新疆錾高水电站鱼道水力特性研究

杨 盼，王继保，吴 欢，向晨光，宋基权，夏 伟，陈艳超

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443000)

竖缝式鱼道作为一种常见的鱼道设计形式，在我国得到了广泛运用，如吉林老龙口鱼道[1]，湘江土谷塘鱼道[2]，北京上庄闸鱼道[3]等。在生态问题越来越被重视的情况下，作为保护鱼类洄游繁殖的鱼道已经成为水利设施中必须修建的一部分。目前，我国的鱼道建设多借鉴国外的经验，但国内外过鱼对象不同，所以我国鱼道的建设仍需通过自我摸索来找到适合我国鱼类洄游的鱼道布置形式。本文的模拟对象錾高水电站鱼道的设计形式新颖，具有一定突破性。同时，錾高水电站鱼道也是新疆高原地区即将修建的第一座过鱼设施。因此，本文以錾高水电站鱼道初步设计形式为基础，对鱼道单个池室和两侧矩形弯道的新颖布置形式进行数值模拟，分析錾高水电站鱼道的水动力条件，以为我国新疆高原地区后续的鱼道建设提供经验和依据，也为我国的鱼道创新设计提出新方向。

1 工程概况

1.1 概况

錾高水电站工程位于叶尔羌河山区河段，工程开发任务为发电。水库正常蓄水位1 611 m，相应库容1 656.1万m3，调节库容611万m3，最大坝高21.3 m，发电引水流量375.6 m3/s。在拦河引水枢纽上结合生态电站布置鱼道。鱼道设置一道进口和一道出口，进口位于生态电站尾水渠末端左侧，鱼道槽身沿生态电站左侧平台布置，出口在埋涵段至0+458.00处进入拦河引水枢纽上游水库。采用同侧竖缝式鱼道。錾高枢纽布置如图1所示，鱼道设计如图2所示。

图1 錾高枢纽布置

图2 鱼道设计

1.2 过鱼对象及其游泳能力

錾高水电站鱼道的过鱼对象有：塔里木裂腹鱼(自治区Ⅱ级保护鱼类)、宽口裂腹鱼、重唇裂腹鱼、厚唇裂腹鱼、扁嘴裂腹鱼、长身高原鳅、隆额高原鳅、叶尔羌高原鳅等8种土著鱼类。研究表明，以厚唇裂腹鱼为代表，保护鱼类的感应流速为0.12～0.34 m/s；临界游泳速度为1.01～1.44 m/s；持续游泳速度为0～1.0 m/s；耐久游泳速度为1～1.3 m/s；爆发(突进)游泳速度为1.35～2.48 m/s。

1.3 鱼道主要尺寸

錾高水电站鱼道采用5级折返式的布置形式，鱼道总长485 m，平均纵坡3.3%。单个池室长1.8 m，宽1.2 m，竖缝宽0.3 m，隔板高1.5 m，每隔10块隔板设置一个休息池，长度为鱼道池室长度的两倍。弯道均布置为休息池。单个池室、左右侧弯道尺寸见图。鱼道正常运行工况下，流量为0.455 7 m3/s，保持运行水深为1.0 m。鱼道进口底板高程1 593.30 m，出口底板高程1 609.50 m。而鱼道进口水位在1 594.11～1 600.81 m之间，鱼道出口水位在1 611～1 612.96 m之间，最大水位差为18.85 m。上下游水位变幅较大，故采用竖缝式鱼道。

錾高水电站鱼道单个池室的长宽比为3∶2，与徐体兵等[4]研究得出鱼道单个池室的最佳长宽比10∶8相比，池室结构相对偏长。鱼道底坡为3.3%，对比国内已建鱼道[5- 6]中属于提水高度较高的。同时，錾高水电站鱼道弯道的转弯角度为180°，转弯半径为1.2 m，左右两侧弯道布置形式不一致，左侧弯道增设了导流隔板，与常规的弯道布置不同。本文将对錾高水电站鱼道的单个池室和两侧弯道进行重点研究，并对左右侧弯道进行流态对比分析，研究弯道内设置隔板对于弯道内水流流态的影响。

图3 池室及左右弯道尺寸示意(单位：m)

錾高水电站鱼道模型网格划分采用六面体网格。划分最大网格15 cm，最小网格5 cm，总网格单元为5 000 000个。边界条件设置为：鱼道中间隔板、两侧边界均设置墙体，均不可过流；鱼道出口段采用流量进口边界条件，流量为0.455 7 m3/s，初始条件控制水深为1.5 m，鱼道进口段采用压力边界，控制水深为0.8 m。本文采用SIMPLEC算法。

