潘 露， 呂 海 艷， 劉 藝 平

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

河道中修建的擋水建筑物會(huì)阻斷原本連通的河道，使具有洄游習(xí)性的魚類無(wú)法上溯洄游，對(duì)其繁殖和生存造成了極大的影響。為保護(hù)魚類資源，降低建壩帶來(lái)的負(fù)面影響，可修建過(guò)魚設(shè)施作為魚類上溯洄游的通道[1]。研究資料表明，魚類在洄游過(guò)程中對(duì)水流條件要求非常嚴(yán)格，進(jìn)魚口的水流條件直接關(guān)系到魚類能否順利進(jìn)入魚道。因此，進(jìn)魚口位置的選擇成為影響過(guò)魚設(shè)施運(yùn)行成敗的關(guān)鍵[2-3]。

筆者研究的牙根二級(jí)水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流，水電站為二等大(2)型工程，設(shè)有兩條廠房尾水洞，其過(guò)魚設(shè)施擬采用“集魚槽+索道轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)壩+運(yùn)魚船放流”的過(guò)魚方案。筆者結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，對(duì)該河段的流場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容與優(yōu)化方法能夠?yàn)殡娬緣蜗逻M(jìn)魚口設(shè)置提供依據(jù)。

2 進(jìn)魚口位置分析

對(duì)河道流速分布進(jìn)行分析，選擇三種典型工況，分別為：工況1，1號(hào)尾水洞和2號(hào)尾水洞分別過(guò)流2臺(tái)機(jī)組發(fā)電流量；工況2，1號(hào)尾水洞過(guò)流2臺(tái)機(jī)組發(fā)電流量，2號(hào)尾水洞不過(guò)流；工況3，1號(hào)尾水洞和2號(hào)尾水洞分別過(guò)流0.5臺(tái)機(jī)組發(fā)電流量。

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值計(jì)算以FLUENT軟件作為流場(chǎng)模擬工具，選用κ-ε紊流雙方程模型，對(duì)于自由液面的處理，計(jì)算采用具有追蹤功能的VOF單流體模型，并用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散。

進(jìn)魚口河段流場(chǎng)計(jì)算范圍為2號(hào)尾水洞上游260 m至1號(hào)尾水洞下游520 m，總長(zhǎng)近850 m的河段。建模時(shí)，以壩軸線下游330 m處為坐標(biāo)零點(diǎn)。X軸與尾水洞出口河段軸線大致平行，Y軸與河道垂直，Z坐標(biāo)與高程一致。計(jì)算邊界條件設(shè)置如下：1號(hào)和2號(hào)尾水洞進(jìn)口斷面采用速度進(jìn)口邊界，尾水洞邊壁及河道地形采用固壁邊界。河道下游出流斷面采用自由出流邊界。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，沿水深方向節(jié)點(diǎn)間距為0.4～1.2 m，與水深垂直方向節(jié)點(diǎn)間距為2～3 m，網(wǎng)格單元總數(shù)約23.5萬(wàn)個(gè)。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見圖1。三種不同組合工況運(yùn)行時(shí)進(jìn)魚口河段流場(chǎng)分布見圖2。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖2 進(jìn)魚口河段流場(chǎng)分布數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)的模擬范圍與數(shù)模計(jì)算一致。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，采用正態(tài)模型，幾何比尺采用1∶30。下游河道流場(chǎng)分布見圖3。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 下游河道流場(chǎng)分析

由圖2、3可知，不同發(fā)電機(jī)組組合運(yùn)行時(shí)下游河段流場(chǎng)分布規(guī)律大致相同。尾水洞上游，以回流為主，越往上游流速越小。尾水洞出口附近水流集中，流速最大，之后，隨著水流擴(kuò)散，流速迅速減小。尾水洞下游河段主流靠右岸行進(jìn)，水流較為平順，左岸則存在大范圍回流區(qū)。1號(hào)尾水洞出口下游350 m之后，由于河道縮窄，流速有所增加。比較不同工況時(shí)下游河道流場(chǎng)分布，隨著機(jī)組運(yùn)行數(shù)量的減少，河道下游流速逐漸減小，低流速區(qū)范圍隨之?dāng)U大。

圖4為發(fā)電機(jī)組三種不同組合工況下，下游河道樁號(hào)0+650 m斷面流速分布數(shù)值計(jì)算成果與模型試驗(yàn)成果對(duì)比情況。結(jié)果表明，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較好吻合，相對(duì)誤差小于8%，在允許范圍15%以內(nèi)[4]。

