浅析电站尾水和高坝升鱼机补水对诱鱼流场的影响

王新强

（1.福建省水利水电勘测设计研究院,福建 福州 350001；2.福建省水动力与水工程重点实验室,福建 福州 350001）

1 引言

高坝工程过鱼设施升鱼机进鱼口宽度较小,且鱼类对过水流条件较为敏感,升鱼机进鱼口附近的水流条件的好坏直接影响到鱼类能否顺利上溯。史斌等[1]进行了放鱼实验并论证了鱼道进口水力学条件；谢春航等[2]通过数值模拟开展了鱼道进口布置方式对集诱鱼水流水力学特性的影响研究；汤荆燕等[3]开展不同水流形态对进鱼口诱鱼效果的研究；刘志国等[4]通过数值模拟开展了丰满水电站重建工程升鱼机进鱼口水流条件改善措施的研究；彭方俊等[5]利用Mike21 软件开展了基于水力学条件的江家口坝下集诱鱼进口流场研究；贺新娟等[6]通过数值模拟对某水电站工程坝下尾水流场进行了研究。李广宁等[7]通过数值模拟研究电站尾水渠内鱼道进口位置布局。本文利用mike21 软件进行数值模拟,研究发电尾水以及升鱼机补水对水流流场结构的影响,进而对存在的问题提出优化改进措施,并开展补充数值模拟对其有效性进行校验。

2 过鱼设施流速基本情况

过鱼设施进口流速的设计值最低不能小于主要过鱼对象感应流速的中值泳速,根据鱼类游泳速度测试结果,在本工程中进口流速不能小于0.15 m/s,进鱼孔最大流速建议为1.0 m/s,这样的流速可以满足工程主要过鱼种类成熟个体的繁殖过坝要求,也能够在一定程度上满足到其它过鱼对象的过坝的需求,在设计中为了获得较好的诱鱼效果,流速范围一般应涵盖临界游泳速度的下限到临界游泳速度的中值,对本工程而言,其范围为0.24 m/s～0.71 m/s应能收到较好效果。

3 模型的建立与验证

3.1 控制方程

连续性方程：

水动力控制方程：Navier-Stokes方程

x- 方向：

y- 方向：

式中：H为水深,H=h+ ,其中、h分别为水位和水深；p、q分别为x、y方向上的流通通量；C为谢才系数；g为重力加速度；f为科氏力系数；ρ为水的密度；W、Wx、Wy为风速在x、y上的分量；fw为风阻力系数；τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量。

3.2 模拟范围和网格布置

数值模拟范围为：自某大坝向下游延伸约800 m河道,河道左右岸最宽距离约270 m。模型中将下游水位边界取在河道顺直段,进口则对大机组、小机组以及停机放水管进行单独设定。采用非结构三角形网格对模型进行划分,其中最小网格尺寸0.2 m,最大网格尺寸9.0 m,网格数14986。具体见图1。

图1 计算区域地形和网格

3.3 边界条件及验证

将大坝不同运行工况下电站机组、停机放水管以及升鱼机进口补水的下泄水流作为流量边界,下游河道断面边界作为水位边界条件。综合考虑并根据物理模型试验结果,河道糙率取为n=0.035。

为确保数学模型计算的合理准确性,采用大坝工程下游河道流场结构物理模型试验数据进行验证分析。通过验证可知,数学模型计算结果与物理模型试验结果较为一致,说明数学模型的建立以及参数选取合理。验证结果见图2。

图2 三台机组满发时，河道断面流速分布验证

4 试验及结果分析

4.1 工程布置

升鱼机进鱼口一般布置在经常有水流下泄、鱼类洄游路线及鱼类经常集群的水流附近,并尽可能靠近鱼类能上溯到达的最前沿即阻碍鱼类上溯的障碍物附近[8]。经过设计比选,工程升鱼机进口拟布置在河道左岸,尾水渠下游侧,鱼道进口宽度1.2 m,后方设置鱼道检修门,并布置补水管。见图3。

图3 尾水渠以及升鱼机进鱼口布置示意图

4.2 计算工况

为保证电站尾水以及升鱼机补水能够为升鱼机诱鱼提供良好的水流条件,对过鱼季节不同工况下水流流场结构进行数值模拟分析,主要计算工况见表1。

表1 计算工况

4.3 计算结果

4.3.1 补水作用下升鱼机进口诱鱼流速

随着发电机组运行数量的增加,下泄流量以及河道水位随之增加,为让升鱼机进鱼口有良好的诱鱼流速,根据河道水位,拟定工况1～工况4,升鱼机补水流量及通过模拟得到进鱼口区域流速情况见表2,升鱼机进鱼口局部最大流速均小于1.0 m/s,满足鱼类突进游泳速度测试要求。

表2 补水作用下升鱼机进鱼口区域流速

4.3.2 整体河道水流特性

根据数值模拟结果（图4～图7。其中,a表示发电厂房尾水下游河道流速云图,b表示发电厂房尾水下游河道流场图,c表示进鱼口附近区域流速云图,d表示进鱼口附近区域流场图）,可知河道水流流场结构如下。

