羅濤，鐘建

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072)

1 引言

魚類由于索餌、越冬或繁殖等需求，往往會出現(xiàn)洄游行為。水電站尤其是梯級電站中大壩的修建在破壞河流縱向連通性的同時(shí)，也使得部分洄游性魚類原有的棲息地受到了破壞，直接影響了魚類的生長與繁殖[1]，這對魚類的生存造成了威脅，甚至可能導(dǎo)致某些魚類的滅絕。修建魚道可有效減緩大壩的阻隔影響，對恢復(fù)魚類在河流中自由洄游具有重要的意義[2]。魚道進(jìn)口位置的選擇直接影響著魚道工程的過魚效果[3]。針對不同洄游目標(biāo)魚類，魚道進(jìn)口所需要的水力學(xué)條件也不同，進(jìn)口附近是否存在滿足特定水力學(xué)條件的集誘魚水流、魚類是否能迅速感應(yīng)到吸引水流并進(jìn)入進(jìn)口是魚道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一[4]。

自1662年法國南部阿貝爾省首次提出魚道設(shè)計(jì)以來[2]，國內(nèi)外研究人員對不同結(jié)構(gòu)體型的魚道進(jìn)行了大量研究。劉志雄等設(shè)計(jì)了帶隔板的玻璃水槽，對異側(cè)豎縫式魚道內(nèi)部的水力特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5]。諸韜等[6]對某工程雙側(cè)豎縫式魚道的正反兩種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了魚道內(nèi)部的水力特性。魏炳乾等[7]針對地盤子工程魚道建立了物理模型，將仿自然通道與垂直豎縫式魚道相結(jié)合，得出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。胡曉、石小濤等[8]對國外涵洞式魚道的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，提出了三種擋板系統(tǒng)工作時(shí)的水力學(xué)相關(guān)計(jì)算公式。林寧亞等[9]結(jié)合某實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬與物理模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，得出了交錯蠻石仿自然魚道內(nèi)部的水力學(xué)特性。以往關(guān)于魚道設(shè)施的研究大多集中在魚道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水力學(xué)特性上，但魚道能否成功運(yùn)行不僅取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還與魚道進(jìn)口處的水流吸引條件息息相關(guān)[10]，國內(nèi)外都不乏因魚道進(jìn)口無法被魚類感知而導(dǎo)致魚道過魚效率極其低下甚至廢棄的工程案例。本文對虎渡溪壩下庫區(qū)進(jìn)行三維數(shù)值模擬并開展物理模型試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)模結(jié)果可靠后，從流場分布特性、適宜流速分布特性、紊動能分布特性三個(gè)方面綜合分析，擬將虎渡溪航電樞紐工程目標(biāo)魚類的生活習(xí)性、行為學(xué)特征與其壩下水力學(xué)特性進(jìn)行耦合，結(jié)合工程實(shí)際對魚道進(jìn)口的布置區(qū)域提出建議。

2 研究材料與方法

2.1 研究區(qū)域

本文以岷江虎渡溪航電樞紐工程及其下游河道為研究對象，該工程是岷江干流航電梯級開發(fā)規(guī)劃中的第六級。工程開發(fā)方式采用河床式開發(fā)，水庫正常蓄水位391.00m，正常蓄水位的對應(yīng)庫容約3152.00萬m3，該工程具有日調(diào)節(jié)性能，其調(diào)節(jié)庫容為282.00萬m3。電站共設(shè)3臺機(jī)組，單機(jī)最大容量為21MW，工程設(shè)計(jì)引用流量為996.60m3/s。

2.2 過魚對象、季節(jié)及游泳能力

根據(jù)該工程配套的水域水生生物調(diào)查成果可知，本工程的主要過魚對象為長吻鮠與白甲魚，其適宜流速區(qū)間為0.23m/s～1.21m/s。兩種主要過魚目標(biāo)均為小型魚類且均有洄游需求，根據(jù)其繁殖季節(jié)將過魚時(shí)間定為3-7月。根據(jù)丁少波等[11]的研究，可得知過魚對象的游泳能力如表1所示。

