老龍口水利樞紐工程魚道數值模擬及結構優化探討

蘇蔚 白曉 李鑫

（四川大學水利水電學院 四川 成都 610065）

魚道是供魚類上溯洄游通過水壩、水閘等障礙物的人工通道，可溝通因攔河壩(閘)等修建而被阻斷的河流生態系統。隨著人們環保意識的強化，魚道作為一項協調水利工程建設與環境保護關系的生態措施而日益得到重視。老龍口水利樞紐工程魚道是我國第一座通過大馬哈魚的魚道，也是我國目前水頭差最大的魚道和底坡最陡的魚道。本文采用數值模擬手段，對該魚道內部水力學特性進行研究，從理論上分析其過魚能力，并結合《水利水電工程魚道設計導則（SL609-2013）》相關規定及魚道相關研究，對豎縫式魚道結構優化進行探討，提出了優化建議。

1 概述

1.1 工程簡介

老龍口水利樞紐工程位于琿春河中下游，壩址位于吉林省延邊朝鮮族自治州琿春市哈達門鄉老龍口村。該工程是以防洪、供水為主，結合灌溉兼顧發電的綜合利用工程。水庫正常蓄水位為109.0m，死水位為99.0m。主汛期汛限水位為107.0m，后汛期汛限水位109.0m。樞紐工程主要由土石壩、岸邊溢洪道、引水隧洞、電站廠房及魚道組成。魚道布置在溢洪道內側，采用同側豎縫式魚道。該工程于2005年9月開工，2012年02月建成并投入使用。

1.2 魚道主要設計參數[1][2][3]

琿春河主要洄游魚類為馬蘇大麻哈魚、麻哈魚、駝背大麻哈魚、日本七鰓鰻等。每年8月～10月為主要過魚季節，8月～9月為主要泄洪季節。一般經驗，鮭魚的極限流速為2.5m/s～3.5m/s。大麻哈魚喜好流速1.3m/s，極限流速約5m/s左右。

魚道設計洪水標準為20年一遇。上游水庫最高過魚水位109.0m，最低102.0m，下游最高設計正常尾水位82.0m，最低81.0m,最大水位差28.0m。魚道設三個出魚口，控制上游水位變幅為102.0m～109.0m。進魚口底高程為78.1m，進魚口設計正常運行水深2.9m～3.9m。上下游水位變幅較大，適宜采用豎縫式魚道。

魚道凈寬為2.5m，魚道每級凈長為3.0m，魚道凈深為3.5m。魚道的坡度為1/16，魚道垂直豎縫的寬度為0.32m。進水口的前五級魚池平面圖見圖1。

2 數值模擬

采用Fluent軟件進行數值模擬。本文研究的問題屬于不可壓縮流體的湍流流動，選用標準k-ε模型。

2.1 控制方程

動量方程：

k-ε方程：

圖1 進水口平面布置圖

圖2 網格劃分示意圖

圖3 流速場

圖4 魚道內流線圖

圖5 理想的水流結構圖

表1 魚道體形尺寸合理范圍判定表

2.2 計算區域與網格劃分

已有研究表明[4]，豎縫式魚道的水流特性有典型的二元特性，此處選取二維模型進行計算。計算區域選取水入口的前五級魚池，見圖1。

劃分網格在水池內采用四邊形網格(Quad,Map)，擋板倒角部分區域采用三角形網格(Tri,Pave)，見圖 2。

網格劃分時采取分塊劃分方法，未采用加密技術。

網格質量檢查：質量最差網格EquiSize Skew值達到0.8，但這些網格只出現在擋板倒角尖端，其它所有區域相應值近似為0（最佳）。所以認為網格劃分基本滿足要求。

2.3 邊界條件及湍流參數設置

設定水進口為速度入口（VELOCITY_INLET),水出口為自由出流（OUTFLOW），其它為壁面（WALL）。

2.4 計算方法

壓力速度耦合采用SIMPLE算法。計算工況為魚道正常運用狀態，入口流速為2.1m/s，出口為自由出流。

3 模擬結果及分析

3.1 流速場分析

魚道流速場分布如圖3。魚道內豎縫處最大流速為2.86m/s，滿足大馬哈魚的沖刺速度（小于3.5m/s)，目標魚類采用沖刺速度可以通過豎縫。

由流速場分布，每一級魚池長擋板后水流速都小于10的0次方數量級，擋板形成的角落近似為靜水區，可供魚休息。所以可不建休息池以節省投資。

從速度角度分析，該魚道滿足目標魚類的過魚條件。

3.2 水流結構分析

由魚道內流線圖（圖4），水流由入口進入第一級魚池，在入口兩側各形成一個回流區。主流從豎縫流出后,在導板作用下,偏向水池中央,當接近下一道豎縫時,受到導板的作用,又折向豎縫。經過每一個豎縫后，每一個隔板處，在主流兩側各存在一個回流區,左側回流為逆時針方向,右側回流為順時針方向。

