葉巴灘水電站進(jìn)魚口河段數(shù)值模擬研究

潘 露,王 川

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611231； 2.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

修建水庫(kù)能夠帶來(lái)防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉等經(jīng)濟(jì)效益，但由于擋水建筑物在原本連通的河道中形成阻隔，中斷了河流生態(tài)環(huán)境的連續(xù)性，具有洄游習(xí)性的魚類將無(wú)法上溯洄游，從而對(duì)其繁殖和生存造成極大的影響[1]。為了減緩擋水建筑物的阻隔影響，保護(hù)魚類資源，可通過(guò)修建過(guò)魚設(shè)施作為魚類上溯洄游的通道[2]。根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)魚道資料，目前我國(guó)大部分魚道的運(yùn)行效果并不理想，尚需進(jìn)一步開(kāi)展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用實(shí)踐的改進(jìn)。試驗(yàn)研究表明，魚類在洄游過(guò)程中對(duì)水流條件要求嚴(yán)格，進(jìn)魚口位置的選取成為影響過(guò)魚設(shè)施運(yùn)行成敗的關(guān)鍵[3-5]。

目前，國(guó)內(nèi)多采用水力學(xué)試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法對(duì)魚道水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行研究[6-13]，而對(duì)進(jìn)魚口位置選擇的研究較少。本文以葉巴灘水電站為例，結(jié)合其集魚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到其生態(tài)電站尾水洞和電站尾水洞出口河段的流場(chǎng)分布情況，以判斷兩處尾水洞出口河道內(nèi)是否存在魚類上溯的流速屏障。同時(shí)，根據(jù)電站尾水洞出口和生態(tài)電站尾水洞出口河段的流速分布，為工程壩下集魚系統(tǒng)進(jìn)魚口的布置提供依據(jù)。

1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段。壩址多年平均流量824 m3/s，水庫(kù)正常蓄水位2 889.00 m，相應(yīng)庫(kù)容10.80×108m3，死水位2 855.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容5.37×108m3，電站裝機(jī)容量228.5×104kW(含12.5×104kW泄放生態(tài)流量機(jī)組)。電站1#尾水洞全長(zhǎng)2 921.64 m，2#尾水洞全長(zhǎng)2 891.25 m，出口均位于二道壩下游約3 km河道右岸；泄放生態(tài)流量機(jī)組尾水經(jīng)尾水管出流后，經(jīng)右岸導(dǎo)流洞結(jié)合段、尾水出口檢修閘門和尾水渠接入二道壩下游河道，全長(zhǎng)725.493 m。葉巴灘水電站屬高壩電站，其過(guò)魚設(shè)施采用集魚系統(tǒng)。

根據(jù)相關(guān)資料顯示，金沙江上游水域珍稀魚類品種較多。由于該流域特殊的地質(zhì)條件、水文特征及單一的水流環(huán)境，水域魚類組成較簡(jiǎn)單，主要由裂腹魚類、條鰍類及鮡科魚三大類群構(gòu)成，其中裂腹魚類具有一定短距離生殖洄游習(xí)性。裂腹魚類作為金沙江上游主要優(yōu)勢(shì)種群，繁殖季節(jié)受工程阻隔影響非常大[14]。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

數(shù)值計(jì)算用Fluent流場(chǎng)流模擬軟件，采用κ-ε紊流雙方程模型和具有自由液面追蹤功能的VOF單流體模型，并用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散，求解采用PISO算法。控制方程為：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

κ方程：

G-ρε

(3)

ε方程：

(4)

式中：ρ為密度；ui為速度在i方向上的分量；κ為紊動(dòng)能；ε為耗散率；μt為湍動(dòng)黏度；G為紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)。

VOF方法是一種追蹤復(fù)雜自由表面的有效方法。對(duì)于僅有水和空氣兩相流來(lái)說(shuō)，水和氣的體積分?jǐn)?shù)αw(x，y，z，t)和αα(x，y，z，t)在每一個(gè)網(wǎng)格上其和等于1，即：

αw(x，y，z，t)+αα(x，y，z，t)=1

(5)

對(duì)于水氣兩相流，本文追蹤水自由面，水在網(wǎng)格上體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)方程為：

