張 銘，謝 紅，楊 宇，王曉剛，趙建平

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.漢江雅口航運樞紐管理處，湖北 襄陽 441400)

過魚設(shè)施是在水閘、水壩或天然障礙處為魚類上溯洄游而設(shè)置的建筑物，是一種重要的生態(tài)保護措施。水利工程中的過魚設(shè)施主要有魚道、魚閘及升魚機等，中高壩一般采用魚閘或者升魚機，而低壩一般采用魚道。目前，世界范圍內(nèi)已建的過魚設(shè)施中有的過魚效果并不理想[1]，主要是因為兩類水流障礙的存在[2-5]，一是過魚設(shè)施內(nèi)部的水流障礙，如流速超過魚類的游泳能力或者不利流態(tài)致使魚類迷失方向等；二是集魚系統(tǒng)進口附近的水流障礙，主要是指集魚系統(tǒng)進口附近的復(fù)雜水流使魚類無法順利找到進口。目前關(guān)于過魚設(shè)施的研究主要集中于其內(nèi)部的水力條件，而集魚系統(tǒng)進口位置的選擇、布置形式及水流條件等方面的研究還不多見。

集魚系統(tǒng)是過魚設(shè)施的重要組成部分，其目的是收集洄游魚類，使其利用過魚設(shè)施過壩。如果魚類不能順利發(fā)現(xiàn)并進入集魚系統(tǒng)進口，則無法保證其過魚效率。集魚系統(tǒng)集魚效果易受電站運行工況的影響，魚類只有感應(yīng)并被集魚系統(tǒng)進口的水流吸引，才能進入并利用過魚設(shè)施進行洄游[6-10]。集魚系統(tǒng)進口位置一般布置在魚類能夠順利上溯可達的水域，且盡量利用下泄水流對魚類的吸引作用[11-16]。盡管目前國內(nèi)外對魚道進口位置的選擇已有一些設(shè)計指導(dǎo)原則，如合理利用尾水、兼顧魚類游泳能力等，但電站下游河道水力條件差異較大。因此，仍需采用適宜的技術(shù)對壩下河道流場進行分析，結(jié)合魚類游泳行為特性，確定不同發(fā)電工況下魚類可能的群集區(qū)域或能夠順利到達的地點。

1 工程概況

湖北省漢江崔家營航電樞紐位于襄樊市下游17 km處，是湖北省內(nèi)漢江干流9級梯級開發(fā)中的第6級，上距丹江口水利樞紐 142 km，下距河口 515 km，是一個以航運為主，兼有發(fā)電、灌溉、改善環(huán)境、旅游等綜合開發(fā)功能的項目。根據(jù)漢江洄游性魚類、半洄游性魚類現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合本樞紐特點，過魚對象主要為洄游性魚類鰻鱺、長頜鱭和半洄游性魚類草魚、青魚、鰱、鳙、銅魚等的親體和成體。主要以四大家魚等經(jīng)濟魚類為主，過魚季節(jié)為5－8月份。魚道設(shè)計水位上游為水庫正常蓄水位62.73 m，下游采用 5－8月的多年平均水位57.23 m。崔家營樞紐采用橫隔板式魚道作為樞紐的過魚設(shè)施。根據(jù)魚道進口和出口的布置要求，以及地形條件，魚道緊靠右岸電站廠房左側(cè)布置，并與布置在電站尾水平臺上的集魚系統(tǒng)相連，出口位于電站上游。主要建筑物有廠房集魚系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、魚道進口、過魚池、魚道出口、觀測室和輔助設(shè)施等（圖1）。

圖1 崔家營樞紐魚道平面布置Fig.1 Plane layout of fishway of Cuijiaying junction

2 平面二維數(shù)值模型

采用原位觀測試驗、魚類分布水聲學(xué)探測調(diào)查和流場數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合分析方法，揭示魚類集群對流場的響應(yīng)關(guān)系，為科學(xué)制定樞紐生態(tài)調(diào)度方案提供參考。

2.1 模型構(gòu)建

利用崔家營樞紐下游實測地形，結(jié)合樞紐主要工程布置，包括大壩、電站、魚道、引航道等，構(gòu)建了崔家營下游二維水流數(shù)值模擬模型。模型上邊界為樞紐主體工程，下邊界為余家湖水文站，下游距壩址約1.9 km。模型范圍見圖2。

圖2 崔家營下游流場模擬計算范圍及網(wǎng)格Fig.2 Flow field calculation range and grid of downstream of Cuijiaying junction

利用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格模型進行流場計算。為保證模型計算精度，網(wǎng)格整體尺寸不超過20 m，大壩及廠區(qū)邊界網(wǎng)格尺寸5.0 m，魚道入口處附近網(wǎng)格尺寸為1.0 m，模型計算范圍內(nèi)共生成網(wǎng)格37 775 個。

2.2 數(shù)值模擬

針對崔家營樞紐所在河道形狀及水流特征，選用沿水深平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，其基本方程如下：

