叶巴滩水电站进鱼口河段数值模拟研究

潘 露,王 川

(1.四川水利职业技术学院，成都 611231； 2.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

修建水库能够带来防洪、发电、航运、灌溉等经济效益，但由于挡水建筑物在原本连通的河道中形成阻隔，中断了河流生态环境的连续性，具有洄游习性的鱼类将无法上溯洄游，从而对其繁殖和生存造成极大的影响[1]。为了减缓挡水建筑物的阻隔影响，保护鱼类资源，可通过修建过鱼设施作为鱼类上溯洄游的通道[2]。根据现阶段国内鱼道资料，目前我国大部分鱼道的运行效果并不理想，尚需进一步开展基础研究和应用实践的改进。试验研究表明，鱼类在洄游过程中对水流条件要求严格，进鱼口位置的选取成为影响过鱼设施运行成败的关键[3-5]。

目前，国内多采用水力学试验或数值模拟的方法对鱼道水力结构设计及优化进行研究[6-13]，而对进鱼口位置选择的研究较少。本文以叶巴滩水电站为例，结合其集鱼系统的设计要求，通过数值计算得到其生态电站尾水洞和电站尾水洞出口河段的流场分布情况，以判断两处尾水洞出口河道内是否存在鱼类上溯的流速屏障。同时，根据电站尾水洞出口和生态电站尾水洞出口河段的流速分布，为工程坝下集鱼系统进鱼口的布置提供依据。

1 工程概况

叶巴滩水电站位于四川与西藏界河金沙江上游河段。坝址多年平均流量824 m3/s，水库正常蓄水位2 889.00 m，相应库容10.80×108m3，死水位2 855.00 m，调节库容5.37×108m3，电站装机容量228.5×104kW(含12.5×104kW泄放生态流量机组)。电站1#尾水洞全长2 921.64 m，2#尾水洞全长2 891.25 m，出口均位于二道坝下游约3 km河道右岸；泄放生态流量机组尾水经尾水管出流后，经右岸导流洞结合段、尾水出口检修闸门和尾水渠接入二道坝下游河道，全长725.493 m。叶巴滩水电站属高坝电站，其过鱼设施采用集鱼系统。

根据相关资料显示，金沙江上游水域珍稀鱼类品种较多。由于该流域特殊的地质条件、水文特征及单一的水流环境，水域鱼类组成较简单，主要由裂腹鱼类、条鳅类及鮡科鱼三大类群构成，其中裂腹鱼类具有一定短距离生殖洄游习性。裂腹鱼类作为金沙江上游主要优势种群，繁殖季节受工程阻隔影响非常大[14]。

2 数学模型

2.1 控制方程

数值计算用Fluent流场流模拟软件，采用κ-ε紊流双方程模型和具有自由液面追踪功能的VOF单流体模型，并用有限体积法对方程进行离散，求解采用PISO算法。控制方程为：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

κ方程：

G-ρε

(3)

ε方程：

(4)

式中：ρ为密度；ui为速度在i方向上的分量；κ为紊动能；ε为耗散率；μt为湍动黏度；G为紊动能产生项。

VOF方法是一种追踪复杂自由表面的有效方法。对于仅有水和空气两相流来说，水和气的体积分数αw(x，y，z，t)和αα(x，y，z，t)在每一个网格上其和等于1，即：

αw(x，y，z，t)+αα(x，y，z，t)=1

(5)

对于水气两相流，本文追踪水自由面，水在网格上体积分数的连续方程为：

(6)

引入VOF模型后，式(1)～式(4)中的密度ρ和黏性系数μ不再是常数，混合流体的密度ρ表示为ρ=αwρw+(1-αw)ρa；混合流体的粘性系数表示为μ=αwμw+(1-αw)μa。

2.2 模拟区域及边界条件

集鱼设施进口的布置应结合鱼类的上溯路线，选择有水流下泄及鱼类经常聚集的区域，并尽可能靠近鱼类能上溯到达的最前沿，即阻碍上溯的障碍物附近[7]。综上分析，叶巴滩水电站集鱼系统进口拟布置在二道坝与生态尾水洞之间河道岸边。电站下游河道鱼类上溯至集鱼系统进口需经过电站尾水洞出口和生态尾水洞出口河段，由于两处尾水洞下泄水流集中，河道内存在高速横向水流，有可能成为鱼类上溯的流速屏障。因此，数值模拟计算区域选择电站尾水洞出口河段及生态电站尾水洞出口河段。电站尾水洞出口河段为叶巴滩水电站尾水洞出口共计长约660 m的河段(1#尾水洞出口上游200 m至下游460 m河段)，生态电站尾水洞出口河段为生态电站尾水洞出口及二道坝开挖边界线至下游尾调交通洞出口断面共计长约600 m的河段，见图1。

图1 数值模拟计算河道范围

电站尾水洞出口河段及生态电站尾水洞出口河段均采用速度进口边界条件，以保证入流量为一恒定值；下游河道出口为出流断面，采用自由出流边界；尾水渠和下游河道采用固壁边界。

