狄高健，韓 雷，田振華，劉發(fā)智

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

水利工程的修建帶來(lái)了防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等經(jīng)濟(jì)效益，但擋水建筑物的修建對(duì)本來(lái)連通的河道進(jìn)行了阻隔，影響了河流生態(tài)環(huán)境的整體連續(xù)性，也中斷了具有洄游習(xí)性魚類的上溯，影響洄游魚類的繁殖與生存[1-2]。從保護(hù)洄游魚類及河流生態(tài)系統(tǒng)多樣性角度，減輕擋水建筑物阻隔的影響，一般需要修建魚道、升魚機(jī)等過魚設(shè)施為魚類上溯提供通道。研究資料表明，魚類在洄游過程中對(duì)水流條件要求嚴(yán)格，魚道進(jìn)口位置的選取十分重要，甚至可成為影響過魚設(shè)施運(yùn)行成敗的關(guān)鍵[3-6]。

目前，國(guó)內(nèi)采用水力學(xué)物理模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法對(duì)魚道水力特性的研究較多，而對(duì)魚道進(jìn)口位置布置的研究較少。本文以細(xì)鱗河水庫(kù)魚道為例，項(xiàng)目結(jié)合樞紐的運(yùn)行情況，采用二維數(shù)值仿真模型，對(duì)攔河壩下游魚道進(jìn)口附近處的水流條件進(jìn)行研究，得出其流速分布情況，為工程魚道進(jìn)口的布置提供依據(jù)。

1 工程概況

細(xì)鱗河水庫(kù)位于黑龍江省鶴崗市北細(xì)鱗河下游干流上，水庫(kù)主要功能是向鶴崗煤礦供水，確保煤礦生活及工業(yè)用水的需求。細(xì)鱗河位于黑龍江省東北部，是梧桐河支流，發(fā)源于桶子溝和金頂山南麓，流經(jīng)十八號(hào)、十里河、細(xì)鱗河林場(chǎng)，注入梧桐河，全長(zhǎng)48 km，屬長(zhǎng)流河。據(jù)調(diào)查采集魚類和文獻(xiàn)記載，細(xì)鱗河魚類共計(jì)7目12科46種，主要洄游魚有細(xì)鱗魚、哲羅魚、雷氏七鰓鰻、懷頭鯰、江鱈等珍貴冷水性魚，以及鰱、鳙、鯉、銀鯽等溫水性魚。本次保護(hù)魚類主要有細(xì)鱗魚、哲羅魚、江鱈等。本樞紐建成后，阻隔了魚類洄游通道，并對(duì)魚類產(chǎn)卵場(chǎng)造成不利的影響，擬修建仿生態(tài)式魚道過魚，修建魚類增殖保護(hù)站開展人工增殖放流，作為主要魚類保護(hù)措施。

2 數(shù)值模擬

2.1 控制方程

將三維水流運(yùn)動(dòng)基本方程沿水深進(jìn)行積分，并沿水深取平均，即得沿水深平均的二維水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)基本方程。

水流連續(xù)方程：

(1)

沿X方向動(dòng)量方程：

(2)

沿Y方向動(dòng)量方程：

(3)

式中：H、Z分別為水深和水位；u、v分別為X、Y向的流速;ρ為水體密度;v為紊動(dòng)粘性系數(shù);c為謝才系數(shù);R為水力半徑;n為底床糙率;f為柯氏力系數(shù)，f=2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為計(jì)算水域所在地理緯度。

利用流體力學(xué)的有限單元法來(lái)計(jì)算控制方程的數(shù)值解，其基本求解過程為：控制方程分別在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散。其中時(shí)間離散采用差分法，空間離散采用有限單元法，求解過程全部采用隱式格式。

2.2 模擬范圍及網(wǎng)格剖分

針對(duì)細(xì)鱗河水庫(kù)魚道的特點(diǎn)，建立樞紐下游及魚道進(jìn)口數(shù)值仿真模型。其中，網(wǎng)格劃分采用漸變方式。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 攔河壩下游及魚道進(jìn)口附近數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

2.3 參數(shù)設(shè)置

糙率系數(shù)：參照多個(gè)工程的經(jīng)驗(yàn)確定曼寧圖，主河道水深較大，糙率對(duì)水流影響較小，取0.025。

渦粘系數(shù)：根據(jù)Smagorinsky公式確定。

(4)

式中：U，V為X，Y方向垂線平均流速，Δ為網(wǎng)格間距，Cs計(jì)算參數(shù)，一般選0.25

動(dòng)邊界處理：為保證模型計(jì)算的連續(xù)性，本文采用“干濕判別”來(lái)確定計(jì)算區(qū)域由于水位變化產(chǎn)生的動(dòng)邊界，當(dāng)計(jì)算區(qū)域水深小于0.1 m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“干”，不參加計(jì)算；當(dāng)水深大于0.2 m時(shí)，該計(jì)算區(qū)域記為“濕”，重新參加計(jì)算。

