水電站集魚系統(tǒng)進魚口位置的研究

潘 露， 呂 海 艷， 劉 藝 平

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611231；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

河道中修建的擋水建筑物會阻斷原本連通的河道，使具有洄游習性的魚類無法上溯洄游，對其繁殖和生存造成了極大的影響。為保護魚類資源，降低建壩帶來的負面影響，可修建過魚設(shè)施作為魚類上溯洄游的通道[1]。研究資料表明，魚類在洄游過程中對水流條件要求非常嚴格，進魚口的水流條件直接關(guān)系到魚類能否順利進入魚道。因此，進魚口位置的選擇成為影響過魚設(shè)施運行成敗的關(guān)鍵[2-3]。

筆者研究的牙根二級水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流，水電站為二等大(2)型工程，設(shè)有兩條廠房尾水洞，其過魚設(shè)施擬采用“集魚槽+索道轉(zhuǎn)運過壩+運魚船放流”的過魚方案。筆者結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗，對該河段的流場分布情況進行研究，研究內(nèi)容與優(yōu)化方法能夠為電站壩下進魚口設(shè)置提供依據(jù)。

2 進魚口位置分析

對河道流速分布進行分析，選擇三種典型工況，分別為：工況1，1號尾水洞和2號尾水洞分別過流2臺機組發(fā)電流量；工況2，1號尾水洞過流2臺機組發(fā)電流量，2號尾水洞不過流；工況3，1號尾水洞和2號尾水洞分別過流0.5臺機組發(fā)電流量。

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值計算以FLUENT軟件作為流場模擬工具，選用κ-ε紊流雙方程模型，對于自由液面的處理，計算采用具有追蹤功能的VOF單流體模型，并用有限體積法對方程進行離散。

進魚口河段流場計算范圍為2號尾水洞上游260 m至1號尾水洞下游520 m，總長近850 m的河段。建模時，以壩軸線下游330 m處為坐標零點。X軸與尾水洞出口河段軸線大致平行，Y軸與河道垂直，Z坐標與高程一致。計算邊界條件設(shè)置如下：1號和2號尾水洞進口斷面采用速度進口邊界，尾水洞邊壁及河道地形采用固壁邊界。河道下游出流斷面采用自由出流邊界。計算區(qū)域網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，沿水深方向節(jié)點間距為0.4～1.2 m，與水深垂直方向節(jié)點間距為2～3 m，網(wǎng)格單元總數(shù)約23.5萬個。計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見圖1。三種不同組合工況運行時進魚口河段流場分布見圖2。

圖1 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖2 進魚口河段流場分布數(shù)值模擬結(jié)果

2.2 模型試驗

模型試驗的模擬范圍與數(shù)模計算一致。試驗模型按重力相似準則設(shè)計，采用正態(tài)模型，幾何比尺采用1∶30。下游河道流場分布見圖3。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 下游河道流場分析

由圖2、3可知，不同發(fā)電機組組合運行時下游河段流場分布規(guī)律大致相同。尾水洞上游，以回流為主，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，隨著水流擴散，流速迅速減小。尾水洞下游河段主流靠右岸行進，水流較為平順，左岸則存在大范圍回流區(qū)。1號尾水洞出口下游350 m之后，由于河道縮窄，流速有所增加。比較不同工況時下游河道流場分布，隨著機組運行數(shù)量的減少，河道下游流速逐漸減小，低流速區(qū)范圍隨之擴大。

圖4為發(fā)電機組三種不同組合工況下，下游河道樁號0+650 m斷面流速分布數(shù)值計算成果與模型試驗成果對比情況。結(jié)果表明，數(shù)值計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較好吻合，相對誤差小于8%，在允許范圍15%以內(nèi)[4]。

2.3.2 進魚口位置選擇

由于魚類對水流流速較敏感，不同種類的魚類偏好的流速不同。牙根二級水電站過魚設(shè)施主要過魚對象為四川裂腹魚、長絲裂腹魚等。主要過魚季節(jié)2～5月。通過對雅魯藏布江中游體長為170～450 mm的裂腹魚類游泳能力試驗研究[5]可知：裂腹魚類感應流速為0.04～0.1 m/s，臨界速度為0.83～0.98 m/s，突進速度為1.17～1.53 m/s。在0.8～1.2 m/s流速范圍持續(xù)游泳時間大于5 min。因此，進魚口宜設(shè)置在河道內(nèi)水流平順，流速為0.8～1.2 m/s的區(qū)域，且河道內(nèi)不存在影響魚類上溯的流速屏障。筆者以此作為進魚口位置的選擇依據(jù)。

根據(jù)下游流場分布圖可知，4臺機組滿負荷運行時，尾水洞附近的高速橫向水流形成魚類洄游屏障，魚類將無法完成上溯；3臺及以下機組運行時，尾水洞出流對魚類上溯不形成流速屏障，但尾水洞出口上游基本為回流區(qū)，誘魚流態(tài)較差。因此，尾水洞上游河段不宜布置進魚口。尾水洞對岸下游河道水流較為平順，主流方向明確，存在較大范圍的0.8～1.2 m/s流速區(qū)，適宜布置集魚系統(tǒng)進魚口。由于尾水洞過流量變化，右岸進魚口布置區(qū)域流速發(fā)生變化，未發(fā)現(xiàn)三種工況下能同時滿足0.8～1.2 m/s流速范圍的區(qū)域。為保證集魚效果，考慮在尾水洞出口右岸布置兩個進魚口以適應不同工況。3臺及以下機組運行時，主要通過1號進魚口過魚；3臺及以上機組運行時，主要通過2號進魚口過魚。各工況下0.8～1.2 m/s流速區(qū)及適宜布置進魚口區(qū)域見圖5。

3 魚道線路布置

為保證魚類進入魚道后順利游至集魚池，魚道內(nèi)部池室需要保持0.3～1 m/s流速。根據(jù)試驗，為達到魚道池室過魚流速要求，本工程魚道底坡需保持2%，1號、2號進魚口之間魚道長度應為195 m。本工程通過采用兩個180°轉(zhuǎn)彎[6]，增加魚道長度，滿足了魚道池室底坡2%，池室流速0.3～1 m/s的要求。魚道線路布置見圖6。

(a)工況1

(c)工況3圖3 進魚口河段流場分布模型試驗結(jié)果

(a)工況1 (b)工況2 (c)工況3圖4 典型斷面數(shù)值模擬和模型試驗對比情況

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖5 0.8～1.2 m/s流速區(qū)及適宜布置進魚口區(qū)域圖

圖6 魚道線路布置

4 結(jié) 語

筆者結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗對牙根二級水電站下游河段流場分布進行了研究，研究表明：尾水洞下游河道右岸水流較為平順，主流方向明確，存在較大范圍的0.8～1.2 m/s流速區(qū)，適宜布置進魚口。分析不同工況下河道右岸流場分布，未發(fā)現(xiàn)各種工況下能同時滿足0.8～1.2 m/s流速范圍的區(qū)域。為保證集魚效果，建議布置兩個進魚口。3臺以下機組運行時，在樁號0+690 m～0+740 m區(qū)域布置1號進魚口過魚；3臺及以上機組運行時，在樁號0+550 m～0+590 m區(qū)域布置2號進魚口過魚。筆者采用的進魚口位置選擇方法及180°轉(zhuǎn)彎線路布置可為其他類似工程提供參考。