新疆库尔干水利枢纽集诱鱼系统水工模型试验研究

雷震霄

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐，830000)

1 工程概况

新疆库尔干水利枢纽位于库山河中游河段，水库总库容1.24亿m3，为Ⅱ等大(2)型水利工程。库山河分布5种鱼类均为土著鱼类，其中鲤科鱼类2属3种，分别为裂腹鱼属的塔里木裂腹鱼、宽口裂腹鱼，重唇鱼属的斑重唇鱼；鳅科1属2种，均为高原鳅属，分别为叶尔羌高原鳅、长身高原鳅。本工程过鱼对象以裂腹鱼为主，通过鱼类游泳能力测试可知，裂腹鱼感应流速为0.12m/s～0.34m/s；临界游泳速度为1.01m/s～1.44m/s；持续游泳速度为0～1.0m/s；耐久游泳速度为1m/s～1.3m/s；爆发游泳速度为1.35m/s～2.48m/s。

库尔干水利枢纽建成后阻碍了洄游性鱼类的洄游路径，为减缓工程对水生生态及鱼类不利影响，需修建过鱼设施。工程采用“集诱鱼设施+运输车+投放平台”的方式进行过鱼，集诱鱼系统设置在电站厂房尾水渠末端，包括集鱼渠和衔接池。工作原理为：厂房尾水、集鱼渠、衔接池与下游河道贯通，形成联通的流场。在尾水渠末端设置分流墙以形成集鱼渠，分流墙能够调整水流流场结构，有效创造减速流场，集鱼渠内形成适宜于过鱼对象上溯的水流流场，而集鱼渠外侧则为高流速区域，形成鱼类上溯的屏障，这样可确保集鱼设施具有良好的集诱鱼水力学条件。集鱼渠内设有集鱼箱、拦鱼网装置、防逃网等装置，将洄游鱼类诱导至集鱼渠后关闭集鱼箱，通过双向门机将集鱼箱吊至运鱼车后开启箱体底部启闭门，供水系统同时对集鱼箱冲水，使鱼群快速进入运鱼车。运鱼车将鱼群运送至上游投放点，利用车后部液压系统，展开投鱼滑道，打开车辆尾门，投鱼入库。然后运鱼车按原路线返回集鱼渠，循环往复运行。

利用电站尾水渠合理布置集诱鱼系统具有很好的应用前景[1]，但不同机组发电运行的下泄水流使得电站尾水渠内的流场结构复杂，因此如何利用电站尾水渠合理布置集诱鱼系统，是工程面临的关键问题。

2 模型设计

2.1 模型比尺

模型设计遵循重力相似准则，采用正态模型，模型试验的长度比尺λL为25。流量比尺λQ为3125，流速比尺λv为5，糙率比尺λn为1.71，时间比尺λt为5。

2.2 模型设计

模型模拟范围为厂房尾水渠、集鱼渠、衔接池、下游河道，水工模型布置见图1。

图1 水工模型布置

模型建筑物采用有机玻璃制作，模型加工精度控制在±0.2mm以内，安装的垂向精度控制在±0.3mm以内，平面精度控制在±0.5mm以内。

2.3 模型量测设备

模型进口流量采用电磁流量计进行控制，出口下游接三角量水堰，量水堰测量精度0.1L/s。电磁流量计与量水堰测量结果互为验证，以保证流量精度。流速采用电磁流速仪测量，测量精度达到0.001m/s。水面线采用水位测针进行测量。

