0 引 言

水利水電工程對(duì)生態(tài)最顯著的負(fù)面影響是阻隔作用，大壩等工程建設(shè)導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)破碎化， 直接影響、改變魚類生存所必需的生境和水文情勢(shì)。水電站的建設(shè)不僅阻隔了洄游性魚類的通道，對(duì)半洄游性魚類和非洄游性魚類也有很強(qiáng)的阻隔效應(yīng)。為緩解種群間遺傳交流受阻的不利影響， 保護(hù)魚類種群的遺傳多樣性，恢復(fù)和改善大壩上下游魚類種群交流，新建的水利水電工程需要采取有效的過魚設(shè)施疏通洄游通道減緩大壩的阻隔對(duì)魚類的影響。對(duì)于高壩水電站過魚設(shè)施，通常采用集誘魚設(shè)施進(jìn)行誘魚和集魚，通過升魚機(jī)或其他方法將魚運(yùn)輸過壩，此類工程過魚設(shè)施建設(shè)需解決極其復(fù)雜的技術(shù)問題，目前國內(nèi)類似工程尚無成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。 目前國內(nèi)外主要采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和原型觀測等技術(shù)手段對(duì)過魚設(shè)施進(jìn)行研究，發(fā)達(dá)國家 采用適宜性管理理念不斷地加強(qiáng)魚道及過魚設(shè)施的修建，由于我國過魚設(shè)施還處于二次發(fā)展階段，其建設(shè)數(shù)量和運(yùn)行效果都與要求相差甚遠(yuǎn)，對(duì)魚類的行為趨向性及過魚設(shè)施進(jìn)口布置的了解還不深入， 目前可供借鑒的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)還很欠缺。魚類如何尋找進(jìn)口、進(jìn)口的效率以及吸引水流的信息很少，國際上還沒有明確的魚類對(duì)微水流條件響應(yīng)的研究成 果。 ANDERSSON 等采用 Ansys 軟件對(duì)不同位置下的魚道進(jìn)口進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)魚道進(jìn)口的水流受電站尾水影響較小時(shí)能產(chǎn)生良好的誘魚水流。過魚設(shè)施相對(duì)于河流而言流量很小，進(jìn)口位置以及進(jìn)口附近是否存在滿足特定水力學(xué)條件的集誘魚水流便成為成功的關(guān)鍵。 在水電站運(yùn)行時(shí)，尾水流量和尾水水位變化幅度很大; 機(jī)組水頭較高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，尾水管出口流速較大，可能導(dǎo)致尾水渠一定范圍河段的流速大于魚類上溯的上限流速，或在發(fā)電機(jī)組不同的運(yùn)行工況下， 進(jìn)魚口附近產(chǎn)生洄流等不利于誘導(dǎo)魚類進(jìn)入集魚池的水流形態(tài)，影響集魚效果。本文以國內(nèi)某水電站工程為研究對(duì)象，采取三維數(shù)值模擬的方法開展本工程特別關(guān)注的壩下尾水區(qū)域集魚流場分布研究，為過魚設(shè)施的設(shè)計(jì)以及電站不同機(jī)組的調(diào)度運(yùn)行提供依據(jù)，以獲得適合魚類上溯的流場分布和機(jī)組運(yùn)行工況。

