崔家營(yíng)樞紐下游流場(chǎng)模擬與魚(yú)類(lèi)水力特性偏好研究

張 銘，謝 紅，楊 宇，王曉剛，趙建平

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.漢江雅口航運(yùn)樞紐管理處，湖北 襄陽(yáng) 441400)

過(guò)魚(yú)設(shè)施是在水閘、水壩或天然障礙處為魚(yú)類(lèi)上溯洄游而設(shè)置的建筑物，是一種重要的生態(tài)保護(hù)措施。水利工程中的過(guò)魚(yú)設(shè)施主要有魚(yú)道、魚(yú)閘及升魚(yú)機(jī)等，中高壩一般采用魚(yú)閘或者升魚(yú)機(jī)，而低壩一般采用魚(yú)道。目前，世界范圍內(nèi)已建的過(guò)魚(yú)設(shè)施中有的過(guò)魚(yú)效果并不理想[1]，主要是因?yàn)閮深?lèi)水流障礙的存在[2-5]，一是過(guò)魚(yú)設(shè)施內(nèi)部的水流障礙，如流速超過(guò)魚(yú)類(lèi)的游泳能力或者不利流態(tài)致使魚(yú)類(lèi)迷失方向等；二是集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)口附近的水流障礙，主要是指集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)口附近的復(fù)雜水流使魚(yú)類(lèi)無(wú)法順利找到進(jìn)口。目前關(guān)于過(guò)魚(yú)設(shè)施的研究主要集中于其內(nèi)部的水力條件，而集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)口位置的選擇、布置形式及水流條件等方面的研究還不多見(jiàn)。

集魚(yú)系統(tǒng)是過(guò)魚(yú)設(shè)施的重要組成部分，其目的是收集洄游魚(yú)類(lèi)，使其利用過(guò)魚(yú)設(shè)施過(guò)壩。如果魚(yú)類(lèi)不能順利發(fā)現(xiàn)并進(jìn)入集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)口，則無(wú)法保證其過(guò)魚(yú)效率。集魚(yú)系統(tǒng)集魚(yú)效果易受電站運(yùn)行工況的影響，魚(yú)類(lèi)只有感應(yīng)并被集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)口的水流吸引，才能進(jìn)入并利用過(guò)魚(yú)設(shè)施進(jìn)行洄游[6-10]。集魚(yú)系統(tǒng)進(jìn)口位置一般布置在魚(yú)類(lèi)能夠順利上溯可達(dá)的水域，且盡量利用下泄水流對(duì)魚(yú)類(lèi)的吸引作用[11-16]。盡管目前國(guó)內(nèi)外對(duì)魚(yú)道進(jìn)口位置的選擇已有一些設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，如合理利用尾水、兼顧魚(yú)類(lèi)游泳能力等，但電站下游河道水力條件差異較大。因此，仍需采用適宜的技術(shù)對(duì)壩下河道流場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)合魚(yú)類(lèi)游泳行為特性，確定不同發(fā)電工況下魚(yú)類(lèi)可能的群集區(qū)域或能夠順利到達(dá)的地點(diǎn)。

1 工程概況

湖北省漢江崔家營(yíng)航電樞紐位于襄樊市下游17 km處，是湖北省內(nèi)漢江干流9級(jí)梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第6級(jí)，上距丹江口水利樞紐 142 km，下距河口 515 km，是一個(gè)以航運(yùn)為主，兼有發(fā)電、灌溉、改善環(huán)境、旅游等綜合開(kāi)發(fā)功能的項(xiàng)目。根據(jù)漢江洄游性魚(yú)類(lèi)、半洄游性魚(yú)類(lèi)現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合本樞紐特點(diǎn)，過(guò)魚(yú)對(duì)象主要為洄游性魚(yú)類(lèi)鰻鱺、長(zhǎng)頜鱭和半洄游性魚(yú)類(lèi)草魚(yú)、青魚(yú)、鰱、鳙、銅魚(yú)等的親體和成體。主要以四大家魚(yú)等經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)為主，過(guò)魚(yú)季節(jié)為5－8月份。魚(yú)道設(shè)計(jì)水位上游為水庫(kù)正常蓄水位62.73 m，下游采用 5－8月的多年平均水位57.23 m。崔家營(yíng)樞紐采用橫隔板式魚(yú)道作為樞紐的過(guò)魚(yú)設(shè)施。根據(jù)魚(yú)道進(jìn)口和出口的布置要求，以及地形條件，魚(yú)道緊靠右岸電站廠房左側(cè)布置，并與布置在電站尾水平臺(tái)上的集魚(yú)系統(tǒng)相連，出口位于電站上游。主要建筑物有廠房集魚(yú)系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、魚(yú)道進(jìn)口、過(guò)魚(yú)池、魚(yú)道出口、觀測(cè)室和輔助設(shè)施等（圖1）。

