西藏扎拉水電站豎縫式魚道池室水力特性研究

賈召文 黃子葉 王猛 劉志雄

收稿日期：2023-08-08

基金項目：

江西省水利廳科技項目（202124ZDKT18）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目（CKSF2021482SL）

作者簡介：

賈召文，男，工程師，主要從事水利水電工程技術與合同管理工作。E-mail：jiazhaowen@126.com

通信作者：

黃子葉，女，工程師，碩士，主要從事魚道水力學與魚類洄游通道修復研究工作。E-mail：1658174923@qq.com

引用格式：

賈召文，黃子葉，王猛，等.

西藏扎拉水電站豎縫式魚道池室水力特性研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：69-75，115.

摘要：

為進一步優化西藏扎拉水電站魚道池室流場結構，提出了調整導板和隔板長度后的優化方案，并結合魚道局部池室1∶5水力學模型試驗，對優化方案的魚道池室水力特性進行了驗證研究。采用三維數值模擬技術分析了扎拉水電站魚道原設計方案不同底坡條件下池室流場結構、流速分布、紊動能等水力特性。研究結果表明：池室水深1.5～2.5 m時，魚道相應下泄流量0.44～0.73 m3/s；池室內主流形態呈“S”形，主流兩側回流或靜水區域尺寸基本相當；池室主流流速0.40～0.80 m/s，豎縫處最大流速約1.10 m/s，池室回流區流速均在0.30 m/s以下。研究成果可供類似魚道工程設計、研究參考。

關鍵詞：

魚道； 豎縫式； 流態； 流速； 水力特征； 扎拉水電站

中圖法分類號：S956.3

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.012

文章編號：1006-0081（2024）06-0069-07

0? 引? 言

閘壩等水工建筑物的修建破壞了魚類棲息地的連通性，魚道是恢復魚類洄游通道和連接破碎棲息地的有效工程措施［1］。豎縫式魚道是一種池式魚道，因其流態穩定、對水位變化的適應能力強、過魚效率高等技術優勢，在國內外得到了廣泛的應用，中國近期建設的魚道工程大都采用了這種布置形式［2］。從水力學角度看，魚道內部的水力特性包括過流流量、池室內流態、主流流線及流速衰減情況、豎縫最大流速等，這些是影響過魚效率的重要因素，也是豎縫式魚道體型優化研究的主要內容［3］。豎縫式魚道在池室結構布置和水力特性方面取得了相對成熟的研究成果，多數基于數學模型和物理模型等手段開展豎縫式魚道斷面型式［4-5］、坡度［6-7］、池室長寬比［8-9］、豎縫寬度［10］、豎縫位置［11］、導角［12］、隔板形狀［13］以及轉彎段結構［14］對池室流速、流態、紊動能等水力特性影響研究［15-18］。例如，Rajaratnam，徐體兵，Wu等［19-21］對豎縫式魚道開展了試驗研究，研究了池室長寬比、底坡坡度與水流流態的關系。Ahmadi等［22］運用數值模擬方法探究了不同豎縫式魚道底坡以及池室布置圓柱體等附加物等對流速和紊動能的影響。Li等［13］研究了兩種隔板形式下不同坡度的魚道內流場分布，結果表明，只要相鄰池室水位差相等，即使坡度完全不同，豎縫處的流速也幾乎相等。

本文以扎拉水電站魚道為研究對象，采用三維數值模擬技術分析了不同底坡條件下池室流場結構、流速分布、紊動能等水力特性，并提出了調整導板和隔板長度后的優化方案，結合魚道局部池室 1∶5 水力學模型試驗，對優化方案的魚道池室的水力特性進行了研究。

1? 研究概況

1.1? 工程概況

扎拉水電站壩址位于左貢縣碧土鄉扎郎村附近，距左貢縣城約136 km，距昌都約290 km，距河口約83 km，距上游規劃碧土壩址約17 km，與下游規劃轟東壩址相距約63 km。扎拉水電站主要建筑物由擋泄水建筑物、引水隧洞、電站廠房、魚道組成。

