邁灣水利樞紐升魚機集魚槽進口位置選擇分析

胡永輝 廣州市增城區(qū)河湖庫管理所

何志亞 冷月華 云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計研究院

莫偉均 珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院

南渡江流域位于109°～110°E、18°～20°N之間，面積7033 km2，占海南島總面積的20.6%。流域范圍涉及?？?、定安、澄邁、屯昌、臨高、儋州、文昌、瓊中和白沙等市、縣，目前南渡江上已形成梯級開發(fā)之勢（圖1），主要有松濤水庫、邁灣水利樞紐、谷石灘電站、九龍灘電站、引水工程、龍?zhí)了l樞紐等工程，其中邁灣水利樞紐工程是目前南渡江唯一在建工程，工程規(guī)模為大（2）型，最大壩高為75m，按500年一遇設(shè)計，2000年一遇校核。2019年11月，生態(tài)環(huán)保部出具了《關(guān)于海南省南渡江邁灣水利樞紐工程環(huán)境影響報告書的批復(fù)》（環(huán)審【2019】142號），要求在邁灣樞紐建設(shè)升魚機過魚，并在下一階段開展過魚設(shè)施專項設(shè)計。

圖1 邁灣水利樞紐位置示意圖

升魚機作為過魚設(shè)施的一種型式，主要通過集魚槽將魚誘進集魚箱，再通過垂直升降的方法實現(xiàn)集魚箱的自動翻壩或車載翻壩，從而實現(xiàn)魚類上行，主要應(yīng)用于中高壩工程，具有占地空間小、建設(shè)費用低、適應(yīng)上游水位變幅及節(jié)省魚類過壩體能等優(yōu)點。我國過魚設(shè)施研究源于東南沿海低水頭閘壩過魚需求，因此適用于低水頭的魚道得到較多關(guān)注。另一方面，歐美等發(fā)達國家對升魚機的起步較早，且水能開發(fā)已基本結(jié)束，進一步減少了國內(nèi)升魚機的效仿應(yīng)用。根據(jù)國外學(xué)者的相關(guān)研究，過魚效果分為過魚效能和過魚效率，過魚效率=min[進口效率，通道效率]，結(jié)合洄游的方向性可知進口效率是決定過魚效率的決定因素。因此無論是升魚機還是魚道，對進口的研究是近期關(guān)注的熱點，主要集中在進口水動力適宜性分析以及基于聲、光、電、氣泡幕等輔助誘魚方案。其中，三峽大學(xué)研究團隊認為水流、聲、光、氣泡幕誘魚技術(shù)在定向?qū)~中均發(fā)揮著重要作用，特別是水流誘魚是一種行之有效的誘魚措施，而聲、光、氣泡幕等誘魚技術(shù)在野外布置較困難，實際效果有待進一步驗證。因此，利用魚類的趨流天性仍然是目前過魚設(shè)施進口布置遵循的主要原理，流場的適宜性仍然是進口位置選擇的重要依據(jù)。

邁灣水利樞紐是國內(nèi)為數(shù)不多的采用升魚機的工程案例，基于其過魚原理，無法像魚道一樣設(shè)計多進口，因此集魚槽的有限進口位置選擇尤為重要，直接決定升魚機的過魚效果。白瀨水利樞紐工程升魚機設(shè)計中考慮了進口位置的流場問題，但并未從電站的運行工況和水工結(jié)構(gòu)上進行系統(tǒng)分析，本文將結(jié)合上述相關(guān)因素開展研究，通過MIK E21水動力學(xué)計算模塊，提出一種適用于不同機組運行下的升魚機集魚槽進口布置方案，有效解決南渡江洄游魚類受阻問題。

1.邁灣水利樞紐升魚機工程

1.1 主要過魚對象

根據(jù)邁灣庫區(qū)及下游谷石灘庫區(qū)江段魚類資源以及其生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特點，主要過魚對象為花鰻鱺、日本鰻鱺、七絲鱭、鰱、鳙、草魚以及鲌亞科和鮈亞科魚類，其它珍稀特有魚類和經(jīng)濟魚類作為兼顧過魚種類。

