花园水库鱼道池室水力特性研究

刘发智，韩 雷，田振华，狄高健

(黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150080)

水利水电工程的不断建设，破坏了河流的连续性，阻隔了鱼类的洄游通道，改变了鱼类栖息环境，对鱼类的生存繁殖造成不利影响[1]。为了保护鱼类资源，恢复河流生物多样性，越来越多的水利枢纽工程开始设置过鱼设施。鱼道便是其中最常见的过鱼设施。鱼道按结构形式可分为池堰式鱼道、槽式鱼道、横隔板式鱼道和特殊结构式鱼道等[2]。横隔板式鱼道按其结构形式又可分为淹没孔口式鱼道、竖缝式鱼道及其组合式鱼道3种[3]。其中竖缝式鱼道因具有适用于较大水位差及不同喜好水深的鱼类等优点[4]，应用最为广泛。鱼道内流速、流态等水力特性的好坏是鱼道设计成功的关键，为避免所建鱼道存在有水无鱼、鱼道淤塞的现象，在鱼道设计前对鱼道的水力特性进行系统地研究非常必要。鉴此，本文以花园水库工程鱼道为例，通过水工水力学模型试验对竖缝式鱼道的水力特性进行研究，分析此类型鱼道水力特性，可供类似工程参考。

1 工程概况

花园水库位于龙江县济沁河下游，是一座以灌溉为主，结合防洪，兼顾发电等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽。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，拟修建垂直竖缝式鱼道过鱼，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。据调查采集鱼类和文献记载，济沁河主要洄游鱼有细鳞鱼、哲罗鱼、雷氏七鳃鳗、黑龙江茴鱼、江鳕等珍贵冷水性鱼，以及鲢、鳙、鲤、银鲫等温水性鱼。鱼道的设计流速主要根据主要过鱼对象的克流能力而定，综合考虑几种过鱼种类的克流能力，鱼道设计流速取1.0 m/s。

花园水库鱼道采用同侧横隔板竖缝式鱼道型式，全长2389 m(不含1#、2#进出口控制闸长度)。鱼道底板纵坡除控制闸、休息室段采用水平底板外，各标准池室底板纵坡比采用1∶78。平均每10个标准池设1个休息池，共50个。鱼道标准池室长度4.0 m，净宽3.0 m，隔板高2.5 m，竖缝宽度0.54 m。鱼道池室具体尺寸见图1。

2 研究内容

本文主要研究内容是通过1∶5水工水力学模型试验对花园水库竖缝式鱼道池室的流态、池室平面流速分布、竖缝垂向流速分布、单位体积消能率等水力特性进行研究，分析诸多水力特性能否满足洄游鱼类上溯要求。

3 模型设计制作

为研究花园水库鱼道水力特性，专门进行局部水工模型试验研究，模型按重力相似准则设计，

图1 鱼道池室尺寸图(单位：cm)

模型几何比尺 1∶5，模型包括上游水库、鱼道池室及下游量水堰等，模型长度约20.0 m。鱼道池室采用有机玻璃制造，共设10块隔板(自上游往下游以1～10编号)，隔板为同侧竖缝布置，间距80 cm(原型为4.0 m)，底坡比1∶78。模型布置见图2。模型控制边界条件为水深，调整上下游水位得到各级水池水深，待水位稳定后采用旋浆流速仪测量沿程典型隔板(4～6 号隔板)竖缝流速及池室流速分布。试验选取了鱼道水池水深H为1.0 m、2.0 m、2.5 m三种运行工况，三种工况上下游池室水深保持相等。

图2 模型布置示意图

4 试验结果分析

4.1 流 态

试验对鱼道池室内水流流态进行观测，观测结果表明，在不同工作水深条件下，各级水池内均能形成典型的竖缝式水流流动结构，水流流态良好。表面水流流向明确，主流顺畅，水流在隔板前壅高，自竖缝处形成明显的跌落流出进入下一级水池后，主流弯曲向左侧偏转，形成“S型”流向，水流在水池内扩散较好，未出现主流临近两侧边墙的不利流态。在隔板下游主流两侧形成局部回流，强度不大，为鱼类提供了有效的休息场所。鱼道池室流态见图3。

