王新強(qiáng)

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

1 引言

高壩工程過魚設(shè)施升魚機(jī)進(jìn)魚口寬度較小,且魚類對過水流條件較為敏感,升魚機(jī)進(jìn)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(jìn)行了放魚實驗并論證了魚道進(jìn)口水力學(xué)條件；謝春航等[2]通過數(shù)值模擬開展了魚道進(jìn)口布置方式對集誘魚水流水力學(xué)特性的影響研究；湯荊燕等[3]開展不同水流形態(tài)對進(jìn)魚口誘魚效果的研究；劉志國等[4]通過數(shù)值模擬開展了豐滿水電站重建工程升魚機(jī)進(jìn)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(xué)條件的江家口壩下集誘魚進(jìn)口流場研究；賀新娟等[6]通過數(shù)值模擬對某水電站工程壩下尾水流場進(jìn)行了研究。李廣寧等[7]通過數(shù)值模擬研究電站尾水渠內(nèi)魚道進(jìn)口位置布局。本文利用mike21 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究發(fā)電尾水以及升魚機(jī)補(bǔ)水對水流流場結(jié)構(gòu)的影響,進(jìn)而對存在的問題提出優(yōu)化改進(jìn)措施,并開展補(bǔ)充數(shù)值模擬對其有效性進(jìn)行校驗。

2 過魚設(shè)施流速基本情況

過魚設(shè)施進(jìn)口流速的設(shè)計值最低不能小于主要過魚對象感應(yīng)流速的中值泳速,根據(jù)魚類游泳速度測試結(jié)果,在本工程中進(jìn)口流速不能小于0.15 m/s,進(jìn)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(shè)計中為了獲得較好的誘魚效果,流速范圍一般應(yīng)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(yīng)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(shù)；g為重力加速度；f為科氏力系數(shù)；ρ為水的密度；W、Wx、Wy為風(fēng)速在x、y上的分量；fw為風(fēng)阻力系數(shù)；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量。

3.2 模擬范圍和網(wǎng)格布置

數(shù)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(jìn)口則對大機(jī)組、小機(jī)組以及停機(jī)放水管進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分,其中最小網(wǎng)格尺寸0.2 m,最大網(wǎng)格尺寸9.0 m,網(wǎng)格數(shù)14986。具體見圖1。

圖1 計算區(qū)域地形和網(wǎng)格

3.3 邊界條件及驗證

將大壩不同運(yùn)行工況下電站機(jī)組、停機(jī)放水管以及升魚機(jī)進(jìn)口補(bǔ)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(jù)物理模型試驗結(jié)果,河道糙率取為n=0.035。

為確保數(shù)學(xué)模型計算的合理準(zhǔn)確性,采用大壩工程下游河道流場結(jié)構(gòu)物理模型試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證分析。通過驗證可知,數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果較為一致,說明數(shù)學(xué)模型的建立以及參數(shù)選取合理。驗證結(jié)果見圖2。

圖2 三臺機(jī)組滿發(fā)時，河道斷面流速分布驗證

4 試驗及結(jié)果分析

4.1 工程布置

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

圖3 尾水渠以及升魚機(jī)進(jìn)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(jī)補(bǔ)水能夠為升魚機(jī)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(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)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(jié)果

4.3.1 補(bǔ)水作用下升魚機(jī)進(jìn)口誘魚流速

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

表2 補(bǔ)水作用下升魚機(jī)進(jìn)魚口區(qū)域流速

4.3.2 整體河道水流特性

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)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(jìn)魚口附近區(qū)域流速云圖,d表示進(jìn)魚口附近區(qū)域流場圖）,可知河道水流流場結(jié)構(gòu)如下。

圖4 工況1流場結(jié)構(gòu)圖

圖7 工況3流場結(jié)構(gòu)圖

工況1,電站尾水漫過尾水渠最左側(cè)導(dǎo)墻流入河道,河道水流較為平順；升魚機(jī)進(jìn)魚口左側(cè)靠近岸邊的水流具有小范圍回流,流速較??；右側(cè)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(jī)進(jìn)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(dǎo)魚類上溯至升魚機(jī)進(jìn)口的條件。

