组合隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

陈 磊，谭均军，石小涛，柯森繁，谭红林，李 鸿

(1.三峡大学 湖北省鱼类过坝技术国际科技合作基地，湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

大坝、堰等水利设施的修建中断了河流的连续性，阻隔了鱼类的洄游通道，改变了鱼类栖息地环境，甚至导致某些溯河洄游鱼类种群的灭绝[1]。鱼道作为给鱼类提供洄游通道的过鱼设施，在维系河流连通性与鱼类种群交流方面具有重要的作用[2]。

隔板式鱼道主要由进口、池室和出口组成。其设计原理是利用隔板将水槽分成许多梯级池室，在池室中利用水垫、水流对冲、水流扩散进行消能，以达到改善水流流态、降低池室流速的目的，并能通过调整隔板的结构构造适应不同鱼类的需要。按隔板的位置和形状可分为溢流堰式、淹没孔口式、竖缝式和组合式鱼道[3]。溢流堰式鱼道水位变化范围很小，过流平稳，水流通过开敞式溢流孔流动，利用隔板间水垫削减能量和减缓流速；其适用于对水位变化适应能力差、喜欢在水流表层活动和有跳跃习性的鱼类[4]。淹没孔口式鱼道孔口大小因过鱼对象体形大小不同而异，孔口通常布置在中底层；其适用于生活在需要一定水深的中、大型鱼类[5-6],江苏团结河闸鱼道、洋口北闸鱼道等均采用淹没孔口式鱼道。竖缝式鱼道结构简单，水流消能主要集中在竖缝处，消能效果较堰式和淹没孔口式更充分，且能适应上下游水位变化，鱼类受水位变化的影响较小[7]，竖缝的束窄作用使鱼道内流速过大，一般适用于大、中型鱼类[6]；加拿大弗雷塞(Fraser)河上的鬼门峡(Hell’s Gate)鱼道、江苏斗龙港闸、吉林老龙口水利枢纽等均采用竖缝式。组合式鱼道能够较好地综合各种形式(堰式、淹没孔口式及竖缝式)鱼道水力特性的优势，创造出不同种鱼类所需的水流条件，满足多种不同溯游习性鱼类的要求，为洄游鱼类提供适宜的上溯通道。

鱼道的水力特性是影响鱼类能否顺利通过的重要因素[8]，国内外许多学者利用流体力学软件对其进行了相关的数值模拟研究。Fujihara等[9]采用三维紊流模型及VOF自由水面处理方法分析溢流堰-潜孔组合式鱼道水力特性，结果表明三维VOF模型能较好地模拟鱼道内三维水力特性；高东红等[10]采用Fluent对三维鱼道的水力特性及鱼体行进能力进行数值模拟研究，结果表明模拟结果与以往物理模型试验所观察的现象一致；Cea等[11]应用混合长度模型、k-ε模型和代数应力模型对竖缝式鱼道的水力特性进行分析研究，并将计算数据与水工模型试验结果进行了比较，发现两者吻合较好。鉴于此，本研究采用竖缝和溢流组合式鱼道，以黑水河某鱼道工程为例，运用Flow-3D进行三维全流场数值模拟，研究该组合式鱼道的三维水力特性，分析其水面线、流速、流态等水力参数的分布规律，并对鱼道的上游出口段、下游转弯段及进口段进行重点分析，以期为鱼道的设计及运行提供技术参考。

2 工程概况

2.1 概 况

金沙江黑水河某水电站为引水式电站，拦河闸坝无调节功能，工程的开发任务为发电。水库正常蓄水位1 069.67 m，正常蓄水位下库容28.4万m3，电站多年平均流量51.6 m3/s,装机容量为20 MW，坝高5.30 m。在拦河引水枢纽上结合生态电站布置鱼道，鱼道设置一个进口和一个出口，下游进口布置在拦河坝消力池后，鱼道槽身紧挨左岸岸边布置，上游出口布置在拦河坝上游约70 m处。考虑该工程特点及洄游性鱼类对水流、溅水声等的敏感性及趋近性，研究采用竖缝与溢流组合式鱼道。结构布置如图1所示。

图1 鱼道设计Fig.1 Fishway design

2.2 过鱼对象及其游泳能力

根据工程河段鱼类资源调查结果，本工程过鱼对象以短须裂腹鱼(Schizothorax Wangchiachii Fang)、齐口裂腹鱼(Schizothorax Prenant)等裂腹鱼类及鳅类为主，并适当兼顾其他各种可能鱼类，其主要过鱼季节为4—7月份。根据相关文献[12-17]资料、鱼道工程特点及过鱼对象游泳能力(表1)知：目标鱼类感应流速<0.244 1 m/s，临界游泳速度为0.65～1.39 m/s，爆发游泳速度为0.85～2.49 m/s；为确保主要过鱼对象能够通过鱼道上溯，鱼道设计流速应依据过鱼对象游泳能力并结合《水电工程过鱼设施设计规范》(NB/T 35054—2015)规定，为此，确定鱼道设计流速为0.75 m/s。