圖1 崔家營(yíng)樞紐魚(yú)道平面布置Fig.1 Plane layout of fishway of Cuijiaying junction

2 平面二維數(shù)值模型

采用原位觀測(cè)試驗(yàn)、魚(yú)類(lèi)分布水聲學(xué)探測(cè)調(diào)查和流場(chǎng)數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合分析方法，揭示魚(yú)類(lèi)集群對(duì)流場(chǎng)的響應(yīng)關(guān)系，為科學(xué)制定樞紐生態(tài)調(diào)度方案提供參考。

2.1 模型構(gòu)建

利用崔家營(yíng)樞紐下游實(shí)測(cè)地形，結(jié)合樞紐主要工程布置，包括大壩、電站、魚(yú)道、引航道等，構(gòu)建了崔家營(yíng)下游二維水流數(shù)值模擬模型。模型上邊界為樞紐主體工程，下邊界為余家湖水文站，下游距壩址約1.9 km。模型范圍見(jiàn)圖2。

圖2 崔家營(yíng)下游流場(chǎng)模擬計(jì)算范圍及網(wǎng)格Fig.2 Flow field calculation range and grid of downstream of Cuijiaying junction

利用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格模型進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。為保證模型計(jì)算精度，網(wǎng)格整體尺寸不超過(guò)20 m，大壩及廠區(qū)邊界網(wǎng)格尺寸5.0 m，魚(yú)道入口處附近網(wǎng)格尺寸為1.0 m，模型計(jì)算范圍內(nèi)共生成網(wǎng)格37 775 個(gè)。

2.2 數(shù)值模擬

針對(duì)崔家營(yíng)樞紐所在河道形狀及水流特征，選用沿水深平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，其基本方程如下：

式中：H、Z分別為水深和水位（m）；u、v分別為x、y向的流速（m/s）；u*、v*分別為源（匯）輸入（出）河道時(shí)x、y向流速（m/s）；q為源匯單位面積流量(m3/s/m2)，源時(shí)q取正，匯時(shí)q取負(fù)；ρ為水體密度（kg/m3）；νt為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）；c為謝才系數(shù)，，R為水力半徑（m），n為河床糙率；f=2ωsinφ為柯氏力系數(shù)，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為計(jì)算水域所在地理緯度。

初始條件：

邊界條件：上游采用流量邊界條件，下游采用水位邊界條件。固定邊界采用可滑動(dòng)邊界條件，即（U為邊界水流合速度，n為固定邊界法向單位向量），對(duì)于兩岸邊灘，則按動(dòng)邊界處理。

采用三角形無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。相比于有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在模擬復(fù)雜河道地形和岸坡具有較大優(yōu)勢(shì)。采用有限體積法進(jìn)行模型求解，有限體積方法可保證相鄰單元格之間質(zhì)量和通量傳輸?shù)膰?yán)格守恒，從而確保模擬精度。

