虎渡溪航电枢纽工程诱鱼流态与鱼道进口位置优化研究

罗涛，钟建

(四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072)

1 引言

鱼类由于索饵、越冬或繁殖等需求，往往会出现洄游行为。水电站尤其是梯级电站中大坝的修建在破坏河流纵向连通性的同时，也使得部分洄游性鱼类原有的栖息地受到了破坏，直接影响了鱼类的生长与繁殖[1]，这对鱼类的生存造成了威胁，甚至可能导致某些鱼类的灭绝。修建鱼道可有效减缓大坝的阻隔影响，对恢复鱼类在河流中自由洄游具有重要的意义[2]。鱼道进口位置的选择直接影响着鱼道工程的过鱼效果[3]。针对不同洄游目标鱼类，鱼道进口所需要的水力学条件也不同，进口附近是否存在满足特定水力学条件的集诱鱼水流、鱼类是否能迅速感应到吸引水流并进入进口是鱼道设计的关键因素之一[4]。

自1662年法国南部阿贝尔省首次提出鱼道设计以来[2]，国内外研究人员对不同结构体型的鱼道进行了大量研究。刘志雄等设计了带隔板的玻璃水槽，对异侧竖缝式鱼道内部的水力特性进行了系统研究[5]。诸韬等[6]对某工程双侧竖缝式鱼道的正反两种运行状态进行了数值模拟，研究了鱼道内部的水力特性。魏炳乾等[7]针对地盘子工程鱼道建立了物理模型，将仿自然通道与垂直竖缝式鱼道相结合，得出了优化设计方案。胡晓、石小涛等[8]对国外涵洞式鱼道的研究成果进行了总结，提出了三种挡板系统工作时的水力学相关计算公式。林宁亚等[9]结合某实际工程，采用数值模拟与物理模型实验相结合的方式，得出了交错蛮石仿自然鱼道内部的水力学特性。以往关于鱼道设施的研究大多集中在鱼道内部的结构优化以及内部结构的水力学特性上，但鱼道能否成功运行不仅取决于内部结构设计，还与鱼道进口处的水流吸引条件息息相关[10]，国内外都不乏因鱼道进口无法被鱼类感知而导致鱼道过鱼效率极其低下甚至废弃的工程案例。本文对虎渡溪坝下库区进行三维数值模拟并开展物理模型试验，结合实测数据验证数模结果可靠后，从流场分布特性、适宜流速分布特性、紊动能分布特性三个方面综合分析，拟将虎渡溪航电枢纽工程目标鱼类的生活习性、行为学特征与其坝下水力学特性进行耦合，结合工程实际对鱼道进口的布置区域提出建议。

2 研究材料与方法

2.1 研究区域

本文以岷江虎渡溪航电枢纽工程及其下游河道为研究对象，该工程是岷江干流航电梯级开发规划中的第六级。工程开发方式采用河床式开发，水库正常蓄水位391.00m，正常蓄水位的对应库容约3152.00万m3，该工程具有日调节性能，其调节库容为282.00万m3。电站共设3台机组，单机最大容量为21MW，工程设计引用流量为996.60m3/s。

2.2 过鱼对象、季节及游泳能力

根据该工程配套的水域水生生物调查成果可知，本工程的主要过鱼对象为长吻鮠与白甲鱼，其适宜流速区间为0.23m/s～1.21m/s。两种主要过鱼目标均为小型鱼类且均有洄游需求，根据其繁殖季节将过鱼时间定为3-7月。根据丁少波等[11]的研究，可得知过鱼对象的游泳能力如表1所示。

2.3 数学模型及物理模型验证

2.3.1 模拟区域

河道地形数据根据真实地形资料制作成数字地形，作为计算的几何模型。原点位于靠近左岸尾水洞末端距离右岸196.50m处，以原点垂直指向右岸的方向为y轴正向。x方向建模范围为0-361m～0+923m，共1284.00m；y方向建模范围为0-297m～0+455m，共752.00m；z方向模拟高程范围为0+350m～0+385m，共35.00m。研究区域的三维模型如图1所示。

图1 研究区域三维模型示意

2.3.2 网格划分

本次模拟采用六面体结构化网格，为减少总网格数量并提高计算效率，采用渐变网格对重点研究区域进行了局部加密处理。因该工程尾水洞出口处附近流态变化较大，故对尾水洞出流处进行了加密处理。本次模拟共采用3套网格，上部网格用于坝上游处，其x方向的范围为0-320m～0-80m；中部网格用于尾水出口附近，其x范围为0-80m～0+100m；下部网格用于尾水下游至最下游边界，其x方向的范围为0+100m～0+920m。整套网格数量总数为481.80万。该工程坝下流场数值模拟网格划分如图2所示。

