虎渡溪航電樞紐工程誘魚流態與魚道進口位置優化研究

羅濤，鐘建

(四川省水利水電勘測設計研究院有限公司，成都，610072)

1 引言

魚類由于索餌、越冬或繁殖等需求，往往會出現洄游行為。水電站尤其是梯級電站中大壩的修建在破壞河流縱向連通性的同時，也使得部分洄游性魚類原有的棲息地受到了破壞，直接影響了魚類的生長與繁殖[1]，這對魚類的生存造成了威脅，甚至可能導致某些魚類的滅絕。修建魚道可有效減緩大壩的阻隔影響，對恢復魚類在河流中自由洄游具有重要的意義[2]。魚道進口位置的選擇直接影響著魚道工程的過魚效果[3]。針對不同洄游目標魚類，魚道進口所需要的水力學條件也不同，進口附近是否存在滿足特定水力學條件的集誘魚水流、魚類是否能迅速感應到吸引水流并進入進口是魚道設計的關鍵因素之一[4]。

自1662年法國南部阿貝爾省首次提出魚道設計以來[2]，國內外研究人員對不同結構體型的魚道進行了大量研究。劉志雄等設計了帶隔板的玻璃水槽，對異側豎縫式魚道內部的水力特性進行了系統研究[5]。諸韜等[6]對某工程雙側豎縫式魚道的正反兩種運行狀態進行了數值模擬，研究了魚道內部的水力特性。魏炳乾等[7]針對地盤子工程魚道建立了物理模型，將仿自然通道與垂直豎縫式魚道相結合，得出了優化設計方案。胡曉、石小濤等[8]對國外涵洞式魚道的研究成果進行了總結，提出了三種擋板系統工作時的水力學相關計算公式。林寧亞等[9]結合某實際工程，采用數值模擬與物理模型實驗相結合的方式，得出了交錯蠻石仿自然魚道內部的水力學特性。以往關于魚道設施的研究大多集中在魚道內部的結構優化以及內部結構的水力學特性上，但魚道能否成功運行不僅取決于內部結構設計，還與魚道進口處的水流吸引條件息息相關[10]，國內外都不乏因魚道進口無法被魚類感知而導致魚道過魚效率極其低下甚至廢棄的工程案例。本文對虎渡溪壩下庫區進行三維數值模擬并開展物理模型試驗，結合實測數據驗證數模結果可靠后，從流場分布特性、適宜流速分布特性、紊動能分布特性三個方面綜合分析，擬將虎渡溪航電樞紐工程目標魚類的生活習性、行為學特征與其壩下水力學特性進行耦合，結合工程實際對魚道進口的布置區域提出建議。

2 研究材料與方法

2.1 研究區域

本文以岷江虎渡溪航電樞紐工程及其下游河道為研究對象，該工程是岷江干流航電梯級開發規劃中的第六級。工程開發方式采用河床式開發，水庫正常蓄水位391.00m，正常蓄水位的對應庫容約3152.00萬m3，該工程具有日調節性能，其調節庫容為282.00萬m3。電站共設3臺機組，單機最大容量為21MW，工程設計引用流量為996.60m3/s。

2.2 過魚對象、季節及游泳能力

根據該工程配套的水域水生生物調查成果可知，本工程的主要過魚對象為長吻鮠與白甲魚，其適宜流速區間為0.23m/s～1.21m/s。兩種主要過魚目標均為小型魚類且均有洄游需求，根據其繁殖季節將過魚時間定為3-7月。根據丁少波等[11]的研究，可得知過魚對象的游泳能力如表1所示。

2.3 數學模型及物理模型驗證

2.3.1 模擬區域

河道地形數據根據真實地形資料制作成數字地形，作為計算的幾何模型。原點位于靠近左岸尾水洞末端距離右岸196.50m處，以原點垂直指向右岸的方向為y軸正向。x方向建模范圍為0-361m～0+923m，共1284.00m；y方向建模范圍為0-297m～0+455m，共752.00m；z方向模擬高程范圍為0+350m～0+385m，共35.00m。研究區域的三維模型如圖1所示。

圖1 研究區域三維模型示意

2.3.2 網格劃分

本次模擬采用六面體結構化網格，為減少總網格數量并提高計算效率，采用漸變網格對重點研究區域進行了局部加密處理。因該工程尾水洞出口處附近流態變化較大，故對尾水洞出流處進行了加密處理。本次模擬共采用3套網格，上部網格用于壩上游處，其x方向的范圍為0-320m～0-80m；中部網格用于尾水出口附近，其x范圍為0-80m～0+100m；下部網格用于尾水下游至最下游邊界，其x方向的范圍為0+100m～0+920m。整套網格數量總數為481.80萬。該工程壩下流場數值模擬網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分示意

