细鳞河水库鱼道进口河段水力特性数值模拟研究

2018-11-06狄高健田振华刘发智

水利科学与寒区工程 2018年10期

狄高健，韩雷，田振华，刘发智

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

水利工程的修建带来了防洪、发电、灌溉、航运等经济效益，但挡水建筑物的修建对本来连通的河道进行了阻隔，影响了河流生态环境的整体连续性，也中断了具有洄游习性鱼类的上溯，影响洄游鱼类的繁殖与生存[1-2]。从保护洄游鱼类及河流生态系统多样性角度，减轻挡水建筑物阻隔的影响，一般需要修建鱼道、升鱼机等过鱼设施为鱼类上溯提供通道。研究资料表明，鱼类在洄游过程中对水流条件要求严格，鱼道进口位置的选取十分重要，甚至可成为影响过鱼设施运行成败的关键[3-6]。

目前，国内采用水力学物理模型试验或数值模拟的方法对鱼道水力特性的研究较多，而对鱼道进口位置布置的研究较少。本文以细鳞河水库鱼道为例，项目结合枢纽的运行情况，采用二维数值仿真模型，对拦河坝下游鱼道进口附近处的水流条件进行研究，得出其流速分布情况，为工程鱼道进口的布置提供依据。

1 工程概况

细鳞河水库位于黑龙江省鹤岗市北细鳞河下游干流上，水库主要功能是向鹤岗煤矿供水，确保煤矿生活及工业用水的需求。细鳞河位于黑龙江省东北部，是梧桐河支流，发源于桶子沟和金顶山南麓，流经十八号、十里河、细鳞河林场，注入梧桐河，全长48 km，属长流河。据调查采集鱼类和文献记载，细鳞河鱼类共计7目12科46种，主要洄游鱼有细鳞鱼、哲罗鱼、雷氏七鳃鳗、怀头鲶、江鳕等珍贵冷水性鱼，以及鲢、鳙、鲤、银鲫等温水性鱼。本次保护鱼类主要有细鳞鱼、哲罗鱼、江鳕等。本枢纽建成后，阻隔了鱼类洄游通道，并对鱼类产卵场造成不利的影响，拟修建仿生态式鱼道过鱼，修建鱼类增殖保护站开展人工增殖放流，作为主要鱼类保护措施。

2 数值模拟

2.1 控制方程

将三维水流运动基本方程沿水深进行积分，并沿水深取平均，即得沿水深平均的二维水动力运动基本方程。

水流连续方程：

(1)

沿X方向动量方程：

(2)

沿Y方向动量方程：

(3)

式中：H、Z分别为水深和水位；u、v分别为X、Y向的流速;ρ为水体密度;v为紊动粘性系数;c为谢才系数;R为水力半径;n为底床糙率;f为柯氏力系数，f=2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为计算水域所在地理纬度。

利用流体力学的有限单元法来计算控制方程的数值解，其基本求解过程为：控制方程分别在时间和空间上进行离散。其中时间离散采用差分法，空间离散采用有限单元法，求解过程全部采用隐式格式。

2.2 模拟范围及网格剖分

针对细鳞河水库鱼道的特点，建立枢纽下游及鱼道进口数值仿真模型。其中，网格划分采用渐变方式。计算区域及网格划分见图1。

图1 拦河坝下游及鱼道进口附近数值模型及网格划分

2.3 参数设置

糙率系数：参照多个工程的经验确定曼宁图，主河道水深较大，糙率对水流影响较小，取0.025。

涡粘系数：根据Smagorinsky公式确定。

(4)

式中：U，V为X，Y方向垂线平均流速，Δ为网格间距，Cs计算参数，一般选0.25

动边界处理：为保证模型计算的连续性，本文采用“干湿判别”来确定计算区域由于水位变化产生的动边界，当计算区域水深小于0.1 m时，该计算区域记为“干”，不参加计算；当水深大于0.2 m时，该计算区域记为“湿”，重新参加计算。

2.4 计算工况

细鳞河水库水位～流量关系曲线见图2。结合枢纽的运行条件，对鱼道进口附近及拦河坝下游的水流条件进行研究，分别选取D-1工况为鱼道进口处最低运行水位工况，D-2工况为溢流坝泄流工况，D-3工况为鱼道进口最高运行水位工况。

图2 水位流量关系曲线

3 计算结果及分析

鱼类在有上溯要求时，一般趋向于顶冲水流游泳。反应水流对鱼运动的流速有感应流速、喜爱流速与极限流速三种。达到感应流速，鱼类开始感应并趋流前进，超过极限流速，鱼类或退却，或顺流而下。《水利水电工程鱼道设计导则》中规定：鱼道的设计流速不应大于主要过鱼对象的极限流速，不应小于鱼类的感应流速。鱼类的克流能力一般用鱼在一定时间段内可以克服某种水流的流速大小来表示。根据相关结论和资料以及项目中鱼种类和克流能力，本项目中保护鱼类的感应流速取0.2 m/s，极限流速为1.2 m/s，即鱼道的进口应保证流速在0.2～1.2 m/s之间，而大部分鱼类的喜爱流速在0.3～0.5 m/s之间，即当流速在此区间时，鱼类更容易找到进鱼口从而顺利进入鱼道内部。

3.1 D-1工况

D-1工况，最低运行水位工况时，根据数值模拟结果(图3、图4)可以看出，河道流速在0.2～0.5 m/s范围内；鱼道进口附近水流速度较小，约为0.1 m/s左右，小于鱼类的感应流速0.2 m/s，鱼类较难找到进鱼口，不能很顺利地进入鱼道内部。

3.2 D-2工况

D-2工况，溢流坝泄流工况时，根据数值模拟结果(图5、图6)可以看出，下游河道速流速在0.1～0.7 m/s范围内；鱼道进口处附近水流平顺，流速在0.35 m/s左右，大于保护鱼类的感应流速0.2 m/s，小于保护鱼类的极限流速1.2 m/s，且在鱼类喜爱流速范围0.3～0.5 m/s之间，因此在本工况下，理论上鱼类能够找到进鱼口从而顺利进入鱼道内部。

图3 D-1工况进口及下游流场等值线图

图4 D-1工况进口及下游流场矢量图

图5 D-2工况进口及下游流场等值线图

3.3 D-3工况

D-3工况，鱼道进口最高运行水位工况时，根据数值模拟结果(图7、图8)可以看出，下游河道速流速在0.1～1.0 m/s范围内；鱼道进口处附近水流平顺，流速在0.45 m/s左右，大于保护鱼类的感应流速0.2 m/s，小于保护鱼类的极限流速1.2 m/s，且在鱼类喜爱流速范围0.3～0.5 m/s之间，因此在本工况下，理论上鱼类能够找到进鱼口从而顺利进入鱼道内部。