表1 过鱼对象游泳能力Table 1 Swimming ability of target fish

2.3 鱼道主要尺寸

根据《水电工程过鱼设施设计规范》(NB/T 35054—2015)，鱼道由进口段、转弯段、鱼道出口段组成，鱼道总长352.60 m，底坡为1.8%。单个池室长2.0 m，宽1.60 m，竖缝宽度为0.30 m，隔板厚度0.20 m，鱼道池室水位级差Δh为0.04 m；每隔15个池室设置一个休息室，休息室为平坡，长度为鱼道池室的2倍，鱼道下游转弯段布置为休息室。鱼道单个池室及剖面尺寸见图2。鱼道正常运行工况下流量为0.56 m3/s，保持运行水深为1.80 m。上游水位高程为1 069.67 m，鱼道上游底板高程为1 067.87 m，下游水位高程为1 063.87 m，鱼道下游底板高程为1 062.07 m，上下游水位差为5.80 m。

图2 鱼道单个池室及剖面尺寸示意图Fig.2 Fishway profile and single chamber dimensions

3 数值方法

3.1 数学模型

本研究鱼道模型为典型的自由液面模型，根据鱼道设计体型布置的平面布置图和鱼道剖面图，在Space-Claim按原型1∶1建立鱼道几何整体模型，利用Tru-VOF方法追踪自由液面，基于有限差分法将模拟控制方程离散为代数方程组进行求解计算，采用标准六面体结构化网格进行网格划分，模型网格数约为2 900万，固体模型网格约为290万，其中最大网格15 cm，最小网格6 cm。鱼道中间采用溢流式隔板和竖缝式隔板，两侧边界设置为墙体，均不过流，自由表面的边界条件设定为压力边界条件P,其大气压强为1.01×105Pa，流体分数F=0(充满空气)，采用流量进口边界条件，下游采用压力出口边界条件，壁面采用无滑移壁面条件，壁面糙率为0.013[18]；初始条件上、下游水深为设计上、下游水位高程减去该鱼道底板高程；采用具有较好收敛性的SIMPLEC算法。

3.2 控制方程

本研究的模型属于不可压缩流体的湍流流动，采用RNGk-ε紊流模型，其主要控制方程如下[19]：

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

k方程

(3)

ε方程

采用Tru-VOF方法追踪自由水面流动，采用流体容积分数αω描述水和气自由表面的各种变化,求解水气两相体积分数连续方程确定自由水面位置。其方程为[7]

(5)

式中：ui为各向的速度分量;αω为水的体积分数。当αω=0时，计算单元内全为气相;当αω=1时，计算单元内全为水相;当0<αω<1时，计算单元内同时包含水相和气相。

4 结果分析

4.1 池室自由水面

鱼道池室水面线如图3所示。水流从上游鱼道出口进入鱼道池室水深为1.80 m，水流在各个池室内水面较为平缓，池室内最低水位均出现在竖缝与堰口下游附近，竖缝与堰口处有明显水面跌落现象。

图3 鱼道水面线示意图Fig.3 Simulations results of water surface

4.2 不同水深断面流场分析

图4为鱼道池室流线分布与竖缝断面流速分布。从图4可知在鱼道池室存在多股主流区，水流经过溢流孔后偏向竖缝处边壁，主流呈弯曲状，在另一侧边壁出现较大回流区，水流经过竖缝后贴近边壁，与溢流孔出流间存在一个小回流区，主流存在明显的贴壁现象。图5为池室水深分别为1.1 m和0.5 m的平面流速分布。在水深1.1 m平面的水平方向上，溢流孔与竖缝处流速较大，主流经过溢流孔后弯向竖缝侧，在池室另一侧出现低流速区；垂直方向上，接近水面水流弯曲较大，距离底部越近，该平面流速分布较为均匀，竖缝中部与底部流速较大，最大为0.94 m/s，溢流孔口最大流速为1.08～1.12 m/s，且水面流速低于底部流速。水深0.50 m时，水深低于溢流孔口高度，鱼道为异侧竖缝式鱼道，水流经过竖缝后贴壁流动，在池室中间出现低流速区。过鱼对象裂腹鱼类在均匀水流中临界流速为0.75～1.24 m/s(见表1)。整体上，池室流速分布在过鱼对象的克流能力范围之内，鱼道池室内存在低流速区域，能为鱼类提供休憩空间使其恢复能量，但池室内存在明显的主流贴壁现象。

图4 池室流态及流速分布Fig.4 Streamlines of flow pattern and distribution of flow velocity in fishway pool

图5 不同断面水深流速分布Fig.5 Distribution of flow velocity in the presence of different water depths