1 某電站過魚設(shè)施集魚系統(tǒng)概況

1. 1 集魚系統(tǒng)布置

某電站過魚設(shè)施采用 “集魚系統(tǒng)+升魚機(jī)+放流 系統(tǒng)”方案，整體布置于樞紐右岸，主要組成部分為: 環(huán)繞尾水渠魚道集魚系統(tǒng)、升魚機(jī)系統(tǒng)、放流系統(tǒng)、魚道觀察室和輔助設(shè)施。集魚系統(tǒng)環(huán)繞廠房尾水渠布置魚道，魚道起始點(diǎn)在尾水左側(cè)導(dǎo)墻( 消力池右導(dǎo)墻) 端部，沿尾水左導(dǎo)墻向上游延伸至尾 1# 機(jī)組左邊墩，橫跨廠房尾水至 6# 機(jī)組右邊墩，沿尾水右邊墻向下游延伸 94. 25 m 后向上游轉(zhuǎn)折，再延伸 32. 72 m 至魚道末端結(jié)束。魚道全長 400. 97 m，寬度 2. 50 m。魚道在 4 個(gè)高程共設(shè)置 6 個(gè)進(jìn)口，進(jìn)口之間相互補(bǔ)充運(yùn)用，并可結(jié)合工程實(shí)際運(yùn)行調(diào)整開啟方式。 1# 進(jìn)魚口位于廠房尾水渠左岸的消力池右導(dǎo)流墻末端，高程 189. 30 m，該進(jìn)口由 3 個(gè)分支進(jìn)口組成， 1－ 1# 進(jìn)口朝向下游，1 － 2# 進(jìn)口與魚道中心線夾角 45°，1－3# 進(jìn)口在消力池內(nèi)朝向垂直水流方向; 2# 進(jìn)魚口位于尾水渠左岸的消力池右邊墻上，接近尾水出口，高程 190. 25 m; 3# 進(jìn)魚口位于尾水渠右岸擋墻上，接近尾水出口，高程 192. 30 m; 4# 進(jìn)魚口位于尾水渠右岸擋墻上，高程 193. 00 m。2# 、3# 、4# 進(jìn)口 朝向均為垂直水流方向，進(jìn)口寬度均為 1. 00 m。過魚設(shè)施集魚系統(tǒng)平面布置如圖 1 所示。

圖 1 過魚設(shè)施集魚系統(tǒng)平面布置示意

1. 2 集魚時(shí)間選擇

該電站發(fā)電以調(diào)峰為主，停機(jī)時(shí)段通過下游水庫 的反調(diào)節(jié)對(duì)下游進(jìn)行供水。春季灌溉期典型日電站發(fā)電23h，只有13: 00—14: 00時(shí)不發(fā)電，發(fā)電期間最小下泄流量為 160 m3 / s，最大下泄流量為 1 713 m3 / s; 夏季典型日電站發(fā)電 9 h，22: 00—9: 00、13: 00—16: 00 不發(fā)電，發(fā)電期間最小下泄流量為 266 m3 / s，最大下泄流量為 2 137 m3 / s。 根據(jù)該電站運(yùn)行方式，主要考慮該工程發(fā)電時(shí)下游河道產(chǎn)生的流場進(jìn)行誘魚。因夏季典型日機(jī)組停機(jī) 時(shí)間長達(dá) 15 h，在機(jī)組不運(yùn)行的情況下，對(duì)電站尾水附近的魚類要兼顧考慮誘魚條件。

1. 3 過魚設(shè)施進(jìn)口流速要求

過魚設(shè)施內(nèi)的水流形態(tài)會(huì)對(duì)魚類的上溯產(chǎn)生較大影響。魚類對(duì)特定的水流速度和形態(tài)具有明顯的趨向性，不同魚類有著不同的喜好水流。過魚設(shè)施進(jìn)口一般采用一股流速相對(duì)較大的水流進(jìn)行誘魚，誘魚流速主要與魚類游泳能力相關(guān)，一般過魚設(shè)施誘魚 流速在魚類臨界游速和突進(jìn)游速之間取值，這樣在保 證足夠的吸引力與影響范圍的同時(shí)，也不會(huì)形成對(duì)魚 類的流速屏障及使魚類產(chǎn)生疲勞效應(yīng)。依據(jù)該工程過 魚設(shè)施原位觀測研究報(bào)告［9］，過魚的 8 種魚類( 青 魚、草魚、鰱、鳙、鳊、懷頭鲇、翹嘴鲌、花江鱥) 的臨界游速為 0. 83 ～ 0. 99 m / s，突進(jìn)游速為 0. 88 ～ 1. 25 m / s，一般最佳誘魚流速范圍在臨界游速和突進(jìn) 游速之間，其中流速越大水流影響范圍越大。綜合考 慮，本次數(shù)模計(jì)算時(shí)進(jìn)口流速范圍選取為 0. 7 ～ 1. 3 m / s。

2 計(jì)算模型及驗(yàn)證

2. 1 基本方程

為了全方位捕捉到壩下集魚流場內(nèi)豐富的水流信息，通過三維數(shù)學(xué)模型計(jì)算壩下尾水渠水流流動(dòng)情況。紊流模型采用 k－ε 雙方程模型。連續(xù)方程、動(dòng)量方程和 k、ε 方程分別如下。