2.3.3 邊界條件

本次模擬的計算入口為模型最上游0-361m處，計算出口為0+923m處。由于自由表面是水體與大氣的交界面，故自由表面的邊界條件應為壓力邊界條件，即P=Pa(大氣壓力)，F=0(充滿空氣)。入口采用流量邊界，給定上游邊界出口流量Q。出口采用壓力邊界條件，給定出口斷面的水面高程Houtlet及水面壓力P=Pa(大氣壓力)。壁面采用無滑移壁面條件，參考河道資料，給定河道壁面糙率為0.03。為了提高計算效率，在計算前進行初始化設定，在計算區域內以水位高程的方式初始化流體。

2.3.4 工況設置

本電站共有三臺機組，從左岸向右岸依次編號為1#、2#、3#機組。工況1為左岸側(1#)單機運行；工況2為右岸側(3#)單機運行；工況3為外側雙機組(1#、3#)運行；工況4為三臺機組滿發。結合目標魚類繁殖期3-7月的幾種典型流量，工況設置如表2所示。

表2 工況設置

2.3.5 模型驗證

為了驗證數值模擬的準確性，作者針對比尺為1∶60的物理模型開展了相關實驗，物理模型見圖3。本文選取了流量最大的典型工況4(出庫流量為996.00m3/s)進行驗證，將水工模型試驗的測量結果與數值模擬相應區域的計算結果進行對比，物理模型試驗與數值模擬的流速大小與方向對比如圖4所示。從流速大小來看，相對誤差范圍為0.005%～19.93%，平均相對誤差為5.33%，平均絕對誤差為0.056m/s；從流速角度來看，相對誤差范圍為0～19.60%，平均相對誤差為5.44%，平均絕對誤差為2.64°。綜上，本文數值模擬所得出的該工程下游河道水力學特性是可靠的。

圖3 物理模型

圖4 流速大小與角度誤差示意

3 數值模擬結果及分析

3.1 流場分析

研究區域各工況下的流場數值模擬計算結果見圖5。各工況的壩下研究區域主流均偏向左岸，主流區域水流平順、擴散均勻。工況1主流流速范圍為0.14m/s～1.24m/s，右岸x=120.00m～740.00m范圍內存在一個回流區域，其最大橫向寬度約為200.00m；工況2主流流速范圍為0.14m/s～1.23m/s，在壩下右岸x=160.00m～780.00m范圍內存在一個回流區域，最大橫向寬度約為360.00m；工況3主流流速范圍為0.15m/s～1.45m/s，在壩下右岸x=160.00m～720.00m范圍內存在一個回流區域，其最大橫向寬度約為320.00m。工況4主流流速范圍為0.42m/s～3.14m/s，在x=160.00m，y=250.00m附近由于地形原因，在主流部分出現了小范圍的漩渦回流區，其最大橫向寬度約為15.00m，在壩下右岸x=250.00m～650.00m范圍內存在一個大面積的回流區域，其最大橫向寬度約為250.00m，且回流在x=180.00m～260.00m處與主流出現交混，形成了一個環形流通區。

圖5 各工況數值模擬流場

目標魚類存在溯邊溯底的洄游特性，且本文目標魚類適宜流速區間為0.23m/s～1.21m/s，可以此為依據從流場角度進行分析。在工況1、2、3下主流流速不大，不存在流速屏障阻隔，魚類可沿主流上溯，右岸雖存在回流區，但回流流速不高，且與主流右側的邊界清晰，故沿主流左右兩側均可上溯至壩前，目標魚類可穿過主流尋找適宜區域進行游動。在工況4下，主流左側流場變化不大，受地形影響，主流左側尾水出口不遠處存在一個低流速區，可作為目標魚類休息場所，適宜目標魚類上溯；主流右側流場十分復雜，由于流量增大，主流右側形成的回流區面積大，流速高，且與主流右側出現交混，目標魚類不易識別上溯水流，故主流右側不適宜魚類上溯。

