郭滩航运枢纽鱼道进口水流条件优化数值模拟

齐春风，刘 哲，李君涛，欧阳群安，普晓刚

(交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

河流上筑坝设闸破坏了河道水流的连通性，阻断了鱼类洄游通道，鱼道作为帮助鱼类顺利通过枢纽障碍物的重要工程措施，在中、低水头水工建筑物中对鱼类的保护起到了很大作用[1-3]。而鱼道进口是鱼道工程的“针眼”，鱼道进口设置是否合理是鱼道工程设计的关键。众多学者对鱼道进口布置方式进行了研究[4-8]，Lindberg等[4]对瑞典Norrfors大坝鱼道进口位置流场及诱鱼效果进行了现场观测，谢春航等[5]研究了鱼道进口布置方式对集诱鱼水流水力特性的影响，认为集诱鱼通道布置方式能更有效地吸引鱼类，黎贤访等[6]研究了鱼道进口角度对集诱鱼效果的影响，认为鱼道进口轴线与河道成30°最利于集诱鱼，王猛等[7]研究了仿自然通道鱼道进出口布置方式,认为布置多高程的鱼道进口可有效适应水位变幅，Andersson[8]和李广宁[9]等分别研究了电站尾水渠内的鱼道进口流场分布，认为鱼道进口位置和机组出流方式会对鱼道进口集诱鱼产生较大影响，史斌[10]、于广年[11]、刘志国[12]、邹秋宝[13]等还分别结合具体工程对鱼道进口布置进行了优化。综合国内外试验研究成果和工程实践经验，鱼道进口设计一般遵循以下原则：鱼道进口应布置于经常有水流下泄、鱼类洄游路线及集群的区域，并尽可能靠近鱼类上溯的最上边界，鱼道进口附近水流应平稳顺直、不应存在回流区和大尺度漩涡，且最小流速应大于鱼类的感应流速，最大速度应小于鱼类的突进速度。实际工程中，鱼道作为水利工程的补助设施，鱼道进口布置还受制于其他工程设施的布置条件、运行方式、河道水深等诸多因素的影响，需要综合论证。

郭滩航运枢纽工程属于南阳唐河航道梯级开发建设项目(图1)，为低坝枯水渠化的航运枢纽，枢纽建筑物主要包括泄水闸、船闸和鱼道，枢纽总布置如图1所示。唐河生态调查表明，郭滩航道工程水域内的水生生态保护目标主要为经济鱼类(赤眼鳟)和小型鱼类(细尾蛇鮈、银鮈类)产卵场，鱼道重点过鱼时间为每年的4-8月，过鱼保证率为95%。根据工程特点和过鱼要求，鱼道进口布置在左岸翼墙下游附近、坝轴线下游106 m处。受泄水闸调度方式影响，在枯水期枢纽设计运行控制方式下，鱼道进口将位于泄流回流区内，难以达到理想的诱鱼效果。为此，需要对郭滩航运枢纽鱼道进口的实际水流条件进行模拟，通过合理的枢纽运行方式调控，为鱼类上溯提供适宜水流条件。

图1 郭滩航运枢纽布置

1 数学模型

泄水闸淹没出流在河道内扩散，至下游一定距离后，下泄水流将沿竖向分布均匀。郭滩鱼道进口位置距泄水闸的距离超过100 m，根据类似工程研究经验，可近似认为水流沿水深方向已分布均匀，泄水闸开度对鱼道进口位置处流场的影响不大。为计算方便，本文忽略泄水闸开度对鱼道进口位置处流场的影响，采用Flow-3D软件浅水模型进行枢纽工程河段的平面二维数值模拟。

1.1 基本控制方程

忽略垂直方向加速度，将三维水体运动基本方程(质量守恒方程(连续方程)和动量守恒方程(Navier-Stokes方程))沿水深积分平均，即可得浅水模型控制方程

(1)

(2)

(3)

1.2 模拟范围及网格划分

根据枢纽工程河段的河道形态及地形特点，枢纽上下游需要有足够长度来获得稳定的水流边界条件，模型上游范围至坝轴线上游4.7 km处、下游范围至坝轴线下游5.3 km处，模型总长约10 km。计算网格采用六面体结构化网格，并采用渐变网格对泄水闸及鱼道进口区域进行局部加密，计算域主体网格边长5～20 m，枢纽附近网格边长2～5 m，网格总数约100万个。