2 单个池室水力特性分析

2.1 单个池室流态分析

根据已有研究表明，当鱼道底坡小于5%时，水流流态呈现二维特性[7- 8]，所以以下分析均以二维为主。如图4所示，单个池室内水流呈现“S”形的主流区，且主流区的流速较大，流速在1.0～1.8 m/s之间，而过鱼对象爆发(突进)游泳速度为1.35～2.48 m/s，因此鱼类可上溯。主流区将单个池室分为了两个大小不等的回流区，较大回流区在池室左侧内两个长隔板之间形成；较小的回流区在短隔板后侧区域形成。回流区内的流速较小，流速在0.1～0.3 m/s之间。池室内存在低流速区，可供鱼类短暂的休息。单个池室内水流在竖缝处产生水面跌落，此时水深降至最低，同时流速达到最大。其后水深略微呈上升趋势，在池室后半段基本保持不变。

图4 单个池室模拟结果(流速单位：cm/s)

2.2 单位水体消能率

鱼道中水流的紊动虽然可以降低流速，但紊动如过于剧烈也会对鱼类上溯产生不利影响。已有研究表明[9]，为保证单个池室内水流的紊动不影响鱼类上溯，单个池室的大小需要满足容积功率耗散E<150 W/m2。单个池室的容积功率耗散计算公式为

(1)

图5 右侧弯道模拟结果(流速单位：cm/s)

式中，E为容积功率耗散，W/m2；P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(1)计算得出錾高水电站鱼道单个池室的容积功率耗散约为21.28 W/m2<150 W/m2，因此，鱼道单个池室内水流流速和紊动均适合鱼类上溯。

3 弯道水力特性分析

3.1 右侧弯道水力特性

右侧弯道模拟结果如图5所示。从图5可以看出，鱼道内水流在矩形弯道内急速旋转进入下一个池室内，矩形弯道休息池内水流的最大流速为1.4 m /s。水流从上一次池室竖缝射流流出后，遇到弯道外壁后被壅高，形成壅水并且紧贴弯道外壁向下一级池室竖缝流动；由于水流从竖缝处出来后断面突然扩大，过水面积明显增大，主流两侧形成两个回流区，分别处于矩形弯道的上部和中部，回流区流速较小，在0.1～0.3 m/s之间；而主流区流速较大，在1.0～1.4 m/s之间。矩形弯道内回流区域大，能够充分消能，降低水流流速，为鱼类上溯提供了休息空间。

3.2 左侧弯道水力特性

鱼道左侧矩形弯道布置形式较为新颖，在矩形弯道内加设了一个隔板，将传统鱼道中的弯道休息室分成了2个过鱼池室。左侧弯道模拟结果如图6所示。从图6可以看出，主流直接从上一级竖缝射流进入矩形弯道内的竖缝处，同时在主流两侧均形成2个回流区。之后，主流沿矩形弯道内竖缝方向流动，遇到矩形弯道下部外壁被雍高，贴壁进入下一个池室竖缝，同时，左侧矩形弯道下面的池室内，在主流两侧也存在2个回流区。左侧弯道内主流区集中在矩形弯道中部，流速在1.0～1.2 m/s之间，回流区流速在0.1～0.4 m/s之间。

图6 左侧弯道模拟结果(流速单位：cm/s)

根据文献[8，10- 13]，鱼道内弯道水流一般会对洄游鱼类形成阻碍。但根据分析结果可知，錾高水电站鱼道的两侧矩形弯道并不会给鱼类上溯带来困扰。通过对比两侧矩形弯道的水力特性分析，结果显示，加设隔板之后，矩形弯道内水流主流区被约束在弯道中部，不再贴壁，有利于鱼类找到上溯通道；矩形弯道内回流区的数量由2个变为4个，但回流区域减小，供鱼类休息空间变小；矩形弯道内水流消能更充分，水流流速略微减小，但紊动能明显变小。因此，加设隔板之后，矩形弯道内水流条件总体上更为有利于鱼类上溯。

4 结 论

(1)錾高水电站鱼道单个池室内水流呈现“S”型主流区，主流区两侧形成回流区；同时，单个池室内紊动也并不剧烈，满足鱼类上溯要求。

(2)鱼道左侧矩形弯道内设置隔板之后，主流区被约束在矩形弯道中部，可为鱼类连续上溯提供明显的路线，矩形弯道内回流区数量增多，回流区域面积减小，水流流速略微减小，紊动能明显变小。

在鱼道建设初期，通过借鉴国外的鱼道建设经验来修建适合我国鱼类洄游的鱼道，可以给我们提供明确的研究方向，但这也给我们的创新思维带来了局限性。目前，我国的鱼道建设仍需要进行大量的大胆尝试，才能研究出更为适合我国鱼类洄游的鱼道。