图3 鱼道池室流态图

4.2 池室表面流速分布

针对水池水深1.0 m、2.0 m、2.5 m等运行工况，量测了4～5#、5～6#隔板之间的水池内表层流速分布。流速测量中对测点坐标的控制方法如下：以4#横向长隔板前端与池室左侧边墙的交点为0点坐标，向下游方向为Y轴正方向，垂直于边墙向右侧为X轴正方向。图4为根据试验绘制的水池表层流速矢量图和流速云图。

试验结果表明，在不同工作水深条件下，沿程池室的水流条件及流速分布基本相同，水池内主流区大体居于水池中央位置，主流区两侧为回流区或静水区。竖缝断面与主流区水流流速相对较大，竖缝处流速在0.8 m/s左右，池室中间主流流速为0.4～1.0 m/s，两侧及隔板下游附近回流区流速均小于0.3 m/s，个别测点达到1.0 m/s，出现在横向导板下游出口附近。说明花园水库鱼道池室流速分布基本满足过鱼对象的上溯要求。

图4 典型工况水池内表层流速分布及云图

4.3 竖缝断面流速分布

对于上溯鱼而言，竖缝式鱼道竖缝附近的流速量值是竖缝式鱼道最为关键的控制性指标。该流速不能高于上溯鱼的极限流速，对于本工程而言，这个流速值为1.0 m/s。为了研究竖缝附近流速，试验共布置了3处测点，1号测点为竖缝断面左侧距固壁距离0.1 m处，2号测点为竖缝断面中心位置，3号测点为竖缝断面右侧距固壁距离0.1 m处，每处测点分别沿垂线测量5个深度流速，测点布置见图5。

本项研究针对在不同水池水深情况下，实测了4#、5#、6#隔板竖缝附近的垂线流速分布，取三处隔板同一深度流速平均值。各工况竖缝断面垂向流速分布见图6。试验结果表明：三种不同水深工况，竖缝处流速分布大体相似，竖缝处流速分布从左至右逐渐增加，竖缝断面的水流流速大体上处于0.62～0.95 m/s之间，最大流速均小于过鱼对象的极限流速1.0 m/s，满足过鱼对象的上溯要求。

图5 竖缝断面测点布置

图6 竖缝断面垂向流速分布

4.4 单位体积消能率

对于竖缝式鱼道而言，在确定池室细部结构时，不仅要考察水流流态与流速分布，还要关注各级鱼室内的能量耗散情况。如果鱼室参数设计不合理，水流消能不够充分，容易导致鱼类消耗大量的体力，不能顺利上溯。法国的Larinier[5]对竖缝式鱼道的消能效率进行了深入研究，提出单位消能率的概念，并给出了各级水池内的单位水体消能率E不得超过150～200 W/m3的建议。因此，对池室内单位水体消能率进行计算是必要的。

单位水体消能率计算公式：

(1)

式中：E为容积功率耗散，W/m3；ρ为水的密度，取1000 kg/m3；B为过鱼池宽度，取3 m；h为水池中的平均水深，取1 m；L为过鱼池长度，取4 m；d为隔板厚度，取0.3 m；Δh为隔板水位差，取0.051 m。

通过模型试验率定得到工作水深为1.0 m、

2.5 m时的过流能力分别为0.442 m3/s、1.070 m3/s。 按式(1)计算得出鱼道池室的容积功率耗散约为19.92 W/m3、19.29 W/m3，紊动不剧烈，适合鱼类上溯。

5 结 论

通过1∶5鱼道局部模型，对同侧横隔板竖缝式鱼道的水力特性进行研究，对过鱼池室流态、流速分布、单位体积消能率等进行了观测分析。试验结果表明，鱼道池室主流清晰，流态良好，池室流速分布合理，竖缝断面最大流速均小于过鱼对象极限流速1.0 m/s，各级水池内的单位水体消能率E小于200 W/m3。综上所述花园水库鱼道采用同侧横隔板竖缝式，设计参数尺寸基本合理，满足鱼类上溯的水力学要求。本次模型试验成果，可供类似工程鱼道建设作为参考。