郭灘航運樞紐魚道進口水流條件優化數值模擬

齊春風，劉 哲，李君濤，歐陽群安，普曉剛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

河流上筑壩設閘破壞了河道水流的連通性，阻斷了魚類洄游通道，魚道作為幫助魚類順利通過樞紐障礙物的重要工程措施，在中、低水頭水工建筑物中對魚類的保護起到了很大作用[1-3]。而魚道進口是魚道工程的“針眼”，魚道進口設置是否合理是魚道工程設計的關鍵。眾多學者對魚道進口布置方式進行了研究[4-8]，Lindberg等[4]對瑞典Norrfors大壩魚道進口位置流場及誘魚效果進行了現場觀測，謝春航等[5]研究了魚道進口布置方式對集誘魚水流水力特性的影響，認為集誘魚通道布置方式能更有效地吸引魚類，黎賢訪等[6]研究了魚道進口角度對集誘魚效果的影響，認為魚道進口軸線與河道成30°最利于集誘魚，王猛等[7]研究了仿自然通道魚道進出口布置方式,認為布置多高程的魚道進口可有效適應水位變幅，Andersson[8]和李廣寧[9]等分別研究了電站尾水渠內的魚道進口流場分布，認為魚道進口位置和機組出流方式會對魚道進口集誘魚產生較大影響，史斌[10]、于廣年[11]、劉志國[12]、鄒秋寶[13]等還分別結合具體工程對魚道進口布置進行了優化。綜合國內外試驗研究成果和工程實踐經驗，魚道進口設計一般遵循以下原則：魚道進口應布置于經常有水流下泄、魚類洄游路線及集群的區域，并盡可能靠近魚類上溯的最上邊界，魚道進口附近水流應平穩順直、不應存在回流區和大尺度漩渦，且最小流速應大于魚類的感應流速，最大速度應小于魚類的突進速度。實際工程中，魚道作為水利工程的補助設施，魚道進口布置還受制于其他工程設施的布置條件、運行方式、河道水深等諸多因素的影響，需要綜合論證。

郭灘航運樞紐工程屬于南陽唐河航道梯級開發建設項目(圖1)，為低壩枯水渠化的航運樞紐，樞紐建筑物主要包括泄水閘、船閘和魚道，樞紐總布置如圖1所示。唐河生態調查表明，郭灘航道工程水域內的水生生態保護目標主要為經濟魚類(赤眼鱒)和小型魚類(細尾蛇鮈、銀鮈類)產卵場，魚道重點過魚時間為每年的4-8月，過魚保證率為95%。根據工程特點和過魚要求，魚道進口布置在左岸翼墻下游附近、壩軸線下游106 m處。受泄水閘調度方式影響，在枯水期樞紐設計運行控制方式下，魚道進口將位于泄流回流區內，難以達到理想的誘魚效果。為此，需要對郭灘航運樞紐魚道進口的實際水流條件進行模擬，通過合理的樞紐運行方式調控，為魚類上溯提供適宜水流條件。

圖1 郭灘航運樞紐布置

1 數學模型

泄水閘淹沒出流在河道內擴散，至下游一定距離后，下泄水流將沿豎向分布均勻。郭灘魚道進口位置距泄水閘的距離超過100 m，根據類似工程研究經驗，可近似認為水流沿水深方向已分布均勻，泄水閘開度對魚道進口位置處流場的影響不大。為計算方便，本文忽略泄水閘開度對魚道進口位置處流場的影響，采用Flow-3D軟件淺水模型進行樞紐工程河段的平面二維數值模擬。

1.1 基本控制方程

忽略垂直方向加速度，將三維水體運動基本方程(質量守恒方程(連續方程)和動量守恒方程(Navier-Stokes方程))沿水深積分平均，即可得淺水模型控制方程

(1)

(2)

(3)

1.2 模擬范圍及網格劃分

根據樞紐工程河段的河道形態及地形特點，樞紐上下游需要有足夠長度來獲得穩定的水流邊界條件，模型上游范圍至壩軸線上游4.7 km處、下游范圍至壩軸線下游5.3 km處，模型總長約10 km。計算網格采用六面體結構化網格，并采用漸變網格對泄水閘及魚道進口區域進行局部加密，計算域主體網格邊長5～20 m，樞紐附近網格邊長2～5 m，網格總數約100萬個。

