黎賢訪
(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北 武漢 430010)
金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段,工程任務(wù)以發(fā)電為主,兼有供水、改善城市水域景觀及對下游水電站的反調(diào)節(jié)作用等。攔河筑壩勢必阻斷魚類在金沙江的洄游通道,造成魚類生存環(huán)境破碎,需在樞紐中布置魚道等過魚設(shè)施。
魚道利用魚類喜迎逆流的生物學(xué)特性,使用多級隔板阻流在通道形成適宜的流速區(qū),以誘導(dǎo)魚類上溯。魚道過魚的水流條件涉及水深、寬度、流速、流態(tài)、泥沙含量、水質(zhì)等諸多因素,其中水力特性以考察流速分布和流場形態(tài)為主。20世紀80年代,Rajaratnam等[1-2]通過試驗研究了豎縫式魚道水池長寬比、水池底坡坡度與水流流態(tài)的關(guān)系。法國的Larinier等[3]提出了魚道水池單位體積消能率的概念,以表征魚道中水流的紊動強度。目前,國內(nèi)外學(xué)者基于CFD數(shù)學(xué)模型針對魚道水力特性的研究逐漸豐富[4-5],為合理布置魚道提供了有益的啟示。
結(jié)合國內(nèi)外魚道水力學(xué)研究成果[6-8],以金沙水電站魚道初步設(shè)計型式為原型建立CFD數(shù)學(xué)模型[9],模擬魚道水流的流場形態(tài)及流速分布,分析魚道布置型式的合理性。
根據(jù)文獻資料,金沙江中游干支流分布有魚類149種,特有魚類52種。金沙水電站主要過魚對象有胭脂魚、圓口銅魚、長薄鰍、長鰭吻鮈、巖原鯉、鱸鯉、四川白甲魚等。針對上述魚類的游泳能力進行室內(nèi)試驗,結(jié)果如表1所示。
魚道的設(shè)計流速主要根據(jù)主要過魚對象的克流能力而定,金沙江中下游主要魚類的初步克流能力試驗成果表明,魚類上溯的臨界流速約1.5 m/s。參考上述試驗結(jié)果,金沙水電站魚道的設(shè)計流速取1.1 m/s。
根據(jù)樞紐的調(diào)度方案,設(shè)計魚道運行水深在1.5~3.0 m之間。魚道斷面為矩形,為兼顧表層、中層和底層魚類上溯,采用同側(cè)豎縫式隔板;過魚池底板為斜坡,坡比 i=1∶58;魚道凈寬B取3.0 m。魚道隔板等間距分布;魚道池室長度(亦即隔板間距)按l=(1.2~1.5)B計算,取3.6 m;豎縫導(dǎo)向角為45°。初步設(shè)計得出的魚道隔板型式及尺寸如圖1所示。
表1 臨界速度測試樣本及測試結(jié)果
圖1 隔板型式及尺寸(單位:mm)
垂直豎縫式魚道的流量按式(1)作近似計算[4]。計算得出,魚道的流量在0.430~0.993m3/s之間。
式中,Q為魚道流量,m3/s;μ為 垂直豎縫的流量系數(shù),取值范圍0.65~0.85;b為豎縫寬度,m;H1為豎縫上游的池室水深,m。
魚道水流的湍流強度過大,對魚類的上溯游動產(chǎn)生不利影響。為確保水池中的低湍流度流動,水池的大小滿足容積功率耗散E<150 W/m2。魚道池室的容積功率耗散的計算公式[4]為
式中,E為容積功率耗散,W/m2;ρ為水的密度,kg/m3;B為過魚池寬度,m;hm為水池中的平均水深,m;lb為過魚池長度,m;d為隔板厚度,m。按式(2)計算得出魚道池室的容積功率耗散約為21.76W/m2,紊動不劇烈,適合魚類上溯。
3.1.1 控制方程組
基于RNG k-ε湍流方程[5]建立魚道連續(xù)池室的數(shù)學(xué)模型,控制方程組如下:
動量方程:
式中,ui、uj為流體微元的速度分量;P為流體的壓強;ν為流體的運動黏度;k為紊動動能;ε為紊動耗散率;μeff為等效紊動粘度;Gk為平均速度梯度引起紊動動能k的源項;Gb為浮力引起紊動動能k的源項;YM為可壓縮紊流中脈動擴張對整體紊動耗散率的貢獻;C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù);σk、σε分別表示與k、ε對應(yīng)的prandtl數(shù);Sk、Sε為自定義源項;Rε為增項。
3.1.2 計算網(wǎng)格、邊界條件及數(shù)值方法
方程的離散采用四面體網(wǎng)格的有限體積法,并在豎縫周邊區(qū)域進行局部加密處理,如圖2所示。
圖2 計算網(wǎng)格