2.3 模型驗(yàn)證

依據(jù)樞紐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流場(chǎng)流速結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定和精度驗(yàn)證。同期，數(shù)模計(jì)算上邊界為崔家營(yíng)電站實(shí)測(cè)泄流過(guò)程，下邊界為余家湖水文站實(shí)測(cè)水位過(guò)程。模擬期為2019-08-14T08:00—2019-08-17T20:00，時(shí)段間隔為1.0 h。電站泄流及下游余家湖水位過(guò)程見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，在2019-08-14T10:20—2019-08-15T02:00計(jì)約8.0 h內(nèi)，電站泄流維持在836 m3/s左右，下游余家湖水位為54.52 m左右，流場(chǎng)基本穩(wěn)定。

圖3 崔家營(yíng)樞紐下游流場(chǎng)模擬計(jì)算邊界條件Fig.3 Boundary conditions for flow field calculation of downstream of Cuijiaying junction

在維持電站泄流836 m3/s不變時(shí)，崔家營(yíng)樞紐壩下觀測(cè)水位為54.53 m，流速分布云圖見(jiàn)圖4(a)，同時(shí)段內(nèi)模擬流速分布見(jiàn)圖4(b)。可見(jiàn)，模擬計(jì)算流場(chǎng)和實(shí)測(cè)流場(chǎng)流速基本一致，主河槽平均流速均為0.30～0.46 m/s。說(shuō)明構(gòu)建的崔家營(yíng)樞紐壩下水流數(shù)值計(jì)算模型具有較高模擬精度，可用于該區(qū)域其他工況下流場(chǎng)的模擬計(jì)算。

圖4 崔家營(yíng)樞紐下游流場(chǎng)流速云圖Fig.4 Velocity cloud of flow field of downstream of Cuijiaying junction

3 崔家營(yíng)樞紐壩下魚(yú)類(lèi)集群流場(chǎng)偏好性分析

結(jié)合樞紐下游魚(yú)類(lèi)分布水聲學(xué)探測(cè)試驗(yàn)，利用崔家營(yíng)樞紐下游水流二維數(shù)值模擬模型，對(duì)樞紐下游流場(chǎng)進(jìn)行模擬，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)水位、流速、水深分布特征，并與同期魚(yú)類(lèi)集群探測(cè)分布特征進(jìn)行相關(guān)性分析，總結(jié)魚(yú)類(lèi)對(duì)流場(chǎng)特性（流速、水深）的趨好性，揭示漢江魚(yú)類(lèi)集群對(duì)流場(chǎng)的響應(yīng)關(guān)系。

3.1 模擬試驗(yàn)期

8月份為漢江魚(yú)類(lèi)主要過(guò)魚(yú)季。2019年8月12、13和14日，對(duì)崔家營(yíng)樞紐下游進(jìn)行了魚(yú)類(lèi)集群分布水聲學(xué)走航探測(cè)試驗(yàn)，自下游余家湖水文站斷面開(kāi)始采樣到壩址下游附近。采用水聲學(xué)方法對(duì)崔家營(yíng)壩下1.5 km內(nèi)的魚(yú)類(lèi)集群特征進(jìn)行觀測(cè)，獲取壩下魚(yú)類(lèi)集群特征。探測(cè)儀器采用Simrad EY60型分裂波束（split-beam）回聲探測(cè)儀，并采用水聲學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件 Echoview進(jìn)行聲學(xué)數(shù)據(jù)處理。利用回波計(jì)數(shù)法計(jì)算魚(yú)類(lèi)密度，聲學(xué)波束的掃描空間內(nèi)部進(jìn)行個(gè)體回波計(jì)數(shù)，根據(jù)波束擴(kuò)展采樣角度計(jì)算掃描水域的體積，獲得該范圍內(nèi)的平均分布密度，計(jì)算式為：

式中：ρv為魚(yú)類(lèi)密度（ind/l 000 m3）；Et為掃描水體的回聲信號(hào)數(shù)量；Vp為每ping掃描的水體體積（m3）；Ps為換能器發(fā)射ping次數(shù)。

