新疆库尔干水利枢纽集诱鱼系统三维流场数值模拟研究

雷震霄

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆库尔干水利枢纽位于库山河中游河段，水库总库容1.24亿m3，为Ⅱ等大(2)型水利工程。为减缓工程建成后对水生生态及鱼类的不利影响，工程采取建设集运鱼设施及划定栖息地保护河段等水生态保护措施。集运鱼设施包括集诱鱼系统、运鱼车、投放平台。“集诱鱼设施+运输车+投放平台”工作原理为：厂房尾水、集鱼渠、衔接池和原始河道贯通，形成联通的流场。集诱鱼设施设置在电站厂房尾水渠末端，利用电站尾水渠来水自动供给作为集诱鱼设施的水源供给。在尾水渠末端局部设置分流墙以形成集鱼渠，分流墙能够调整水流流场结构，有效创造减速流场，集鱼渠内形成适宜于过鱼对象上溯的水流流场，而集鱼渠外侧则为高流速区域，形成鱼类上溯的屏障，这样可确保集鱼设施具有良好的集诱鱼水力学条件。集鱼渠下游布置衔接池，衔接池底板与集鱼渠平顺连接形成扩大的池式结构，衔接池内的平缓水域可给洄游鱼类提供休憩环境。集鱼渠内设有集鱼箱、拦鱼网装置、防逃网等装置，将洄游鱼类诱导至集鱼箱后关闭集鱼箱，通过双向门机将集鱼箱吊至运鱼车顶后利用集鱼箱系统底部外部触控启闭门装置，开启箱体底部启闭门，供水系统同时对集鱼箱冲水，使鱼群快速进入运鱼车。运鱼车通过场内道路和库周改建道路将鱼运送至上游投放点，利用车后部液压系统，展开投鱼滑道，打开车辆尾门，投鱼入库。然后运鱼车继续按原路线返回集鱼渠，循环往复运行。

本文通过三维流场数值模拟不同机组发电运行下集鱼渠内的水流流场、集鱼渠下游河道整治段的水流流场，论证方案的可行性。

2 过鱼对象及游泳能力

库山河分布5种鱼类均为土著鱼类，其中鲤科鱼类2属3种，分别为裂腹鱼属的塔里木裂腹鱼、宽口裂腹鱼，重唇鱼属的斑重唇鱼；鳅科1属2种，均为高原鳅属，分别为叶尔羌高原鳅、长身高原鳅。本工程过鱼对象以裂腹鱼为主，通过鱼类游泳能力测试可知，裂腹鱼感应流速为0.12 m/s～0.34 m/s；临界游泳速度为1.01 m/s～1.44 m/s；持续游泳速度为0～1.0 m/s；耐久游泳速度为1 m/s～1.3 m/s；爆发游泳速度为1.35 m/s～2.48 m/s。

3 集鱼渠水流流场数值模拟计算及结论

3.1 边界条件

数值模拟采用Flow-3D软件进行建模和计算，电机站组尾水出口为模型入流边界，依据计算工况不同，设定不同的进流流量；自电站机组尾水出口沿河道约200 m取河道断面，作为模型出流边界，边界按静水压强给出；固壁边界满足无滑移条件；水面为自由表面。

3.2 计算工况

发电厂房为岸边式地面厂房，尾水通过尾水渠与下游河道水位衔接，计算工况包括机组发电的不同运行组合工况，具体见表1。

表1 库尔干水利枢纽不同运行工况下的流量与尾水位表

3.3 集鱼渠布置

由于下游天然河道地形落差较大、水流流速较高不适宜过鱼，故需进行河道整治，整治后的下游河道高程低于尾水渠底板高程，形成3 m的跌差。集鱼渠进口段与下游河道整治段的底高程相同，集鱼渠扩散段与尾水渠底高程相同，进口段和扩散段落差3 m，扩散段增加组合式的桩柱结构进行流态调整；尾水渠段与下游河道整治段落差3 m，衔接处以3∶4的陡坡进行过渡，具体见图1、图2。

图1 集鱼渠布置图(尺寸单位：m)

图2 集鱼渠三维图

3.4 计算结果及分析

各工况分流墙内侧减速区域水深及流速见图3～图7。

图3 工况1集鱼渠内水面线及流速垂向分布

图4 工况2集鱼渠内水面线及流速垂向分布

图5 工况3集鱼渠内水面线及流速垂向分布

图6 工况4集鱼渠内水面线及流速垂向分布

图7 工况5集鱼渠内水面线及流速垂向分布

图8 集鱼渠布置及下1游河道整治段平面图

图9 集鱼渠下游河道整治段三维示意图

计算结果表明：在所有工况下，发电尾水在尾水渠导墙和河道顺直段的调整作用下，水流很快趋于均化，且明渠段始终保持高于1.2 m/s的较高流速，可以形成鱼类上溯的流速屏障，具备通过设置分流墙营造集鱼渠的基本条件。分流墙能够有效创造减速流场，在各典型工况下，集鱼渠内的低流速区域相对稳定在分流墙内侧靠近左岸的后半部分区域，其长度约2 m～10 m，可以满足集诱鱼要求。表明，集诱鱼系统进口段布置方案是可行的。