模型上游、下游邊界分別采用魚道設(shè)計流量和設(shè)計水深;過魚池上部出口的運動流體為空氣,采用恒定壓力邊界條件p=0;池室邊壁采用無滑移壁面條件。過魚池自由水面模擬使用VOF法[8]。壓力計算采用PRESTO格式插值,動量、體積分數(shù)等均采用一階迎風(fēng)格式插值,壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。模型數(shù)值計算的時間步長取0.1 s,計算歷時延長至流量、水位計算結(jié)果基本恒定。
取魚道最大設(shè)計水深Hmax=3.0 m和最小設(shè)計水深Hmin=1.5 m兩組工況開展數(shù)值模擬。對計算結(jié)果截取平行于魚道底面的斜截面作分析,斜截面相對池底的高度與設(shè)計水深之比h/H分別為0.2、0.5、0.8。斜截面流速等值線如圖3所示。
根據(jù)模擬結(jié)果,過魚池水流呈現(xiàn)如下特征:①相鄰過魚池的流速分布相似,豎縫泄流沿疏縫導(dǎo)向前進,兩側(cè)形成比較明顯的回流區(qū);②相鄰豎縫泄流的主流區(qū)域首尾相連,形成了明顯“S”形的主流速區(qū);③上、中、下層截面的流速分布形態(tài)基本相同;④池室水深1.5 m相對池室水深3.0 m,流速分布形態(tài)相似,豎縫流速較大。
沿豎縫垂向中心線的流速分布見圖4,可知,流速大小隨水深增加逐漸增大;H=1.5 m時,豎縫流速為0.81~1.40 m/s;H=3.0 m時,豎縫流速為0.73 ~1.08 m/s。
計算結(jié)果表明:①豎縫流速未超過1.5 m/s,魚類可以克流上溯;②豎縫流速呈“表層小,底層大”的漸增型分布,適合不同游泳能力的魚類分層通過;③豎縫間水流形成連貫的主流區(qū),可以誘導(dǎo)魚類連續(xù)上溯;④水深較小時,豎縫流速相對較大,不利于游泳能力較弱的魚類上溯。
圖3 流速等值線
基于金沙水電站水情及魚類資料,對金沙水電站魚道開展了水力學(xué)設(shè)計,并建立CFD數(shù)學(xué)模型對魚道水流作數(shù)值模擬和分析。根據(jù)計算結(jié)果,魚道豎縫的最大流速低于魚類的極限流速,過魚池段形成了適宜不同游泳能力的魚類上溯的連貫通道。研究表明,金沙水電站魚道的初步設(shè)計型式和尺寸較合理,滿足魚類上溯的水力學(xué)要求;魚道在幼魚上溯期間,宜增大池室的水深。
圖4 沿豎縫垂向中心線流速分布
[1]RAJARATNAM N,Van der VINNE G,KATOPODIS C.Hydraulics of Vertical Slot Fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering,1986,112(10):909-927.
[2]RAJARATNAM N,KATOPODIS C,SOLANKI S.New designs for vertical slot fishway[J].Journal of Civil Engineering,1992(19):402-414.
[3]LARINIER M,TRAVADE F,PORCHER J P.Fishways:biological basis,design criteria and monitoring[M].Food and Agriculture Organization of the United Nations,2002:54-57.
[4]徐體兵,孫雙科.豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報,2009,40(11):1386-1391.
[5]曹慶磊,楊文俊,陳輝.同側(cè)豎縫式魚道水力特性的數(shù)值模擬[J].長江科學(xué)院院報,2010,27(7):26-30.
[6]SL 609—2013 水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則[S].
[7]德國水資源與陸地改良學(xué)會.魚道——設(shè)計、尺寸及監(jiān)測[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2009.
[8]徐海洋,魏浪,趙再興,等.大渡河枕頭壩一級水電站魚道設(shè)計研究[J].水力發(fā)電,2013,39(10):5-7.
[9]王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[10]郭堅,苪建良.以洋塘水閘魚道為例淺議我國魚道的有關(guān)問題[J].水力發(fā)電,2010,36(4):8-10,19.