式中，ρ 和 μ 分別為體積分?jǐn)?shù)平均的密度和分子黏性系數(shù); p 為壓力; μt 為紊動(dòng)黏度，它可由紊動(dòng)能 k 和紊動(dòng)耗散率 ε 求出; Cμ 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取 Cμ = 0. 09; σk 和 σε 分別為 k 和 ε 的紊動(dòng)普朗特?cái)?shù)，σk = 1. 0，σε = 1. 3; C1ε 和 C2ε 為 ε 方程經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε = 1. 44，C2ε = 1. 92; G 為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)。

自由表面采用 VOF( The Volume of Fluid) 方法， 在空間上定義函數(shù)F，全含水為1，不含水為0，當(dāng)為自由表面時(shí)，0 ＜ F ＜ 1。函數(shù) F 是空間和時(shí)間的函 數(shù)，即 F = F( x， y， z， t) ， 可以理解為固結(jié)在流體質(zhì)點(diǎn)上并隨流體一起運(yùn)動(dòng)的沒有質(zhì)量和黏性的染色點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，其輸運(yùn)方程為

2. 2 數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)于前面所建立的方程組，要想求解出全部計(jì)算域的未知變量還必須采用一定的數(shù)值求解算法，采用有限差分方法進(jìn)行離散，將上式寫成如下的通用形式

(6) 式中，t 和 uj 分別為時(shí)間和速度矢量; φ 為通用變量， 如速度、紊動(dòng)能等; Гφ 為變量 φ 的擴(kuò)散系數(shù); Sφ 為 方程的源項(xiàng)。

2. 3 三維模型建立及驗(yàn)證

2. 3. 1 三維模型

根據(jù)某水電站壩址河段的地形及水流特征，基于 Flow－3D 軟件建立三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對(duì)該電站下 游水流運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，主要對(duì) 3 臺(tái)及以上機(jī)組運(yùn) 行進(jìn)行流場分析，同時(shí)對(duì)半臺(tái)機(jī)組進(jìn)行復(fù)核分析。數(shù)值模擬試驗(yàn)區(qū)域選取自電站至壩下 1. 0 km 處，三維數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域如圖 2 所示，三維模型進(jìn)魚口位置如圖 3 所示。

圖 2 數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域

圖 3 三維模型進(jìn)魚口位置示意

3 壩下尾水渠集魚流場數(shù)值模擬研究

3. 1 數(shù)值模擬工況設(shè)計(jì)

某水電站不同機(jī)組運(yùn)行工況下，壩下尾水渠集魚 流場數(shù)值模擬研究方案如表 2 所列。

3. 2 尾水流場三維數(shù)值分析

3. 2. 1 不同機(jī)組發(fā)電集魚流場對(duì)比分析

3. 2. 1. 1 新廠 5. 5 臺(tái)機(jī)組發(fā)電尾水流場分析

電站約 5. 5 臺(tái)機(jī)發(fā)電為夏季灌溉期典型日最大發(fā)電容量，本次主要模擬了電站 6# /1# /3# 半發(fā)、其余機(jī)組滿發(fā)三種工況，不同水深集魚流場分布對(duì)比如圖 4 所示。

圖 4 電站 5. 5 臺(tái)機(jī)發(fā)電不同工況集魚流場對(duì)比

分析可知: 無論 6# 機(jī)半發(fā) 還是 1# 機(jī)半發(fā)其他機(jī)組滿發(fā)工況，半發(fā)機(jī)組對(duì)應(yīng)的一側(cè)，在 189. 50 ～ 193. 00 m 高程之間， 尾水下游流速均能滿足魚類上溯至尾水渠上游端部的條件， 相反，另一側(cè)尾水及中部流速大于 1. 3 m / s，魚類很難由此進(jìn)入尾水渠。 3# 機(jī)半發(fā)其他機(jī)組滿發(fā)， 在 189. 50 ～ 193. 00 m 高程之間， 尾水渠中間部位流速小于 1. 3 m / s，但兩側(cè)流速大于 1. 3 m / s， 魚類由右岸進(jìn)入尾水渠較為困難。在各種水深情況下，尾水下游左側(cè)流速均能滿足魚類上溯至左側(cè)導(dǎo)墻端部的條件，端部有狹窄區(qū)可滿足魚類上溯到尾水渠的上游端部的條件。

