細鱗河水庫魚道進口河段水力特性數值模擬研究

2018-11-06 08:25:30狄高健田振華劉發智

水利科學與寒區工程 2018年10期

狄高健，韓雷，田振華，劉發智

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江哈爾濱 150080)

水利工程的修建帶來了防洪、發電、灌溉、航運等經濟效益，但擋水建筑物的修建對本來連通的河道進行了阻隔，影響了河流生態環境的整體連續性，也中斷了具有洄游習性魚類的上溯，影響洄游魚類的繁殖與生存[1-2]。從保護洄游魚類及河流生態系統多樣性角度，減輕擋水建筑物阻隔的影響，一般需要修建魚道、升魚機等過魚設施為魚類上溯提供通道。研究資料表明，魚類在洄游過程中對水流條件要求嚴格，魚道進口位置的選取十分重要，甚至可成為影響過魚設施運行成敗的關鍵[3-6]。

目前，國內采用水力學物理模型試驗或數值模擬的方法對魚道水力特性的研究較多，而對魚道進口位置布置的研究較少。本文以細鱗河水庫魚道為例，項目結合樞紐的運行情況，采用二維數值仿真模型，對攔河壩下游魚道進口附近處的水流條件進行研究，得出其流速分布情況，為工程魚道進口的布置提供依據。

1 工程概況

細鱗河水庫位于黑龍江省鶴崗市北細鱗河下游干流上，水庫主要功能是向鶴崗煤礦供水，確保煤礦生活及工業用水的需求。細鱗河位于黑龍江省東北部，是梧桐河支流，發源于桶子溝和金頂山南麓，流經十八號、十里河、細鱗河林場，注入梧桐河，全長48 km，屬長流河。據調查采集魚類和文獻記載，細鱗河魚類共計7目12科46種，主要洄游魚有細鱗魚、哲羅魚、雷氏七鰓鰻、懷頭鯰、江鱈等珍貴冷水性魚，以及鰱、鳙、鯉、銀鯽等溫水性魚。本次保護魚類主要有細鱗魚、哲羅魚、江鱈等。本樞紐建成后，阻隔了魚類洄游通道，并對魚類產卵場造成不利的影響，擬修建仿生態式魚道過魚，修建魚類增殖保護站開展人工增殖放流，作為主要魚類保護措施。

2 數值模擬

2.1 控制方程

將三維水流運動基本方程沿水深進行積分，并沿水深取平均，即得沿水深平均的二維水動力運動基本方程。

水流連續方程：

(1)

沿X方向動量方程：

(2)

沿Y方向動量方程：

(3)

式中：H、Z分別為水深和水位；u、v分別為X、Y向的流速;ρ為水體密度;v為紊動粘性系數;c為謝才系數;R為水力半徑;n為底床糙率;f為柯氏力系數，f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，φ為計算水域所在地理緯度。

利用流體力學的有限單元法來計算控制方程的數值解，其基本求解過程為：控制方程分別在時間和空間上進行離散。其中時間離散采用差分法，空間離散采用有限單元法，求解過程全部采用隱式格式。

2.2 模擬范圍及網格剖分

針對細鱗河水庫魚道的特點，建立樞紐下游及魚道進口數值仿真模型。其中，網格劃分采用漸變方式。計算區域及網格劃分見圖1。

圖1 攔河壩下游及魚道進口附近數值模型及網格劃分

2.3 參數設置

糙率系數：參照多個工程的經驗確定曼寧圖，主河道水深較大，糙率對水流影響較小，取0.025。

渦粘系數：根據Smagorinsky公式確定。

(4)

式中：U，V為X，Y方向垂線平均流速，Δ為網格間距，Cs計算參數，一般選0.25

動邊界處理：為保證模型計算的連續性，本文采用“干濕判別”來確定計算區域由于水位變化產生的動邊界，當計算區域水深小于0.1 m時，該計算區域記為“干”，不參加計算；當水深大于0.2 m時，該計算區域記為“濕”，重新參加計算。

2.4 計算工況

細鱗河水庫水位～流量關系曲線見圖2。結合樞紐的運行條件，對魚道進口附近及攔河壩下游的水流條件進行研究，分別選取D-1工況為魚道進口處最低運行水位工況，D-2工況為溢流壩泄流工況，D-3工況為魚道進口最高運行水位工況。

圖2 水位流量關系曲線

3 計算結果及分析

魚類在有上溯要求時，一般趨向于頂沖水流游泳。反應水流對魚運動的流速有感應流速、喜愛流速與極限流速三種。達到感應流速，魚類開始感應并趨流前進，超過極限流速，魚類或退卻，或順流而下。《水利水電工程魚道設計導則》中規定：魚道的設計流速不應大于主要過魚對象的極限流速，不應小于魚類的感應流速。魚類的克流能力一般用魚在一定時間段內可以克服某種水流的流速大小來表示。根據相關結論和資料以及項目中魚種類和克流能力，本項目中保護魚類的感應流速取0.2 m/s，極限流速為1.2 m/s，即魚道的進口應保證流速在0.2～1.2 m/s之間，而大部分魚類的喜愛流速在0.3～0.5 m/s之間，即當流速在此區間時，魚類更容易找到進魚口從而順利進入魚道內部。

3.1 D-1工況

D-1工況，最低運行水位工況時，根據數值模擬結果(圖3、圖4)可以看出，河道流速在0.2～0.5 m/s范圍內；魚道進口附近水流速度較小，約為0.1 m/s左右，小于魚類的感應流速0.2 m/s，魚類較難找到進魚口，不能很順利地進入魚道內部。

3.2 D-2工況

D-2工況，溢流壩泄流工況時，根據數值模擬結果(圖5、圖6)可以看出，下游河道速流速在0.1～0.7 m/s范圍內；魚道進口處附近水流平順，流速在0.35 m/s左右，大于保護魚類的感應流速0.2 m/s，小于保護魚類的極限流速1.2 m/s，且在魚類喜愛流速范圍0.3～0.5 m/s之間，因此在本工況下，理論上魚類能夠找到進魚口從而順利進入魚道內部。

圖3 D-1工況進口及下游流場等值線圖

圖4 D-1工況進口及下游流場矢量圖

圖5 D-2工況進口及下游流場等值線圖

3.3 D-3工況

D-3工況，魚道進口最高運行水位工況時，根據數值模擬結果(圖7、圖8)可以看出，下游河道速流速在0.1～1.0 m/s范圍內；魚道進口處附近水流平順，流速在0.45 m/s左右，大于保護魚類的感應流速0.2 m/s，小于保護魚類的極限流速1.2 m/s，且在魚類喜愛流速范圍0.3～0.5 m/s之間，因此在本工況下，理論上魚類能夠找到進魚口從而順利進入魚道內部。