1.3 边界条件及河道糙率

模型进口采用流量边界，给定进口断面流量和水面高程，进口水位取郭滩枢纽正常蓄水位83.0 m；模型出口采用压力边界，给定出口断面水面高程，出口水位由郭滩枢纽坝址处的水位流量关系推算得到并充分考虑下游水台子枢纽水位运行区间；模型上方自由表面为水体与大气的交界面，设为气压边界。河道糙率考虑床面形态、植被条件等因素，并参考物理模型，取0.045。

枢纽工程河段数学模型及其边界条件设置如图2所示。

图2 郭滩航运枢纽数学模型

1.4 模型验证

为验证数学模型的合理性，采用2018年5月23日实测洪水成果资料对数值模拟水位、流速进行验证。图3为相同流量下水位、流速计算值与实测值的对比，可以看出工程河段沿程水位及断面流速的计算值与实测数据基本吻合，可以满足规范要求精度，建立的数学模型是可靠的。

图3 数学模型验证

2 数值计算结果分析

结合枢纽运行控制方式并考虑枢纽坝址处的最小生态流量，模型计算选取5.85 m3/s 、100 m3/s 、200 m3/s 、300 m3/s 、400 m3/s 共五级流量进行。根据枢纽工程的水生生态保护目标，鱼类感应流速多为0.2 m/s，喜好流速在0.3～0.8 m/s，极限流速根据鱼类体长略有不同，兼顾游泳能力较弱的鱼类和体型相对较小的鱼类，防止鱼在鱼道中产生过度疲劳，同时保证鱼道过鱼效率，鱼道进口适宜流速范围取0.2～1.2 m/s。

2.1 原枢纽运行方式鱼道进口水流条件

在拟定的计算流量范围内，原枢纽运行方式为泄水闸中间四孔泄流，典型流量级(300 m3/s)泄水闸下游流场分布如图4所示。水流经泄水闸中间四孔下泄至下游河道后水平扩散，受河道两岸边坡约束，在下泄主流两侧形成较大范围回流区，各级流量下鱼道进口均位于回流区内，使得鱼道进口附近存在回流和漩涡。各级流量下鱼道进口附近(取鱼道进口上游100 m、横向10 m范围)最大流速分布如图5所示，可以看出鱼道进口附近回流流速随下泄流量的增加而增大，当流量为300 m3/s时、鱼道进口附近最大流速为1.32 m/s，当流量为400 m3/s时、鱼道进口附近最大流速可达1.85 m/s。鱼道进口附近较大范围的回流会严重阻碍洄游鱼类上溯至进鱼口。

图4 泄水闸下游流场分布(300 m3/s)

2.2 枢纽运行方式优化鱼道进口水流条件

鱼道进口水流条件与泄水闸调度方式密切相关，针对原枢纽运行方式下下泄主流两侧形成较大范围回流区、鱼道进口存在回流和漩涡的情况，采取调整枢纽运行方式的措施来优化鱼道进口水流条件。为保证鱼道进口常有下泄水流，调整泄水闸的开启方式，使得下泄主流靠近河道左侧且水流平顺、流速不宜过大。根据鱼道进口水流条件变化情况，共设计了三组调整方案，泄水闸开启方式调整方案如表1所示。

表1 泄水闸开启方式调整方案

典型泄水闸开启方案下典型流量级(方案3，300 m3/s)泄水闸下游流场分布如图6所示。泄水闸左侧连续五孔泄流，使得下泄主流靠近河道左侧，鱼道进口附近可形成指向下游的稳定流场，从而有可能创造出适合鱼类上溯的水流条件。

图6 泄水闸下游流场分布(300 m3/s，方案3)