2.3 數(shù)學(xué)模型及物理模型驗(yàn)證

2.3.1 模擬區(qū)域

河道地形數(shù)據(jù)根據(jù)真實(shí)地形資料制作成數(shù)字地形，作為計(jì)算的幾何模型。原點(diǎn)位于靠近左岸尾水洞末端距離右岸196.50m處，以原點(diǎn)垂直指向右岸的方向?yàn)閥軸正向。x方向建模范圍為0-361m～0+923m，共1284.00m；y方向建模范圍為0-297m～0+455m，共752.00m；z方向模擬高程范圍為0+350m～0+385m，共35.00m。研究區(qū)域的三維模型如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域三維模型示意

2.3.2 網(wǎng)格劃分

本次模擬采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為減少總網(wǎng)格數(shù)量并提高計(jì)算效率，采用漸變網(wǎng)格對重點(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行了局部加密處理。因該工程尾水洞出口處附近流態(tài)變化較大，故對尾水洞出流處進(jìn)行了加密處理。本次模擬共采用3套網(wǎng)格，上部網(wǎng)格用于壩上游處，其x方向的范圍為0-320m～0-80m；中部網(wǎng)格用于尾水出口附近，其x范圍為0-80m～0+100m；下部網(wǎng)格用于尾水下游至最下游邊界，其x方向的范圍為0+100m～0+920m。整套網(wǎng)格數(shù)量總數(shù)為481.80萬。該工程壩下流場數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

2.3.3 邊界條件

本次模擬的計(jì)算入口為模型最上游0-361m處，計(jì)算出口為0+923m處。由于自由表面是水體與大氣的交界面，故自由表面的邊界條件應(yīng)為壓力邊界條件，即P=Pa(大氣壓力)，F(xiàn)=0(充滿空氣)。入口采用流量邊界，給定上游邊界出口流量Q。出口采用壓力邊界條件，給定出口斷面的水面高程Houtlet及水面壓力P=Pa(大氣壓力)。壁面采用無滑移壁面條件，參考河道資料，給定河道壁面糙率為0.03。為了提高計(jì)算效率，在計(jì)算前進(jìn)行初始化設(shè)定，在計(jì)算區(qū)域內(nèi)以水位高程的方式初始化流體。

2.3.4 工況設(shè)置

本電站共有三臺機(jī)組，從左岸向右岸依次編號為1#、2#、3#機(jī)組。工況1為左岸側(cè)(1#)單機(jī)運(yùn)行；工況2為右岸側(cè)(3#)單機(jī)運(yùn)行；工況3為外側(cè)雙機(jī)組(1#、3#)運(yùn)行；工況4為三臺機(jī)組滿發(fā)。結(jié)合目標(biāo)魚類繁殖期3-7月的幾種典型流量，工況設(shè)置如表2所示。

表2 工況設(shè)置

2.3.5 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，作者針對比尺為1∶60的物理模型開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，物理模型見圖3。本文選取了流量最大的典型工況4(出庫流量為996.00m3/s)進(jìn)行驗(yàn)證，將水工模型試驗(yàn)的測量結(jié)果與數(shù)值模擬相應(yīng)區(qū)域的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的流速大小與方向?qū)Ρ热鐖D4所示。從流速大小來看，相對誤差范圍為0.005%～19.93%，平均相對誤差為5.33%，平均絕對誤差為0.056m/s；從流速角度來看，相對誤差范圍為0～19.60%，平均相對誤差為5.44%，平均絕對誤差為2.64°。綜上，本文數(shù)值模擬所得出的該工程下游河道水力學(xué)特性是可靠的。