1.2 主要過魚季節(jié)及設(shè)計運行水位

根據(jù)過魚種類的洄游特征，結(jié)合下游攔河閘壩過魚設(shè)施運行季節(jié)，過魚設(shè)施運行時間暫定為4至8月。期間，壩下最低運行水位為54.37m，最高運行水位56.29m。

1.3 升魚機初步設(shè)計方案

圖2 邁灣水利樞紐升魚機與樞紐布置關(guān)系示意圖

邁灣樞紐升魚機包括集魚系統(tǒng)、運魚系統(tǒng)、放魚系統(tǒng)及集控系統(tǒng)。集魚系統(tǒng)擬布置在發(fā)電廠房尾水區(qū)（集魚槽進口有A、B、C、D四個備選點），利用廠房發(fā)電尾水的流場將魚類誘至集魚槽中，通過集魚斗將魚類從尾水渠52.0m高程提升至進廠道路78.50m高程，AGV運輸車沿著廠區(qū)道路將魚運輸至18#重力擋水壩段豎井魚梯內(nèi)，魚梯將魚類垂直提升至壩頂113.00m高程，AGV運輸車再沿著壩頂路和113.0m高程馬道將魚運輸至魚類投放點放養(yǎng)。

1.4 電站尾水區(qū)主要參數(shù)

邁灣樞紐引水發(fā)電系統(tǒng)共布置兩個進水口，1#進水口和2#進水口分別布置在右岸14#和15#重力壩段上，兩壩段長度均為20.0m，壩頂高程113.00m。大機組獨立使用1#進水口，采用單機單管引水方式；兩臺小機組及生態(tài)旁通管共用2#進水口，采用一管兩機引水方式。大機組額定引用流量79.10m3/s，小機組額定引用流量17.20m3/s，生態(tài)泄放流量6～8月25.9 m3/s；9～10月20.5 m3/s；其他月份10.3 m3/s。廠房大機組尾水管出口底高程為44.12m，小機組尾水出口底高程48.95m，兩者均以1:3的反坡連接至52.0 m高程尾水渠，尾水渠順河勢布置，以緩坡與原河床銜接。電站在過魚季節(jié)的運行情況如表1所示。

表1 過魚季節(jié)電站運行情況

1.5 工程建設(shè)難點分析

根據(jù)魚類的洄游習(xí)性與樞紐水工建筑物的結(jié)合程度擬設(shè)有4個進口位置（ABCD），各有優(yōu)缺點（表2），如何在過魚季節(jié)實現(xiàn)最大效率的過魚，以流場的適宜性論證升魚機集魚槽進口位置合理性是本項目的主要難點。因此，本項目選定升魚機集魚槽進口位置的原則為：選定進口位置附近流場在過魚季節(jié)時段，不同機組運行工況下能最大程度地滿足過魚需求。

表2 邁灣升魚機集魚槽進口位置方案比較

2.模型構(gòu)建

項目采用MIKE21 水動力模型對升魚機建設(shè)前尾水區(qū)域的流場情況進行模擬，探索升魚機集魚槽進口最佳位置。MIKE21 水動力模型是基于三向不可壓縮和Rey nolds平均的Navier-tokes 方程，并服從Boussinesq 假定和靜水壓力假定。

2.1 控制方程

連續(xù)方程：

X方向動量方程：

Y方向動量方程：

式中t表示時間；u，v分別為x，y方向的垂向平均速度；z為水位，即水面到某一基面距離；h為總水深，即床面到水面的距離；f為科氏系數(shù)(f=2ωsinφ，ω是地球自轉(zhuǎn)的角速度，φ是所在地區(qū)的緯度)；g為重力加速度；n為糙率；μH為紊動擴散系數(shù)。

2.2 模型范圍與網(wǎng)格劃分

如圖3所示，計算區(qū)域上邊界取至電站尾水出口，下邊界取至壩軸線下游約300m，左邊界為電站下游63m高程馬道及等高線，右邊界取至灌溉引水渠處及65m高程等高線。模型范圍內(nèi)包括電站尾水護坦（高程52m）和泄水閘護（高程46.55m）坦以及河道自然地形區(qū)域。采用三角形網(wǎng)格，通過自然臨近法插值得到河道地形，模型最大網(wǎng)格單元4m2，網(wǎng)格總數(shù)14102個，節(jié)點數(shù)7333個。