1.2? 魚道概況

1.2.1? 魚類生態學基本資料

根據相關文獻資料記載，綜合以往調查研究和調查現狀，扎拉水電站主要過魚對象是具有一定洄游遷移需求的4種裂腹魚，即：怒江裂腹魚、貢山裂腹魚、裸腹葉須魚與溫泉裸裂尻魚，區域的其他魚類如高原鰍類及鮡科魚類作為兼顧過魚對象，雖沒有特殊的洄游需求，但需要自由通過，以促進魚類種群交流。

根據過魚種類的繁殖季節及習性分析，研究的主要過魚季節為4～7月。測試結果表明，當過魚對象為怒江裂腹魚、貢山裂腹魚、溫泉裸裂尻和裸腹葉須魚時，為保證95%的魚類在過魚設施內有趨流反應，過魚設施內部整體平均流速設計范圍為0.10～1.03 m/s，魚道豎縫處的流速應不超過1.11 m/s。

1.2.2? 魚道工作水位及工程布置

魚道上游工作水位為2 811.50～2 815.00 m，下游工作水位為2 761.02～2 766.80 m，最大水頭約54.00 m。魚道布置在大壩壩下右岸進口緊鄰生態機組廠房尾水口，進口底板高程為2 759.0 m，3個出魚口底板高程分別為2 809.5，2 811.25 m和2 813.0 m。魚道全長約2.97 km。魚道單個標準池室長度3.0 m，寬度2.5 m，豎縫寬度0.3 m，池室間落差Δh=0.06 m，魚道底坡為1∶50，高程每提升1.0 m設一個休息池，休息池無底坡，長度為5.0 m（圖1）。

1.3? 研究內容

建立數學模型，分析魚道底坡、池室結構和相關設計參數與池室水流條件的關系，得出推薦結構型式，并明確其細部尺寸。根據三維數值模擬確定魚道池室結構，開展魚道局部物理模型試驗，量測不同水深下魚道流量、池室流態、池室間水頭落差、流速等水力特性，結合魚類習性分析池室水流條件適宜性，推薦滿足魚類上溯要求的池室布置型式。

2? 數值計算

2.1? 數學模型建立

2.1.1? 控制方程

采用N-S方程，建立三維k-ε紊流數學模型。控制方程包括連續性方程、動量方程、紊動能k方程、紊動能耗散率ε方程。

（1） 連續性方程為

ρt+ρuixi=0（1）

式中：ρ為密度；

t為時間；

ui為i方向的時均流速分量；

xi為i方向的坐標分量。

（2） 動量方程為

ρuit+xjρuiuj=-pxi+

xjμ+μtuixj+ujxi-gi（2）

式中：p為壓力；

μ為黏性系數；

μt為紊動黏性系數；

gi為i方向的重力加速度分量。

（3） 紊動能k方程為

ρkt+ρuikxi=xiμ+μtσkkxi+G-ρε（3）

式中：k為紊動能；

ε為紊動能耗散率；

G為紊動能產生項；

σk為紊流常數，取值1.0。

（4） 紊動能耗散率ε方程為

ρεt+ρuiεxi=xiμ+μtσεεxi+Cε1εkG-Cε2ρε2k（4）

式中：各項紊流常數取值為Cμ=0.09，σε=1.3，Cε1=1.44，Cε2=1.92。

采用VOF方法處理自由水面，用流體容積分數αq（水相αw，氣相αa）描述水和氣自由表面的各種變化，水氣界面的跟蹤即通過求解該連續方程來完成，第q相流體輸運控制方程為

αqt+uiαqxi=0（5）

2.1.2? 計算方法及模型構建

采用控制體積法對方程組進行離散，采用SIMPLE算法耦合速度壓力。

模擬范圍取30倍過魚池室長，其中包括中間1個休息池室、休息池上游8個池室、休息池下游16個池室以及上下游進出口各設置5.0 m長的延長水平段，長度范圍91.0 m，模擬范圍及三維效果見圖2。構建1∶35，1∶40，1∶45，1∶50等4種池室底坡的三維數學模型，計算工況取魚道平均水深2.0 m。

