引绰济辽工程鱼道进口补水消能形式选择

宋建臣，银佳男

（1.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司,内蒙古 兴安盟 137400；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 概述

引绰济辽工程是从嫩江支流绰尔河引水到西辽河，向沿线城市及工业园区供水的大型引水工程，由文得根水利枢纽和输水工程组成。文得根水利枢纽由沥青混凝土心墙砂砾石坝（主坝）、右岸岸坡溢洪道、左岸引水发电兼灌溉系统、副坝及左岸鱼道等建筑物组成，工程规模为Ⅰ等大（1）型。

鱼道实际运行过程中，内部流量小，平均流速低，难以在进口形成流速优势诱鱼，当鱼道进口区域水流流速小于鱼类感应流速时，通常采用补水等措施增加进口局部流速，以诱导鱼类进入鱼道。但补水水体会紊乱鱼道内的流态，对鱼类洄游产生影响，故对鱼道进口的补水进行消能以平稳局部流场是十分必要的。

2 鱼类时空分布

绰尔河文得根水库河段共分布鱼类16 种，隶属于5 目6 科16 属16 种。通过水声学调查结果显示，该河段鱼类主要分布于水深2.0～3.0 m 水层，体长范围为1.55～40.19 cm，以小型鱼类为主，体长大多不超过6.00 cm。黑龙江、黑龙江花鳅、鲇、瓦氏雅罗鱼、犬首和洛氏为该河段渔获物的主要经济鱼类。

根据该流域鱼类调查资料[1]，主要过鱼对象哲罗鲑、细鳞鲑、黑龙江茴鱼繁殖季节为4—5 月，瓦氏雅罗鱼繁殖季节为4 月左右，黑斑狗鱼繁殖季节为4—6 月，江鳕繁殖季节为12 至次年4 月，因此，该工程的重点过鱼季节为4—8 月，秋季还可能有少量个体产卵。

3 鱼类游泳能力

鱼类游泳能力的主要指标有2 类，一是趋流特性，指鱼类对水流的趋向性及感应敏感程度，一般以感应流速为指标；二是克流能力，是鱼类克服一定流速水流的能力，一般以临界游泳速度、突进游泳速度为指标。文得根水库河段主要鱼类游泳能力见表1。

表1 文得根水库河段主要鱼类游泳能力m/s

鱼类在通过过鱼孔或者竖缝时一般运用突进游泳速度，而在池室中主要以持续游泳速度进行巡游。鱼类在持续游泳模式下可以保持相当长的时间而不感到疲劳，其持续时间通常以大于200 min来计算，此时，鱼类通过有氧代谢来提供能量使红肌纤维缓慢收缩，进而推动鱼类前进。在单个池室中，流速大于临界游泳速度上限的面积及小于感应流速中值的面积之和不应大于单个池室总面积的1/2。文得根水库河段中过鱼对象的临界游泳速度的95%上限值为1.02 m/s，感应流速的中值为0.09 m/s。

4 鱼道基本信息

文得根水利枢纽总库容19.64 亿m3，校核洪水位（P=0.02%）为379.80 m，设计洪水位（P=0.20%）为377.70 m，正常蓄水位377.00 m，死水位351.00 m。上游鱼道设置7 个出口，底高程分别为365.50，367.00，368.50，370.00，371.50，373.00，374.50 m。鱼道梯身建筑物级别为3 级。沥青混凝土心墙砂砾石坝、岸坡溢洪道、副坝、鱼道防洪闸校核洪水标准采用5 000 年一遇（P=0.02%），设计洪水标准采用500 年一遇（P=0.20%）。

文得根水利枢纽鱼道为隔板竖缝式，单个池室长2.50 m，净宽2.00 m，竖缝宽0.30 m，池内正常运用水深1.00～2.50 m，底纵坡为1∶60，设计流量为0.49 m3/s；在尾水渠内设置一个进口，进口底板高程为334.10 m；进口补水消能池长6.00 m，深3.00 m，净宽2.00 m，补水管径为0.70 m，最大设计流量为1.00 m3/s，补水管中心线距消能池底1.50 m；河道水位相对鱼道进口底板水深变化范围为0.65～1.56 m。

5 数学模型建立

鱼道进口补水消能段存在射流、涡流等流态，所含水力学信息较为丰富，为了全方位捕捉到鱼道进口补水消能段丰富的水力信息，将通过三维数学模型计算鱼道内水力学工程模型[2]。

连续方程：

动量方程：

紊动能k方程：

紊动耗散率ε方程：

紊动粘度μt：

平均速度梯度引起的紊动能产生项G：

式中：ρ和μ分别为体积分数平均的密度和分子粘性系数；t为时间，s；xi，xj为不同方向变量；μi，μj为不同方向的分子粘性系数，m/s；p为压力；Cμ为经验常数，取Cμ=0.09；σk为紊动普朗特数，取σk=1.0；C1ε和C2ε为ε方程经验常数，取C1ε=1.44，C2ε=1.92。

