0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國對水資源的開發(fā)和治理力度不斷加大，江河上大壩及其他水利工程設(shè)施的修建，極大增強了水資源的調(diào)控和利用能力，但工程的阻隔導(dǎo)致河流連通性受損、生境條件改變、生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)。在水利建設(shè)中重視保護洄游性水生生物的洄游路線，對實現(xiàn)水利的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)人與自然和諧共處具有重要意義。魚道是幫助魚類順利通過閘壩等障礙物的專用設(shè)施，在維系河流連續(xù)性與生物種群交流方面具有重要作用。

魚道進口寬度相對于河流而言非常狹小，國外稱魚道工程為“針眼工程”,魚道進魚口的布置直接決定過魚效果，布置具有很大的難度。一般而言，魚道進口宜布置在常有水流下泄、魚類經(jīng)常聚集的地方，并避免進口附近出現(xiàn)泥沙淤積、旋渦、水躍和回流等現(xiàn)象。LINDBERG等基于CFD模型與回聲探測驗證魚類的聚集區(qū)域，為魚道入口位置的選取提供方法基礎(chǔ)。BEAK等采用二維水流輸沙數(shù)值模型，揭示魚道進口附近流場結(jié)構(gòu)和沖淤特性，驗證了魚道進口布置的合理性。龔麗等通過不同工況的試驗發(fā)現(xiàn)魚道進口水流存在一個最佳流速。鄭鐵剛等在魚類行為學(xué)基礎(chǔ)上，通過對水電站下游水力特性的分析，確定了魚道進口布置區(qū)域。李廣寧等提出，電站機組運行方式?jīng)Q定了尾水渠內(nèi)主流位置，并在主流兩側(cè)形成多個回流區(qū)，主流與回流區(qū)之間的過渡區(qū)域是布置魚道進口的重點區(qū)域。綜上可見，魚道進口流場非常復(fù)雜，與魚類行為也密切相關(guān)，對于具體工程，必須開展專門魚道進口布置研究，以避免魚道進魚口處于不利的水流條件中。

信江流域位于江西省東北部，魚類資源豐富，經(jīng)濟魚種類較多。八字嘴樞紐的建設(shè)將對樞紐區(qū)段乃至整個信江干流魚類形成阻隔，造成生境的破碎化。為恢復(fù)魚類洄游通道，減緩大壩阻隔對水生態(tài)及魚類的不利影響，設(shè)計部門在樞紐總體布置規(guī)劃時均設(shè)置了魚道，過魚保護對象主要以“四大家魚”等經(jīng)濟魚類為主，同時為原有珍稀魚類(如鰣魚)重新回到信江中下游創(chuàng)造基本條件，主要的過魚季節(jié)為每年4—7月，魚道設(shè)計流速在1.0 m/s左右。本研究通過建立樞紐下游河道二維數(shù)學(xué)模型，對八字嘴西大河貊皮嶺壩趾下游河道的平面水流流場結(jié)構(gòu)及水力特性開展研究，分析不同水位組合、不同電站機組運行工況下下游河道水流流速分布和流態(tài)，以此優(yōu)化魚道進口位置與布置型式，對不利的水流條件提出經(jīng)濟合理的改善措施。本研究成果可為類似工程的過魚設(shè)施總體布置提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型建立與驗證

基于二維淺水方程建立貊皮嶺壩下河道水流流場數(shù)學(xué)模型，該模型對大水域?qū)挏\河道流場進行模擬時具有較高的計算效率。

1.1 基本方程

(1)連續(xù)方程

(2)沿X方向的動量方程

(3)沿Y方向的動量方程

式中，H、Z分別為水深和水位；u、v分別為x、y向的流速；ρ為水體密度；vt為紊動粘性系數(shù)；c為謝才系數(shù)，c=1nR16,R為水力半徑；n為底床糙率；f為柯氏力系數(shù)，f=2ω sin φ,其中ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為計算水域所在地理緯度。

1.2 定解條件

方程的定解條件包括初始條件和邊界條件，如下所示。

(1)初始條件：

(2)邊界條件：

將樞紐不同電站運行工況的下泄水流作為流量邊界，河道模型下游出口斷面水位作為下游邊界；固定邊界處設(shè)置干、濕節(jié)點并允許干濕交替，水動力計算采用法向通量為零的邊界條件，只允許水流平行地沿著這些邊界流動，即?U?n=0(U為邊界水流合速度，n為固定邊界法向單位向量)。