3. 2. 1. 2 電站 4. 3 臺(tái)機(jī)組發(fā)電尾水流場分析

電站約 4. 3 臺(tái)機(jī)發(fā)電為春季灌溉期典型日最大發(fā)電容量，本次主要模擬了 B－1 ( 6# 機(jī)停機(jī)、5# 機(jī) 30%出力，其他機(jī)組滿發(fā)) 、B － 2 ( 1# 機(jī)停機(jī)、2# 機(jī) 30%出力，其他機(jī)組滿發(fā)) 、B － 3 ( 3# 機(jī)停機(jī)、4# 機(jī) 30%出力，其他機(jī)組滿發(fā)) 三種工況，不同水深流場分布對(duì)比如圖 5 所示。 分析可知，電站約 4. 3 臺(tái)機(jī)發(fā)電，不同工況下尾 水流場分布一致，在 189. 50 ～ 190. 50 m 高程之間右側(cè)下游岸邊流速小于 1. 3 m / s，均滿足魚類上溯要求。在 192. 00 m、193. 00 m 高程時(shí)在尾水下游 400 m 處，右岸局部范圍超過了 1. 3 m / s，魚類可通過深水部位通過壩下 400 m 局部區(qū)域，進(jìn)入尾水渠 內(nèi)。在各種水深情況下，尾水下游左側(cè)流速小于 1. 3 m / s，流場條件較好，均有滿足魚類上溯至尾水渠上游端部的條件。 3. 2. 1. 3 電站 3 臺(tái)機(jī)組發(fā)電尾水流場分析電站 3 臺(tái)機(jī)發(fā)電，本次主要模擬了 C－1( 4# —6# 機(jī)組滿發(fā)，1# 、2# 、3# 關(guān)機(jī)) 、C－2( 1# —3# 機(jī)組滿發(fā)， 4# 、5# 、6# 關(guān)機(jī)) 、C－3( 2# 、4# 、6# 滿發(fā)，1# 、3# 、5# 關(guān)機(jī)) 三種工況，不同水深流速分布如圖 6 所示。

圖 6 電站 3 臺(tái)機(jī)發(fā)電不同工況集魚流場對(duì)比

分析可知，電站 3 臺(tái)機(jī)發(fā)電時(shí)壩下集魚流場分布 同方案 B 基本一致，電站相鄰或間隔三臺(tái)機(jī)滿發(fā)其 余停機(jī)時(shí)( C－1、C－2、C－3) ，在 189. 50 ～ 190. 50 m 高程之間右側(cè)下游岸邊流速小于 1. 3 m / s，滿足魚類 上溯要求。在 192. 00 m、193. 00 m 高程時(shí)在尾水下 游 400 m 處，右岸局部范圍超過了 1. 3 m / s，魚類可通過深水部位通過壩下 400 m 局部區(qū)域，進(jìn)入尾水渠內(nèi)。在各種水深情況下，尾水下游左側(cè)流速均能滿足魚類上溯至尾水渠上游端部的條件。 3. 2. 1. 4 電站半臺(tái)機(jī)組發(fā)電尾水流場分析 電站半臺(tái)機(jī)發(fā)電不同水深流速分布如圖 7 所示， 由圖 7分析可知，廠房尾水在地形約束下，主體流速在 0. 5 ～ 1. 3 m / s 之間，整體誘魚條件較好，主流在靠近半發(fā)機(jī)組對(duì)應(yīng)的下游側(cè)。 三維數(shù)值分析成果表明，在不超過 5. 5 臺(tái)機(jī)組運(yùn) 行時(shí)，尾水下游流場能夠滿足魚類上溯的要求。

圖 7 電站半臺(tái)機(jī)發(fā)電不同工況集魚流場對(duì)比

3. 2. 2 魚道進(jìn)口組合運(yùn)用分析

根據(jù)尾水流場數(shù)值計(jì)算結(jié)果，尾水渠左岸消力池右導(dǎo)流墻末端、消力池一側(cè)及尾水渠內(nèi)兩岸具備魚類 上溯條件，可形成魚類聚集區(qū)域，魚類可順利進(jìn)入尾 水渠。不同進(jìn)口與機(jī)組調(diào)度組合關(guān)系如表 3 所列。

