關(guān)門嘴子水庫(kù)魚道進(jìn)口河段水力特性數(shù)值模擬研究

劉發(fā)智，韓 雷，田振華，狄高健

(黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

為了滿足人們對(duì)水資源日益增長(zhǎng)的需求，人們興建了大量的水利水電工程，這些工程帶來(lái)防洪、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉等經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也阻隔了連通的河道，影響了河流生態(tài)環(huán)境的整體連續(xù)性，從而阻隔了魚類的洄游通道，改變了魚類的棲息環(huán)境，對(duì)魚類的生存繁殖造成不利影響[1]。為了保護(hù)魚類資源，恢復(fù)河流生物多樣性，減輕水利工程對(duì)阻隔魚類洄游通道的影響，過魚設(shè)施開始應(yīng)用于越來(lái)越多的水利工程中。魚道便是其中最常見的過魚設(shè)施，其中豎縫式魚道因適用于較大水位差及不同喜好水深的魚類等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的魚道布置型式之一[2-3]。豎縫式魚道一般由魚道進(jìn)口、過魚池、魚道出口等組成，其中魚道進(jìn)口是魚類上溯的第一步，必須使洄游魚類可以盡可能發(fā)現(xiàn)魚道進(jìn)口，魚道進(jìn)口位置的選擇十分重要，甚至可成為影響過魚設(shè)施運(yùn)行成敗的關(guān)鍵[4-6]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)豎縫式魚道已開展了大量研究，并取得了一定的研究成果。董志勇等[7]通過物理模型試驗(yàn)對(duì)同側(cè)豎縫式魚道的流速分布、斷面最大流速沿程衰減及同水深不同流量的流速分布等水力特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究；邊永歡等[8]通過數(shù)值模擬方法對(duì)豎縫式魚道細(xì)部結(jié)構(gòu)開展了優(yōu)化研究，并提出了不同結(jié)構(gòu)的取值范圍；包莉等[9]對(duì)豎縫式魚道的圓弧形和矩形兩種不同結(jié)構(gòu)型式的彎道處流速進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并進(jìn)行物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。但是這些研究多是對(duì)魚道池室結(jié)構(gòu)及水力特性的研究，而對(duì)選取魚道進(jìn)口位置的研究較少。本文以關(guān)門嘴子水庫(kù)魚道為例，采用二維數(shù)值仿真模型，根據(jù)水利樞紐的運(yùn)行情況，對(duì)攔河壩下游河道水流條件進(jìn)行模擬研究，分析魚道進(jìn)口附近流速分布情況，為本工程魚道進(jìn)口的布置提供依據(jù)。

1 工程概況

關(guān)門嘴子水庫(kù)位于黑龍江省三江平原，鶴崗市東北部梧桐河上游，北距鶴崗市30.00 km處，是一座以城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐。水庫(kù)正常蓄水位為146.50 m，死水位為132.50 m，總庫(kù)容為4.03×108m3。樞紐主要建筑物包括攔河壩、溢流壩、壩后式廠房等。關(guān)門嘴子水庫(kù)樞紐建成后，攔河壩將會(huì)阻隔梧桐河洄游魚類的洄游通道，影響魚類的生存繁殖，因此本工程擬修建豎縫式魚道作為主要洄游魚類的保護(hù)措施。魚道布置在右岸，全長(zhǎng)1563.00 m，主要建筑物有魚道進(jìn)口、過魚池、魚道出口等，其中魚道進(jìn)口初步布置在尾水渠下游。根據(jù)對(duì)魚類的調(diào)查，梧桐河主要洄游魚類有以細(xì)鱗魚、哲羅魚、江鱈等為代表的珍貴冷水性魚，以鰱、鳙、鯉、銀鯽等為代表的溫水性魚。工程主要過魚季節(jié)在4—7月份，在該季節(jié)水庫(kù)上游水位在正常蓄水位146.50 m 與水位143.50 m之間變化，而壩下河道水位一般維持在 119.30～120.10 m 之間。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

采用二維數(shù)值仿真模型，建立沿水深平均的平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。模型沿水深平均的二維水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)基本方程是將三維水流運(yùn)動(dòng)基本方程沿水深進(jìn)行積分，同時(shí)取平均?；痉匠贪ㄙ|(zhì)量守恒方程和X、Y方向的動(dòng)量守恒方程。

水流連續(xù)方程：

(1)

沿X方向動(dòng)量方程：

(2)

沿Y方向動(dòng)量方程：

(3)

