花園水庫魚道池室水力特性研究

劉發智，韓 雷，田振華，狄高健

(黑龍江省水利科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

水利水電工程的不斷建設，破壞了河流的連續性，阻隔了魚類的洄游通道，改變了魚類棲息環境，對魚類的生存繁殖造成不利影響[1]。為了保護魚類資源，恢復河流生物多樣性，越來越多的水利樞紐工程開始設置過魚設施。魚道便是其中最常見的過魚設施。魚道按結構形式可分為池堰式魚道、槽式魚道、橫隔板式魚道和特殊結構式魚道等[2]。橫隔板式魚道按其結構形式又可分為淹沒孔口式魚道、豎縫式魚道及其組合式魚道3種[3]。其中豎縫式魚道因具有適用于較大水位差及不同喜好水深的魚類等優點[4]，應用最為廣泛。魚道內流速、流態等水力特性的好壞是魚道設計成功的關鍵，為避免所建魚道存在有水無魚、魚道淤塞的現象，在魚道設計前對魚道的水力特性進行系統地研究非常必要。鑒此，本文以花園水庫工程魚道為例，通過水工水力學模型試驗對豎縫式魚道的水力特性進行研究，分析此類型魚道水力特性，可供類似工程參考。

1 工程概況

花園水庫位于龍江縣濟沁河下游，是一座以灌溉為主，結合防洪，兼顧發電等綜合利用的大Ⅱ型水利樞紐。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，擬修建垂直豎縫式魚道過魚，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。據調查采集魚類和文獻記載，濟沁河主要洄游魚有細鱗魚、哲羅魚、雷氏七鰓鰻、黑龍江茴魚、江鱈等珍貴冷水性魚，以及鰱、鳙、鯉、銀鯽等溫水性魚。魚道的設計流速主要根據主要過魚對象的克流能力而定，綜合考慮幾種過魚種類的克流能力，魚道設計流速取1.0 m/s。

花園水庫魚道采用同側橫隔板豎縫式魚道型式，全長2389 m(不含1#、2#進出口控制閘長度)。魚道底板縱坡除控制閘、休息室段采用水平底板外，各標準池室底板縱坡比采用1∶78。平均每10個標準池設1個休息池，共50個。魚道標準池室長度4.0 m，凈寬3.0 m，隔板高2.5 m，豎縫寬度0.54 m。魚道池室具體尺寸見圖1。

2 研究內容

本文主要研究內容是通過1∶5水工水力學模型試驗對花園水庫豎縫式魚道池室的流態、池室平面流速分布、豎縫垂向流速分布、單位體積消能率等水力特性進行研究，分析諸多水力特性能否滿足洄游魚類上溯要求。

3 模型設計制作

為研究花園水庫魚道水力特性，專門進行局部水工模型試驗研究，模型按重力相似準則設計，

圖1 魚道池室尺寸圖(單位：cm)

模型幾何比尺 1∶5，模型包括上游水庫、魚道池室及下游量水堰等，模型長度約20.0 m。魚道池室采用有機玻璃制造，共設10塊隔板(自上游往下游以1～10編號)，隔板為同側豎縫布置，間距80 cm(原型為4.0 m)，底坡比1∶78。模型布置見圖2。模型控制邊界條件為水深，調整上下游水位得到各級水池水深，待水位穩定后采用旋漿流速儀測量沿程典型隔板(4～6 號隔板)豎縫流速及池室流速分布。試驗選取了魚道水池水深H為1.0 m、2.0 m、2.5 m三種運行工況，三種工況上下游池室水深保持相等。

圖2 模型布置示意圖

4 試驗結果分析

4.1 流 態

試驗對魚道池室內水流流態進行觀測，觀測結果表明，在不同工作水深條件下，各級水池內均能形成典型的豎縫式水流流動結構，水流流態良好。表面水流流向明確，主流順暢，水流在隔板前壅高，自豎縫處形成明顯的跌落流出進入下一級水池后，主流彎曲向左側偏轉，形成“S型”流向，水流在水池內擴散較好，未出現主流臨近兩側邊墻的不利流態。在隔板下游主流兩側形成局部回流，強度不大，為魚類提供了有效的休息場所。魚道池室流態見圖3。