水面线在进入分流墙内侧集鱼渠时有一定跌落，这是由于分流墙的扩散体型所决定的，这也导致水面线的连接出现问题，且在一定水面落差下，会出现水跃，从而会影响渠身段下水流的稳定性。在扩散段内增加组合式的桩柱结构，能够起到较好的抑制流速的作用，避免了水跃的发生，维持了渠身段流态的稳定性。

4 集鱼渠下游河道整治段水流流场数值模拟计算

4.1 集鱼渠下游河道整治段布置

集鱼渠与下游河道整治段的衔接，决定了下游河道内的水流流向，以及是否能够形成连续贯通的过鱼通道，此处的设计十分关键。对集鱼渠下游河道整治段的流场进行三维数值计算，以评估过鱼通道的连续性。

4.2 边界条件

数值模拟采用Flow-3D软件进行建模和计算，电机站组尾水出口为模型入流边界，依据计算工况不同，设定不同的进流流量；自电站机组尾水出口沿河道约1.2 km取河道断面，作为模型出流边界，边界按静水压强给出；固壁边界满足无滑移条件；水面为自由表面。

4.3 计算结果及分析

各工况集鱼渠下游河道段三维流场见图10～图12。

图10 集鱼渠下游河道整治段三维流场

图11 集鱼渠下游河段流场及可上溯通道

图12 集鱼渠与衔接池附近流场及可上溯通道

计算结果表明：下游河道水流流速能够得到有效控制，水流流速在靠近集鱼渠部分存在明显的主流，随着在水流向下游的行进，水流逐渐趋于均匀。水流自尾水渠至下游河道整治段主流明显，且在左右两侧分别形成了两个回流区，在回流区与主流之间存在流速合适的流速带，可作为过鱼通道。随着主流继续向下游行进，主流逐渐扩散，近似为全断面均匀水流。流速在四台机组满发时最大，约为0.8 m/s。

对集鱼渠与衔接池附近流场进行分析，河道内主流流向下游时，在主流左右两侧均形成了回流区。其中主流左侧的回流区与主流之间流速较低，可以作为鱼类上溯的通道。集鱼渠的水流出渠以后，受左侧回流区内逆时针旋转水流的影响，与右侧的主流合并，且形成了流速合适，沿主流左侧联通下游的过鱼通道。尽管在工况不同时，过鱼通道的宽度和位置有所变化，但是连通集鱼渠和下游河道的连续的过鱼通道一直存在，可作为鱼类上溯至集鱼渠的路径。所有工况下，集鱼渠与下游河道均在连续的过鱼通道，可供鱼类上溯使用，故本方案是基本合理的，能够满足过鱼需求。

5 结论

电站尾水渠是鱼类较为理想的聚集场所，利用电站尾水渠合理布置过鱼设施进口具有很好的应用前景，但不同机组发电运行的下泄水流使得电站尾水渠内的流场结构复杂，为论证集诱鱼系统布置方案的可行性、过鱼通道的连续性，进行了电站尾水渠及其下游河道三维流场数值模拟计算，得出以下结论：

1)发电尾水在尾水渠导墙和明渠直线段的作用下，水流很快趋于均化，且明渠段始终保持高于1.2 m/s的较高流速，可以形成鱼类上溯的流速屏障，具备通过设置分流墙营造集鱼渠的基本条件。各工况下分流墙均能有效创造减速流场，集鱼渠内的低流速区域相对稳定在分流墙内侧靠近左岸的后半部分区域，其长度约2 m～10 m，可以满足集诱鱼要求。

2)水面线在进入分流墙内侧集鱼渠时有一定跌落，这是由于分流墙的扩散体型所决定的，这也导致水面线的连接出现问题，且在一定水面落差下，会出现水跃，从而会影响渠身段下水流的稳定性。在扩散段内增加组合式的桩柱结构，能够起到较好的抑制流速的作用，避免了水跃的发生，维持了渠身段流态的稳定性。表明，集鱼系统进口段布置方案是可行的。

3)对集鱼渠下游河道内的流场进行分析，以评估过鱼通道的连续性及鱼类进入集鱼渠的可能性。通过计算发现，下游河段在整治后水流流速能够得到有效控制，在现有整治方案下，各工况下集鱼渠与下游河道均在在连续的过鱼通，可供鱼类上溯使用，下游河道整治方案是基本合理的，能够满足过鱼需求。