模型控制方程的數(shù)值解通過流體力學(xué)的有限單元法來(lái)計(jì)算，其基本求解過程為：首先將控制方程分別在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散，采用有限單元法進(jìn)行空間離散，采用差分法進(jìn)行時(shí)間離散；然后通過加權(quán)余量的Galerkin有限元方法把淺水方程離散成非線性代數(shù)方程，整個(gè)求解過程全部采用隱式格式。

2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域包括關(guān)門嘴子水庫(kù)樞紐電站尾水渠和攔河壩下游河道，模型出口位于攔河壩下游約600.00 m處。模型采用三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分采用漸變方式，在模型進(jìn)、出口附近網(wǎng)格尺寸為2.50 m，網(wǎng)格數(shù)為3660個(gè)。計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 關(guān)門嘴子樞紐下游河道數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

模型上游進(jìn)口和下游出口分別采用流量邊界和水位邊界。陸地采用干濕法作動(dòng)邊界處理，以保證模型計(jì)算的連續(xù)性，其中當(dāng)計(jì)算區(qū)域作為“濕”，此時(shí)計(jì)算區(qū)域水深大于0.20 m，重新參加計(jì)算；當(dāng)計(jì)算區(qū)域作為“干”，此時(shí)計(jì)算區(qū)域水深小于0.10 m，不參加計(jì)算。通過查閱關(guān)門嘴子水庫(kù)所處梧桐河河段相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合植被條件、床面形態(tài)等因素，河段內(nèi)糙率取用 0.025。

2.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型的可靠性，選取了有物理模型資料、且同屬于彎曲河道上的某航電樞紐進(jìn)行驗(yàn)證。利用建立的二維數(shù)值仿真模型，分別對(duì)該航電樞紐兩個(gè)流量級(jí)下樞紐附近流場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)學(xué)模型和物理模型計(jì)算所得的驗(yàn)證斷面速度分布見圖2。由計(jì)算結(jié)果可知，二者流速分布基本一致，說(shuō)明數(shù)學(xué)模型參數(shù)選擇正確，網(wǎng)格劃分合理，控制方程的離散方法可行，計(jì)算程序可靠，數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本反映了原型水流的運(yùn)動(dòng)情況。

2.5 計(jì)算工況

根據(jù)樞紐的運(yùn)行條件，選取5組工況，對(duì)攔河壩下游河道及魚道進(jìn)口附近的流場(chǎng)情況進(jìn)行分析。包含了魚道的進(jìn)口最低運(yùn)行水位工況、進(jìn)口最高運(yùn)行水位工況和不同數(shù)量電站機(jī)組運(yùn)行工況。計(jì)算工況如表1所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域中心流速對(duì)比圖

表1 進(jìn)口水流條件研究工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

魚類在洄游上溯時(shí)，一般是逆著水流向上游。魚類在一定的時(shí)間能夠克服某種水流的流速大小作為魚類的克流能力。感應(yīng)流速、喜愛流速與極限流速是魚道設(shè)計(jì)中反應(yīng)魚類游泳行為的三種克流流速。魚開始感應(yīng)并趨流前進(jìn)時(shí)的水流流速為感應(yīng)流速；魚類會(huì)無(wú)法逾越而退卻時(shí)的水流流速為極限流速。魚道進(jìn)口的水流條件直接關(guān)系到魚類能否順利找到魚道，魚道進(jìn)口附近最好有持續(xù)水流下泄，同時(shí)應(yīng)避開高紊動(dòng)區(qū)、高流速區(qū)?！端姽こ挑~道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[10]中規(guī)定：魚道的設(shè)計(jì)流速不應(yīng)小于魚類的感應(yīng)流速，同時(shí)不應(yīng)大于主要過魚對(duì)象的極限流速。根據(jù)梧桐河流域水生生物資源調(diào)查報(bào)告，以及國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)和觀測(cè)資料，哲羅魚的極限流速一般為1.45～1.63 m/s，細(xì)鱗魚的極限流速一般為1.00～1.50 m/s，鰱、鳙等溫水性魚的極限流速一般為0.60～1.20 m/s；哲羅魚的感應(yīng)流速一般為0.07～0.13 m/s，細(xì)鱗魚的感應(yīng)流速一般為0.04～0.14 m/s，鰱、鳙等溫水性魚的感應(yīng)流速一般為0.20 m/s左右。綜合各因素，本項(xiàng)目中保護(hù)魚類的極限流速定為1.20 m/s，感應(yīng)流速定為0.20 m/s，因此魚道的進(jìn)口附近流速必須在0.20～1.20 m/s范圍內(nèi)。當(dāng)魚道的進(jìn)口附近流速在魚類的喜愛流速0.30～0.50 m/s時(shí)，魚類更容易找到進(jìn)魚口。