(6)

引入VOF模型后，式(1)～式(4)中的密度ρ和黏性系數(shù)μ不再是常數(shù)，混合流體的密度ρ表示為ρ=αwρw+(1-αw)ρa(bǔ)；混合流體的粘性系數(shù)表示為μ=αwμw+(1-αw)μa。

2.2 模擬區(qū)域及邊界條件

集魚設(shè)施進(jìn)口的布置應(yīng)結(jié)合魚類的上溯路線，選擇有水流下泄及魚類經(jīng)常聚集的區(qū)域，并盡可能靠近魚類能上溯到達(dá)的最前沿，即阻礙上溯的障礙物附近[7]。綜上分析，葉巴灘水電站集魚系統(tǒng)進(jìn)口擬布置在二道壩與生態(tài)尾水洞之間河道岸邊。電站下游河道魚類上溯至集魚系統(tǒng)進(jìn)口需經(jīng)過(guò)電站尾水洞出口和生態(tài)尾水洞出口河段，由于兩處尾水洞下泄水流集中，河道內(nèi)存在高速橫向水流，有可能成為魚類上溯的流速屏障。因此，數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域選擇電站尾水洞出口河段及生態(tài)電站尾水洞出口河段。電站尾水洞出口河段為葉巴灘水電站尾水洞出口共計(jì)長(zhǎng)約660 m的河段(1#尾水洞出口上游200 m至下游460 m河段)，生態(tài)電站尾水洞出口河段為生態(tài)電站尾水洞出口及二道壩開(kāi)挖邊界線至下游尾調(diào)交通洞出口斷面共計(jì)長(zhǎng)約600 m的河段，見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算河道范圍

電站尾水洞出口河段及生態(tài)電站尾水洞出口河段均采用速度進(jìn)口邊界條件，以保證入流量為一恒定值；下游河道出口為出流斷面，采用自由出流邊界；尾水渠和下游河道采用固壁邊界。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩種類型。電站尾水洞出口河段沿水深方向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距為1～1.7 m，與水深垂直方向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間距為1～3.0 m，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格單元總數(shù)約40.7萬(wàn)個(gè)。生態(tài)電站尾水洞出口河段沿水深方向節(jié)點(diǎn)間距為0.4 m，與水深垂直方向節(jié)點(diǎn)間距為1.0 m，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格單元總數(shù)約20.2萬(wàn)個(gè)。見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 水流流場(chǎng)分布

3.1.1 電站尾水洞出口河段

計(jì)算上游來(lái)流量為132 m3/s，電站4臺(tái)機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行工況下的河道內(nèi)流場(chǎng)分布情況，見(jiàn)圖3～圖5。

由圖3～圖5中可知，電站尾水洞出流沖頂對(duì)岸，主流沿左岸流向下游，水流流速左岸大于右岸，1#、2#尾水洞之間及1#尾水洞下游河道右岸存在一定回流區(qū)；河道內(nèi)水流經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的擴(kuò)散調(diào)整，至1#尾水洞下游200～400 m時(shí)，流速分布恢復(fù)至天然情況。由于尾水洞軸線與河道主流方向交角較大，尾水洞出流頂沖對(duì)岸，使得沿尾水洞軸線方向形成高流速橫向水體，尾水洞出口至對(duì)岸河道內(nèi)大部分區(qū)域流速值為1.6～2.6 m/s，但靠近河道左岸岸邊存在寬0.5 m小流速區(qū)域，且水流平順、流速方向明確。

圖3 計(jì)算區(qū)域內(nèi)水面流場(chǎng)

圖4 計(jì)算區(qū)域內(nèi)平面流場(chǎng)分布

圖5 計(jì)算區(qū)域內(nèi)水面高程河道岸邊流速等值線圖(A-A詳圖)