2.1.3? 邊界條件

上游進口斷面采用相應模型進口池室水深對應的總壓力邊界條件；紊動能k和紊動能耗散率ε由經驗公式得出：k=0.003 75 u2，ε=Cμ3/4k3/2/l，其中紊流尺度l=0.07L（L為特征長度，單位為m）。下游出口邊界采用相應模型出口池室水深對應的壓力邊界條件；假定流動為充分發展，頂面大氣進口采用大氣壓力進口邊界條件；固壁邊界采用無滑移邊界條件，對黏性底層采用壁函數法處理。

2.2? 原方案數值模擬結果

2.2.1? 下泄流量

魚道水深2.0 m時，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案魚道下泄流量分別為0.53，0.56，0.60，0.64 m3/s，表明相同水深下，底坡越陡，魚道下泄流量越大。

2.2.2? 流場結構

圖3為魚道平均水深2.0 m時，4種底坡方案池室中層平剖面流線圖。計算結果表明：各底坡方案池室流場結構基本相同；池室表、中、底水深層流場結構基本相同，水流經豎縫以射流形式流入池室，主流斷面沿程略有擴散，在接近下游豎縫時斷面收縮；主流先向池室中部形成一定程度彎曲，后沿池室中部靠右側壁流向下一級豎縫；主流區水流較平順，流線較短。主流左右兩側回流區范圍相差較大，隔板之間的回流區明顯大于導板之間的回流區。

2.2.3? 流速分布

圖4為魚道平均水深2.0 m時，4種底坡方案過魚池室中層水深平剖面流速等值圖。沿程各池室表、中、底層流速分布規律基本相同。底坡越陡，豎縫處的流速越大，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案豎縫處流速分別為0.8～1.0，0.9～1.0，0.9～1.1，1.0～1.2 m/s。底坡越陡，池室沿程主流流速越大，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案沿程主流流速分別為0.5～0.9，0.6～0.9，0.6～1.0，0.7～1.0 m/s。左側壁大回流區和右側壁小回流區最大回流流速為0.3 m/s。

2.2.4? 紊動能分布

圖5為4種底坡方案魚道平均水深2.0 m時池室平剖面紊動能等值線圖。各池室表、中、底層紊動能總體分布規律基本相同；池室內紊動能分布規律與流速分布規律大體一致，1∶50，1∶45，1∶40，1∶35底坡方案豎縫處紊動能為0.06～0.16，0.06～0.1，0.08～0.20，0.12～0.24 m2/s2，池室內紊動能逐漸衰減，不同底坡方案中，魚道內最大紊動能不超過0.24 m2/s2。

2.2.5? 結果分析

在魚道底坡和水深相同情況下，池室表中底層流場結構、流速和紊動能分布規律基本相同，過魚池室內主流彎曲程度較小，在池室內主流左側的回流區比右側回流區大。主流偏轉程度太低，沒有完整利用全部池室空間進行消能。相同水深條件下，魚道底坡越陡，流量、豎縫處流速、主流流速與豎縫處紊動能越大。根據不同底坡方案的魚道流速結果可知，底坡1∶50，1∶45和1∶40時魚道池室內流速以及豎縫處流速均滿足要求；底坡為1∶35時，魚道池室內流速以及豎縫處流速超過設計范圍。

綜上，通過各底坡方案三維數值模擬結果的比較分析，魚道最適宜的坡度是1∶40，此底坡方案池室內水流特性滿足過魚對象上溯要求。

2.3? 優化方案數值模擬結果

2.3.1? 優化方案設計

針對本工程魚道原設計方案三維數值模擬結果，池室內主流偏轉程度太低、主隔板之間的回流區明顯大于導板之間的回流區、未充分利用完整池室消能的情況，需要對池室細部結構進行優化。本研究提出的優化方案，通過改變導板和隔板的長度，將豎縫位置向池室中間移動，導板長度由原設計方案的0.48 m增加至優化方案的0.70 m，其余結構尺寸保持不變，魚道優化方案布置見圖6。