2.4 計(jì)算工況

細(xì)鱗河水庫(kù)水位～流量關(guān)系曲線見圖2。結(jié)合樞紐的運(yùn)行條件，對(duì)魚道進(jìn)口附近及攔河壩下游的水流條件進(jìn)行研究，分別選取D-1工況為魚道進(jìn)口處最低運(yùn)行水位工況，D-2工況為溢流壩泄流工況，D-3工況為魚道進(jìn)口最高運(yùn)行水位工況。

圖2 水位流量關(guān)系曲線

3 計(jì)算結(jié)果及分析

魚類在有上溯要求時(shí)，一般趨向于頂沖水流游泳。反應(yīng)水流對(duì)魚運(yùn)動(dòng)的流速有感應(yīng)流速、喜愛流速與極限流速三種。達(dá)到感應(yīng)流速，魚類開始感應(yīng)并趨流前進(jìn)，超過極限流速，魚類或退卻，或順流而下?！端姽こ挑~道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中規(guī)定：魚道的設(shè)計(jì)流速不應(yīng)大于主要過魚對(duì)象的極限流速，不應(yīng)小于魚類的感應(yīng)流速。魚類的克流能力一般用魚在一定時(shí)間段內(nèi)可以克服某種水流的流速大小來(lái)表示。根據(jù)相關(guān)結(jié)論和資料以及項(xiàng)目中魚種類和克流能力，本項(xiàng)目中保護(hù)魚類的感應(yīng)流速取0.2 m/s，極限流速為1.2 m/s，即魚道的進(jìn)口應(yīng)保證流速在0.2～1.2 m/s之間，而大部分魚類的喜愛流速在0.3～0.5 m/s之間，即當(dāng)流速在此區(qū)間時(shí)，魚類更容易找到進(jìn)魚口從而順利進(jìn)入魚道內(nèi)部。

3.1 D-1工況

D-1工況，最低運(yùn)行水位工況時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(圖3、圖4)可以看出，河道流速在0.2～0.5 m/s范圍內(nèi)；魚道進(jìn)口附近水流速度較小，約為0.1 m/s左右，小于魚類的感應(yīng)流速0.2 m/s，魚類較難找到進(jìn)魚口，不能很順利地進(jìn)入魚道內(nèi)部。

3.2 D-2工況

D-2工況，溢流壩泄流工況時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(圖5、圖6)可以看出，下游河道速流速在0.1～0.7 m/s范圍內(nèi)；魚道進(jìn)口處附近水流平順，流速在0.35 m/s左右，大于保護(hù)魚類的感應(yīng)流速0.2 m/s，小于保護(hù)魚類的極限流速1.2 m/s，且在魚類喜愛流速范圍0.3～0.5 m/s之間，因此在本工況下，理論上魚類能夠找到進(jìn)魚口從而順利進(jìn)入魚道內(nèi)部。

圖3 D-1工況進(jìn)口及下游流場(chǎng)等值線圖

圖4 D-1工況進(jìn)口及下游流場(chǎng)矢量圖

圖5 D-2工況進(jìn)口及下游流場(chǎng)等值線圖

3.3 D-3工況

D-3工況，魚道進(jìn)口最高運(yùn)行水位工況時(shí)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(圖7、圖8)可以看出，下游河道速流速在0.1～1.0 m/s范圍內(nèi)；魚道進(jìn)口處附近水流平順，流速在0.45 m/s左右，大于保護(hù)魚類的感應(yīng)流速0.2 m/s，小于保護(hù)魚類的極限流速1.2 m/s，且在魚類喜愛流速范圍0.3～0.5 m/s之間，因此在本工況下，理論上魚類能夠找到進(jìn)魚口從而順利進(jìn)入魚道內(nèi)部。

圖6 D-2工況進(jìn)口及下游流場(chǎng)矢量圖

圖7 D-3工況進(jìn)口及下游流場(chǎng)等值線圖

圖8 D-3工況進(jìn)口及下游流場(chǎng)矢量圖

4 結(jié) 論

本文通過細(xì)鱗河水庫(kù)對(duì)攔河壩下游魚道進(jìn)口附近處的水流條件進(jìn)行模擬研究，分析了魚道進(jìn)口布置的合理性，得到以下結(jié)論：

D-2工況和D-3工況，魚道進(jìn)口處附近水流平順，流速均在魚類喜愛流速范圍0.3～0.5 m/s之間，均能夠滿足魚類上溯的要求；而D-1工況，最低運(yùn)行水位時(shí)，因河道水面較寬，魚道進(jìn)口位置附近的流速較小，進(jìn)口布置方案很難滿足魚類上溯的要求，為了使魚類能更好的沿魚道上溯，建議采取以下措施：

(1)在進(jìn)口處采取補(bǔ)水措施。

(2)將魚道進(jìn)口布置位置向上游方向移動(dòng)，建議布置在壩下300 m以上范圍內(nèi)。