2.3 网格划分

网格划分采用混合网格，包括结构化和非结构化两种类型。电站尾水洞出口河段沿水深方向网格节点间距为1～1.7 m，与水深垂直方向网格节点间距为1～3.0 m，计算区域网格单元总数约40.7万个。生态电站尾水洞出口河段沿水深方向节点间距为0.4 m，与水深垂直方向节点间距为1.0 m，计算区域网格单元总数约20.2万个。见图2。

图2 计算网格划分

3 计算结果及分析

3.1 水流流场分布

3.1.1 电站尾水洞出口河段

计算上游来流量为132 m3/s，电站4台机组满发运行工况下的河道内流场分布情况，见图3～图5。

由图3～图5中可知，电站尾水洞出流冲顶对岸，主流沿左岸流向下游，水流流速左岸大于右岸，1#、2#尾水洞之间及1#尾水洞下游河道右岸存在一定回流区；河道内水流经过一定长度的扩散调整，至1#尾水洞下游200～400 m时，流速分布恢复至天然情况。由于尾水洞轴线与河道主流方向交角较大，尾水洞出流顶冲对岸，使得沿尾水洞轴线方向形成高流速横向水体，尾水洞出口至对岸河道内大部分区域流速值为1.6～2.6 m/s，但靠近河道左岸岸边存在宽0.5 m小流速区域，且水流平顺、流速方向明确。

图3 计算区域内水面流场

图4 计算区域内平面流场分布

图5 计算区域内水面高程河道岸边流速等值线图(A-A详图)

3.1.2 生态电站尾水洞出口河段

计算下泄132 m3/s生态流量工况条件下研究河段的流场分布情况，见图6～图8。

由图6～图8中可知，生态电站尾水洞出流后冲顶对岸，主流沿岸边流向下游，部分水流折向上游形成回流。尾水洞出口流速约4.7 m/s，至河道中心降至1.4～1.6 m/s，在水流冲顶岸坡区域，最大流速约为1.7 m/s。区域内水流流速经100 m长河段的扩散调整，分布趋于均匀，在靠近左岸岸边存在宽约0.6 m流速较小的区域。

图6 计算区域内水面流场

图7 计算区域内平面流场分布(1-1剖面)

图8 计算区域内水面高程河道岸边流速等值线图(A-A详图)

3.2 进鱼口位置选择

鱼对水流流速敏感，不同种类的鱼类偏好的流速不同。通过对雅鲁藏布江中游裂腹鱼类(体长170～450 mm)的游泳能力试验研究结果[7]可知，裂腹鱼类的感应流速为0.04～0.12 m/s，临界速度为0.83～0.98 m/s，突进速度为1.17～1.53 m/s。在0.8～1.2 m/s流速下持续游泳时间大于5 min。因此，集鱼系统进口宜设在河道0.8～1.2 m/s流速范围区域内，且河道内不存在鱼类上溯的流速屏障。

从水流流场分布可知：

1) 电站4台机组满发运行时，电站尾水洞附近的高速横向水流流速值达到1.6～2.6 m/s，大于裂腹鱼类的最大突进速度，且存在回流区，鱼类将无法通过此流速屏障完成上溯，但在靠近河道左岸岸边存在宽0.5 m低流速区，鱼类可以沿河道左岸自由上溯。因此，电站尾水洞出流水体不会对鱼类洄游造成影响。

2) 在生态电站尾水洞出口下游，河道内大部分区域流速为1.7～2.0 m/s，也大于裂腹鱼类的最大突进速度。通过计算结果可知，靠近左岸岸边存在宽0.6 m区域水流流速值小于1.2 m/s，下游洄游鱼类可顺利上溯通过。

3) 生态尾水洞出口水流顶冲对岸后，一部分水流折向上游，河道内存在0.8～1.2 m/s流速区域。该区域内水流平顺、流速方向明确，且靠近鱼类上溯的物理障碍(二道坝)处，可作为集鱼系统进口推荐布置位置。

4 结 语

本文通过叶巴滩水电站进鱼口河段的数值模拟计算，分析了电站进鱼口位置的选择方法。可得到以下结论：

1) 金沙江上游水域水流环境单一，水域鱼类组成较简单，其中裂腹鱼类具有一定短距离生殖洄游习性，因此选择裂腹鱼类为过鱼对象。通过对裂腹鱼的游泳行为试验发现，在0.8～1.2m/s流速范围最适宜其洄游上溯。

2) 通过对电站下游河道的三维数值模拟可知，电站尾水洞附近存在高速横向水流，但在靠近河道左岸岸边存在低流速区，鱼类可以沿河道左岸自由上溯。因此，电站尾水洞出流水体不会对鱼类洄游造成影响。

3) 生态电站尾水洞出口下游及尾调交通洞出口附近水流流速较大，不利于鱼类上溯通过，但岸边存在水流均衡平顺的低流速区，可作为鱼类的上溯通道。建议将进鱼口布置在生态电站尾水洞出口对岸的上游区域。