桂林長塘水利樞紐魚道內部水流條件數值模擬分析

廖智穎，黃春華

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611）

1 引言

長塘水庫位于廣西壯族自治區桂林市境內、洛清江一級支流西河干流上,擬建壩址在永福縣永福鎮長塘村西河峽谷出口附近,距桂林市約54 km,距永福縣城約7 km。長塘水庫工程由水庫工程、輸水工程和灌區工程三大部分組成,是一座以供水、灌溉為主,結合防洪,兼顧發電等綜合利用的大（2）型水庫工程。

水利水電工程的開發建設在帶來了巨大的經濟效益的同時[1],也破壞了河流連通性[2],必須采取針對魚類的生態補償措施[3]。豎縫式魚道作為協助魚類上溯的生態補償措施,近年來得到了廣泛的應用[4-5]。

2 長塘水利樞紐短魚道工程

2.1 目標魚類基本情況

長塘水利樞紐工程確定大刺鰍、圓吻鲴、大眼華鳊、大鰭鳠、波紋鱖、黃顙魚、光倒刺鲃等為主要的過魚對象,個體大小約為10 cm～30 cm。根據過魚種類的洄游特征[6],過魚設施運行時間暫定過魚季節主要為4月～7月。

魚類突進游速是豎縫式魚道設計中的重要參數[7],是推測目標魚類能否通過魚道豎縫上溯的關鍵,魚道豎縫設計流速應小于魚類的突進游速[8]。根據現場魚類游泳能力測試試驗結果,大刺鰍、圓吻鲴、大眼華鳊、大鰭鳠、波紋鱖的突進游速分別位于 0.33 m/s～0.49 m/s、1.09 m/s～1.32 m/s、0.85 m/s～1.11 m/s、1.34 m/s～1.70 m/s、1.10 m/s～1.50 m/s。根據汪玲瓏、田凱等人[9-10]的研究,光倒刺鲃的臨界游速為（1.13±0.25）m/s,瓦氏黃顙魚臨界游速約為0.98 m/s,一般而言突進游速大于臨界游速。因此7種過魚對象的突進游泳速度范圍在0.42 m/s～1.50 m/s間,建議長塘水庫的短魚道豎縫流速設計值取1 m/s。

2.2 魚道設計方案及相關參數

綜合考慮西河魚類需求及各類過魚措施的過魚效果[11-13],本工程采用短魚道+固定門架啟閉機提升過壩方案來實現過魚。

短魚道由誘魚系統、進口、普通池、休息池、趕魚柵池、集魚池和消力池等組成,見圖1。短魚道總長58.40 m,進口閘門控制段長5.4 m（i=0）,直線段長21.6 m（i=2.5%）,后接132°的轉彎段,隨后上游集魚槽均為平坡段（i=0）。消力池池寬2 m,池長7.4 m。

圖1 長塘水庫工程位置示意圖

魚道池室結構采用同側豎縫式,豎縫寬0.365 m。根據本工程目標魚類情況,魚道寬度取2 m,魚室長度為2.7 m,沿程共設7個魚室。

整個系統的運行過程為：潛水泵引水管從尾水渠引水,水流順魚道流向下游,最終由魚道誘魚口流出。魚類進入誘魚口沿魚道上溯游入趕魚柵池；通過趕魚柵將魚類趕入集魚箱；利用集魚池上部排架的電動葫蘆帶動自動抓取設備,將集魚箱提升并運至運魚軌道始端的運魚車上,運魚車沿著運魚軌道將魚運至壩腳,再由壩頂的固定門架啟閉機,吊運集魚箱至壩前運魚船,由運魚船將魚運送至上游庫尾,將魚類放生,完成魚類洄游過壩的需求。

圖2 短魚道立面圖

2.3 設計運行水位

魚道進口底板高程為142.0 m。為保證過魚效果,魚道內需保持一定水深,143.0 m為最低運行水位。泄洪期間魚道不運行,故機組滿發時水位即為設計最高運行水位,根據壩址流量-水位關系及機組滿發流量,確定最高運行水位為143.64 m。

3 模型構建

3.1 控制方程

本文研究的問題屬于不可壓縮流體的湍流流動,數值模擬選用RNG k-ε湍流模型,采用VOF模型追蹤自由液面,控制方程如下：

式中：ρ為流體密度；k為湍流動能；ui為速度張量；ε為湍動能耗散率；eff為擴散系數；Gk為湍動能 k的產生項；C1ε、C2ε均為經驗常數；ak、aε為常數 1.39；t為時間；xi、xj為坐標張量。

B：VOF方程：

式中：F為流體體積分數；Ax、Ay、Az分別為對應 x、y、z 方向的微元面積；u、v、w對應 x、y、z 方向的流體速度；為坐標系數,且= 0；FDIF為體積分數擴散項；FSOR為體積分數密度源項；R為系數,采用直角坐標時為常數；UF為擴散系數；CP為常數,是紊流施密特數的倒數；是動能消散系數。

3.2 計算典型區段及網格劃分

本次僅對過魚設施的涉水建筑物部分進行模擬計算,該模擬區段包括短魚道7個過魚池、趕魚柵池、集魚池和消力池,見圖3。三維模型X方向0～50.61 m,Y方向0～28 m ,Z方向0～17.79 m,用有限差分法對模型進行離散求解,能大大減少網格數量,采用六面體結構化網格,設2個網格區塊（圖3）,區塊 1 單元尺寸 0.05m, x∶y∶z=1∶1∶1,共計 9004800 個網格；區塊 2 單元尺寸 0.1m, x∶y∶z=1∶1∶1,共計 6048000 個。