采用數(shù)學(xué)模擬方法，對(duì)崔家營(yíng)樞紐壩下流場(chǎng)特性進(jìn)行計(jì)算。模型上邊界為崔家營(yíng)電站實(shí)測(cè)泄流過(guò)程，下邊界為余家湖水文站實(shí)測(cè)水位過(guò)程。模擬期為2019-08-12T00:00—2019-08-15T00:00，時(shí)段間隔為1.0 h。電站泄流及下游余家湖水位過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 崔家營(yíng)下游流場(chǎng)模擬計(jì)算邊界條件Fig.5 Boundary conditions of flow field simulation of downstream of Cuijiaying junction

采用數(shù)值模擬模型，對(duì)同期流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。由圖5可以看出，在上述3個(gè)魚(yú)類(lèi)采樣觀測(cè)期內(nèi)，崔家營(yíng)電站泄流分別維持在900、810和836 m3/s左右，魚(yú)類(lèi)觀測(cè)期內(nèi)樞紐下游流場(chǎng)基本穩(wěn)定。因此，時(shí)段內(nèi)魚(yú)類(lèi)集群分布可較準(zhǔn)確反映其對(duì)流場(chǎng)特征的偏好性。

3.2 樞紐下游魚(yú)類(lèi)流場(chǎng)偏好性分析

圖6為樞紐下游流速、水深分布與魚(yú)類(lèi)密度分布疊加圖。由圖6可見(jiàn)，魚(yú)類(lèi)集群分布與河道水深與流速分布具有一定相關(guān)性。

圖6 流場(chǎng)水深、流速與魚(yú)類(lèi)密度分布疊加Fig.6 Superposition of depth, velocity and fish density distribution in flow field

為定量分析魚(yú)類(lèi)集群分布與流場(chǎng)的相關(guān)性特征，總結(jié)魚(yú)類(lèi)聚集對(duì)流場(chǎng)特性（流速、水深）的趨好性，揭示魚(yú)類(lèi)集群對(duì)流場(chǎng)的響應(yīng)關(guān)系，依據(jù)魚(yú)類(lèi)采樣密度分布與相應(yīng)流場(chǎng)（流速、水深）模擬值，建立了魚(yú)類(lèi)集群水深偏好曲線和流速偏好曲線（見(jiàn)圖7）。

圖7 崔家營(yíng)樞紐壩下魚(yú)類(lèi)集群流速和水深偏好度Fig.7 Flow velocity and water depth preference of fish downstream of Cuijiaying junction

以魚(yú)類(lèi)流速偏好度計(jì)算為例，說(shuō)明魚(yú)類(lèi)對(duì)流場(chǎng)水力要素偏好度計(jì)算過(guò)程：

（1）將魚(yú)類(lèi)各探測(cè)點(diǎn)計(jì)算流速與該位置處分析確定的魚(yú)類(lèi)分布密度建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將兩列數(shù)據(jù)以流速列為主元素按從小到大重新排序。

（2）將流速變量以0.1 m/s為步長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間步長(zhǎng)內(nèi)魚(yú)類(lèi)對(duì)應(yīng)密度數(shù)量之和。

（3）選擇魚(yú)類(lèi)密度之和最大代表點(diǎn)，并定義其偏好度為1.0。如表1中該代表點(diǎn)為0.1 m/s。

（4）以該點(diǎn)為基礎(chǔ)點(diǎn)，通過(guò)各區(qū)間魚(yú)類(lèi)密度與該最大密度和的比值，確定出其余區(qū)間代表流速對(duì)應(yīng)的魚(yú)類(lèi)偏好度。譬如0.2 m/s流速的偏好度為：51 902/91 862=0.56。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 流速偏好度計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of velocity preference

水深偏好度計(jì)算與流速偏好度計(jì)算類(lèi)似。

由圖7可以看出，崔家營(yíng)樞紐壩址下游魚(yú)類(lèi)集群偏好流速區(qū)間為0.1～0.3 m/s，壩下流速0.1 m/s區(qū)聚集魚(yú)類(lèi)密度最大；偏好水深約為5.0～8.0 m，約7.0 m水深處為魚(yú)類(lèi)最佳聚集區(qū)。

