淺析電站尾水和高壩升魚機補水對誘魚流場的影響

王新強

（1.福建省水利水電勘測設計研究院,福建 福州 350001；2.福建省水動力與水工程重點實驗室,福建 福州 350001）

1 引言

高壩工程過魚設施升魚機進魚口寬度較小,且魚類對過水流條件較為敏感,升魚機進魚口附近的水流條件的好壞直接影響到魚類能否順利上溯。史斌等[1]進行了放魚實驗并論證了魚道進口水力學條件；謝春航等[2]通過數值模擬開展了魚道進口布置方式對集誘魚水流水力學特性的影響研究；湯荊燕等[3]開展不同水流形態(tài)對進魚口誘魚效果的研究；劉志國等[4]通過數值模擬開展了豐滿水電站重建工程升魚機進魚口水流條件改善措施的研究；彭方俊等[5]利用Mike21 軟件開展了基于水力學條件的江家口壩下集誘魚進口流場研究；賀新娟等[6]通過數值模擬對某水電站工程壩下尾水流場進行了研究。李廣寧等[7]通過數值模擬研究電站尾水渠內魚道進口位置布局。本文利用mike21 軟件進行數值模擬,研究發(fā)電尾水以及升魚機補水對水流流場結構的影響,進而對存在的問題提出優(yōu)化改進措施,并開展補充數值模擬對其有效性進行校驗。

2 過魚設施流速基本情況

過魚設施進口流速的設計值最低不能小于主要過魚對象感應流速的中值泳速,根據魚類游泳速度測試結果,在本工程中進口流速不能小于0.15 m/s,進魚孔最大流速建議為1.0 m/s,這樣的流速可以滿足工程主要過魚種類成熟個體的繁殖過壩要求,也能夠在一定程度上滿足到其它過魚對象的過壩的需求,在設計中為了獲得較好的誘魚效果,流速范圍一般應涵蓋臨界游泳速度的下限到臨界游泳速度的中值,對本工程而言,其范圍為0.24 m/s～0.71 m/s應能收到較好效果。

3 模型的建立與驗證

3.1 控制方程

連續(xù)性方程：

水動力控制方程：Navier-Stokes方程

x- 方向：

y- 方向：

式中：H為水深,H=h+ ,其中、h分別為水位和水深；p、q分別為x、y方向上的流通通量；C為謝才系數；g為重力加速度；f為科氏力系數；ρ為水的密度；W、Wx、Wy為風速在x、y上的分量；fw為風阻力系數；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

3.2 模擬范圍和網格布置

數值模擬范圍為：自某大壩向下游延伸約800 m河道,河道左右岸最寬距離約270 m。模型中將下游水位邊界取在河道順直段,進口則對大機組、小機組以及停機放水管進行單獨設定。采用非結構三角形網格對模型進行劃分,其中最小網格尺寸0.2 m,最大網格尺寸9.0 m,網格數14986。具體見圖1。

圖1 計算區(qū)域地形和網格

3.3 邊界條件及驗證

將大壩不同運行工況下電站機組、停機放水管以及升魚機進口補水的下泄水流作為流量邊界,下游河道斷面邊界作為水位邊界條件。綜合考慮并根據物理模型試驗結果,河道糙率取為n=0.035。

為確保數學模型計算的合理準確性,采用大壩工程下游河道流場結構物理模型試驗數據進行驗證分析。通過驗證可知,數學模型計算結果與物理模型試驗結果較為一致,說明數學模型的建立以及參數選取合理。驗證結果見圖2。

圖2 三臺機組滿發(fā)時，河道斷面流速分布驗證

4 試驗及結果分析

4.1 工程布置

升魚機進魚口一般布置在經常有水流下泄、魚類洄游路線及魚類經常集群的水流附近,并盡可能靠近魚類能上溯到達的最前沿即阻礙魚類上溯的障礙物附近[8]。經過設計比選,工程升魚機進口擬布置在河道左岸,尾水渠下游側,魚道進口寬度1.2 m,后方設置魚道檢修門,并布置補水管。見圖3。

圖3 尾水渠以及升魚機進魚口布置示意圖

4.2 計算工況

為保證電站尾水以及升魚機補水能夠為升魚機誘魚提供良好的水流條件,對過魚季節(jié)不同工況下水流流場結構進行數值模擬分析,主要計算工況見表1。

表1 計算工況

4.3 計算結果

4.3.1 補水作用下升魚機進口誘魚流速

隨著發(fā)電機組運行數量的增加,下泄流量以及河道水位隨之增加,為讓升魚機進魚口有良好的誘魚流速,根據河道水位,擬定工況1～工況4,升魚機補水流量及通過模擬得到進魚口區(qū)域流速情況見表2,升魚機進魚口局部最大流速均小于1.0 m/s,滿足魚類突進游泳速度測試要求。

表2 補水作用下升魚機進魚口區(qū)域流速

4.3.2 整體河道水流特性

根據數值模擬結果（圖4～圖7。其中,a表示發(fā)電廠房尾水下游河道流速云圖,b表示發(fā)電廠房尾水下游河道流場圖,c表示進魚口附近區(qū)域流速云圖,d表示進魚口附近區(qū)域流場圖）,可知河道水流流場結構如下。