各泄水闸开启方案下鱼道进口附近最大流速分布如图7所示，具体分析如下：

7-a 泄水闸开启方案1 7-b 泄水闸开启方案2

(1)方案1。当来流量为5.85 m3/s时，靠近鱼道进口的泄水闸左侧12#孔开启，鱼道进口附近水流平顺，进口上游100 m范围内最大流速为0.32 m/s，可满足鱼类上溯要求；当来流量为100 m3/s时，泄水闸左侧的12#、11#孔开启，鱼道进口附近虽然水流平顺，但其上游100 m范围内最大流速可达1.58 m/s、超过了鱼类的突进速度，难以满足鱼类上溯要求；当来流量为200 m3/s和300 m3/s时，泄水闸由左侧起分别间隔开三孔和四孔，水流下泄后在下游河道内形成漩滚，鱼道进口附近位于水流漩滚区，流速方向多变，难以满足鱼类上溯要求；当来流量为400 m3/s时，泄水闸左侧连续六孔开启，鱼道进口附近水流平顺，进口上游100 m范围内最大流速为1.04 m/s，可满足鱼类上溯要求。

鉴于第一次调整后，在来流量为100 m3/s、200 m3/s和300 m3/s时，鱼道进口水流条件仍然难以满足要求，有必要继续调整泄水闸的开启方式。针对来流量100 m3/s的鱼道进口流速过大问题，将泄水闸连续两孔开启增至连续三孔开启，从而减小下泄水流流速；针对来流量200 m3/s和来流量300 m3/s的鱼道进口漩滚问题，将泄水闸间隔开启改为连续开启，从而消除水流漩滚。调整后的泄水闸开启方式即为方案2。

(2)泄水闸开启方案2。当来流量为100 m3/s时，靠近鱼道进口的泄水闸左侧12#、11#、10#连续三孔开启，鱼道进口附近水流平顺，进口上游100 m范围内最大流速为1.10 m/s，可满足鱼类上溯要求；当来流量为200 m3/s和300 m3/s时，泄水闸各开启左侧三孔和四孔，受闸孔射流影响，鱼道进口附近水流平顺、无回流，但进口附近的流速较大，来流量200 m3/s时最大流速可达1.34 m/s，来流量300 m3/s时最大流速可达1.33 m/s，超过了鱼类的突进速度，难以满足鱼类上溯要求。

鉴于第二次调整后的计算结果，当来流量为200 m3/s和300 m3/s时，鱼道进口附近无回流但流速过大，考虑进一步加大泄水闸过流宽度，从而减小过流速度。当来流量为200 m3/s时，将泄水闸左侧连续三孔泄流增至连续四孔泄流；当来流量为300 m3/s时，将泄水闸左侧连续四孔泄流增至连续五孔泄流。再次调整后的泄水闸开启方式即为方案3。

(3)泄水闸开启方案3。泄水闸开启方式再次调整后，鱼道进口附近水流均比较平顺，当来流量为200 m3/s时鱼道进口附近最大流速为1.06 m/s，当来流量为300 m3/s时最大流速为1.14 m/s，鱼道进口附近的水流条件均满足要求。

优化后的泄水闸开启方式及对应的鱼道进口、船闸引航道口门区水流条件见表2。可以看出，在推荐的泄水闸调度方式下，鱼道进口位置附近水流平稳顺直，流速范围可满足鱼类上溯要求；船闸下游引航道口门区流速极值在规范限值范围内，通航水流条件也可满足船舶安全航行要求。

表2 优化后的泄水闸开启方式及鱼道进口、船闸引航道口门区水流条件

3 结论

(1)原枢纽设计运行方式下，鱼道进口位置处于泄流回流区内，大范围回流难以满足鱼类上溯条件。

(2)针对鱼道进口不良水流条件问题，采取调整枢纽运行方式的措施来进行优化，对泄水闸开启方式进行了3次调整。将泄水闸泄流位置由中间改为左侧，并根据下泄流量制定不同的下泄闸孔组合，通过逐步调整泄水闸开孔位置和开孔宽度，获得了考虑鱼道进口布置的泄水闸优化开启方案。

(3)各流量级推荐泄水闸调度方式下，鱼道进口位置附近水流平顺，最大流速均小于鱼类突进速度，可满足鱼类上溯要求；船闸引航道口门区流速极值在规范限值范围内，也可满足船舶航行要求。

鱼道进口水流条件与泄水闸调度方式密切相关，通过调整泄水闸泄流开启方式，枢纽下游可创造出适宜鱼类上溯的水流条件。