3.2 適宜流速分析

研究區域各工況下的適宜流速等值線圖見圖6，其中流速大于1.20m/s的區域為不適宜魚類活動的范圍，以紅色表示。工況1-3下，除尾水出口處流速過大，其余區域均為魚類可到達、活動的區域；壩下左岸的x=0～900m，y=0～150m處為流速適宜區，右岸大部分是低流速或回流區，不存在覆蓋整個河道橫斷面的流速屏障阻隔，目標魚類從左右岸均可成功上溯到壩前位置。工況4的主流絕大部分區域呈現出紅色；此工況存在三處適宜魚類活動的區域：①x=60m～340m，y=240m～300m；②x=700m～900m，y=-80m～800m；③x=160m～900m，緊貼主流右側寬度約為70m的整條適宜流速帶。工況4下右岸大部分是低流速或回流區，不存在覆蓋整個河道橫斷面的流速屏障阻隔，魚類從左右岸均可成功上溯到壩前位置。

圖6 各工況數值模擬適宜流速分布等值線

3.3 紊動能分析

研究區域各工況下的紊動能分布見圖7。工況1、2、3壩下紊動能整體偏小，且紊動出現的位置固定。其中工況1的紊動區域出現在x=50.00m～150.00m，y=200.00m～260.00m的尾水洞出口左側導墻下游處，其紊動能范圍為0.01m2/s2～0.02m2/s2；主流段紊動能范圍為0～0.02m2/s2。工況2的紊動區域出現在x=50.00m～400.00m，y=100.00m～140.00m的尾水洞出口右側導墻下游處，其紊動能范圍為0～0.02m2/s2；主流段紊動能范圍為0～0.04m2/s2。工況3的紊動區域出現在x=50.00m～350.00m，y=100.00m～140.00m的尾水洞出口右側導墻下游處，其紊動能范圍為0.01m2/s2～0.03m2/s2；主流段紊動能范圍為0～0.04m2/s2。工況4由于流量增加，紊動能增大，水流紊動區域也明顯增多。在x=55.00m～300.00m，y=100.00m～160.00m的尾水洞出口右側導墻下游處存在高紊動區域，其值大于0.05m2/s2；另外在x=0～800.00m，y=140.00m～260.00m的主流左側條形區域出現了不同程度的紊動，其紊動能范圍為0.02m2/s2～0.05m2/s2。

圖7 各工況數值模擬紊動能分布

本文的目標魚類喜好存在適宜紊動的區域，但紊動能不宜大于0.04m2/s2，因為過強的紊動將影響魚類自身平衡，還會使得魚類在游動過程中消耗大量能量，不利于魚類通過[12]。綜合上述因素考慮，適宜本文目標魚類的紊動能范圍為0～0.04m2/s2。工況1存在兩處適宜區域：①x=70m～120m，y=220m～260m；②x=0～300m，y=140m～180m。工況2存在兩處適宜區域：①x=0～200m，y=180m～200m；②x=60m～400m，y=160m～180m。工況3存在兩處適宜區域：①x=80m～120m，y=230m～280m；②x=60m～340m，y=100m～150m。工況4存在三處適宜區域：①x=40m～160m，y=200m～280m；②x=240m～400m，y=-180m～-240m；③x=420m～560m，y=40～120m。

4 結論與展望

本文以岷江干流虎渡溪航電樞紐工程為例，根據真實地形、建筑物資料建立了數字地形與水工模型，采用流體計算軟件對該工程的尾水洞及壩下河道進行了數值模擬，并開展了物理模型試驗對數模結果進行驗證。確定數值模擬結果可靠后，對四種典型流量工況下的流場、適宜流速、紊動能進行了對比分析，結論如下：

結合四種工況下的流場分布、適宜流速分布以及紊動能分布，建議將魚道進口布置在尾水洞左岸導流墻末端處。該位置流場穩定，處于主流均勻擴散區，各工況的流速大小均在0.23m/s～1.21m/s的適宜范圍內，且在工況1、2、3下此處的紊動能范圍為0.01m2/s2～0.015m2/s2，工況4此處的紊動能大小為0.02m2/s2～0.035m2/s2，各工況下的紊動強度均處于本文目標魚類的適宜范圍內；另一方面，該位置靠近岸邊，無論是場地要求還是施工難易程度而言都比較適合魚道布置。

本文從生態水力學特性的角度出發，對目標魚類的喜好流速與紊動能進行分析，給出了魚道進口位置的布置建議，對類似工程具有借鑒意義。但本文并未從魚類的生態學角度進行分析，魚類可能因為溫度、餌類生物、天敵等因素選擇其他位置進行上溯，故魚類生物學因素可作為日后補充研究的重要方向。此外由于該工程為航電樞紐工程，通航船只對目標魚類的擾動程度尚不明確，故本文推薦進口位置可能與實際魚類集群區域存在一定偏差。