圖3 物理模型

圖4 流速大小與角度誤差示意

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 流場分析

研究區(qū)域各工況下的流場數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖5。各工況的壩下研究區(qū)域主流均偏向左岸，主流區(qū)域水流平順、擴(kuò)散均勻。工況1主流流速范圍為0.14m/s～1.24m/s，右岸x=120.00m～740.00m范圍內(nèi)存在一個(gè)回流區(qū)域，其最大橫向?qū)挾燃s為200.00m；工況2主流流速范圍為0.14m/s～1.23m/s，在壩下右岸x=160.00m～780.00m范圍內(nèi)存在一個(gè)回流區(qū)域，最大橫向?qū)挾燃s為360.00m；工況3主流流速范圍為0.15m/s～1.45m/s，在壩下右岸x=160.00m～720.00m范圍內(nèi)存在一個(gè)回流區(qū)域，其最大橫向?qū)挾燃s為320.00m。工況4主流流速范圍為0.42m/s～3.14m/s，在x=160.00m，y=250.00m附近由于地形原因，在主流部分出現(xiàn)了小范圍的漩渦回流區(qū)，其最大橫向?qū)挾燃s為15.00m，在壩下右岸x=250.00m～650.00m范圍內(nèi)存在一個(gè)大面積的回流區(qū)域，其最大橫向?qū)挾燃s為250.00m，且回流在x=180.00m～260.00m處與主流出現(xiàn)交混，形成了一個(gè)環(huán)形流通區(qū)。

圖5 各工況數(shù)值模擬流場

目標(biāo)魚類存在溯邊溯底的洄游特性，且本文目標(biāo)魚類適宜流速區(qū)間為0.23m/s～1.21m/s，可以此為依據(jù)從流場角度進(jìn)行分析。在工況1、2、3下主流流速不大，不存在流速屏障阻隔，魚類可沿主流上溯，右岸雖存在回流區(qū)，但回流流速不高，且與主流右側(cè)的邊界清晰，故沿主流左右兩側(cè)均可上溯至壩前，目標(biāo)魚類可穿過主流尋找適宜區(qū)域進(jìn)行游動。在工況4下，主流左側(cè)流場變化不大，受地形影響，主流左側(cè)尾水出口不遠(yuǎn)處存在一個(gè)低流速區(qū)，可作為目標(biāo)魚類休息場所，適宜目標(biāo)魚類上溯；主流右側(cè)流場十分復(fù)雜，由于流量增大，主流右側(cè)形成的回流區(qū)面積大，流速高，且與主流右側(cè)出現(xiàn)交混，目標(biāo)魚類不易識別上溯水流，故主流右側(cè)不適宜魚類上溯。

3.2 適宜流速分析

研究區(qū)域各工況下的適宜流速等值線圖見圖6，其中流速大于1.20m/s的區(qū)域?yàn)椴贿m宜魚類活動的范圍，以紅色表示。工況1-3下，除尾水出口處流速過大，其余區(qū)域均為魚類可到達(dá)、活動的區(qū)域；壩下左岸的x=0～900m，y=0～150m處為流速適宜區(qū)，右岸大部分是低流速或回流區(qū)，不存在覆蓋整個(gè)河道橫斷面的流速屏障阻隔，目標(biāo)魚類從左右岸均可成功上溯到壩前位置。工況4的主流絕大部分區(qū)域呈現(xiàn)出紅色；此工況存在三處適宜魚類活動的區(qū)域：①x=60m～340m，y=240m～300m；②x=700m～900m，y=-80m～800m；③x=160m～900m，緊貼主流右側(cè)寬度約為70m的整條適宜流速帶。工況4下右岸大部分是低流速或回流區(qū)，不存在覆蓋整個(gè)河道橫斷面的流速屏障阻隔，魚類從左右岸均可成功上溯到壩前位置。

