桂林长塘水利枢纽鱼道内部水流条件数值模拟分析

廖智颖，黄春华

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611）

1 引言

长塘水库位于广西壮族自治区桂林市境内、洛清江一级支流西河干流上,拟建坝址在永福县永福镇长塘村西河峡谷出口附近,距桂林市约54 km,距永福县城约7 km。长塘水库工程由水库工程、输水工程和灌区工程三大部分组成,是一座以供水、灌溉为主,结合防洪,兼顾发电等综合利用的大（2）型水库工程。

水利水电工程的开发建设在带来了巨大的经济效益的同时[1],也破坏了河流连通性[2],必须采取针对鱼类的生态补偿措施[3]。竖缝式鱼道作为协助鱼类上溯的生态补偿措施,近年来得到了广泛的应用[4-5]。

2 长塘水利枢纽短鱼道工程

2.1 目标鱼类基本情况

长塘水利枢纽工程确定大刺鳅、圆吻鲴、大眼华鳊、大鳍鳠、波纹鳜、黄颡鱼、光倒刺鲃等为主要的过鱼对象,个体大小约为10 cm～30 cm。根据过鱼种类的洄游特征[6],过鱼设施运行时间暂定过鱼季节主要为4月～7月。

鱼类突进游速是竖缝式鱼道设计中的重要参数[7],是推测目标鱼类能否通过鱼道竖缝上溯的关键,鱼道竖缝设计流速应小于鱼类的突进游速[8]。根据现场鱼类游泳能力测试试验结果,大刺鳅、圆吻鲴、大眼华鳊、大鳍鳠、波纹鳜的突进游速分别位于 0.33 m/s～0.49 m/s、1.09 m/s～1.32 m/s、0.85 m/s～1.11 m/s、1.34 m/s～1.70 m/s、1.10 m/s～1.50 m/s。根据汪玲珑、田凯等人[9-10]的研究,光倒刺鲃的临界游速为（1.13±0.25）m/s,瓦氏黄颡鱼临界游速约为0.98 m/s,一般而言突进游速大于临界游速。因此7种过鱼对象的突进游泳速度范围在0.42 m/s～1.50 m/s间,建议长塘水库的短鱼道竖缝流速设计值取1 m/s。

2.2 鱼道设计方案及相关参数

综合考虑西河鱼类需求及各类过鱼措施的过鱼效果[11-13],本工程采用短鱼道+固定门架启闭机提升过坝方案来实现过鱼。

短鱼道由诱鱼系统、进口、普通池、休息池、赶鱼栅池、集鱼池和消力池等组成,见图1。短鱼道总长58.40 m,进口闸门控制段长5.4 m（i=0）,直线段长21.6 m（i=2.5%）,后接132°的转弯段,随后上游集鱼槽均为平坡段（i=0）。消力池池宽2 m,池长7.4 m。

图1 长塘水库工程位置示意图

鱼道池室结构采用同侧竖缝式,竖缝宽0.365 m。根据本工程目标鱼类情况,鱼道宽度取2 m,鱼室长度为2.7 m,沿程共设7个鱼室。

整个系统的运行过程为：潜水泵引水管从尾水渠引水,水流顺鱼道流向下游,最终由鱼道诱鱼口流出。鱼类进入诱鱼口沿鱼道上溯游入赶鱼栅池；通过赶鱼栅将鱼类赶入集鱼箱；利用集鱼池上部排架的电动葫芦带动自动抓取设备,将集鱼箱提升并运至运鱼轨道始端的运鱼车上,运鱼车沿着运鱼轨道将鱼运至坝脚,再由坝顶的固定门架启闭机,吊运集鱼箱至坝前运鱼船,由运鱼船将鱼运送至上游库尾,将鱼类放生,完成鱼类洄游过坝的需求。

图2 短鱼道立面图

2.3 设计运行水位

鱼道进口底板高程为142.0 m。为保证过鱼效果,鱼道内需保持一定水深,143.0 m为最低运行水位。泄洪期间鱼道不运行,故机组满发时水位即为设计最高运行水位,根据坝址流量-水位关系及机组满发流量,确定最高运行水位为143.64 m。

3 模型构建

3.1 控制方程

本文研究的问题属于不可压缩流体的湍流流动,数值模拟选用RNG k-ε湍流模型,采用VOF模型追踪自由液面,控制方程如下：

式中：ρ为流体密度；k为湍流动能；ui为速度张量；ε为湍动能耗散率；eff为扩散系数；Gk为湍动能 k的产生项；C1ε、C2ε均为经验常数；ak、aε为常数 1.39；t为时间；xi、xj为坐标张量。

B：VOF方程：

式中：F为流体体积分数；Ax、Ay、Az分别为对应 x、y、z 方向的微元面积；u、v、w对应 x、y、z 方向的流体速度；为坐标系数,且= 0；FDIF为体积分数扩散项；FSOR为体积分数密度源项；R为系数,采用直角坐标时为常数；UF为扩散系数；CP为常数,是紊流施密特数的倒数；是动能消散系数。

3.2 计算典型区段及网格划分

本次仅对过鱼设施的涉水建筑物部分进行模拟计算,该模拟区段包括短鱼道7个过鱼池、赶鱼栅池、集鱼池和消力池,见图3。三维模型X方向0～50.61 m,Y方向0～28 m ,Z方向0～17.79 m,用有限差分法对模型进行离散求解,能大大减少网格数量,采用六面体结构化网格,设2个网格区块（图3）,区块 1 单元尺寸 0.05m, x∶y∶z=1∶1∶1,共计 9004800 个网格；区块 2 单元尺寸 0.1m, x∶y∶z=1∶1∶1,共计 6048000 个。