根據相關研究[5]，較理想情況下主流分布區域更趨于集中，回流區分布更有利于魚類休息，其理想水流結構應如圖5所示。

但從老龍口魚道水流結構流線圖（圖4）可以看出，流線圖中主流分布區域過大，難以滿足主流大體上居于魚道水池中央處的條件。回流區分布在魚類通過豎縫前，豎縫后較遠處才有回流區以供魚休息。所以本水流結構并非最佳流態，適合魚類上溯的水力條件不甚理想。

4 結構尺寸調整優化

4.1 魚道體形尺寸合理范圍判定

根據有關研究建議和《設計導則》相關規定等[4]，對老龍口魚道體形尺寸合理范圍判定如表1。

4.2 結構尺寸優化建議

根據上述老龍口魚道體形尺寸判定，對其結構尺寸優化提出以下建議：

（1）導向角明顯偏小，建議適當加大（由26°加大到35°），以便調整主流更趨于集中。

（2）池室單級長度偏小，建議適當加大（由3m加大到3.5m）。

（3）建議結合導向角加大和池室長度調整，以及其對流場結構分區的影響，復核導板長度。

老龍口魚道結構優化尺寸后數值模擬分析結果，速度大小范圍變化不大，但水流結構更趨于合理，與圖6狀態趨同性更好，主流分布區域更趨于集中，回流區分布更有利于魚類休息。

5 關于豎縫魚道設計優化的討論和建議

豎縫式魚道是目前國內普遍采用形式，豎縫式可分為同側豎縫式、異側豎縫式、雙側豎縫式，其中同側豎縫式應用廣泛。陜西境內漢江中上游目前規劃設計的旬陽水電站、白河水電站及黃金峽水利樞紐等工程均采用同側豎縫式魚道。如旬陽水電站［6］魚道平面呈盤折布置，上下游水位差最大為24m，縱坡為1/50，垂直豎縫的寬度為0.5m，凈寬為2.5m，每級凈長為3.0m。工程影響范圍漢江中上游內共有魚類8科42種，其中鯉科占總種數的52%，為工程影響河段的優勢類群目標魚類。設計流速不大于1.2m/s，采用鋼筋砼結構。

豎縫式魚道一般最大控制流速位于豎縫孔口處（如速度分布圖3），所以豎縫處流速是豎縫式魚道設計重要控制指標。根據《導則》附錄A及實踐經驗，全世界約30余種淡水魚類，95%以上喜歡2m/s以下的流速，大多數魚類喜歡0.3m/s～1.5m/s的流速，如鮭魚（大馬哈魚）極限流速2m以上接近或超過3m/s魚類很少。

從魚道數值模擬結果水流結構及流場分布，并結合有關研究［4］［5］和魚道及水利水電工程實踐經驗，對豎縫式魚道設計提出以下結構優化措施建議：

（1）采用隔板（單或兩側）預留閘孔(豎縫)技術，采用閘門或閘（刪）板措施方便地完成同側豎縫式與異側豎縫式或雙側豎縫相互轉化，特別是在原型或模型試驗中，可方便進行不同豎縫布置形式方案比較。

（2）采用變寬度豎縫閘（柵）板技術，根據豎縫式魚道實際運用觀察情況，通過變寬度豎縫閘（柵）板可方便完成豎縫寬度調節（如0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m、0.45m、0.5m等分級寬度），以便流速控制；且閘（柵）板導板側可帶導向墩頭板，以便調節導向角度。變寬度豎縫閘（柵）板（帶導向墩頭板）也可進行工廠化生產。

（3）采用隔板微孔技術，將豎縫式魚道隔板作成微孔板(按照水力學原理或試驗確定孔徑及孔位疏密分布)，在基本不改變水流結構形態（圖5狀態）前提下，可有效調節豎縫孔口流速。

（4）采用生態化設計技術，生態化設計的魚道具有以下優點：軟、透、和。“軟”即多采用柔性的籠石和砂石作為建筑材料；“透”即柔性（散體組合）天然材料使得通道上下游及與岸坡生態系統溝通好；“和”即保護對象不僅能夠過魚，也能吸引更多水生生物（如鰻、龜、蟹、蝦及青蛙、貝殼、蚌類等）通過或生息，且在兩岸岸坡進行生態化處理，有利于植物生長及水生物繁衍，修復河流生態系統的連通性。

以上結構優化措施建議，可為以后豎縫式魚道設計提供借鑒。陜西水利

[1]宋德敬,姜輝,關長濤,陳慶生.老龍口水利樞紐工程中魚道的設計研究 [J],海洋水產研究,2008年,第 29卷,第 1期.

[2]程玉輝,薛興祖.吉林省老龍口水利樞紐工程魚道設計[J].吉林水利.2010,第6期(總第337期).

[3]沈時德.吉林省暉春市老龍口水庫對大麻哈魚洄游的不利影響及對策 [J].水電站設計,1997，13(3)：60～64.

[4]張國強，孫雙科.豎縫寬度對豎縫式魚道水流結構的影響 [J].水力發電學報,2012,第31卷,第1期.

[5]徐體兵，孫雙科.豎縫式魚道水流結構的數值模擬［J］.水利學報，2009，40(11)：1386～1391.

[6]金翌，康建民，喻衛奇等.旬陽水電站的魚道設計[J].水力發電，2011，12：13-15．