1.3 邊界條件及河道糙率

模型進口采用流量邊界，給定進口斷面流量和水面高程，進口水位取郭灘樞紐正常蓄水位83.0 m；模型出口采用壓力邊界，給定出口斷面水面高程，出口水位由郭灘樞紐壩址處的水位流量關系推算得到并充分考慮下游水臺子樞紐水位運行區間；模型上方自由表面為水體與大氣的交界面，設為氣壓邊界。河道糙率考慮床面形態、植被條件等因素，并參考物理模型，取0.045。

樞紐工程河段數學模型及其邊界條件設置如圖2所示。

圖2 郭灘航運樞紐數學模型

1.4 模型驗證

為驗證數學模型的合理性，采用2018年5月23日實測洪水成果資料對數值模擬水位、流速進行驗證。圖3為相同流量下水位、流速計算值與實測值的對比，可以看出工程河段沿程水位及斷面流速的計算值與實測數據基本吻合，可以滿足規范要求精度，建立的數學模型是可靠的。

圖3 數學模型驗證

2 數值計算結果分析

結合樞紐運行控制方式并考慮樞紐壩址處的最小生態流量，模型計算選取5.85 m3/s 、100 m3/s 、200 m3/s 、300 m3/s 、400 m3/s 共五級流量進行。根據樞紐工程的水生生態保護目標，魚類感應流速多為0.2 m/s，喜好流速在0.3～0.8 m/s，極限流速根據魚類體長略有不同，兼顧游泳能力較弱的魚類和體型相對較小的魚類，防止魚在魚道中產生過度疲勞，同時保證魚道過魚效率，魚道進口適宜流速范圍取0.2～1.2 m/s。

2.1 原樞紐運行方式魚道進口水流條件

在擬定的計算流量范圍內，原樞紐運行方式為泄水閘中間四孔泄流，典型流量級(300 m3/s)泄水閘下游流場分布如圖4所示。水流經泄水閘中間四孔下泄至下游河道后水平擴散，受河道兩岸邊坡約束，在下泄主流兩側形成較大范圍回流區，各級流量下魚道進口均位于回流區內，使得魚道進口附近存在回流和漩渦。各級流量下魚道進口附近(取魚道進口上游100 m、橫向10 m范圍)最大流速分布如圖5所示，可以看出魚道進口附近回流流速隨下泄流量的增加而增大，當流量為300 m3/s時、魚道進口附近最大流速為1.32 m/s，當流量為400 m3/s時、魚道進口附近最大流速可達1.85 m/s。魚道進口附近較大范圍的回流會嚴重阻礙洄游魚類上溯至進魚口。

圖4 泄水閘下游流場分布(300 m3/s)

2.2 樞紐運行方式優化魚道進口水流條件

魚道進口水流條件與泄水閘調度方式密切相關，針對原樞紐運行方式下下泄主流兩側形成較大范圍回流區、魚道進口存在回流和漩渦的情況，采取調整樞紐運行方式的措施來優化魚道進口水流條件。為保證魚道進口常有下泄水流，調整泄水閘的開啟方式，使得下泄主流靠近河道左側且水流平順、流速不宜過大。根據魚道進口水流條件變化情況，共設計了三組調整方案，泄水閘開啟方式調整方案如表1所示。

表1 泄水閘開啟方式調整方案

典型泄水閘開啟方案下典型流量級(方案3，300 m3/s)泄水閘下游流場分布如圖6所示。泄水閘左側連續五孔泄流，使得下泄主流靠近河道左側，魚道進口附近可形成指向下游的穩定流場，從而有可能創造出適合魚類上溯的水流條件。

圖6 泄水閘下游流場分布(300 m3/s，方案3)