3.1.2 生態(tài)電站尾水洞出口河段

計(jì)算下泄132 m3/s生態(tài)流量工況條件下研究河段的流場(chǎng)分布情況，見(jiàn)圖6～圖8。

由圖6～圖8中可知，生態(tài)電站尾水洞出流后沖頂對(duì)岸，主流沿岸邊流向下游，部分水流折向上游形成回流。尾水洞出口流速約4.7 m/s，至河道中心降至1.4～1.6 m/s，在水流沖頂岸坡區(qū)域，最大流速約為1.7 m/s。區(qū)域內(nèi)水流流速經(jīng)100 m長(zhǎng)河段的擴(kuò)散調(diào)整，分布趨于均勻，在靠近左岸岸邊存在寬約0.6 m流速較小的區(qū)域。

圖6 計(jì)算區(qū)域內(nèi)水面流場(chǎng)

圖7 計(jì)算區(qū)域內(nèi)平面流場(chǎng)分布(1-1剖面)

圖8 計(jì)算區(qū)域內(nèi)水面高程河道岸邊流速等值線圖(A-A詳圖)

3.2 進(jìn)魚口位置選擇

魚對(duì)水流流速敏感，不同種類的魚類偏好的流速不同。通過(guò)對(duì)雅魯藏布江中游裂腹魚類(體長(zhǎng)170～450 mm)的游泳能力試驗(yàn)研究結(jié)果[7]可知，裂腹魚類的感應(yīng)流速為0.04～0.12 m/s，臨界速度為0.83～0.98 m/s，突進(jìn)速度為1.17～1.53 m/s。在0.8～1.2 m/s流速下持續(xù)游泳時(shí)間大于5 min。因此，集魚系統(tǒng)進(jìn)口宜設(shè)在河道0.8～1.2 m/s流速范圍區(qū)域內(nèi)，且河道內(nèi)不存在魚類上溯的流速屏障。

從水流流場(chǎng)分布可知：

1) 電站4臺(tái)機(jī)組滿發(fā)運(yùn)行時(shí)，電站尾水洞附近的高速橫向水流流速值達(dá)到1.6～2.6 m/s，大于裂腹魚類的最大突進(jìn)速度，且存在回流區(qū)，魚類將無(wú)法通過(guò)此流速屏障完成上溯，但在靠近河道左岸岸邊存在寬0.5 m低流速區(qū)，魚類可以沿河道左岸自由上溯。因此，電站尾水洞出流水體不會(huì)對(duì)魚類洄游造成影響。

2) 在生態(tài)電站尾水洞出口下游，河道內(nèi)大部分區(qū)域流速為1.7～2.0 m/s，也大于裂腹魚類的最大突進(jìn)速度。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，靠近左岸岸邊存在寬0.6 m區(qū)域水流流速值小于1.2 m/s，下游洄游魚類可順利上溯通過(guò)。

3) 生態(tài)尾水洞出口水流頂沖對(duì)岸后，一部分水流折向上游，河道內(nèi)存在0.8～1.2 m/s流速區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)水流平順、流速方向明確，且靠近魚類上溯的物理障礙(二道壩)處，可作為集魚系統(tǒng)進(jìn)口推薦布置位置。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)葉巴灘水電站進(jìn)魚口河段的數(shù)值模擬計(jì)算，分析了電站進(jìn)魚口位置的選擇方法。可得到以下結(jié)論：

1) 金沙江上游水域水流環(huán)境單一，水域魚類組成較簡(jiǎn)單，其中裂腹魚類具有一定短距離生殖洄游習(xí)性，因此選擇裂腹魚類為過(guò)魚對(duì)象。通過(guò)對(duì)裂腹魚的游泳行為試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0.8～1.2m/s流速范圍最適宜其洄游上溯。

2) 通過(guò)對(duì)電站下游河道的三維數(shù)值模擬可知，電站尾水洞附近存在高速橫向水流，但在靠近河道左岸岸邊存在低流速區(qū)，魚類可以沿河道左岸自由上溯。因此，電站尾水洞出流水體不會(huì)對(duì)魚類洄游造成影響。

3) 生態(tài)電站尾水洞出口下游及尾調(diào)交通洞出口附近水流流速較大，不利于魚類上溯通過(guò)，但岸邊存在水流均衡平順的低流速區(qū)，可作為魚類的上溯通道。建議將進(jìn)魚口布置在生態(tài)電站尾水洞出口對(duì)岸的上游區(qū)域。