工況2,隨著機(jī)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(cè)的小機(jī)組所在尾水渠水流漫過尾水渠左側(cè)導(dǎo)墻流入河道,樞紐下游河道水流依舊較為平順；升魚機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)口的條件,左側(cè)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(cè)形成一定范圍的渦旋水流,但流速較??；升魚機(jī)進(jìn)魚口主流流線與發(fā)電機(jī)組左側(cè)尾水渠導(dǎo)墻形成環(huán)形流場,升魚機(jī)進(jìn)口外側(cè)較大范圍內(nèi)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(jī)進(jìn)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(jī)組所在尾水渠水流漫過尾水渠左側(cè)導(dǎo)墻流入河道,樞紐下游河道主流整體較為平順,主流兩側(cè)同樣形成一定范圍的渦旋水流,流速較??；升魚機(jī)進(jìn)魚口左側(cè)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(jī)進(jìn)口。

圖5 工況2流場結(jié)構(gòu)圖

圖6 工況2流場結(jié)構(gòu)圖

5 優(yōu)化方案計算結(jié)果

對機(jī)組不同運(yùn)行方式以及升魚機(jī)補(bǔ)水工況下水流流場結(jié)構(gòu)進(jìn)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(cè)水流回流較為明顯,升魚機(jī)進(jìn)魚口附近水流結(jié)構(gòu)不利于誘魚,尤其是工況4兩臺大機(jī)組滿發(fā)情況下,水流結(jié)構(gòu)尤為不利。針對上述情況,結(jié)合實際水流結(jié)構(gòu),通過降低大機(jī)組尾水渠左側(cè)導(dǎo)墻（也即小機(jī)組尾水渠右側(cè)導(dǎo)墻）高程至112.8 m（原高程118.0 m,見圖8）調(diào)整尾水水流流態(tài),進(jìn)而改善誘魚流場。

圖8 優(yōu)化導(dǎo)墻高程示意圖

對優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬計算,其中工況1、工況2水流流場結(jié)構(gòu)與原方案結(jié)果相似,本文主要針對工況3 和工況4計算結(jié)果進(jìn)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(cè)形成一定范圍的渦旋水流,流速較小,主流左側(cè)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(jī)進(jìn)魚口左側(cè)靠近岸邊水流流速較小,且具有小范圍回流,右側(cè)為發(fā)電廠房尾水區(qū)域。在1.5 m3/s補(bǔ)水量下,升魚機(jī)進(jìn)口水流流速最大約為0.81 m/s,進(jìn)魚口水流流線貼近小機(jī)組尾水主流的外緣,進(jìn)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(jī)進(jìn)口的條件。具體見圖9。

圖9 工況4流場結(jié)構(gòu)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(cè)形成一定范圍的渦旋水流,流速較小,主流左側(cè)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(jī)進(jìn)魚口左側(cè)靠近岸邊水流流速較小,且具有小范圍回流,右側(cè)為發(fā)電廠房尾水區(qū)域。在1.5 m3/s補(bǔ)水量下,升魚機(jī)進(jìn)口水流流速最大約為0.75 m/s,進(jìn)魚口水流流線貼近小機(jī)組尾水主流的外緣,進(jìn)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(jī)進(jìn)口的條件。具體見圖10。

圖10 優(yōu)化方案工況3流場結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語

通過相關(guān)調(diào)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(bǔ)水流量0.3 m3/s～1.5 m3/s條件下,升魚機(jī)進(jìn)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(jìn)游泳速度測試結(jié)果1.0 m/s的要求,補(bǔ)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)魚口附近水流影響較大,下游河道左岸側(cè)水流產(chǎn)生明顯回流,造成升魚機(jī)進(jìn)魚口附近水流結(jié)構(gòu)紊亂,不利誘魚。針對存在的問題提出了降低尾水渠導(dǎo)墻,從而改變尾水渠水流流向的的優(yōu)化改進(jìn)措施,并開展補(bǔ)充數(shù)值模擬對其有效性進(jìn)行了校驗,研究成果可為高壩升魚機(jī)誘魚流場優(yōu)化等提供技術(shù)參考。