图4 工况1流场结构图

图7 工况3流场结构图

工况1,电站尾水漫过尾水渠最左侧导墙流入河道,河道水流较为平顺；升鱼机进鱼口左侧靠近岸边的水流具有小范围回流,流速较小；右侧为发电厂房尾水主流区域,流速较大,最大超过1.20 m/s,对鱼类形成水流屏障。升鱼机进鱼口水流流线靠近发电厂房尾水主流的外缘,水流流线清晰顺直,流速大小适宜,具有诱导鱼类上溯至升鱼机进口的条件。

工况2,随着机组下泄流量的增大,下游河道水流流速较大（＞1.2 m/s）,对鱼类形成水流屏障,电站下泄水流直接顶冲河道右岸,位于左侧的小机组所在尾水渠水流漫过尾水渠左侧导墙流入河道,枢纽下游河道水流依旧较为平顺；升鱼机进鱼口主流流线清晰顺直,流速大小适宜,满足鱼类上溯至升鱼机进口的条件,左侧靠近岸边水流流速较小,具有小范围回流。

工况3,下游河道水流流速整体继续增大（＞2.0 m/s）,电站下泄水流对右岸的冲击作用更加明显,形成较为显著的斜向水流,主流两侧形成一定范围的涡旋水流,但流速较小；升鱼机进鱼口主流流线与发电机组左侧尾水渠导墙形成环形流场,升鱼机进口外侧较大范围内为回流区域,流速较小,约为0.1 m/s,水流流态较差,鱼类很难寻找到升鱼机进口,不满足诱鱼条件。

工况4,下游河道水流流速较工况3有所增加,同样形成流速屏障,电站下泄水流对右岸的冲击作用最为明显,小机组所在尾水渠水流漫过尾水渠左侧导墙流入河道,枢纽下游河道主流整体较为平顺,主流两侧同样形成一定范围的涡旋水流,流速较小；升鱼机进鱼口左侧靠近岸边水流流速较小,且具有一定范围的回流,不利鱼类上溯至升鱼机进口。

图5 工况2流场结构图

图6 工况2流场结构图

5 优化方案计算结果

对机组不同运行方式以及升鱼机补水工况下水流流场结构进行模拟分析,通过计算可知存在的主要问题：在工况3以及工况4 情况下,下游河道左岸侧水流回流较为明显,升鱼机进鱼口附近水流结构不利于诱鱼,尤其是工况4两台大机组满发情况下,水流结构尤为不利。针对上述情况,结合实际水流结构,通过降低大机组尾水渠左侧导墙（也即小机组尾水渠右侧导墙）高程至112.8 m（原高程118.0 m,见图8）调整尾水水流流态,进而改善诱鱼流场。

图8 优化导墙高程示意图

对优化方案进行数值模拟计算,其中工况1、工况2水流流场结构与原方案结果相似,本文主要针对工况3 和工况4计算结果进行分析。

5.1 优化方案工况3水流特性分析

优化方案工况3与原方案工况3相比,电站下泄水流对右岸的冲击作用有所减弱,主流右侧形成一定范围的涡旋水流,流速较小,主流左侧水流较为顺直,在靠近左岸局部区域存在较小的涡旋水流；升鱼机进鱼口左侧靠近岸边水流流速较小,且具有小范围回流,右侧为发电厂房尾水区域。在1.5 m3/s补水量下,升鱼机进口水流流速最大约为0.81 m/s,进鱼口水流流线贴近小机组尾水主流的外缘,进口至其下方100 m范围水流流速大小约在0.2 m/s～0.7 m/s之间,水流流线清晰顺直,流速大小适宜,满足鱼类上溯至升鱼机进口的条件。具体见图9。

图9 工况4流场结构图

5.2 优化方案工况4水流特性分析

优化方案工况4与原方案工况4相比,电站下泄水流对右岸的冲击作用有所减弱,主流右侧形成一定范围的涡旋水流,流速较小,主流左侧水流较为顺直,在靠近左岸局部区域存在较小的涡旋水流；升鱼机进鱼口左侧靠近岸边水流流速较小,且具有小范围回流,右侧为发电厂房尾水区域。在1.5 m3/s补水量下,升鱼机进口水流流速最大约为0.75 m/s,进鱼口水流流线贴近小机组尾水主流的外缘,进口至其下方100 m范围水流流速大小约在0.5 m/s～0.7 m/s之间,流线清晰顺直,流速大小适宜,满足鱼类上溯至升鱼机进口的条件。具体见图10。

图10 优化方案工况3流场结构图

6 结语

通过相关调查试验,确定了诱鱼效果较好的河道水流流速范围；利用mike21 软件水动力模块开展了不同工况下河道水流特性研究,可知,各工况在补水流量0.3 m3/s～1.5 m3/s条件下,升鱼机进鱼口能够较为理想的出流,最大流速0.97 m/s,满足鱼类突进游泳速度测试结果1.0 m/s的要求,补水流量基本合理。其中工况1、工况2 枢纽下游河道水流较为平顺,无不良水流流态,升鱼机进鱼口附近水流流场较为平顺,满足鱼类上溯要求；工况3、工况4 情况下,尾水对升鱼机进鱼口附近水流影响较大,下游河道左岸侧水流产生明显回流,造成升鱼机进鱼口附近水流结构紊乱,不利诱鱼。针对存在的问题提出了降低尾水渠导墙,从而改变尾水渠水流流向的的优化改进措施,并开展补充数值模拟对其有效性进行了校验,研究成果可为高坝升鱼机诱鱼流场优化等提供技术参考。