2.3.2? 下泄流量

魚道水深2.0 m時，魚道優化方案1∶50，1∶40底坡下泄流量分別為0.53，0.60 m3/s，相同水深條件下，底坡越陡，魚道下泄流量越大。

2.3.3? 流場結構

圖7給出了底坡1∶50和底坡1∶40條件下，優化方案魚道平均水深2.0 m時池室水深層平剖面流線圖。各過魚池室表、中、底層流場結構基本相近；水流經豎縫出來后，主流向左側偏轉，在池室中部向右側偏轉流向下一級豎縫，主流區水流偏轉適中，呈現“S”形流線；在池室內主流區左右兩側回流區大小相當；優化方案池室流場結構優于原設計方案。

2.3.4? 流速分布

圖8給出了底坡1∶50和底坡1∶40條件下，優化方案魚道平均水深2.0 m時過魚池室表、中、底層平剖面流速等值圖。各池室表、中、底層總體流速分布規律基本相同；底坡1∶50方案豎縫處流速為0.8～1.0 m/s，主流流速為0.5～0.8 m/s；底坡 1∶40方案豎縫處流速為0.9～1.1 m/s，主流流速為0.6～0.9 m/s。相同底坡條件下，優化方案魚道豎縫處流速大小與原設計方案基本相同，但優化方案豎縫處大流速區域變小；魚道優化方案池室內最大流速衰減略快，優化方案消能比原設計方案略強，兩側回流區最大回流流速為0.3 m/s。

2.3.5? 紊動能分布

圖9給出了兩種底坡優化方案魚道平均水深2.0 m時池室平剖面紊動能等值線圖。各單元池室表、中、底層池室內紊動能總體分布規律基本相同，豎縫處紊動能最大；豎縫斷面紊動能為0.06～0.16 m2/s2，優化方案豎縫處紊動能比原設計方案略小。

2.3.6? 優化方案結果分析

優化方案魚道池室表、中、底層流場結構、流速和紊動能分布規律基本相同，過魚池室內主流彎曲程度比原設計方案大，池室內主流左側的回流區與右側回流區尺寸相當，說明豎縫位置改變了主流區在池室內的位置，進而影響回流區的分布。

相同底坡條件下，優化方案魚道豎縫處流速與原設計方案基本相同，但優化方案豎縫處大流速區域變小；魚道優化方案池室內最大流速衰減略快，優化方案消能比原設計方案略強。

綜上，1∶40底坡優化方案流場結構優于原設計方案，池室內水流流態更合理，且池室內流速和豎縫處流速、紊動能均滿足過魚對象上溯要求。

3? 物理模型試驗研究

3.1? 模型布置方案選擇

通過前期的池室三維數值計算結果可知，優化方案中底坡1∶40時，池室內水力學參數滿足設計及目標魚類上溯要求，可作為物理模型的研究對象。

3.2? 模型設計及制作

模型根據重力相似準則設計，選定幾何比尺為1∶5的正態局部模型。模型模擬范圍包括上游水庫、14個標準池室、1個標準休息室及下游水庫等，魚道邊墻采用水泥制作，魚道隔板采用有機玻璃制作，模型布置見圖10。

3.3? 測點布置

重點對池室進行流速測點布設，標準池室中布設9個斷面，每個斷面布設2～7個測點，共49個測點；此外在豎縫中心也布置了測點。

3.4? 試驗研究成果

3.4.1? 下泄流量

當魚道出口水深為1.5～2.5 m時，魚道下泄流量為0.44～0.73 m3/s，兩者基本呈線性關系。

3.4.2? 流? 態

試驗工況下，上游水庫水位平穩，無明顯波動。水流進入第一級豎縫隔板時，由正向進流調整為板側進流，水流在隔板前水位稍有壅高，并在豎縫處形成明顯的跌落，經豎縫調整后，順豎縫向左以45°角進入第一級池室。在進入池室后，由于慣性作用，主流繼續流向左側，沿程略有擴散，在到達池室中間斷面部位后，受下一級豎縫的影響，主流又逐漸流向右側，在水流進入到下一級豎縫前，已逐漸調整到正向進入豎縫。總體來看，池室內主流的形態呈“S”形，并在池室內的導板下游側墻邊、上寬隔板附近及下寬隔板附近等區域形成了較為明顯的弱回流或靜水區域，主流兩側回流或靜水區域尺寸相當，魚道池室流態見圖11。