1.3 計算方法及求解過程

利用有限單元法來計算控制方程的數(shù)值解，將控制方程分別在時間和空間上進行離散，其中時間離散采用差分法；空間離散采用有限單元法。運用加權(quán)余量的Galerkin有限元方法把淺水方程離散成非線性代數(shù)方程，求解過程全部采用隱式格式，在每一時間步長上，變量表達式為：f(t)=f(0)+at+btc(t0≤t≤t0+Δt),式中字母a、b、c是常數(shù)，c為1.5,采用Newton-Raphson非線性迭代方法求解。

離散區(qū)域內(nèi)采用三角形6節(jié)點等參單元和四邊形8節(jié)點等參單元相耦合。平面x-y上的任意四邊形變換到ξ-β平面上的坐標(biāo)變換式為：(x,y)=?T(x1,y1)。

通過轉(zhuǎn)換得到正交曲線坐標(biāo)系ξ-β下的河道水流平面二維有限元控制方程如下

數(shù)值求解上述基本控制方程，便可得到樞紐下游河道的二維水流流場結(jié)構(gòu)。

1.4 計算范圍及網(wǎng)格劃分

八字嘴樞紐貊皮嶺電站下游河道流場結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬范圍為：自貊皮嶺電站向下游延伸約2.5 km河道。數(shù)模模型出口布置在河道順直段，以保證水流流場計算的準(zhǔn)確性。在尾水渠內(nèi)紊動劇烈，橫向和縱向網(wǎng)格節(jié)點間距為1.0～2.0 m; 下游河道流速較小，紊動較弱，網(wǎng)格節(jié)點間距為3.0～4.0 m, 計算區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元總計3萬左右。

模型計算區(qū)域地形特征、物理模型水流流速測點和網(wǎng)格剖分情況分別如圖1和圖2所示。魚道進口位于右岸電站下游較遠處的洲灘上。

圖1 貊皮嶺電站下游河道數(shù)模計算區(qū)域地形特征

圖2 貊皮嶺電站下游河道數(shù)模網(wǎng)格劃分

1.5 模型驗證

本次數(shù)學(xué)模型驗證采用比尺1∶100的整體水工物理模型試驗成果數(shù)據(jù)進行驗證。選取10年一遇洪水(11 200 m3/s)壩下流場進行驗證。物理模型試驗水流流速測點如圖1所示。各測點的物理模型與數(shù)學(xué)模型流速值對比如表1所列。由表1可知，數(shù)值計算和物理模型試驗所得結(jié)果基本一致，樞紐下游水流流場結(jié)構(gòu)整體較為平順，僅在發(fā)電機組泄水口附近及船閘下游附近區(qū)域有渦旋亂流現(xiàn)象。大部分測點區(qū)域水流流速指標(biāo)非常接近，平均誤差6.1%,僅局部區(qū)域個別流速測點存在差異，表明本研究所建立的數(shù)學(xué)模型總體能夠較好的反映原型水流的運動情況，模擬精度較高。

2 魚道進口水流條件分析與優(yōu)化

2.1 計算工況

八字嘴樞紐由東大河的虎山嘴和西大河的貊皮嶺兩個樞紐組成。貊皮嶺電站機組裝機2臺，單機容量3.5 MW,總裝機容量7 MW,機組滿發(fā)流量為390 m3/s, 最大過機流量650 m3/s。魚道布置于電站下游右側(cè)洲灘上。為分析貊皮嶺電站下游魚道進口附近水流條件，根據(jù)設(shè)計部門提供的樞紐運行基本資料及魚道的特點，考慮電站主要過魚季節(jié)(每年4—7月)的運行工況，設(shè)置計算工況如表2所列。

2.2 魚道進口附近水流條件模擬結(jié)果

2.2.1 魚道進魚口水流條件

對原地形條件下各水位組合工況進行數(shù)模計算得到的魚道進口附近整體及局部流場結(jié)果如圖3—圖6所示。

圖3 MD-1工況貊皮嶺魚道進口流速云圖 (左側(cè)1臺機組發(fā)電泄水178.1 m3/s)

