展我國(guó)海洋典型魚類在海洋發(fā)電裝備水動(dòng)力學(xué)條件下的傷害機(jī)理研究意義重大。

（4）已有的多種魚類友好型水輪機(jī)大多是基于軸流式水輪機(jī)進(jìn)行的開發(fā)，對(duì)于魚類友好型的混流式水輪機(jī)還有待深入研究。