金沙水電站魚道水力特性數值模擬

黎賢訪

(長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，工程任務以發電為主，兼有供水、改善城市水域景觀及對下游水電站的反調節作用等。攔河筑壩勢必阻斷魚類在金沙江的洄游通道，造成魚類生存環境破碎，需在樞紐中布置魚道等過魚設施。

魚道利用魚類喜迎逆流的生物學特性，使用多級隔板阻流在通道形成適宜的流速區，以誘導魚類上溯。魚道過魚的水流條件涉及水深、寬度、流速、流態、泥沙含量、水質等諸多因素，其中水力特性以考察流速分布和流場形態為主。20世紀80年代，Rajaratnam等［1-2］通過試驗研究了豎縫式魚道水池長寬比、水池底坡坡度與水流流態的關系。法國的Larinier等［3］提出了魚道水池單位體積消能率的概念，以表征魚道中水流的紊動強度。目前，國內外學者基于CFD數學模型針對魚道水力特性的研究逐漸豐富［4-5］，為合理布置魚道提供了有益的啟示。

結合國內外魚道水力學研究成果［6-8］，以金沙水電站魚道初步設計型式為原型建立CFD數學模型［9］，模擬魚道水流的流場形態及流速分布，分析魚道布置型式的合理性。

1 過魚對象

根據文獻資料，金沙江中游干支流分布有魚類149種，特有魚類52種。金沙水電站主要過魚對象有胭脂魚、圓口銅魚、長薄鰍、長鰭吻鮈、巖原鯉、鱸鯉、四川白甲魚等。針對上述魚類的游泳能力進行室內試驗，結果如表1所示。

魚道的設計流速主要根據主要過魚對象的克流能力而定，金沙江中下游主要魚類的初步克流能力試驗成果表明，魚類上溯的臨界流速約1.5 m/s。參考上述試驗結果，金沙水電站魚道的設計流速取1.1 m/s。

2 過魚池型式

根據樞紐的調度方案，設計魚道運行水深在1.5～3.0 m之間。魚道斷面為矩形，為兼顧表層、中層和底層魚類上溯，采用同側豎縫式隔板;過魚池底板為斜坡，坡比 i=1∶58;魚道凈寬B取3.0 m。魚道隔板等間距分布;魚道池室長度(亦即隔板間距)按l=(1.2～1.5)B計算，取3.6 m;豎縫導向角為45°。初步設計得出的魚道隔板型式及尺寸如圖1所示。

表1 臨界速度測試樣本及測試結果

圖1 隔板型式及尺寸(單位:mm)

垂直豎縫式魚道的流量按式(1)作近似計算［4］。計算得出，魚道的流量在0.430～0.993m3/s之間。

式中，Q為魚道流量，m3/s;μ為 垂直豎縫的流量系數，取值范圍0.65～0.85;b為豎縫寬度，m;H1為豎縫上游的池室水深，m。

魚道水流的湍流強度過大，對魚類的上溯游動產生不利影響。為確保水池中的低湍流度流動，水池的大小滿足容積功率耗散E＜150 W/m2。魚道池室的容積功率耗散的計算公式［4］為

式中，E為容積功率耗散，W/m2;ρ為水的密度，kg/m3;B為過魚池寬度，m;hm為水池中的平均水深，m;lb為過魚池長度，m;d為隔板厚度，m。按式(2)計算得出魚道池室的容積功率耗散約為21.76W/m2，紊動不劇烈，適合魚類上溯。

3 CFD數值模擬

3.1 數學模型

3.1.1 控制方程組

基于RNG k-ε湍流方程［5］建立魚道連續池室的數學模型，控制方程組如下:

動量方程:

式中，ui、uj為流體微元的速度分量;P為流體的壓強;ν為流體的運動黏度;k為紊動動能;ε為紊動耗散率;μeff為等效紊動粘度;Gk為平均速度梯度引起紊動動能k的源項;Gb為浮力引起紊動動能k的源項;YM為可壓縮紊流中脈動擴張對整體紊動耗散率的貢獻;C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數;σk、σε分別表示與k、ε對應的prandtl數;Sk、Sε為自定義源項;Rε為增項。