图2 网格划分示意

2.3.3 边界条件

本次模拟的计算入口为模型最上游0-361m处，计算出口为0+923m处。由于自由表面是水体与大气的交界面，故自由表面的边界条件应为压力边界条件，即P=Pa(大气压力)，F=0(充满空气)。入口采用流量边界，给定上游边界出口流量Q。出口采用压力边界条件，给定出口断面的水面高程Houtlet及水面压力P=Pa(大气压力)。壁面采用无滑移壁面条件，参考河道资料，给定河道壁面糙率为0.03。为了提高计算效率，在计算前进行初始化设定，在计算区域内以水位高程的方式初始化流体。

2.3.4 工况设置

本电站共有三台机组，从左岸向右岸依次编号为1#、2#、3#机组。工况1为左岸侧(1#)单机运行；工况2为右岸侧(3#)单机运行；工况3为外侧双机组(1#、3#)运行；工况4为三台机组满发。结合目标鱼类繁殖期3-7月的几种典型流量，工况设置如表2所示。

表2 工况设置

2.3.5 模型验证

为了验证数值模拟的准确性，作者针对比尺为1∶60的物理模型开展了相关实验，物理模型见图3。本文选取了流量最大的典型工况4(出库流量为996.00m3/s)进行验证，将水工模型试验的测量结果与数值模拟相应区域的计算结果进行对比，物理模型试验与数值模拟的流速大小与方向对比如图4所示。从流速大小来看，相对误差范围为0.005%～19.93%，平均相对误差为5.33%，平均绝对误差为0.056m/s；从流速角度来看，相对误差范围为0～19.60%，平均相对误差为5.44%，平均绝对误差为2.64°。综上，本文数值模拟所得出的该工程下游河道水力学特性是可靠的。

图3 物理模型

图4 流速大小与角度误差示意

3 数值模拟结果及分析

3.1 流场分析

研究区域各工况下的流场数值模拟计算结果见图5。各工况的坝下研究区域主流均偏向左岸，主流区域水流平顺、扩散均匀。工况1主流流速范围为0.14m/s～1.24m/s，右岸x=120.00m～740.00m范围内存在一个回流区域，其最大横向宽度约为200.00m；工况2主流流速范围为0.14m/s～1.23m/s，在坝下右岸x=160.00m～780.00m范围内存在一个回流区域，最大横向宽度约为360.00m；工况3主流流速范围为0.15m/s～1.45m/s，在坝下右岸x=160.00m～720.00m范围内存在一个回流区域，其最大横向宽度约为320.00m。工况4主流流速范围为0.42m/s～3.14m/s，在x=160.00m，y=250.00m附近由于地形原因，在主流部分出现了小范围的漩涡回流区，其最大横向宽度约为15.00m，在坝下右岸x=250.00m～650.00m范围内存在一个大面积的回流区域，其最大横向宽度约为250.00m，且回流在x=180.00m～260.00m处与主流出现交混，形成了一个环形流通区。

图5 各工况数值模拟流场

目标鱼类存在溯边溯底的洄游特性，且本文目标鱼类适宜流速区间为0.23m/s～1.21m/s，可以此为依据从流场角度进行分析。在工况1、2、3下主流流速不大，不存在流速屏障阻隔，鱼类可沿主流上溯，右岸虽存在回流区，但回流流速不高，且与主流右侧的边界清晰，故沿主流左右两侧均可上溯至坝前，目标鱼类可穿过主流寻找适宜区域进行游动。在工况4下，主流左侧流场变化不大，受地形影响，主流左侧尾水出口不远处存在一个低流速区，可作为目标鱼类休息场所，适宜目标鱼类上溯；主流右侧流场十分复杂，由于流量增大，主流右侧形成的回流区面积大，流速高，且与主流右侧出现交混，目标鱼类不易识别上溯水流，故主流右侧不适宜鱼类上溯。