圖3 短魚道+升魚機涉水部分三維整體模型

3.3 邊界及初始條件

區塊1的Xmin、Xmax、Ymin、Ymax均采用對稱S邊界,Zmin為墻體邊界,Zmax為空氣壓力邊界,給定大氣壓標準值；區塊Xmin為壓力出流邊界,根據不同工況控制水深分別為1.64 m和1.00 m。Zmin為墻體邊界,Zmax為空氣壓力邊界,Xmax、Ymin、Ymax均采用對稱S邊界。進水端,補水管采用DN500管,在該處設置源,給定入流流量。為加快模型計算收斂,在區塊2范圍設置初始水體區域,初始水體水深與魚道進口處水深一致。

圖4 模型邊界設置

3.4 模擬工況

工程為從電站尾水處抽取水體對魚道內進行補水。為形成魚道內較好的水流條件,補水流量應根據魚道進口處水位進行調整。本次主要分析魚道進口處水位分別為機組滿發時水位143.64 m與魚道最低運行水位時143.00 m的魚道內部水流情況,具體見表1。

表1 三維模擬計算工況

4 結果分析

為詳細了解魚道內部流場情況,根據水深情況本項目對工況1、2按Z=4.8 m進行流場進行剖切,對工況3按Z=4.4 m進行剖切。短魚道、趕魚槽、集魚槽及消力池三維整體流速分布見圖5。

圖5 工況1三維整體流速分布

4.1 機組滿發時魚道流場分析

（1）工況1

3臺機組滿發,當補水流量為0.80 m3/s時,模擬段最大流速為4.21 m/s,主要分布在消力池中。該流量下,消力池與集魚槽隔墻上方水深厚約0.10 m,集魚槽部分流速較小約為0.3 m/s～0.4 m/s,紊動能為0.02 m2/s2,集魚槽道趕魚槽的突變段紊動能為0.06 m2/s2～0.05 m2/s2（圖8）,一般認為紊動能0.05 m2/s2對魚類的影響較小。趕魚槽水流較為平順,與魚道連接段水流無明顯突變。而短魚道中豎縫的流速最高達1.3 m/s,其它多處于1.20 m/s,高于設計流速1 m/s,且流線不平順,豎縫處水有對沖墻體現象,不利于魚類洄游上溯。

圖6 工況1切片流場

圖7 工況1短魚道切片流場

圖8 工況1趕魚槽、集魚槽及消力池切片流場及紊動能分布

（2）工況2

3臺機組滿發,當補水流量為0.65 m3/s時,模擬段最大流速為3.43 m/s,主要分布在消力池中。該流量下,消力池與集魚槽隔墻上方水深厚約0.05 m,有一定的跌水現象。集魚槽部分流速有所增大,約為0.7 m/s～0.8 m/s,紊動能為0.02 mm2/s2～0.04 m2/s2,集魚槽道趕魚槽的突變段紊動能為0.06 m2/s2～0.05 m2/s2（圖11）。趕魚槽水流較為平順,與魚道連接段水流無明顯突變。短魚道中豎縫的流速最高達1.10 m/s,其它多處于1.00 m/s,與設計流速1m/s相符,流線相對完整,有利于魚類洄游。機組滿發下,補水流量0.65 m3/s較為理想。

圖9 工況2切片流場

圖10 工況2短魚道切片流場

圖11 工況2趕魚槽、集魚槽及消力池切片流場及紊動能分布

4.2 最低運行水位時魚道流場分析

下游水位為143 m時是魚道運行的最低水位,通過設置補水流量0.65 m3/s,分析內部流場特征。由圖可知,此時模擬段最大流速為5.73 m/s,由于流量較小,消力池與集魚槽間出現跌水現象,此處的流速最高。集魚池部分流速有所增大,達為 2.7 m/s～2.8 m/s,紊動能為 0.24 m2/s2～0.28 m2/s2,但主要集中在表面（圖14）。趕魚槽水流較為平順,與魚道連接段水流無明顯突變。短魚道中豎縫的流速最高僅0.8 m/s,其它多處于0.7 m/s,流線相對平滑,水深也基本滿足魚類洄游需求,該工況下補水流量0.30 m3/s較為理想。

圖12 工況3切片流場

圖13 工況3短魚道切片流場

圖14 工況3趕魚槽、集魚槽及消力池切片流場及紊動能分布

5 結論與建議

（1）通過三維數值模擬計算,魚道在電站滿發水位運行時,補水流量宜小于0.65 m3/s,此時魚道豎縫最大流速為1.10 m/s,多為1.00 m/s,流線較為平順,有利于大部分過魚對象上溯；魚道在下游最低運行水位143 m運行時,補水流量宜為0.30 m3/s,此時豎縫最大流速為0.80 m/s,多為0.70 m/s,流速平順,除大刺鰍外,可兼顧本工程的所有過魚對象克流上溯需求。綜上,魚道的運行補水流量應維持在0.30 m3/s～0.65 m3/s間。

（2）同時,因大刺鰍的突進游速較小,游泳能力較弱,僅0.42 m/s,與其它過魚對象的游泳能力差異太大。設計工況下的豎縫流速對其會形成流速阻礙,建議專門制定大刺鰍過壩技術研究。