3.3 樞紐下游魚(yú)類(lèi)上溯通道分析

采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)崔家營(yíng)樞紐壩址下游到魚(yú)道進(jìn)口的上溯通道進(jìn)行研究，該通道上流速不超過(guò)魚(yú)類(lèi)極限流速，且大于魚(yú)類(lèi)感應(yīng)流速。結(jié)合相關(guān)成果，本次研究魚(yú)類(lèi)感應(yīng)流速取值0.1 m/s，極限流速0.8 m/s。

崔家營(yíng)樞紐魚(yú)道進(jìn)口底板頂高程55.0 m，魚(yú)道設(shè)計(jì)運(yùn)行水位57.23 m。結(jié)合壩址下游水位流量關(guān)系，制定如下模擬方案：工況1，取魚(yú)道入口為底板頂高程，崔家營(yíng)樞紐的流量和水位分別為899 m3/s和55.00 m；工況2，取較低運(yùn)行水位，崔家營(yíng)樞紐的流量和水位分別為2 036 m3/s和56.00 m；工況3，取魚(yú)道設(shè)計(jì)運(yùn)行條件，崔家營(yíng)樞紐的流量和水位分別為3 450 m3/s和57.23 m。

利用構(gòu)建的樞紐壩址下游水力學(xué)模型，對(duì)3種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，并結(jié)合魚(yú)類(lèi)感應(yīng)流速和極限流速參數(shù)，繪制下游魚(yú)類(lèi)上溯通道，對(duì)繁殖季魚(yú)類(lèi)可能的洄游路線進(jìn)行預(yù)測(cè)。在模擬過(guò)程中，結(jié)合崔家營(yíng)樞紐調(diào)度方案，當(dāng)崔家營(yíng)樞紐流量超過(guò)1 500 m3/s時(shí)，電站泄流1 500 m3/s，其余流量由泄水閘門(mén)泄流。

由模擬結(jié)果（圖8）可以看出，在崔家營(yíng)樞紐壩址下游滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)能進(jìn)入魚(yú)道的水位變動(dòng)范圍55.00～57.23 m時(shí)，流量變動(dòng)范圍為899～3 450 m3/s。魚(yú)道入口處及集魚(yú)系統(tǒng)范圍內(nèi)最大流速約1.2 m/s。模擬結(jié)果顯示，上述3種工況下均存在的流速小于1.0 m/s的通道，可以作為魚(yú)類(lèi)抵達(dá)進(jìn)魚(yú)口的上溯通道；但當(dāng)流量為3 450 m3/s時(shí)，該通道明顯較窄，將影響?hù)~(yú)類(lèi)上溯。

圖8 不同流量工況下崔家營(yíng)樞紐下游魚(yú)類(lèi)上溯通道示意Fig.8 Schematic diagram of upstream fisheries in the downstream of Cuijiaying hub under different flow conditions

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用原位觀測(cè)試驗(yàn)、魚(yú)類(lèi)分布水聲學(xué)探測(cè)調(diào)查和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)崔家營(yíng)樞紐壩下魚(yú)類(lèi)對(duì)流場(chǎng)偏好性進(jìn)行了比對(duì)分析。結(jié)果表明崔家營(yíng)樞紐下游魚(yú)類(lèi)集群偏好流速區(qū)間為0.1～0.3 m/s，0.1 m/s流速區(qū)聚集魚(yú)類(lèi)密度最大；偏好水深區(qū)間為5.0～8.0 m，約7.0 m水深處為魚(yú)類(lèi)最佳聚集區(qū)。在崔家營(yíng)樞紐常規(guī)發(fā)電泄流條件下，魚(yú)道入口處及集魚(yú)系統(tǒng)范圍內(nèi)最大流速約1.2 m/s，存在一定范圍內(nèi)流速小于1 m/s的通道，大部分魚(yú)類(lèi)可以順利上溯抵達(dá)魚(yú)道入口。本文研究方法和成果可為水利樞紐生態(tài)調(diào)度方案的選取提供有益借鑒。