圖4 MD-2工況貊皮嶺魚道進口流速云圖(右側(cè)1臺機組發(fā)電泄水178.1 m3/s)

圖5 MD-3工況貊皮嶺魚道進口流速云圖 (2臺機組發(fā)電泄水365.2 m3/s)

圖6 MD-4工況貊皮嶺魚道進口流速云圖 (2臺機組發(fā)電泄水650.0 m3/s)

基于各水位組合工況條件下的數(shù)模計算結(jié)果，分析魚道進口附近整體及局部流場可知，在MD-1和MD-2工況中，除電站尾水渠中流場結(jié)構(gòu)有所差異，電站下游河道的水流流場結(jié)構(gòu)基本一致，而魚道原設(shè)計進口附近(原魚道進口位于洲灘下游側(cè))水流流速偏小，僅為0.1 m/s左右，不利于魚類順利發(fā)現(xiàn)并進入魚道。MD-3工況中，在電站尾水附近水流流速約0.5～0.7 m/s, 但在中部洲灘下游，原設(shè)計魚道進口位置，水流流速依然較小，而在擬優(yōu)化魚道進口附近流速約為0.5 m/s。MD-4工況中，電站下游靠岸側(cè)水流依然較為平順，無回流渦旋等不良水流現(xiàn)象，整體水流條件較好，原設(shè)計魚道進口位置水流流速有所增大，但僅0.3 m/s左右，相對較小，會導(dǎo)致魚類無法準(zhǔn)確找到魚道進口位置，影響過魚效果；而在擬優(yōu)化魚道進口附近流場較為復(fù)雜，且存在較大范圍流速大于1.2 m/s的區(qū)域，流速大于魚道設(shè)計流速，易導(dǎo)致其他弱小魚類上溯困難。

綜上所述，魚道進口布置在洲灘下游側(cè)時，各運行工況中魚道進口附近水流流速指標(biāo)均較小，進魚口不在活水區(qū)，魚類很難感知到進口水流流速，難以發(fā)現(xiàn)魚道進口。為此，需要對魚道進口位置進行調(diào)整。電站尾水渠附近的水流流速能較好滿足魚類上溯需求，且該位置流場平順、流態(tài)較好，初步建議魚道進口位置向上游移動至電站尾水附近。而前述研究成果表明，如僅將魚道進口位置上移在大流量工況無法很好地滿足魚道設(shè)計流速以及兼顧其他弱小魚類，因此魚道進口位置調(diào)整后還需對尾水渠下游區(qū)域進行開挖(ND-5—ND-6)。魚道進口位置調(diào)整后的計算工況如表3所列，調(diào)整后魚道進口位置如圖7所示。

圖7 魚道進口位置向上游偏移示意(單位：m)

2.2.2 魚道進魚口前移方案

將魚道進口布置上移后，重新計算壩下流場分布。結(jié)果表明，MD-1—MD-3工況下，魚道進口附近水流較為平順，流態(tài)較好，流速約為0.5～0.7 m/s, 能夠較好地滿足魚類上溯需求，同時借助電站下泄水流的誘魚作用，可顯著提高過魚成功率；但在MD-4工況時，電站下泄流量較大，在電站尾水下游側(cè)，魚道進口附近存在流速達到甚至超過1.20 m/s的區(qū)域范圍，在實際運行過程中，這一區(qū)域很可能成為魚類上溯的“流速屏障”,因此需要進行進一步優(yōu)化調(diào)整。

2.2.3 魚道進口前移+局部小開挖方案

為了降低大流量下魚道進魚口流速，嘗試在MD-4方案基礎(chǔ)上，將電站尾水下游側(cè)長約80余米范圍內(nèi)地勢較高的區(qū)域進行開挖，即工況ND-5。將電站尾水下游側(cè)長約80余米范圍內(nèi)地勢較高的區(qū)域進行開挖，開挖范圍如圖8所示，開挖后地面高程5.0 m。