图3 短鱼道+升鱼机涉水部分三维整体模型

3.3 边界及初始条件

区块1的Xmin、Xmax、Ymin、Ymax均采用对称S边界,Zmin为墙体边界,Zmax为空气压力边界,给定大气压标准值；区块Xmin为压力出流边界,根据不同工况控制水深分别为1.64 m和1.00 m。Zmin为墙体边界,Zmax为空气压力边界,Xmax、Ymin、Ymax均采用对称S边界。进水端,补水管采用DN500管,在该处设置源,给定入流流量。为加快模型计算收敛,在区块2范围设置初始水体区域,初始水体水深与鱼道进口处水深一致。

图4 模型边界设置

3.4 模拟工况

工程为从电站尾水处抽取水体对鱼道内进行补水。为形成鱼道内较好的水流条件,补水流量应根据鱼道进口处水位进行调整。本次主要分析鱼道进口处水位分别为机组满发时水位143.64 m与鱼道最低运行水位时143.00 m的鱼道内部水流情况,具体见表1。

表1 三维模拟计算工况

4 结果分析

为详细了解鱼道内部流场情况,根据水深情况本项目对工况1、2按Z=4.8 m进行流场进行剖切,对工况3按Z=4.4 m进行剖切。短鱼道、赶鱼槽、集鱼槽及消力池三维整体流速分布见图5。

图5 工况1三维整体流速分布

4.1 机组满发时鱼道流场分析

（1）工况1

3台机组满发,当补水流量为0.80 m3/s时,模拟段最大流速为4.21 m/s,主要分布在消力池中。该流量下,消力池与集鱼槽隔墙上方水深厚约0.10 m,集鱼槽部分流速较小约为0.3 m/s～0.4 m/s,紊动能为0.02 m2/s2,集鱼槽道赶鱼槽的突变段紊动能为0.06 m2/s2～0.05 m2/s2（图8）,一般认为紊动能0.05 m2/s2对鱼类的影响较小。赶鱼槽水流较为平顺,与鱼道连接段水流无明显突变。而短鱼道中竖缝的流速最高达1.3 m/s,其它多处于1.20 m/s,高于设计流速1 m/s,且流线不平顺,竖缝处水有对冲墙体现象,不利于鱼类洄游上溯。

图6 工况1切片流场

图7 工况1短鱼道切片流场

图8 工况1赶鱼槽、集鱼槽及消力池切片流场及紊动能分布

（2）工况2

3台机组满发,当补水流量为0.65 m3/s时,模拟段最大流速为3.43 m/s,主要分布在消力池中。该流量下,消力池与集鱼槽隔墙上方水深厚约0.05 m,有一定的跌水现象。集鱼槽部分流速有所增大,约为0.7 m/s～0.8 m/s,紊动能为0.02 mm2/s2～0.04 m2/s2,集鱼槽道赶鱼槽的突变段紊动能为0.06 m2/s2～0.05 m2/s2（图11）。赶鱼槽水流较为平顺,与鱼道连接段水流无明显突变。短鱼道中竖缝的流速最高达1.10 m/s,其它多处于1.00 m/s,与设计流速1m/s相符,流线相对完整,有利于鱼类洄游。机组满发下,补水流量0.65 m3/s较为理想。

图9 工况2切片流场

图10 工况2短鱼道切片流场

图11 工况2赶鱼槽、集鱼槽及消力池切片流场及紊动能分布

4.2 最低运行水位时鱼道流场分析

下游水位为143 m时是鱼道运行的最低水位,通过设置补水流量0.65 m3/s,分析内部流场特征。由图可知,此时模拟段最大流速为5.73 m/s,由于流量较小,消力池与集鱼槽间出现跌水现象,此处的流速最高。集鱼池部分流速有所增大,达为 2.7 m/s～2.8 m/s,紊动能为 0.24 m2/s2～0.28 m2/s2,但主要集中在表面（图14）。赶鱼槽水流较为平顺,与鱼道连接段水流无明显突变。短鱼道中竖缝的流速最高仅0.8 m/s,其它多处于0.7 m/s,流线相对平滑,水深也基本满足鱼类洄游需求,该工况下补水流量0.30 m3/s较为理想。

图12 工况3切片流场

图13 工况3短鱼道切片流场

图14 工况3赶鱼槽、集鱼槽及消力池切片流场及紊动能分布

5 结论与建议

（1）通过三维数值模拟计算,鱼道在电站满发水位运行时,补水流量宜小于0.65 m3/s,此时鱼道竖缝最大流速为1.10 m/s,多为1.00 m/s,流线较为平顺,有利于大部分过鱼对象上溯；鱼道在下游最低运行水位143 m运行时,补水流量宜为0.30 m3/s,此时竖缝最大流速为0.80 m/s,多为0.70 m/s,流速平顺,除大刺鳅外,可兼顾本工程的所有过鱼对象克流上溯需求。综上,鱼道的运行补水流量应维持在0.30 m3/s～0.65 m3/s间。

（2）同时,因大刺鳅的突进游速较小,游泳能力较弱,仅0.42 m/s,与其它过鱼对象的游泳能力差异太大。设计工况下的竖缝流速对其会形成流速阻碍,建议专门制定大刺鳅过坝技术研究。