(1) 在機(jī)組發(fā)電時(shí)，尾水渠及下游流場滿足魚類上溯要求，魚類可順利進(jìn)入尾水渠，根據(jù)尾水位的變化開啟不同進(jìn)口。結(jié)合流場及進(jìn)口高程，集魚進(jìn)口運(yùn)用如下: ① 當(dāng)發(fā)電機(jī)組大于 2 臺(tái)機(jī)組( 包含) 發(fā)電情況下，可采用 4# 、3# 進(jìn)口集魚; ② 1. 5 臺(tái)機(jī)組發(fā)電情 況下，可采用 3# 進(jìn)口集魚; ③ 1 臺(tái)機(jī)組發(fā)電情況下， 可采用 2# 、3# 進(jìn)口集魚; ④ 0. 5 臺(tái)機(jī)組發(fā)電情況下， 可采用 2# 進(jìn)口集魚。

(2) 在機(jī)組停發(fā)時(shí)，壩下水位在 190. 85 ～ 192. 20 m 時(shí)，可采用 1# 、2# 進(jìn)口集魚; 壩下水位在 190. 09 ～ 190. 85 m 時(shí)，可采用 1# 進(jìn)口集魚。

4 結(jié)論與展望

水電站工程的建設(shè)對(duì)洄游性魚類、半洄游性魚類和非洄游性魚類均有很強(qiáng)的阻隔效應(yīng)，為緩解種群間遺傳交流受阻的不利影響，工程建設(shè)采取有效的過魚設(shè)施是十分必要的。對(duì)于我國寒冷地區(qū)高壩大庫型水電站，此類工程過魚設(shè)施建設(shè)是一個(gè)極其復(fù)雜的技術(shù)問題，目前國內(nèi)類似工程尚無成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算可為此類工程過魚設(shè)施建設(shè)提供科學(xué)理論依據(jù)，對(duì)解決此類工程過魚設(shè)施進(jìn)口的布置及魚類對(duì)水流條件響應(yīng)問題具有一定的參考意義。 對(duì)某電站壩下尾水流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究表明，在電站運(yùn)行時(shí)，電站尾水渠左右兩側(cè)為發(fā)電尾水主流的邊緣，具有明顯的流速梯度分布區(qū)域，符合魚類聚集水流特征，具備布置進(jìn)口條件。在機(jī)組發(fā)電時(shí)，尾水渠及下游流場滿足魚類上溯要求，魚類可順利進(jìn)入尾水渠，可根據(jù)尾水位的變化開啟兩側(cè) 2# ～ 4# 進(jìn)口誘魚; 在機(jī)組停發(fā)時(shí)，可開啟左側(cè) 1# ～ 2# 進(jìn)口誘魚。后續(xù)將進(jìn)一步通過原型觀測進(jìn)行實(shí)證研究，對(duì)本文數(shù)值模擬提出的魚道進(jìn)口組合運(yùn)用方式進(jìn)行驗(yàn)證。

目前高水頭水電工程的過魚設(shè)施工程實(shí)例較少， 還需要結(jié)合工程運(yùn)用和參考同類型工程經(jīng)驗(yàn)不斷同步分析和研究。在過魚設(shè)施實(shí)際運(yùn)行過程中，需根據(jù)區(qū)域水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及過魚效果觀測數(shù)據(jù)等不斷調(diào)整運(yùn) 行方式，以期取得更好的過魚效果。

作者簡介：

賀新娟(1990—),女,工程師,碩士,主要從事水動(dòng)力學(xué)和防洪減災(zāi)方面的研究。E-mail:1138245110@qq.com;

引用：

賀新娟，李潤偉，孫萬光，等． 水電站壩下尾水渠集魚流場模擬研究［J］. 水利水電技術(shù)，2020，51( 12) : 133-140.

HE Xinjuan，LI Ｒunwei，SUN Wanguang，et al． Simulative study on fish-collecting flow field of tailrace channel under dam for hydropower station［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 12) : 133-140.