式中：H、Z分別為水深和水位（m）；u、v分別為x、y向的流速（m/s）；u*、v*分別為源（匯）輸入（出）河道時x、y向流速（m/s）；q為源匯單位面積流量(m3/s/m2)，源時q取正，匯時q取負；ρ為水體密度（kg/m3）；νt為紊動擴散系數(shù)（m2/s）；c為謝才系數(shù)，，R為水力半徑（m），n為河床糙率；f=2ωsinφ為柯氏力系數(shù)，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為計算水域所在地理緯度。

初始條件：

邊界條件：上游采用流量邊界條件，下游采用水位邊界條件。固定邊界采用可滑動邊界條件，即（U為邊界水流合速度，n為固定邊界法向單位向量），對于兩岸邊灘，則按動邊界處理。

采用三角形無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格構(gòu)建計算網(wǎng)絡(luò)。相比于有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在模擬復(fù)雜河道地形和岸坡具有較大優(yōu)勢。采用有限體積法進行模型求解，有限體積方法可保證相鄰單元格之間質(zhì)量和通量傳輸?shù)膰栏袷睾?，從而確保模擬精度。

2.3 模型驗證

依據(jù)樞紐現(xiàn)場實測流場流速結(jié)果對模型進行參數(shù)率定和精度驗證。同期，數(shù)模計算上邊界為崔家營電站實測泄流過程，下邊界為余家湖水文站實測水位過程。模擬期為2019-08-14T08:00—2019-08-17T20:00，時段間隔為1.0 h。電站泄流及下游余家湖水位過程見圖3。由圖3可以看出，在2019-08-14T10:20—2019-08-15T02:00計約8.0 h內(nèi)，電站泄流維持在836 m3/s左右，下游余家湖水位為54.52 m左右，流場基本穩(wěn)定。

圖3 崔家營樞紐下游流場模擬計算邊界條件Fig.3 Boundary conditions for flow field calculation of downstream of Cuijiaying junction

在維持電站泄流836 m3/s不變時，崔家營樞紐壩下觀測水位為54.53 m，流速分布云圖見圖4(a)，同時段內(nèi)模擬流速分布見圖4(b)?？梢姡M計算流場和實測流場流速基本一致，主河槽平均流速均為0.30～0.46 m/s。說明構(gòu)建的崔家營樞紐壩下水流數(shù)值計算模型具有較高模擬精度，可用于該區(qū)域其他工況下流場的模擬計算。

圖4 崔家營樞紐下游流場流速云圖Fig.4 Velocity cloud of flow field of downstream of Cuijiaying junction

3 崔家營樞紐壩下魚類集群流場偏好性分析

結(jié)合樞紐下游魚類分布水聲學(xué)探測試驗，利用崔家營樞紐下游水流二維數(shù)值模擬模型，對樞紐下游流場進行模擬，統(tǒng)計相應(yīng)水位、流速、水深分布特征，并與同期魚類集群探測分布特征進行相關(guān)性分析，總結(jié)魚類對流場特性（流速、水深）的趨好性，揭示漢江魚類集群對流場的響應(yīng)關(guān)系。

3.1 模擬試驗期

8月份為漢江魚類主要過魚季。2019年8月12、13和14日，對崔家營樞紐下游進行了魚類集群分布水聲學(xué)走航探測試驗，自下游余家湖水文站斷面開始采樣到壩址下游附近。采用水聲學(xué)方法對崔家營壩下1.5 km內(nèi)的魚類集群特征進行觀測，獲取壩下魚類集群特征。探測儀器采用Simrad EY60型分裂波束（split-beam）回聲探測儀，并采用水聲學(xué)探測數(shù)據(jù)分析軟件 Echoview進行聲學(xué)數(shù)據(jù)處理。利用回波計數(shù)法計算魚類密度，聲學(xué)波束的掃描空間內(nèi)部進行個體回波計數(shù)，根據(jù)波束擴展采樣角度計算掃描水域的體積，獲得該范圍內(nèi)的平均分布密度，計算式為：

式中：ρv為魚類密度（ind/l 000 m3）；Et為掃描水體的回聲信號數(shù)量；Vp為每ping掃描的水體體積（m3）；Ps為換能器發(fā)射ping次數(shù)。

采用數(shù)學(xué)模擬方法，對崔家營樞紐壩下流場特性進行計算。模型上邊界為崔家營電站實測泄流過程，下邊界為余家湖水文站實測水位過程。模擬期為2019-08-12T00:00—2019-08-15T00:00，時段間隔為1.0 h。電站泄流及下游余家湖水位過程見圖5。

圖5 崔家營下游流場模擬計算邊界條件Fig.5 Boundary conditions of flow field simulation of downstream of Cuijiaying junction

采用數(shù)值模擬模型，對同期流場進行模擬計算。由圖5可以看出，在上述3個魚類采樣觀測期內(nèi)，崔家營電站泄流分別維持在900、810和836 m3/s左右，魚類觀測期內(nèi)樞紐下游流場基本穩(wěn)定。因此，時段內(nèi)魚類集群分布可較準確反映其對流場特征的偏好性。