圖3 數(shù)學(xué)模型計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件和計算工況

本次模型計算中，在尾水出口處設(shè)置3個流量開邊界，分別對應(yīng)3臺發(fā)電機組，左側(cè)大機組發(fā)電流量78.68m3/s，兩臺小機組發(fā)電流量均為17.20m3/s。下游設(shè)置為水位開邊界，根據(jù)計算提供壩址水位流量關(guān)系，結(jié)合南渡江工程河段河道平均坡降1.3‰，推求模型下游邊界水位=壩址水位-300×0.13‰。兩岸設(shè)置為陸域閉邊界，當某機組不運行時，對應(yīng)的流量邊界設(shè)置成陸域閉邊界，曼寧系數(shù)采用默認32m1/3/s。本次模型計算工況如表3所示。

表3 模型計算工況

3.結(jié)果與分析

3.1 流場特征分析

由于機組運行的不同，下泄水流在流速流向上差別較大，呈現(xiàn)不同特點：工況1，1#機組發(fā)電時，最大流速約0.78 m/s，主流靠右岸52m坡腳線下泄；工況2，2#機組發(fā)電時，最大流速約0.65 m/s，主流靠主流靠右岸52m坡腳線下泄，但相比工況1，離右岸52m坡腳線稍遠，此時B進口位于弱回流區(qū)；工況3，1#機組發(fā)電時，最大流速約1.57 m/s，主流靠隔墻一側(cè)下泄，A進口位于回流區(qū)；工況4，1#+3#機組發(fā)電時，最大流速約1.52 m/s，主流靠隔墻一側(cè)下泄，相比工況3，更靠近右岸52m坡腳線，A和B進口均位于回流區(qū)；工況5，2#+3#機組發(fā)電時，最大流速約0.70m/s，主流寬度較廣，幾乎覆蓋整個電站尾水渠，主流右側(cè)離右岸52m坡腳線較近，B進口位于回流區(qū)；工況6，1#+2#+3#機組均發(fā)電時，最大流速約1.43m/s，主流覆蓋整個電站尾水渠寬度，但高速主流區(qū)仍考隔墻一側(cè)，A進口位于回流區(qū)，B進口亦位于小范圍回流區(qū)；各進口處的水力特征參數(shù)如表4所示。

3.2 外緣線分析

根據(jù)魚類行為習(xí)性，魚類一般迎主流上溯，進魚口若布置在主流兩側(cè)可增大魚類進入集魚槽的概率。以流速等于0.2m/s等值線作為主流外緣線，通過進一步分析各工況下主流右側(cè)外緣線特點，如圖4所示工況1時，C和D進口靠近主流，誘魚較為有利；工況2時，B和D進口靠近主流，誘魚較為有利；工況3時，A、B、D進口靠近主流，誘魚較為有利；工況4時，A、B、C、D進口均靠近主流，滿足誘魚需求；工況5時，B、C、D進口靠近主流，誘魚有利；工況6時，A、B、C、D進口均靠近主流，滿足誘魚需求。因此計算區(qū)域中存在各主流右側(cè)外緣線交匯的水域，該水域離電站尾水出口約108m，位于右岸人工開挖邊坡末端，52m坡腳線上，即D位置區(qū)域。過魚季節(jié)電站不同組合運行時，主流均經(jīng)過D進口或靠近D進口，具有較好的誘魚條件。

圖4 不同機組運行方式下尾水區(qū)流場分布

4.討論

4.1 升魚機集魚槽進口最佳位置分析

邁灣水利樞紐升魚機工程初步設(shè)計方案中設(shè)計了A、B、C、D4個集魚槽進口備選點，前期分析可知，基于升魚機運輸系統(tǒng)與生物習(xí)性喜好兩大因素，4個進口位置各具優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為均能滿足某一工況機組運行下的誘魚需求，其中D點優(yōu)勢僅為升魚機除結(jié)構(gòu)設(shè)計便利。過魚季節(jié)內(nèi)，升魚機的過魚效果受電站運行的影響較大，主要表現(xiàn)為流場分布的差異，由于過魚季節(jié)相對短暫，為保證過魚設(shè)施的良好過魚效果，過魚時段內(nèi)過魚設(shè)施發(fā)揮效能最大化、最優(yōu)化是目前環(huán)評提出的高質(zhì)量要求。