4.3 鱼道出口段水力特性分析

鱼道出口附近池室是衡量鱼类能否从鱼道上溯成功的典型池室，竖缝处流速分布为0.76～0.89 m/s，竖缝处平均流速为0.83 m/s，回流区流速分布范围为0.09～0.25 m/s(图6(a))。根据相关鱼类游泳能力测试结果，该数值模拟结果在竖缝处流速范围低于长薄鳅(0.95 ～1.87 m/s)和短须裂腹鱼(0.75±0.076 m/s)临界游泳速度，池室中局部流速最大值在爆发流速范围之内，满足过鱼要求。

4.4 下游转弯段水力特性分析

边永欢等[20]对竖缝式鱼道180°转弯段的水流流场进行研究，发现弯道内水流流向改变一般会对鱼类上溯洄游产生阻碍。由模拟结果可知，转弯段主流沿着弯段外侧边壁流动，其分布范围为0.50～0.66 m/s，平均流速为0.58 m/s(图6(b))；内侧为低流速区，流速范围为0.09～0.42 m/s。转弯段流速在目标鱼类上溯克流范围内，但存在主流贴壁现象，需对其结构开展设计优化。

4.5 下游进口段水力特性分析

鱼能够感受到水流流速的细微变化，喜欢利用对其上溯有利的水流，鱼道下游进口段附近的水力条件直接影响鱼类通过鱼道上溯的效果。由图6(c)可知，靠近鱼道进口处各池室水深基本保持不变，池室主流靠近下游侧边墙，该处流速为0.50 m/s，出口处断面平均流速为0.30 m/s，该流速大于目标鱼类感应流速0.13 m/s，小于临界流速，满足目标鱼类流速需求。

图6 鱼道池室流场模拟结果Fig.6 Simulation results of flow field in fishway pool

5 优化方案

根据上述运行工况中数值模拟计算结果分析可知，组合隔板式鱼道在进口、出口、转弯处的流速在目标鱼类的克流能力范围内，但在靠近竖缝隔板处，转弯段存在明显的主流贴壁现象，且贴壁主流所包围范围内存在一个区域较大的回流区，见图5(b)，显然该流态不利于鱼类上溯。为克服原设计中水流流态上的不足，采用在竖缝另一侧不远处边墙增设导板的导竖式竖缝布置型式开展优化设计，通过改变水流在竖缝处的水流流向，进而达到充分扩散主流横向的目的。

在优化设计研究中，结合现有的竖缝式鱼道研究成果[6-9]，对鱼道隔板进行了调整，保持池室长度与宽度不变，将竖缝宽度由0.30 m调整为0.41 m(图7)；对鱼道设计而言，由于竖缝宽度的改变，其过流能力也会发生相应的变化，应依照过鱼设施规范中竖缝式鱼道过流能力计算公式计算过流流量。即

图7 优化方案池室平面尺寸Fig.7 Plane dimensions of the optimized pool

(6)

式中：Q为过流流量(m3/s);Cd为流量系数，本工程取0.85；B为竖缝宽度(m)；H为竖缝断面水深(m)；Δh为池室隔板水位的每级级差(m)；g为重力加速度，通常取g=9.81 m/s2。经计算得到优化后鱼道运行工况过流流量为0.70 m3/s。

优化方案下沿程池室及转弯段流速分布结果见图8。结果表明，与原设计方案相比，优化后池室内水流流态得到了明显改善，上游来流经过池室隔板后沿横向扩散，主流流向在导板作用下偏向池室中央，在主流区两侧形成两个回流区。

图8 优化方案不同断面水深和转弯段流速分布Fig.8 Distribution of flow velocity in sections with varied water depth and in turning section of optimization scheme

6 结 论

本文结合国内外研究成果和已建鱼道工程的实践经验，采用Flow-3D计算流体力学软件对某水电站组合隔板式鱼道的布置方式进行了三维数值模拟，分析了水面线、鱼道进出口和转弯段池室不同断面水流的流态、流速分布。得到以下结论：

(1)自由水面整体呈现均匀下降特性，各个池室水面较为平缓，池室内最低水位均出现在竖缝与堰口下游附近，相邻池室经过隔板后水面变化较为明显，在竖缝与堰口处有明显水面跌落现象。

(2)鱼道池室竖缝处流速分布范围为0.76～0.89 m/s，平均流速为0.83 m/s；池室休息区流速为0.09～0.42 m/s；在下游转弯段，其流速分布为0.50～0.66 m/s；鱼道进口处最大流速为0.50 m/s，出口断面平均流速为0.30 m/s。

(3)组合隔板式鱼道在竖缝处会产生两股射流使池室流场分布较为紊乱，在靠近竖缝隔板处存在明显主流贴壁现象。为此开展优化设计，优化设计后主流偏向于池室中央，水流流速沿程衰减，利于鱼类通过，主流两侧回流区域可为鱼类提供较好的休息场所。因此，优化后的鱼道池室流态满足鱼类上溯要求。