自由表面采用VOF（The Volume of Fluid）方法，在空间上定义函数F，全含水为1，不含水为0，当边界条件为自由表面时，0 ＜F＜1。函数F是空间和时间的函数，即F=f(x，y，z，t) ，可以理解为固结在流体质点上并随流体一起运动的没有质量和粘性的染色点的运动，其输运方程：

采用有限差分方法进行离散求解，上边界条件为流量，下边界条件为鱼道水深；鱼道顶面边界设置为压力进口，相对压强值设置为0，以便空气可自由出入；固体边界采用无滑移条件；进出口的k和ε由下列经验公式得出：

式中：L为紊流特征长度。补水管进口边界条件为补水流量。

6 紊动能

水流流速矢量体现了鱼的趋流特性，决定了鱼的上溯方向，而对于局部空间内鱼的游泳运动行为，紊动能可能是影响更直接的水力因子。紊动能表示流体紊动所携带的动能量，反映了流体紊动的强弱，相关文献［3］试验结果表明，紊动能在0.020～0.035 m2/s2之间利于鱼类上溯。紊动能TKE表达式如下：

式中：u′x，u′y，u′z分别为沿x，y，z不同方向的脉动速度，m/s；u′i为脉动速度，m/s；uˉi为时间平均速度，m/s。

7 计算工况及模型

计算工况选取原则为消能不利工况和流态不利工况，根据工程经验，鱼道补水流量最大时消能不利，鱼道水深小、补水流量大时水流流态不利。因此，选取鱼道内水深1.00 m、河水位相对鱼道进口底板水深1.56 m 时的工况，采用不同形式的消能盖板进行模拟。计算工况：工况1 为补水消能池不加消能盖板；工况2 为补水消能池顶一侧加消能盖板，板厚0.20 m、长3.00 m；工况3 为补水消能池顶加消能盖板，盖板等间距加缝，缝宽0.50 m；工况4 为补水消能池顶加消能盖板，盖板不等间距加缝，缝宽0.10～0.30 m。

8 计算结果

通过数学模型研究4 种工况下补水后水流的紊动能及流场分布情况，计算结果分析如下。

1）工况1，鱼道进口典型纵剖面流场计算成果见图1。补水管补水流量进入消能池，因水流方向与消能池底板垂直，补水水流冲击消能池底板后，一部分水流沿着补水管外侧贴近边壁做垂向向上运动，大部分水流顺水流方向向下游运动，受消能池升坎的影响，水流贴升坎做垂向向上运动。水流沿2 个方向的垂向向上运动带动2 个方向的回流，补水管外侧贴近边壁向上运动的水流沿横向在2个补水管中间形成比较明显的垂向向下运动的回流，而贴升坎做向上运动的水流沿水流方向形成比较明显的垂向向下运动的回流，并且回流影响范围较大。

图1 工况1 纵剖面面流场（单位：m/s）

鱼道进口典型平面流场计算成果见图2，在补水消能池的首部和尾部附近分别存在一个流速对冲区和流速分离区。消能池首部在补水管下游附近断面的流速对冲区是因鱼道水流遭遇贴近升坎上升水流所产生的回流而引起的，消能池尾部附近的流速分离区是因升坎上升流及其产生的回流分离所产生的。不同水深处平面流场都比较紊乱，不利于鱼类洄游。需要进一步优化补水消能池的方案，获得平顺的水流流场分布。

图2 工况1 平面流场（单位：m/s）

2）工况2，补水消能池顶一侧加3.00 m 长盖板，不同水深平面流场分布均比较紊乱，不利于鱼类洄游。工况4，补水消能池顶加盖板，盖板缝宽不均匀分布，底层平面流场比较紊乱，不利于诱鱼。

3）工况3，鱼道进口典型纵剖面流场见图3，平面紊动能见图4。鱼道纵剖面流场方面与其他工况相比，各出水缝出流流速相对均匀；鱼道平面流场方面，鱼道近底部因受出水缝出流影响，局部流场相对比较紊乱，但大部分区域流场平顺。随着水深的增加，鱼道上部平面流场受出水缝出流影响较弱，流态平顺。鱼道平面紊动能方面，加盖板后鱼道进口平面流场有适宜鱼类洄游的通道，从鱼道近底层至近表层，补水管下游绝大部分面积平面紊动能为0.020～0.030 m2/s2。相比其他消能形式方案，工况3 鱼道内具有适宜鱼类洄游水流条件，为推荐方案。

图3 纵剖面流场（单位：m/s）

图4 平面紊动能（单位：m2/s2）

9 结语

在消能池顶部设置消能盖板，补水水流自盖板间的缝隙进入鱼道，强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团。涡团尺度变小后，粘性切应力比较容易将紊动能转化成流体内能而耗散掉，使鱼道内的紊动能降低；另外，通过调整盖板的缝宽，使补水出流相对均匀，也可降低鱼道补水水流的紊动能，有利于鱼类洄游。

此次数学模型的研究，为下一步物理模型试验验证、设计优化提供了依据，此设计方法可为同类型鱼道进口补水消能设计提供借鉴。