圖5 各工況下尾水主流右岸外緣線示意圖

根據(jù)流場分析及設(shè)計提供的過魚季節(jié)電站機組運行情況，3#機組參與運行下對A進口誘魚較為有利，有效運行率為21.6%；2#或3#機組參與運行下對B進口誘魚較為有利，有效運行率為96.7%；1#機組參與運行下對C進口誘魚較為有利，有效運行率為89.5%；D進口在各機組運行下均位于主流一側(cè)，有效運行效果為100%。因此，根據(jù)邁灣升魚機集魚槽進口的選定原則，B、C和D進口是較為理想的集魚槽進口位置。B進口位于尾水平臺，常處于某些機組運行工況下的回流區(qū)，水流條件較為紊流。進口位于表層水體，而過魚對象中有鰻鱺等較多中下層水體習(xí)性魚類，無法滿足其過魚需求，且B進口集魚槽需與電站尾水處的水工建筑物融合，增加了建設(shè)難度；C進口在3#大機組運行時也處于回流區(qū)。綜上考慮，結(jié)合工程實際，認為D進口是邁灣升魚機集魚槽的最佳位置。

4.2 邁灣升魚機集魚槽進口最佳位置誘魚效果分析

上述分析可知，邁灣升魚機集魚槽進口位置布置在D點，具有可兼顧電站不同運行工況的流場適宜性和升魚機運輸結(jié)構(gòu)設(shè)計上的優(yōu)勢，但根據(jù)魚類的洄游習(xí)性，D點并非魚類上溯的最遠點，需配合攔魚電柵的使用，方可有效引導(dǎo)魚類進入升魚機，電柵的一端連接在集魚槽進口上游1m處，另一端靠近下游，與主流方向呈45°夾角，長約30m。大量研究表明，集魚槽進口流速大于魚類的感應(yīng)流速時，方可對魚類形成吸引流，大部分魚類的感應(yīng)流速在0.2m/s左右，因此邁灣升魚機集魚槽的出口流速應(yīng)大于主要過魚對象的感應(yīng)流速。另一方面，區(qū)別流的形成也是魚類能夠準確找到進口的關(guān)鍵，區(qū)別流是指進口流域與尾水主流存在明顯區(qū)別，易于魚類識別的水流。本工程中，D進口處在6 種電站運行工況下的尾水主流斷面最大流速分別為0.41m/s、0.32m/s、1.12m/s、1.15m/s、0.40m/s和1.20m/s，分析認為當主流斷面流速為0.40 m/s左右，為形成區(qū)別流，集魚槽進口流速需增至0.7m/s；當主流斷面流速接近1.20 m/s，達到多數(shù)魚類的極限游游泳能力，0.7m/s的集魚槽進口流速亦能為魚類提供一個相對低速休息區(qū)，引導(dǎo)魚類進入，為使集魚槽進口流速達到0.7m/s，需設(shè)置相應(yīng)的補水系統(tǒng)。D進口處的水深位于2.16～4.09m，基本滿足過魚水位需求?；谏鲜隽魉僭O(shè)計，配合攔魚電柵的使用，邁灣升魚機集魚槽D進口能夠達到一個較為理想的誘魚效果。

5.結(jié)論

a通過二維水動力數(shù)值模擬，基于“選定進口位置附近流場在過魚季節(jié)時段，不同機組運行工況下能最大程度地滿足過魚需求”原則，認為D進口為邁灣升魚機集魚槽最佳進口位置，位于右岸小機組尾水下游約95m彎段處，緊靠右岸52m坡腳線。

b 電站不同運行工況下主流均經(jīng)過集魚槽進口附近，水深為2.16～4.09m，滿足過魚水位需求。為達到較為理想的誘魚效果，需設(shè)置攔魚柵誘導(dǎo)魚類上溯至集魚槽進口附近，最后通過定量補水使進口流速達到0.7m/s，形成區(qū)別流，進一步誘導(dǎo)魚類進入集魚槽。