從圖9可以看出，采取ND-5方案后，魚道進口附近流速約為1.0 m/s, 魚道進口附近大于1.20 m/s流速區(qū)域顯著減少，存在水流流速小于1.20 m/s的上下貫通的通道。由流速矢量圖可知，電站尾水渠及魚道進口處水流平順，流態(tài)較好，無明顯亂流、渦旋的現(xiàn)象。但魚道進口附近總體流速大于魚道設(shè)計流速1.0 m/s, 且難以兼顧其他弱小魚類上溯，為此，需要對ND-5方案進一步優(yōu)化。

圖8 優(yōu)化調(diào)整方案1開挖范圍示意(單位：m)

圖9 ND-5工況貊皮嶺魚道進口流場 (2臺機組發(fā)電泄水650.0 m3/s)

2.2.4 魚道進口前移+局部大開挖方案

在ND-5工況的基礎(chǔ)上，魚道進魚口附近仍存在較大范圍水流流速大于1.0 m/s的區(qū)域，因此本研究開展了ND-6方案的研究。該方案與ND-5工況的開挖范圍基本一致，為電站尾水下游側(cè)長約100 m, 將開挖后地面高程定為4.0 m, 與電站尾水池護坦高程一致(見圖10)。

流場計算結(jié)果如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可知，采取ND-6優(yōu)化調(diào)整方案后，魚道進口附近流速約為0.9 m/s, 流速大于1.0 m/s的范圍進一步減小，流場結(jié)構(gòu)也相較ND-5工況更加簡單，流速分布更加均勻，魚道進口附近水流流態(tài)較好，水流平順，無明顯渦旋亂流現(xiàn)象，沿河道方向存在流速小于1.0 m/s的上下貫通的通道，能夠更好地滿足魚類上溯需求。

圖10 優(yōu)化調(diào)整方案2開挖范圍示意(單位：m)

圖11 ND-6工況貊皮嶺魚道進口流速云圖(2臺機組發(fā)電泄水650.0 m3/s)

圖12 ND-6工況貊皮嶺魚道進口流速矢量圖 (2臺機組發(fā)電泄水650.0 m3/s)

3 結(jié) 論

本研究針對貊皮嶺電站不同運行工況下魚道進口附近水流流場結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，結(jié)合物理模型試驗結(jié)果對數(shù)學(xué)模型的有效性進行了驗證，并針對魚道進口布置存在的問題提出了合理可行的調(diào)整改善措施。所得主要結(jié)論如下：

(1)在樞紐各運行工況下，魚道原設(shè)計進口附近河道流場結(jié)構(gòu)較為平順，但流速偏小，不利于魚類發(fā)現(xiàn)并順利進入魚道；

(2)將魚道進口位置向上游移動至電站下游活水區(qū)域，可有效借助電站下泄水流進行誘魚，提高過魚效率。調(diào)整后，MD-1—MD-3工況下，魚道進口附近水流較為平順，流態(tài)較好，能夠滿足魚類上溯需求；但在MD-4工況時，魚道進口附近存在流速達到甚至超過1.20 m/s, 將成為魚類上溯的“流速屏障”,需要進行優(yōu)化調(diào)整；

(3)通過兩種開挖方案的對比發(fā)現(xiàn)，ND-5方案時，魚道進口水流條件得到較大改善，但依然存在“流速屏障”,考慮兼顧其他弱小魚類，建議采用推薦方案ND-6方案。

(4)通過將魚道進口調(diào)整至活水區(qū)域，并進行局部開挖調(diào)整魚道進口流速，使得魚道進口水流既可以被魚類感知，亦不形成魚類難以逾越的“流速屏障”,可保障魚道進口水流條件滿足誘魚需求。該方法可供其他類似魚道工程參考。

作者簡介：

黃勇(1987—),男，工程師，學(xué)士，主要從事魚道設(shè)計的研究。E-mail:674762586@qq.com;

*祝龍(1988—),男，高級工程師，博士，主要從事魚道水力學(xué)研究。E-mail:zhulong@nhri.cn;

引用：

黃勇, 祝龍, 詹雅雯, 等. 貊皮嶺水電站魚道進口布置論證與優(yōu)化[J]. 水利水電技術(shù)(中英文), 2021, 52(10): 89- 99.

HUANG Yong, ZHU Long, ZHAN Yawen, et al. Demonstration and optimization of fishway entrance layout of Mopiling Hydropower Station [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(10): 89- 99.