水电站集鱼系统进鱼口位置的研究

潘 露， 吕 海 艳， 刘 艺 平

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

1 概 述

河道中修建的挡水建筑物会阻断原本连通的河道，使具有洄游习性的鱼类无法上溯洄游，对其繁殖和生存造成了极大的影响。为保护鱼类资源，降低建坝带来的负面影响，可修建过鱼设施作为鱼类上溯洄游的通道[1]。研究资料表明，鱼类在洄游过程中对水流条件要求非常严格，进鱼口的水流条件直接关系到鱼类能否顺利进入鱼道。因此，进鱼口位置的选择成为影响过鱼设施运行成败的关键[2-3]。

笔者研究的牙根二级水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流，水电站为二等大(2)型工程，设有两条厂房尾水洞，其过鱼设施拟采用“集鱼槽+索道转运过坝+运鱼船放流”的过鱼方案。笔者结合数值模拟和模型试验，对该河段的流场分布情况进行研究，研究内容与优化方法能够为电站坝下进鱼口设置提供依据。

2 进鱼口位置分析

对河道流速分布进行分析，选择三种典型工况，分别为：工况1，1号尾水洞和2号尾水洞分别过流2台机组发电流量；工况2，1号尾水洞过流2台机组发电流量，2号尾水洞不过流；工况3，1号尾水洞和2号尾水洞分别过流0.5台机组发电流量。

2.1 数值模拟

数值计算以FLUENT软件作为流场模拟工具，选用κ-ε紊流双方程模型，对于自由液面的处理，计算采用具有追踪功能的VOF单流体模型，并用有限体积法对方程进行离散。

进鱼口河段流场计算范围为2号尾水洞上游260 m至1号尾水洞下游520 m，总长近850 m的河段。建模时，以坝轴线下游330 m处为坐标零点。X轴与尾水洞出口河段轴线大致平行，Y轴与河道垂直，Z坐标与高程一致。计算边界条件设置如下：1号和2号尾水洞进口断面采用速度进口边界，尾水洞边壁及河道地形采用固壁边界。河道下游出流断面采用自由出流边界。计算区域网格划分全部采用结构化网格，沿水深方向节点间距为0.4～1.2 m，与水深垂直方向节点间距为2～3 m，网格单元总数约23.5万个。计算区域及网格划分见图1。三种不同组合工况运行时进鱼口河段流场分布见图2。

图1 计算区域及网格划分

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3图2 进鱼口河段流场分布数值模拟结果

2.2 模型试验

模型试验的模拟范围与数模计算一致。试验模型按重力相似准则设计，采用正态模型，几何比尺采用1∶30。下游河道流场分布见图3。

2.3 结果分析

2.3.1 下游河道流场分析

由图2、3可知，不同发电机组组合运行时下游河段流场分布规律大致相同。尾水洞上游，以回流为主，越往上游流速越小。尾水洞出口附近水流集中，流速最大，之后，随着水流扩散，流速迅速减小。尾水洞下游河段主流靠右岸行进，水流较为平顺，左岸则存在大范围回流区。1号尾水洞出口下游350 m之后，由于河道缩窄，流速有所增加。比较不同工况时下游河道流场分布，随着机组运行数量的减少，河道下游流速逐渐减小，低流速区范围随之扩大。

图4为发电机组三种不同组合工况下，下游河道桩号0+650 m断面流速分布数值计算成果与模型试验成果对比情况。结果表明，数值计算结果与实测数据较好吻合，相对误差小于8%，在允许范围15%以内[4]。

2.3.2 进鱼口位置选择

由于鱼类对水流流速较敏感，不同种类的鱼类偏好的流速不同。牙根二级水电站过鱼设施主要过鱼对象为四川裂腹鱼、长丝裂腹鱼等。主要过鱼季节2～5月。通过对雅鲁藏布江中游体长为170～450 mm的裂腹鱼类游泳能力试验研究[5]可知：裂腹鱼类感应流速为0.04～0.1 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流速范围持续游泳时间大于5 min。因此，进鱼口宜设置在河道内水流平顺，流速为0.8～1.2 m/s的区域，且河道内不存在影响鱼类上溯的流速屏障。笔者以此作为进鱼口位置的选择依据。

根据下游流场分布图可知，4台机组满负荷运行时，尾水洞附近的高速横向水流形成鱼类洄游屏障，鱼类将无法完成上溯；3台及以下机组运行时，尾水洞出流对鱼类上溯不形成流速屏障，但尾水洞出口上游基本为回流区，诱鱼流态较差。因此，尾水洞上游河段不宜布置进鱼口。尾水洞对岸下游河道水流较为平顺，主流方向明确，存在较大范围的0.8～1.2 m/s流速区，适宜布置集鱼系统进鱼口。由于尾水洞过流量变化，右岸进鱼口布置区域流速发生变化，未发现三种工况下能同时满足0.8～1.2 m/s流速范围的区域。为保证集鱼效果，考虑在尾水洞出口右岸布置两个进鱼口以适应不同工况。3台及以下机组运行时，主要通过1号进鱼口过鱼；3台及以上机组运行时，主要通过2号进鱼口过鱼。各工况下0.8～1.2 m/s流速区及适宜布置进鱼口区域见图5。

3 鱼道线路布置

为保证鱼类进入鱼道后顺利游至集鱼池，鱼道内部池室需要保持0.3～1 m/s流速。根据试验，为达到鱼道池室过鱼流速要求，本工程鱼道底坡需保持2%，1号、2号进鱼口之间鱼道长度应为195 m。本工程通过采用两个180°转弯[6]，增加鱼道长度，满足了鱼道池室底坡2%，池室流速0.3～1 m/s的要求。鱼道线路布置见图6。

(a)工况1

(c)工况3图3 进鱼口河段流场分布模型试验结果

(a)工况1 (b)工况2 (c)工况3图4 典型断面数值模拟和模型试验对比情况

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3图5 0.8～1.2 m/s流速区及适宜布置进鱼口区域图

图6 鱼道线路布置

4 结 语

笔者结合数值模拟和模型试验对牙根二级水电站下游河段流场分布进行了研究，研究表明：尾水洞下游河道右岸水流较为平顺，主流方向明确，存在较大范围的0.8～1.2 m/s流速区，适宜布置进鱼口。分析不同工况下河道右岸流场分布，未发现各种工况下能同时满足0.8～1.2 m/s流速范围的区域。为保证集鱼效果，建议布置两个进鱼口。3台以下机组运行时，在桩号0+690 m～0+740 m区域布置1号进鱼口过鱼；3台及以上机组运行时，在桩号0+550 m～0+590 m区域布置2号进鱼口过鱼。笔者采用的进鱼口位置选择方法及180°转弯线路布置可为其他类似工程提供参考。