圖3 魚道池室流態圖

4.2 池室表面流速分布

針對水池水深1.0 m、2.0 m、2.5 m等運行工況，量測了4～5#、5～6#隔板之間的水池內表層流速分布。流速測量中對測點坐標的控制方法如下：以4#橫向長隔板前端與池室左側邊墻的交點為0點坐標，向下游方向為Y軸正方向，垂直于邊墻向右側為X軸正方向。圖4為根據試驗繪制的水池表層流速矢量圖和流速云圖。

試驗結果表明，在不同工作水深條件下，沿程池室的水流條件及流速分布基本相同，水池內主流區大體居于水池中央位置，主流區兩側為回流區或靜水區。豎縫斷面與主流區水流流速相對較大，豎縫處流速在0.8 m/s左右，池室中間主流流速為0.4～1.0 m/s，兩側及隔板下游附近回流區流速均小于0.3 m/s，個別測點達到1.0 m/s，出現在橫向導板下游出口附近。說明花園水庫魚道池室流速分布基本滿足過魚對象的上溯要求。

圖4 典型工況水池內表層流速分布及云圖

4.3 豎縫斷面流速分布

對于上溯魚而言，豎縫式魚道豎縫附近的流速量值是豎縫式魚道最為關鍵的控制性指標。該流速不能高于上溯魚的極限流速，對于本工程而言，這個流速值為1.0 m/s。為了研究豎縫附近流速，試驗共布置了3處測點，1號測點為豎縫斷面左側距固壁距離0.1 m處，2號測點為豎縫斷面中心位置，3號測點為豎縫斷面右側距固壁距離0.1 m處，每處測點分別沿垂線測量5個深度流速，測點布置見圖5。

本項研究針對在不同水池水深情況下，實測了4#、5#、6#隔板豎縫附近的垂線流速分布，取三處隔板同一深度流速平均值。各工況豎縫斷面垂向流速分布見圖6。試驗結果表明：三種不同水深工況，豎縫處流速分布大體相似，豎縫處流速分布從左至右逐漸增加，豎縫斷面的水流流速大體上處于0.62～0.95 m/s之間，最大流速均小于過魚對象的極限流速1.0 m/s，滿足過魚對象的上溯要求。

圖5 豎縫斷面測點布置

圖6 豎縫斷面垂向流速分布

4.4 單位體積消能率

對于豎縫式魚道而言，在確定池室細部結構時，不僅要考察水流流態與流速分布，還要關注各級魚室內的能量耗散情況。如果魚室參數設計不合理，水流消能不夠充分，容易導致魚類消耗大量的體力，不能順利上溯。法國的Larinier[5]對豎縫式魚道的消能效率進行了深入研究，提出單位消能率的概念，并給出了各級水池內的單位水體消能率E不得超過150～200 W/m3的建議。因此，對池室內單位水體消能率進行計算是必要的。

單位水體消能率計算公式：

(1)

式中：E為容積功率耗散，W/m3；ρ為水的密度，取1000 kg/m3；B為過魚池寬度，取3 m；h為水池中的平均水深，取1 m；L為過魚池長度，取4 m；d為隔板厚度，取0.3 m；Δh為隔板水位差，取0.051 m。

通過模型試驗率定得到工作水深為1.0 m、

2.5 m時的過流能力分別為0.442 m3/s、1.070 m3/s。 按式(1)計算得出魚道池室的容積功率耗散約為19.92 W/m3、19.29 W/m3，紊動不劇烈，適合魚類上溯。

5 結 論

通過1∶5魚道局部模型，對同側橫隔板豎縫式魚道的水力特性進行研究，對過魚池室流態、流速分布、單位體積消能率等進行了觀測分析。試驗結果表明，魚道池室主流清晰，流態良好，池室流速分布合理，豎縫斷面最大流速均小于過魚對象極限流速1.0 m/s，各級水池內的單位水體消能率E小于200 W/m3。綜上所述花園水庫魚道采用同側橫隔板豎縫式，設計參數尺寸基本合理，滿足魚類上溯的水力學要求。本次模型試驗成果，可供類似工程魚道建設作為參考。