圖4 工況1流場結構圖

圖7 工況3流場結構圖

工況1,電站尾水漫過尾水渠最左側導墻流入河道,河道水流較為平順；升魚機進魚口左側靠近岸邊的水流具有小范圍回流,流速較??；右側為發(fā)電廠房尾水主流區(qū)域,流速較大,最大超過1.20 m/s,對魚類形成水流屏障。升魚機進魚口水流流線靠近發(fā)電廠房尾水主流的外緣,水流流線清晰順直,流速大小適宜,具有誘導魚類上溯至升魚機進口的條件。

工況2,隨著機組下泄流量的增大,下游河道水流流速較大（＞1.2 m/s）,對魚類形成水流屏障,電站下泄水流直接頂沖河道右岸,位于左側的小機組所在尾水渠水流漫過尾水渠左側導墻流入河道,樞紐下游河道水流依舊較為平順；升魚機進魚口主流流線清晰順直,流速大小適宜,滿足魚類上溯至升魚機進口的條件,左側靠近岸邊水流流速較小,具有小范圍回流。

工況3,下游河道水流流速整體繼續(xù)增大（＞2.0 m/s）,電站下泄水流對右岸的沖擊作用更加明顯,形成較為顯著的斜向水流,主流兩側形成一定范圍的渦旋水流,但流速較小；升魚機進魚口主流流線與發(fā)電機組左側尾水渠導墻形成環(huán)形流場,升魚機進口外側較大范圍內為回流區(qū)域,流速較小,約為0.1 m/s,水流流態(tài)較差,魚類很難尋找到升魚機進口,不滿足誘魚條件。

工況4,下游河道水流流速較工況3有所增加,同樣形成流速屏障,電站下泄水流對右岸的沖擊作用最為明顯,小機組所在尾水渠水流漫過尾水渠左側導墻流入河道,樞紐下游河道主流整體較為平順,主流兩側同樣形成一定范圍的渦旋水流,流速較?。簧~機進魚口左側靠近岸邊水流流速較小,且具有一定范圍的回流,不利魚類上溯至升魚機進口。

圖5 工況2流場結構圖

圖6 工況2流場結構圖

5 優(yōu)化方案計算結果

對機組不同運行方式以及升魚機補水工況下水流流場結構進行模擬分析,通過計算可知存在的主要問題：在工況3以及工況4 情況下,下游河道左岸側水流回流較為明顯,升魚機進魚口附近水流結構不利于誘魚,尤其是工況4兩臺大機組滿發(fā)情況下,水流結構尤為不利。針對上述情況,結合實際水流結構,通過降低大機組尾水渠左側導墻（也即小機組尾水渠右側導墻）高程至112.8 m（原高程118.0 m,見圖8）調整尾水水流流態(tài),進而改善誘魚流場。

圖8 優(yōu)化導墻高程示意圖

對優(yōu)化方案進行數值模擬計算,其中工況1、工況2水流流場結構與原方案結果相似,本文主要針對工況3 和工況4計算結果進行分析。

5.1 優(yōu)化方案工況3水流特性分析

優(yōu)化方案工況3與原方案工況3相比,電站下泄水流對右岸的沖擊作用有所減弱,主流右側形成一定范圍的渦旋水流,流速較小,主流左側水流較為順直,在靠近左岸局部區(qū)域存在較小的渦旋水流；升魚機進魚口左側靠近岸邊水流流速較小,且具有小范圍回流,右側為發(fā)電廠房尾水區(qū)域。在1.5 m3/s補水量下,升魚機進口水流流速最大約為0.81 m/s,進魚口水流流線貼近小機組尾水主流的外緣,進口至其下方100 m范圍水流流速大小約在0.2 m/s～0.7 m/s之間,水流流線清晰順直,流速大小適宜,滿足魚類上溯至升魚機進口的條件。具體見圖9。

圖9 工況4流場結構圖

5.2 優(yōu)化方案工況4水流特性分析

優(yōu)化方案工況4與原方案工況4相比,電站下泄水流對右岸的沖擊作用有所減弱,主流右側形成一定范圍的渦旋水流,流速較小,主流左側水流較為順直,在靠近左岸局部區(qū)域存在較小的渦旋水流；升魚機進魚口左側靠近岸邊水流流速較小,且具有小范圍回流,右側為發(fā)電廠房尾水區(qū)域。在1.5 m3/s補水量下,升魚機進口水流流速最大約為0.75 m/s,進魚口水流流線貼近小機組尾水主流的外緣,進口至其下方100 m范圍水流流速大小約在0.5 m/s～0.7 m/s之間,流線清晰順直,流速大小適宜,滿足魚類上溯至升魚機進口的條件。具體見圖10。

圖10 優(yōu)化方案工況3流場結構圖

6 結語

通過相關調查試驗,確定了誘魚效果較好的河道水流流速范圍；利用mike21 軟件水動力模塊開展了不同工況下河道水流特性研究,可知,各工況在補水流量0.3 m3/s～1.5 m3/s條件下,升魚機進魚口能夠較為理想的出流,最大流速0.97 m/s,滿足魚類突進游泳速度測試結果1.0 m/s的要求,補水流量基本合理。其中工況1、工況2 樞紐下游河道水流較為平順,無不良水流流態(tài),升魚機進魚口附近水流流場較為平順,滿足魚類上溯要求；工況3、工況4 情況下,尾水對升魚機進魚口附近水流影響較大,下游河道左岸側水流產生明顯回流,造成升魚機進魚口附近水流結構紊亂,不利誘魚。針對存在的問題提出了降低尾水渠導墻,從而改變尾水渠水流流向的的優(yōu)化改進措施,并開展補充數值模擬對其有效性進行了校驗,研究成果可為高壩升魚機誘魚流場優(yōu)化等提供技術參考。