各泄水閘開啟方案下魚道進口附近最大流速分布如圖7所示，具體分析如下：

7-a 泄水閘開啟方案1 7-b 泄水閘開啟方案2

(1)方案1。當來流量為5.85 m3/s時，靠近魚道進口的泄水閘左側12#孔開啟，魚道進口附近水流平順，進口上游100 m范圍內最大流速為0.32 m/s，可滿足魚類上溯要求；當來流量為100 m3/s時，泄水閘左側的12#、11#孔開啟，魚道進口附近雖然水流平順，但其上游100 m范圍內最大流速可達1.58 m/s、超過了魚類的突進速度，難以滿足魚類上溯要求；當來流量為200 m3/s和300 m3/s時，泄水閘由左側起分別間隔開三孔和四孔，水流下泄后在下游河道內形成漩滾，魚道進口附近位于水流漩滾區，流速方向多變，難以滿足魚類上溯要求；當來流量為400 m3/s時，泄水閘左側連續六孔開啟，魚道進口附近水流平順，進口上游100 m范圍內最大流速為1.04 m/s，可滿足魚類上溯要求。

鑒于第一次調整后，在來流量為100 m3/s、200 m3/s和300 m3/s時，魚道進口水流條件仍然難以滿足要求，有必要繼續調整泄水閘的開啟方式。針對來流量100 m3/s的魚道進口流速過大問題，將泄水閘連續兩孔開啟增至連續三孔開啟，從而減小下泄水流流速；針對來流量200 m3/s和來流量300 m3/s的魚道進口漩滾問題，將泄水閘間隔開啟改為連續開啟，從而消除水流漩滾。調整后的泄水閘開啟方式即為方案2。

(2)泄水閘開啟方案2。當來流量為100 m3/s時，靠近魚道進口的泄水閘左側12#、11#、10#連續三孔開啟，魚道進口附近水流平順，進口上游100 m范圍內最大流速為1.10 m/s，可滿足魚類上溯要求；當來流量為200 m3/s和300 m3/s時，泄水閘各開啟左側三孔和四孔，受閘孔射流影響，魚道進口附近水流平順、無回流，但進口附近的流速較大，來流量200 m3/s時最大流速可達1.34 m/s，來流量300 m3/s時最大流速可達1.33 m/s，超過了魚類的突進速度，難以滿足魚類上溯要求。

鑒于第二次調整后的計算結果，當來流量為200 m3/s和300 m3/s時，魚道進口附近無回流但流速過大，考慮進一步加大泄水閘過流寬度，從而減小過流速度。當來流量為200 m3/s時，將泄水閘左側連續三孔泄流增至連續四孔泄流；當來流量為300 m3/s時，將泄水閘左側連續四孔泄流增至連續五孔泄流。再次調整后的泄水閘開啟方式即為方案3。

(3)泄水閘開啟方案3。泄水閘開啟方式再次調整后，魚道進口附近水流均比較平順，當來流量為200 m3/s時魚道進口附近最大流速為1.06 m/s，當來流量為300 m3/s時最大流速為1.14 m/s，魚道進口附近的水流條件均滿足要求。

優化后的泄水閘開啟方式及對應的魚道進口、船閘引航道口門區水流條件見表2。可以看出，在推薦的泄水閘調度方式下，魚道進口位置附近水流平穩順直，流速范圍可滿足魚類上溯要求；船閘下游引航道口門區流速極值在規范限值范圍內，通航水流條件也可滿足船舶安全航行要求。

表2 優化后的泄水閘開啟方式及魚道進口、船閘引航道口門區水流條件

3 結論

(1)原樞紐設計運行方式下，魚道進口位置處于泄流回流區內，大范圍回流難以滿足魚類上溯條件。

(2)針對魚道進口不良水流條件問題，采取調整樞紐運行方式的措施來進行優化，對泄水閘開啟方式進行了3次調整。將泄水閘泄流位置由中間改為左側，并根據下泄流量制定不同的下泄閘孔組合，通過逐步調整泄水閘開孔位置和開孔寬度，獲得了考慮魚道進口布置的泄水閘優化開啟方案。

(3)各流量級推薦泄水閘調度方式下，魚道進口位置附近水流平順，最大流速均小于魚類突進速度，可滿足魚類上溯要求；船閘引航道口門區流速極值在規范限值范圍內，也可滿足船舶航行要求。

魚道進口水流條件與泄水閘調度方式密切相關，通過調整泄水閘泄流開啟方式，樞紐下游可創造出適宜魚類上溯的水流條件。