2.3.2 進(jìn)魚口位置選擇

由于魚類對(duì)水流流速較敏感，不同種類的魚類偏好的流速不同。牙根二級(jí)水電站過(guò)魚設(shè)施主要過(guò)魚對(duì)象為四川裂腹魚、長(zhǎng)絲裂腹魚等。主要過(guò)魚季節(jié)2～5月。通過(guò)對(duì)雅魯藏布江中游體長(zhǎng)為170～450 mm的裂腹魚類游泳能力試驗(yàn)研究[5]可知：裂腹魚類感應(yīng)流速為0.04～0.1 m/s，臨界速度為0.83～0.98 m/s，突進(jìn)速度為1.17～1.53 m/s。在0.8～1.2 m/s流速范圍持續(xù)游泳時(shí)間大于5 min。因此，進(jìn)魚口宜設(shè)置在河道內(nèi)水流平順，流速為0.8～1.2 m/s的區(qū)域，且河道內(nèi)不存在影響魚類上溯的流速屏障。筆者以此作為進(jìn)魚口位置的選擇依據(jù)。

根據(jù)下游流場(chǎng)分布圖可知，4臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾水洞附近的高速橫向水流形成魚類洄游屏障，魚類將無(wú)法完成上溯；3臺(tái)及以下機(jī)組運(yùn)行時(shí)，尾水洞出流對(duì)魚類上溯不形成流速屏障，但尾水洞出口上游基本為回流區(qū)，誘魚流態(tài)較差。因此，尾水洞上游河段不宜布置進(jìn)魚口。尾水洞對(duì)岸下游河道水流較為平順，主流方向明確，存在較大范圍的0.8～1.2 m/s流速區(qū)，適宜布置集魚系統(tǒng)進(jìn)魚口。由于尾水洞過(guò)流量變化，右岸進(jìn)魚口布置區(qū)域流速發(fā)生變化，未發(fā)現(xiàn)三種工況下能同時(shí)滿足0.8～1.2 m/s流速范圍的區(qū)域。為保證集魚效果，考慮在尾水洞出口右岸布置兩個(gè)進(jìn)魚口以適應(yīng)不同工況。3臺(tái)及以下機(jī)組運(yùn)行時(shí)，主要通過(guò)1號(hào)進(jìn)魚口過(guò)魚；3臺(tái)及以上機(jī)組運(yùn)行時(shí)，主要通過(guò)2號(hào)進(jìn)魚口過(guò)魚。各工況下0.8～1.2 m/s流速區(qū)及適宜布置進(jìn)魚口區(qū)域見圖5。

3 魚道線路布置

為保證魚類進(jìn)入魚道后順利游至集魚池，魚道內(nèi)部池室需要保持0.3～1 m/s流速。根據(jù)試驗(yàn)，為達(dá)到魚道池室過(guò)魚流速要求，本工程魚道底坡需保持2%，1號(hào)、2號(hào)進(jìn)魚口之間魚道長(zhǎng)度應(yīng)為195 m。本工程通過(guò)采用兩個(gè)180°轉(zhuǎn)彎[6]，增加魚道長(zhǎng)度，滿足了魚道池室底坡2%，池室流速0.3～1 m/s的要求。魚道線路布置見圖6。

(a)工況1

(c)工況3圖3 進(jìn)魚口河段流場(chǎng)分布模型試驗(yàn)結(jié)果

(a)工況1 (b)工況2 (c)工況3圖4 典型斷面數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)對(duì)比情況

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖5 0.8～1.2 m/s流速區(qū)及適宜布置進(jìn)魚口區(qū)域圖

圖6 魚道線路布置

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)對(duì)牙根二級(jí)水電站下游河段流場(chǎng)分布進(jìn)行了研究，研究表明：尾水洞下游河道右岸水流較為平順，主流方向明確，存在較大范圍的0.8～1.2 m/s流速區(qū)，適宜布置進(jìn)魚口。分析不同工況下河道右岸流場(chǎng)分布，未發(fā)現(xiàn)各種工況下能同時(shí)滿足0.8～1.2 m/s流速范圍的區(qū)域。為保證集魚效果，建議布置兩個(gè)進(jìn)魚口。3臺(tái)以下機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在樁號(hào)0+690 m～0+740 m區(qū)域布置1號(hào)進(jìn)魚口過(guò)魚；3臺(tái)及以上機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在樁號(hào)0+550 m～0+590 m區(qū)域布置2號(hào)進(jìn)魚口過(guò)魚。筆者采用的進(jìn)魚口位置選擇方法及180°轉(zhuǎn)彎線路布置可為其他類似工程提供參考。