3.1.2 計算網格、邊界條件及數值方法

方程的離散采用四面體網格的有限體積法，并在豎縫周邊區域進行局部加密處理，如圖2所示。

圖2 計算網格

模型上游、下游邊界分別采用魚道設計流量和設計水深;過魚池上部出口的運動流體為空氣，采用恒定壓力邊界條件p=0;池室邊壁采用無滑移壁面條件。過魚池自由水面模擬使用VOF法［8］。壓力計算采用PRESTO格式插值，動量、體積分數等均采用一階迎風格式插值，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。模型數值計算的時間步長取0.1 s，計算歷時延長至流量、水位計算結果基本恒定。

3.2 結果分析

取魚道最大設計水深Hmax=3.0 m和最小設計水深Hmin=1.5 m兩組工況開展數值模擬。對計算結果截取平行于魚道底面的斜截面作分析，斜截面相對池底的高度與設計水深之比h/H分別為0.2、0.5、0.8。斜截面流速等值線如圖3所示。

根據模擬結果，過魚池水流呈現如下特征:①相鄰過魚池的流速分布相似，豎縫泄流沿疏縫導向前進，兩側形成比較明顯的回流區;②相鄰豎縫泄流的主流區域首尾相連，形成了明顯“S”形的主流速區;③上、中、下層截面的流速分布形態基本相同;④池室水深1.5 m相對池室水深3.0 m，流速分布形態相似，豎縫流速較大。

沿豎縫垂向中心線的流速分布見圖4，可知，流速大小隨水深增加逐漸增大;H=1.5 m時，豎縫流速為0.81～1.40 m/s;H=3.0 m時，豎縫流速為0.73 ～1.08 m/s。

計算結果表明:①豎縫流速未超過1.5 m/s，魚類可以克流上溯;②豎縫流速呈“表層小，底層大”的漸增型分布，適合不同游泳能力的魚類分層通過;③豎縫間水流形成連貫的主流區，可以誘導魚類連續上溯;④水深較小時，豎縫流速相對較大，不利于游泳能力較弱的魚類上溯。

圖3 流速等值線

4 結論

基于金沙水電站水情及魚類資料，對金沙水電站魚道開展了水力學設計，并建立CFD數學模型對魚道水流作數值模擬和分析。根據計算結果，魚道豎縫的最大流速低于魚類的極限流速，過魚池段形成了適宜不同游泳能力的魚類上溯的連貫通道。研究表明，金沙水電站魚道的初步設計型式和尺寸較合理，滿足魚類上溯的水力學要求;魚道在幼魚上溯期間，宜增大池室的水深。

圖4 沿豎縫垂向中心線流速分布

［1］RAJARATNAM N，Van der VINNE G，KATOPODIS C.Hydraulics of Vertical Slot Fishways［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1986，112(10):909－927.

［2］RAJARATNAM N，KATOPODIS C，SOLANKI S.New designs for vertical slot fishway［J］.Journal of Civil Engineering，1992(19):402－414.

［3］LARINIER M，TRAVADE F，PORCHER J P.Fishways:biological basis，design criteria and monitoring［M］.Food and Agriculture Organization of the United Nations，2002:54－57.

［4］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.

［5］曹慶磊，楊文俊，陳輝.同側豎縫式魚道水力特性的數值模擬［J］.長江科學院院報，2010，27(7):26－30.

［6］SL 609—2013 水利水電工程魚道設計導則［S］.

［7］德國水資源與陸地改良學會.魚道——設計、尺寸及監測［M］.北京:中國農業出版社，2009.

［8］徐海洋，魏浪，趙再興，等.大渡河枕頭壩一級水電站魚道設計研究［J］.水力發電，2013，39(10):5－7.

［9］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［10］郭堅，苪建良.以洋塘水閘魚道為例淺議我國魚道的有關問題［J］.水力發電，2010，36(4):8－10，19.