從以上流態上看，該隔板布置型式下的池室水流較為順直，未見前一塊隔板孔口的急流直沖下一塊隔板的現象；未見主流從上一隔板過魚孔沖入第二塊隔板和槽壁的角隅、形成水流激烈翻滾的現象；也未見在孔口斷面上側出現橫向水流、孔口水流左右擺動的現象。

3.4.3? 流速分布

各工況下豎縫處流速約0.70～1.10 m/s。沿程池室水深2.5 m條件下，豎縫處表層最大流速約1.09 m/s，中、底層豎縫處流速略小，分別約為1.05 m/s和0.97 m/s；沿程池室水深2.0 m條件下，表層最大流速為1.10 m/s，中、底層流速分別為1.06 m/s和1.05 m/s；沿程池室水深1.5 m 條件下，表層流速為1.11 m/s，中、底層流速分別約為1.09 m/s和1.05 m/s。池室水深2.0 m時，魚道池室中層流速分布如圖12所示。

池室內除豎縫孔口部位表面流速較中底部流速略大外，其他部位不同水深層流速分布基本相同。池室主流流速為0.40～0.80 m/s，主流流速變化比較順暢，兩側邊墻及隔板下游附近回流區流速在0.30 m/s以下。

3.5? 模型試驗成果與數值模擬成果對比

對比物理模型試驗成果與數值模擬成果可得：① 兩者池室內流態相同；② 豎縫處流速基本一致，池室內主流流速相差不大。

4? 結? 論

本研究采用三維數值模擬技術，分析了堅縫式魚道不同底坡條件下池室流場結構、流速分布、紊動能等水力特性，并提出了調整導板和隔板長度后的優化方案，結合魚道局部池室1∶5水力學模型試驗，對優化方案的魚道池室的水力特性進行了驗證研究，結論如下。

（1） 通過各底坡方案三維數值模擬結果的比較分析，本工程魚道最適宜的坡度是1∶40，該底坡方案池室內水流特性滿足過魚對象上溯要求。

（2） 相同底坡條件下，優化方案魚道豎縫處流速與原設計方案基本相同，但優化方案豎縫處大流速區域變小；魚道優化方案池室內最大流速衰減略快，優化方案消能比原設計方案略強。

（3） 對比物理模型試驗成果與數值模擬成果，兩者池室內流態、豎縫處流速、池室內主流流速相差不大，說明數值計算的結果是可信的。

優化方案下，本工程優化方案魚道水流條件滿足要求，適合魚類上溯，成果可供類似工程參考。

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（編輯：張? 爽）

Research on hydraulic characteristics of vertical slot fishway pools of Xizang Zhala Hydropower Station

JIA Zhaowen1，HUANG Ziye2，WANG Meng3，LIU Zhixiong2

（1.Xizang Datang Zhala Hydropower Development Co.，Ltd.，Changdu 854000，China；

2.Institute of Hydraulics，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；

3.POWERCHINA Guiyang Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550081，China）

Abstract：

In order to further optimize the flow field structure of fishway tank of Xizang Zhala Hydropower Station，an optimization scheme was proposed to adjust the length of guide plate and partition plate. Combined with the 1∶5 hydraulic model test of the local fishway pools，the hydraulic characteristics of the fishway pools of the optimization scheme were verified. The research results showed that when the water depth of the pool was 1.5～2.5 m，the discharge of the fishway was 0.44～0.73 m3/s. The mainstream shape of the pool was similar to the letter "S"，and the size of the backflow or still water area on both sides of the mainstream was basically the same. The main flow velocity in the pool was 0.40～0.80 m/s，the maximum flow velocity at the vertical slot was about 1.10 m/s，and the flow velocity in the re-circulation zone of the pool was below 0.30 m/s. The research results could provide a reference for similar fishway engineering design and research.

Key words：

fishway； vertical slot； flow pattern； flow velocity； hydraulic characteristic； Zhala Hydropower Station