3.2 适宜流速分析

研究区域各工况下的适宜流速等值线图见图6，其中流速大于1.20m/s的区域为不适宜鱼类活动的范围，以红色表示。工况1-3下，除尾水出口处流速过大，其余区域均为鱼类可到达、活动的区域；坝下左岸的x=0～900m，y=0～150m处为流速适宜区，右岸大部分是低流速或回流区，不存在覆盖整个河道横断面的流速屏障阻隔，目标鱼类从左右岸均可成功上溯到坝前位置。工况4的主流绝大部分区域呈现出红色；此工况存在三处适宜鱼类活动的区域：①x=60m～340m，y=240m～300m；②x=700m～900m，y=-80m～800m；③x=160m～900m，紧贴主流右侧宽度约为70m的整条适宜流速带。工况4下右岸大部分是低流速或回流区，不存在覆盖整个河道横断面的流速屏障阻隔，鱼类从左右岸均可成功上溯到坝前位置。

图6 各工况数值模拟适宜流速分布等值线

3.3 紊动能分析

研究区域各工况下的紊动能分布见图7。工况1、2、3坝下紊动能整体偏小，且紊动出现的位置固定。其中工况1的紊动区域出现在x=50.00m～150.00m，y=200.00m～260.00m的尾水洞出口左侧导墙下游处，其紊动能范围为0.01m2/s2～0.02m2/s2；主流段紊动能范围为0～0.02m2/s2。工况2的紊动区域出现在x=50.00m～400.00m，y=100.00m～140.00m的尾水洞出口右侧导墙下游处，其紊动能范围为0～0.02m2/s2；主流段紊动能范围为0～0.04m2/s2。工况3的紊动区域出现在x=50.00m～350.00m，y=100.00m～140.00m的尾水洞出口右侧导墙下游处，其紊动能范围为0.01m2/s2～0.03m2/s2；主流段紊动能范围为0～0.04m2/s2。工况4由于流量增加，紊动能增大，水流紊动区域也明显增多。在x=55.00m～300.00m，y=100.00m～160.00m的尾水洞出口右侧导墙下游处存在高紊动区域，其值大于0.05m2/s2；另外在x=0～800.00m，y=140.00m～260.00m的主流左侧条形区域出现了不同程度的紊动，其紊动能范围为0.02m2/s2～0.05m2/s2。

图7 各工况数值模拟紊动能分布

本文的目标鱼类喜好存在适宜紊动的区域，但紊动能不宜大于0.04m2/s2，因为过强的紊动将影响鱼类自身平衡，还会使得鱼类在游动过程中消耗大量能量，不利于鱼类通过[12]。综合上述因素考虑，适宜本文目标鱼类的紊动能范围为0～0.04m2/s2。工况1存在两处适宜区域：①x=70m～120m，y=220m～260m；②x=0～300m，y=140m～180m。工况2存在两处适宜区域：①x=0～200m，y=180m～200m；②x=60m～400m，y=160m～180m。工况3存在两处适宜区域：①x=80m～120m，y=230m～280m；②x=60m～340m，y=100m～150m。工况4存在三处适宜区域：①x=40m～160m，y=200m～280m；②x=240m～400m，y=-180m～-240m；③x=420m～560m，y=40～120m。

4 结论与展望

本文以岷江干流虎渡溪航电枢纽工程为例，根据真实地形、建筑物资料建立了数字地形与水工模型，采用流体计算软件对该工程的尾水洞及坝下河道进行了数值模拟，并开展了物理模型试验对数模结果进行验证。确定数值模拟结果可靠后，对四种典型流量工况下的流场、适宜流速、紊动能进行了对比分析，结论如下：

结合四种工况下的流场分布、适宜流速分布以及紊动能分布，建议将鱼道进口布置在尾水洞左岸导流墙末端处。该位置流场稳定，处于主流均匀扩散区，各工况的流速大小均在0.23m/s～1.21m/s的适宜范围内，且在工况1、2、3下此处的紊动能范围为0.01m2/s2～0.015m2/s2，工况4此处的紊动能大小为0.02m2/s2～0.035m2/s2，各工况下的紊动强度均处于本文目标鱼类的适宜范围内；另一方面，该位置靠近岸边，无论是场地要求还是施工难易程度而言都比较适合鱼道布置。

本文从生态水力学特性的角度出发，对目标鱼类的喜好流速与紊动能进行分析，给出了鱼道进口位置的布置建议，对类似工程具有借鉴意义。但本文并未从鱼类的生态学角度进行分析，鱼类可能因为温度、饵类生物、天敌等因素选择其他位置进行上溯，故鱼类生物学因素可作为日后补充研究的重要方向。此外由于该工程为航电枢纽工程，通航船只对目标鱼类的扰动程度尚不明确，故本文推荐进口位置可能与实际鱼类集群区域存在一定偏差。