3.2 樞紐下游魚類流場偏好性分析

圖6為樞紐下游流速、水深分布與魚類密度分布疊加圖。由圖6可見，魚類集群分布與河道水深與流速分布具有一定相關(guān)性。

圖6 流場水深、流速與魚類密度分布疊加Fig.6 Superposition of depth, velocity and fish density distribution in flow field

為定量分析魚類集群分布與流場的相關(guān)性特征，總結(jié)魚類聚集對流場特性（流速、水深）的趨好性，揭示魚類集群對流場的響應(yīng)關(guān)系，依據(jù)魚類采樣密度分布與相應(yīng)流場（流速、水深）模擬值，建立了魚類集群水深偏好曲線和流速偏好曲線（見圖7）。

圖7 崔家營樞紐壩下魚類集群流速和水深偏好度Fig.7 Flow velocity and water depth preference of fish downstream of Cuijiaying junction

以魚類流速偏好度計算為例，說明魚類對流場水力要素偏好度計算過程：

（1）將魚類各探測點計算流速與該位置處分析確定的魚類分布密度建立一一對應(yīng)關(guān)系，并將兩列數(shù)據(jù)以流速列為主元素按從小到大重新排序。

（2）將流速變量以0.1 m/s為步長，統(tǒng)計各個區(qū)間步長內(nèi)魚類對應(yīng)密度數(shù)量之和。

（3）選擇魚類密度之和最大代表點，并定義其偏好度為1.0。如表1中該代表點為0.1 m/s。

（4）以該點為基礎(chǔ)點，通過各區(qū)間魚類密度與該最大密度和的比值，確定出其余區(qū)間代表流速對應(yīng)的魚類偏好度。譬如0.2 m/s流速的偏好度為：51 902/91 862=0.56。計算結(jié)果見表1。

表1 流速偏好度計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of velocity preference

水深偏好度計算與流速偏好度計算類似。

由圖7可以看出，崔家營樞紐壩址下游魚類集群偏好流速區(qū)間為0.1～0.3 m/s，壩下流速0.1 m/s區(qū)聚集魚類密度最大；偏好水深約為5.0～8.0 m，約7.0 m水深處為魚類最佳聚集區(qū)。

3.3 樞紐下游魚類上溯通道分析

采用數(shù)值模擬的方法，對崔家營樞紐壩址下游到魚道進口的上溯通道進行研究，該通道上流速不超過魚類極限流速，且大于魚類感應(yīng)流速。結(jié)合相關(guān)成果，本次研究魚類感應(yīng)流速取值0.1 m/s，極限流速0.8 m/s。

崔家營樞紐魚道進口底板頂高程55.0 m，魚道設(shè)計運行水位57.23 m。結(jié)合壩址下游水位流量關(guān)系，制定如下模擬方案：工況1，取魚道入口為底板頂高程，崔家營樞紐的流量和水位分別為899 m3/s和55.00 m；工況2，取較低運行水位，崔家營樞紐的流量和水位分別為2 036 m3/s和56.00 m；工況3，取魚道設(shè)計運行條件，崔家營樞紐的流量和水位分別為3 450 m3/s和57.23 m。

利用構(gòu)建的樞紐壩址下游水力學(xué)模型，對3種工況進行模擬計算，并結(jié)合魚類感應(yīng)流速和極限流速參數(shù)，繪制下游魚類上溯通道，對繁殖季魚類可能的洄游路線進行預(yù)測。在模擬過程中，結(jié)合崔家營樞紐調(diào)度方案，當(dāng)崔家營樞紐流量超過1 500 m3/s時，電站泄流1 500 m3/s，其余流量由泄水閘門泄流。

由模擬結(jié)果（圖8）可以看出，在崔家營樞紐壩址下游滿足魚類能進入魚道的水位變動范圍55.00～57.23 m時，流量變動范圍為899～3 450 m3/s。魚道入口處及集魚系統(tǒng)范圍內(nèi)最大流速約1.2 m/s。模擬結(jié)果顯示，上述3種工況下均存在的流速小于1.0 m/s的通道，可以作為魚類抵達進魚口的上溯通道；但當(dāng)流量為3 450 m3/s時，該通道明顯較窄，將影響魚類上溯。

圖8 不同流量工況下崔家營樞紐下游魚類上溯通道示意Fig.8 Schematic diagram of upstream fisheries in the downstream of Cuijiaying hub under different flow conditions

4 結(jié) 語

本文采用原位觀測試驗、魚類分布水聲學(xué)探測調(diào)查和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對崔家營樞紐壩下魚類對流場偏好性進行了比對分析。結(jié)果表明崔家營樞紐下游魚類集群偏好流速區(qū)間為0.1～0.3 m/s，0.1 m/s流速區(qū)聚集魚類密度最大；偏好水深區(qū)間為5.0～8.0 m，約7.0 m水深處為魚類最佳聚集區(qū)。在崔家營樞紐常規(guī)發(fā)電泄流條件下，魚道入口處及集魚系統(tǒng)范圍內(nèi)最大流速約1.2 m/s，存在一定范圍內(nèi)流速小于1 m/s的通道，大部分魚類可以順利上溯抵達魚道入口。本文研究方法和成果可為水利樞紐生態(tài)調(diào)度方案的選取提供有益借鑒。