金沙水电站鱼道水力特性数值模拟

黎贤访

(长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010)

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，工程任务以发电为主，兼有供水、改善城市水域景观及对下游水电站的反调节作用等。拦河筑坝势必阻断鱼类在金沙江的洄游通道，造成鱼类生存环境破碎，需在枢纽中布置鱼道等过鱼设施。

鱼道利用鱼类喜迎逆流的生物学特性，使用多级隔板阻流在通道形成适宜的流速区，以诱导鱼类上溯。鱼道过鱼的水流条件涉及水深、宽度、流速、流态、泥沙含量、水质等诸多因素，其中水力特性以考察流速分布和流场形态为主。20世纪80年代，Rajaratnam等［1-2］通过试验研究了竖缝式鱼道水池长宽比、水池底坡坡度与水流流态的关系。法国的Larinier等［3］提出了鱼道水池单位体积消能率的概念，以表征鱼道中水流的紊动强度。目前，国内外学者基于CFD数学模型针对鱼道水力特性的研究逐渐丰富［4-5］，为合理布置鱼道提供了有益的启示。

结合国内外鱼道水力学研究成果［6-8］，以金沙水电站鱼道初步设计型式为原型建立CFD数学模型［9］，模拟鱼道水流的流场形态及流速分布，分析鱼道布置型式的合理性。

1 过鱼对象

根据文献资料，金沙江中游干支流分布有鱼类149种，特有鱼类52种。金沙水电站主要过鱼对象有胭脂鱼、圆口铜鱼、长薄鳅、长鳍吻鮈、岩原鲤、鲈鲤、四川白甲鱼等。针对上述鱼类的游泳能力进行室内试验，结果如表1所示。

鱼道的设计流速主要根据主要过鱼对象的克流能力而定，金沙江中下游主要鱼类的初步克流能力试验成果表明，鱼类上溯的临界流速约1.5 m/s。参考上述试验结果，金沙水电站鱼道的设计流速取1.1 m/s。

2 过鱼池型式

根据枢纽的调度方案，设计鱼道运行水深在1.5～3.0 m之间。鱼道断面为矩形，为兼顾表层、中层和底层鱼类上溯，采用同侧竖缝式隔板;过鱼池底板为斜坡，坡比 i=1∶58;鱼道净宽B取3.0 m。鱼道隔板等间距分布;鱼道池室长度(亦即隔板间距)按l=(1.2～1.5)B计算，取3.6 m;竖缝导向角为45°。初步设计得出的鱼道隔板型式及尺寸如图1所示。

表1 临界速度测试样本及测试结果

图1 隔板型式及尺寸(单位:mm)

垂直竖缝式鱼道的流量按式(1)作近似计算［4］。计算得出，鱼道的流量在0.430～0.993m3/s之间。

式中，Q为鱼道流量，m3/s;μ为 垂直竖缝的流量系数，取值范围0.65～0.85;b为竖缝宽度，m;H1为竖缝上游的池室水深，m。

鱼道水流的湍流强度过大，对鱼类的上溯游动产生不利影响。为确保水池中的低湍流度流动，水池的大小满足容积功率耗散E＜150 W/m2。鱼道池室的容积功率耗散的计算公式［4］为

式中，E为容积功率耗散，W/m2;ρ为水的密度，kg/m3;B为过鱼池宽度，m;hm为水池中的平均水深，m;lb为过鱼池长度，m;d为隔板厚度，m。按式(2)计算得出鱼道池室的容积功率耗散约为21.76W/m2，紊动不剧烈，适合鱼类上溯。

3 CFD数值模拟

3.1 数学模型

3.1.1 控制方程组

基于RNG k-ε湍流方程［5］建立鱼道连续池室的数学模型，控制方程组如下:

动量方程:

式中，ui、uj为流体微元的速度分量;P为流体的压强;ν为流体的运动黏度;k为紊动动能;ε为紊动耗散率;μeff为等效紊动粘度;Gk为平均速度梯度引起紊动动能k的源项;Gb为浮力引起紊动动能k的源项;YM为可压缩紊流中脉动扩张对整体紊动耗散率的贡献;C1ε、C2ε、C3ε为经验常数;σk、σε分别表示与k、ε对应的prandtl数;Sk、Sε为自定义源项;Rε为增项。