3.1 Y-1工況

Y-1工況，水庫(kù)下泄3.51 m3/s環(huán)境流量，下游水位119.30 m最低運(yùn)行水位工況時(shí)，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖3、圖4)得出，魚道進(jìn)口附近水流速度約為0.20 m/s左右，且水流平順，無(wú)回流等不良流態(tài)，滿足魚類上溯要求。同時(shí)魚道進(jìn)口附近河道相對(duì)于主河道略有縮窄，該處流速大于主河道各處流速，魚類可較快發(fā)覺魚道進(jìn)口。

圖3 Y-1工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)等值線圖

圖4 Y-1工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)矢量圖

3.2 Y-2工況

Y-2工況，1臺(tái)機(jī)組額定功率以下運(yùn)行發(fā)電，泄水10.16 m3/s，下游水位119.50 m時(shí)，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖5、圖6)得出，下游河道流速在0～0.90 m/s之間；魚道進(jìn)口處水流平順，無(wú)回流等不良流態(tài)，魚道進(jìn)口附近流速在0.90 m/s左右，小于1.20 m/s的保護(hù)魚類的極限流速且大于主河道其他位置的流速，同時(shí)大于0.20 m/s的保護(hù)魚類的感應(yīng)流速，有利于魚類找到魚道進(jìn)口。

3.3 Y-3工況

Y-3工況，1臺(tái)機(jī)組發(fā)電，泄水20.31 m3/s，下游水位119.70 m時(shí)，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖7、圖8)得出，下游河道流速在0～0.80 m/s之間；魚道進(jìn)口水流平順，無(wú)回流等不良流態(tài)，魚道進(jìn)口附近流速在0.80 m/s 左右，小于1.20 m/s的保護(hù)魚類的極限流速且大于主河道其他位置的流速，同時(shí)大于0.20 m/s的保護(hù)魚類的感應(yīng)流速，滿足魚類上溯要求。

3.4 Y-4工況

Y-4工況，2臺(tái)機(jī)組發(fā)電，泄水40.62 m3/s，下游水位120.00 m時(shí)，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖9、圖10)得出，下游河道流速在0～0.80 m/s之間；魚道進(jìn)口水流平順，無(wú)回流等不良流態(tài)，魚道進(jìn)口附近流速在0.60～0.80 m/s左右，小于1.20 m/s的保護(hù)魚類的極限流速，同時(shí)大于0.20 m/s的保護(hù)魚類的感應(yīng)流速。在本工況下，魚類能夠找到進(jìn)魚口從而順利進(jìn)入魚道內(nèi)部。

3.5 Y-5工況

Y-5工況，水庫(kù)下泄流量63.70 m3/s，下游水位120.13 m的魚道進(jìn)口最高運(yùn)行水位工況時(shí)，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖11、圖12)得出，下游河道流速在0.10～1.00 m/s之間；魚道進(jìn)口附近水流流速在0.80～1.00 m/s左右，小于保護(hù)魚類的極限流速1.20 m/s，同時(shí)大于保護(hù)魚類的感應(yīng)流速0.20 m/s，并且水流平順，無(wú)回流等不良流態(tài)，因此在本工況下，魚類能夠找到進(jìn)魚口從而順利進(jìn)入魚道內(nèi)部。

圖5 Y-2工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)等值線圖

圖6 Y-2工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)矢量圖

圖7 Y-3工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)等值線圖

圖8 Y-3工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)矢量圖

圖9 Y-4工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)等值線圖

圖10 Y-4工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)矢量圖

圖11 Y-5工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)等值線圖

圖12 Y-5工況魚道進(jìn)口及下游河道流場(chǎng)矢量圖

4 結(jié) 論

本文通過建立關(guān)門嘴子水庫(kù)下游河道二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，研究模擬了不同運(yùn)行工況下魚道進(jìn)口附近的水流條件，對(duì)魚道進(jìn)口布置的合理性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：在樞紐各運(yùn)行工況下，魚道進(jìn)水口附近水流平順，無(wú)回流等不良流態(tài)水流條件，水流流速均大于保護(hù)魚類的感應(yīng)流速0.20 m/s，小于保護(hù)魚類的極限流速1.20 m/s，從水力學(xué)角度能滿足魚類洄游要求。原方案擬定的魚道進(jìn)口位置較為合理。