圖6 各工況數(shù)值模擬適宜流速分布等值線

3.3 紊動能分析

研究區(qū)域各工況下的紊動能分布見圖7。工況1、2、3壩下紊動能整體偏小，且紊動出現(xiàn)的位置固定。其中工況1的紊動區(qū)域出現(xiàn)在x=50.00m～150.00m，y=200.00m～260.00m的尾水洞出口左側(cè)導(dǎo)墻下游處，其紊動能范圍為0.01m2/s2～0.02m2/s2；主流段紊動能范圍為0～0.02m2/s2。工況2的紊動區(qū)域出現(xiàn)在x=50.00m～400.00m，y=100.00m～140.00m的尾水洞出口右側(cè)導(dǎo)墻下游處，其紊動能范圍為0～0.02m2/s2；主流段紊動能范圍為0～0.04m2/s2。工況3的紊動區(qū)域出現(xiàn)在x=50.00m～350.00m，y=100.00m～140.00m的尾水洞出口右側(cè)導(dǎo)墻下游處，其紊動能范圍為0.01m2/s2～0.03m2/s2；主流段紊動能范圍為0～0.04m2/s2。工況4由于流量增加，紊動能增大，水流紊動區(qū)域也明顯增多。在x=55.00m～300.00m，y=100.00m～160.00m的尾水洞出口右側(cè)導(dǎo)墻下游處存在高紊動區(qū)域，其值大于0.05m2/s2；另外在x=0～800.00m，y=140.00m～260.00m的主流左側(cè)條形區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的紊動，其紊動能范圍為0.02m2/s2～0.05m2/s2。

圖7 各工況數(shù)值模擬紊動能分布

本文的目標(biāo)魚類喜好存在適宜紊動的區(qū)域，但紊動能不宜大于0.04m2/s2，因?yàn)檫^強(qiáng)的紊動將影響魚類自身平衡，還會使得魚類在游動過程中消耗大量能量，不利于魚類通過[12]。綜合上述因素考慮，適宜本文目標(biāo)魚類的紊動能范圍為0～0.04m2/s2。工況1存在兩處適宜區(qū)域：①x=70m～120m，y=220m～260m；②x=0～300m，y=140m～180m。工況2存在兩處適宜區(qū)域：①x=0～200m，y=180m～200m；②x=60m～400m，y=160m～180m。工況3存在兩處適宜區(qū)域：①x=80m～120m，y=230m～280m；②x=60m～340m，y=100m～150m。工況4存在三處適宜區(qū)域：①x=40m～160m，y=200m～280m；②x=240m～400m，y=-180m～-240m；③x=420m～560m，y=40～120m。

4 結(jié)論與展望

本文以岷江干流虎渡溪航電樞紐工程為例，根據(jù)真實(shí)地形、建筑物資料建立了數(shù)字地形與水工模型，采用流體計(jì)算軟件對該工程的尾水洞及壩下河道進(jìn)行了數(shù)值模擬，并開展了物理模型試驗(yàn)對數(shù)模結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。確定數(shù)值模擬結(jié)果可靠后，對四種典型流量工況下的流場、適宜流速、紊動能進(jìn)行了對比分析，結(jié)論如下：

結(jié)合四種工況下的流場分布、適宜流速分布以及紊動能分布，建議將魚道進(jìn)口布置在尾水洞左岸導(dǎo)流墻末端處。該位置流場穩(wěn)定，處于主流均勻擴(kuò)散區(qū)，各工況的流速大小均在0.23m/s～1.21m/s的適宜范圍內(nèi)，且在工況1、2、3下此處的紊動能范圍為0.01m2/s2～0.015m2/s2，工況4此處的紊動能大小為0.02m2/s2～0.035m2/s2，各工況下的紊動強(qiáng)度均處于本文目標(biāo)魚類的適宜范圍內(nèi)；另一方面，該位置靠近岸邊，無論是場地要求還是施工難易程度而言都比較適合魚道布置。

本文從生態(tài)水力學(xué)特性的角度出發(fā)，對目標(biāo)魚類的喜好流速與紊動能進(jìn)行分析，給出了魚道進(jìn)口位置的布置建議，對類似工程具有借鑒意義。但本文并未從魚類的生態(tài)學(xué)角度進(jìn)行分析，魚類可能因?yàn)闇囟?、餌類生物、天敵等因素選擇其他位置進(jìn)行上溯，故魚類生物學(xué)因素可作為日后補(bǔ)充研究的重要方向。此外由于該工程為航電樞紐工程，通航船只對目標(biāo)魚類的擾動程度尚不明確，故本文推薦進(jìn)口位置可能與實(shí)際魚類集群區(qū)域存在一定偏差。