2.4 试验内容

(1)量测不同运行工况下，尾水渠与下游河道的流速分布；

(2)进一步改善集诱鱼系统进口区域的水动力学条件，提高集诱鱼效果；

(3)提出集诱鱼系统布置与具体体型的方案。

3 试验成果

3.1 试验工况

主要工况为机组发电的不同运行组合，具体见表1。

表1 库尔干水利枢纽不同运行工况下的流量与尾水位

3.2 集诱鱼系统方案一试验成果

集诱鱼系统设置在坝后电站厂房尾水渠末端，集诱鱼系统由衔接池、集鱼渠组成，平面布置见图2，三维示意见图3。

图2 集诱鱼系统方案一平面布置

图3 集诱鱼系统方案一三维示意

图4 集诱鱼系统方案一集鱼渠小流量工况

图5 集诱鱼系统方案一集鱼渠大流量工况

通过水工模型试验研究，水流在集鱼渠段被分流墙分为两部分，小部分进入分流墙内侧的集鱼渠，大部分经分流墙外侧流向下游。分流墙外侧在流量较小时，水流平稳，无明显的水面波动；在流量较大时，由于分流墙的斜向导向作用，形成明显的斜向水流，导致水面波动。分流墙内侧在流量较小时水流平稳，水面线无明显跌落；在流量较大时水面线在进口和扩散段出现了明显下降，并且在渠身段前半部分出现水跃，后半部分水面持续波动。集鱼渠流量较大时，流速在进口和扩散段逐渐加大，在渠身段又逐渐减小，在渠身段后半段下降到1m/s以下。

方案一集鱼渠内流速虽然能够满足鱼类的上溯需求，但尾水渠末端设置分流墙，在一定程度上束窄了河道过流断面，使得局部水面雍高。另外，流量较大时，水面线在进口和扩散段出现了明显下降，在集鱼渠前半部分出现水跃，后半部分水面持续波动，产生不利影响。

3.3 集诱鱼系统方案二试验成果

方案二遵循等效过流断面的原则，扭面下游的直墙段自河道底部向左岸移动了2.5m。

图6 集诱鱼系统方案二平面布置

图7 集诱鱼系统方案二集鱼渠小流量工况

图8 集诱鱼系统方案二集鱼渠大流量工况

通过水工模型试验研究，集鱼渠段分流墙外侧在流量较小时，水流平稳，无明显的水面波动；在流量较大时，由于分流墙的斜向导向作用形成明显的斜向水流，导致水面波动。分流墙内侧集鱼渠内水流流态，在流量较小时水流平稳，水面线无明显跌落；在流量较大时水面线在进口段和扩散段略有下降，水面波动情况明显改善。集鱼渠流量较大时，流速在进口和扩散段逐渐加大，在渠身段又逐渐减小，在渠身段后半段下降到0.60m/s～0.81m/s。

方案二基本消除了局部壅水的现象，同时降低了集鱼渠上下游的水位落差，使渠内的水流趋于稳定，在流量较大时水面线在进口段和扩散段略有下降，水面波动情况较方案一明显改善，但未解决水跃会产生不利影响。

3.4 集诱鱼系统方案三试验成果

方案三在方案二的基础上增加了组合式的桩柱结构布置。

图9 集诱鱼系统方案三集鱼渠扩散段桩柱结构布置

(单位：×10cm)

工况1 工况2 工况3 工况4 工况5

图11 集诱鱼系统方案三不同工况下集鱼渠内流态

通过水工模型试验研究，在所有工况下，发电尾水在河道顺直段水流很快趋于均化，且明渠段始终保持高于1.2m/s的较高流速，可以形成鱼类上溯的流速屏障，具备通过设置分流墙营造集鱼渠的基本条件。分流墙能够有效创造减速流场，分流墙外侧明渠段水流流态，在流量较小时，水流平稳，无明显的水面波动；在流量较大时，由于分流墙的斜向导向作用形成明显的斜向水流，导致水面波动。分流墙内侧集鱼渠内水流流态，在所有工况下水流平稳，水面线均无明显跌落。在所有工况下，集鱼渠内的低流速区域相对稳定在分流墙内侧靠近左岸的后半部分区域，其长度约2m～10m，可以满足集诱鱼要求。

水面线在进入分流墙内侧时有一定跌落，这是由于分流墙的扩散体型所决定的，这也导致水面线的连接出现问题，且在一定水面落差下，会出现水跃，从而会影响分流墙下半部分集鱼渠水流的稳定性。在扩散段内增加组合式的桩柱结构，能够起到较好地抑制流速的作用，避免了下游水跃的发生，维持了下游流态的稳定性。

4 结论

本次模型试验成功模拟了集诱鱼系统的水流流态，通过设置分流墙的方式调整局部水流流场结构，形成集鱼渠。结果表明分流墙能够有效创造减速流场，集鱼渠内的低流速区域可以满足集诱鱼要求，故本工程集诱鱼系统布置方案是可行的。通过模型试验研究，为工程设计提供了依据，为下一阶段的设计工作打下了基础。集诱鱼系统设计中采用分流墙创造减速流场的方式目前国内未见采用，可为今后过鱼建筑物设计提供参考。