3.1.2 计算网格、边界条件及数值方法

方程的离散采用四面体网格的有限体积法，并在竖缝周边区域进行局部加密处理，如图2所示。

图2 计算网格

模型上游、下游边界分别采用鱼道设计流量和设计水深;过鱼池上部出口的运动流体为空气，采用恒定压力边界条件p=0;池室边壁采用无滑移壁面条件。过鱼池自由水面模拟使用VOF法［8］。压力计算采用PRESTO格式插值，动量、体积分数等均采用一阶迎风格式插值，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法。模型数值计算的时间步长取0.1 s，计算历时延长至流量、水位计算结果基本恒定。

3.2 结果分析

取鱼道最大设计水深Hmax=3.0 m和最小设计水深Hmin=1.5 m两组工况开展数值模拟。对计算结果截取平行于鱼道底面的斜截面作分析，斜截面相对池底的高度与设计水深之比h/H分别为0.2、0.5、0.8。斜截面流速等值线如图3所示。

根据模拟结果，过鱼池水流呈现如下特征:①相邻过鱼池的流速分布相似，竖缝泄流沿疏缝导向前进，两侧形成比较明显的回流区;②相邻竖缝泄流的主流区域首尾相连，形成了明显“S”形的主流速区;③上、中、下层截面的流速分布形态基本相同;④池室水深1.5 m相对池室水深3.0 m，流速分布形态相似，竖缝流速较大。

沿竖缝垂向中心线的流速分布见图4，可知，流速大小随水深增加逐渐增大;H=1.5 m时，竖缝流速为0.81～1.40 m/s;H=3.0 m时，竖缝流速为0.73 ～1.08 m/s。

计算结果表明:①竖缝流速未超过1.5 m/s，鱼类可以克流上溯;②竖缝流速呈“表层小，底层大”的渐增型分布，适合不同游泳能力的鱼类分层通过;③竖缝间水流形成连贯的主流区，可以诱导鱼类连续上溯;④水深较小时，竖缝流速相对较大，不利于游泳能力较弱的鱼类上溯。

图3 流速等值线

4 结论

基于金沙水电站水情及鱼类资料，对金沙水电站鱼道开展了水力学设计，并建立CFD数学模型对鱼道水流作数值模拟和分析。根据计算结果，鱼道竖缝的最大流速低于鱼类的极限流速，过鱼池段形成了适宜不同游泳能力的鱼类上溯的连贯通道。研究表明，金沙水电站鱼道的初步设计型式和尺寸较合理，满足鱼类上溯的水力学要求;鱼道在幼鱼上溯期间，宜增大池室的水深。

图4 沿竖缝垂向中心线流速分布

［1］RAJARATNAM N，Van der VINNE G，KATOPODIS C.Hydraulics of Vertical Slot Fishways［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1986，112(10):909－927.

［2］RAJARATNAM N，KATOPODIS C，SOLANKI S.New designs for vertical slot fishway［J］.Journal of Civil Engineering，1992(19):402－414.

［3］LARINIER M，TRAVADE F，PORCHER J P.Fishways:biological basis，design criteria and monitoring［M］.Food and Agriculture Organization of the United Nations，2002:54－57.

［4］徐体兵，孙双科.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟［J］.水利学报，2009，40(11):1386－1391.

［5］曹庆磊，杨文俊，陈辉.同侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟［J］.长江科学院院报，2010，27(7):26－30.

［6］SL 609—2013 水利水电工程鱼道设计导则［S］.

［7］德国水资源与陆地改良学会.鱼道——设计、尺寸及监测［M］.北京:中国农业出版社，2009.

［8］徐海洋，魏浪，赵再兴，等.大渡河枕头坝一级水电站鱼道设计研究［J］.水力发电，2013，39(10):5－7.

［9］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［10］郭坚，苪建良.以洋塘水闸鱼道为例浅议我国鱼道的有关问题［J］.水力发电，2010，36(4):8－10，19.