老龙口水利枢纽工程鱼道数值模拟及结构优化探讨

苏蔚 白晓 李鑫

（四川大学水利水电学院 四川 成都 610065）

鱼道是供鱼类上溯洄游通过水坝、水闸等障碍物的人工通道，可沟通因拦河坝(闸)等修建而被阻断的河流生态系统。随着人们环保意识的强化，鱼道作为一项协调水利工程建设与环境保护关系的生态措施而日益得到重视。老龙口水利枢纽工程鱼道是我国第一座通过大马哈鱼的鱼道，也是我国目前水头差最大的鱼道和底坡最陡的鱼道。本文采用数值模拟手段，对该鱼道内部水力学特性进行研究，从理论上分析其过鱼能力，并结合《水利水电工程鱼道设计导则（SL609-2013）》相关规定及鱼道相关研究，对竖缝式鱼道结构优化进行探讨，提出了优化建议。

1 概述

1.1 工程简介

老龙口水利枢纽工程位于珲春河中下游，坝址位于吉林省延边朝鲜族自治州珲春市哈达门乡老龙口村。该工程是以防洪、供水为主，结合灌溉兼顾发电的综合利用工程。水库正常蓄水位为109.0m，死水位为99.0m。主汛期汛限水位为107.0m，后汛期汛限水位109.0m。枢纽工程主要由土石坝、岸边溢洪道、引水隧洞、电站厂房及鱼道组成。鱼道布置在溢洪道内侧，采用同侧竖缝式鱼道。该工程于2005年9月开工，2012年02月建成并投入使用。

1.2 鱼道主要设计参数[1][2][3]

珲春河主要洄游鱼类为马苏大麻哈鱼、麻哈鱼、驼背大麻哈鱼、日本七鳃鳗等。每年8月～10月为主要过鱼季节，8月～9月为主要泄洪季节。一般经验，鲑鱼的极限流速为2.5m/s～3.5m/s。大麻哈鱼喜好流速1.3m/s，极限流速约5m/s左右。

鱼道设计洪水标准为20年一遇。上游水库最高过鱼水位109.0m，最低102.0m，下游最高设计正常尾水位82.0m，最低81.0m,最大水位差28.0m。鱼道设三个出鱼口，控制上游水位变幅为102.0m～109.0m。进鱼口底高程为78.1m，进鱼口设计正常运行水深2.9m～3.9m。上下游水位变幅较大，适宜采用竖缝式鱼道。

鱼道净宽为2.5m，鱼道每级净长为3.0m，鱼道净深为3.5m。鱼道的坡度为1/16，鱼道垂直竖缝的宽度为0.32m。进水口的前五级鱼池平面图见图1。

2 数值模拟

采用Fluent软件进行数值模拟。本文研究的问题属于不可压缩流体的湍流流动，选用标准k-ε模型。

2.1 控制方程

动量方程：

k-ε方程：

图1 进水口平面布置图

图2 网格划分示意图

图3 流速场

图4 鱼道内流线图

图5 理想的水流结构图

表1 鱼道体形尺寸合理范围判定表

2.2 计算区域与网格划分

已有研究表明[4]，竖缝式鱼道的水流特性有典型的二元特性，此处选取二维模型进行计算。计算区域选取水入口的前五级鱼池，见图1。

划分网格在水池内采用四边形网格(Quad,Map)，挡板倒角部分区域采用三角形网格(Tri,Pave)，见图 2。

网格划分时采取分块划分方法，未采用加密技术。

网格质量检查：质量最差网格EquiSize Skew值达到0.8，但这些网格只出现在挡板倒角尖端，其它所有区域相应值近似为0（最佳）。所以认为网格划分基本满足要求。

2.3 边界条件及湍流参数设置

设定水进口为速度入口（VELOCITY_INLET),水出口为自由出流（OUTFLOW），其它为壁面（WALL）。

2.4 计算方法

压力速度耦合采用SIMPLE算法。计算工况为鱼道正常运用状态，入口流速为2.1m/s，出口为自由出流。

3 模拟结果及分析

3.1 流速场分析

鱼道流速场分布如图3。鱼道内竖缝处最大流速为2.86m/s，满足大马哈鱼的冲刺速度（小于3.5m/s)，目标鱼类采用冲刺速度可以通过竖缝。

由流速场分布，每一级鱼池长挡板后水流速都小于10的0次方数量级，挡板形成的角落近似为静水区，可供鱼休息。所以可不建休息池以节省投资。

从速度角度分析，该鱼道满足目标鱼类的过鱼条件。

3.2 水流结构分析

由鱼道内流线图（图4），水流由入口进入第一级鱼池，在入口两侧各形成一个回流区。主流从竖缝流出后,在导板作用下,偏向水池中央,当接近下一道竖缝时,受到导板的作用,又折向竖缝。经过每一个竖缝后，每一个隔板处，在主流两侧各存在一个回流区,左侧回流为逆时针方向,右侧回流为顺时针方向。

根据相关研究[5]，较理想情况下主流分布区域更趋于集中，回流区分布更有利于鱼类休息，其理想水流结构应如图5所示。

但从老龙口鱼道水流结构流线图（图4）可以看出，流线图中主流分布区域过大，难以满足主流大体上居于鱼道水池中央处的条件。回流区分布在鱼类通过竖缝前，竖缝后较远处才有回流区以供鱼休息。所以本水流结构并非最佳流态，适合鱼类上溯的水力条件不甚理想。

4 结构尺寸调整优化

4.1 鱼道体形尺寸合理范围判定

根据有关研究建议和《设计导则》相关规定等[4]，对老龙口鱼道体形尺寸合理范围判定如表1。

4.2 结构尺寸优化建议

根据上述老龙口鱼道体形尺寸判定，对其结构尺寸优化提出以下建议：

（1）导向角明显偏小，建议适当加大（由26°加大到35°），以便调整主流更趋于集中。

（2）池室单级长度偏小，建议适当加大（由3m加大到3.5m）。

（3）建议结合导向角加大和池室长度调整，以及其对流场结构分区的影响，复核导板长度。

老龙口鱼道结构优化尺寸后数值模拟分析结果，速度大小范围变化不大，但水流结构更趋于合理，与图6状态趋同性更好，主流分布区域更趋于集中，回流区分布更有利于鱼类休息。

5 关于竖缝鱼道设计优化的讨论和建议

竖缝式鱼道是目前国内普遍采用形式，竖缝式可分为同侧竖缝式、异侧竖缝式、双侧竖缝式，其中同侧竖缝式应用广泛。陕西境内汉江中上游目前规划设计的旬阳水电站、白河水电站及黄金峡水利枢纽等工程均采用同侧竖缝式鱼道。如旬阳水电站［6］鱼道平面呈盘折布置，上下游水位差最大为24m，纵坡为1/50，垂直竖缝的宽度为0.5m，净宽为2.5m，每级净长为3.0m。工程影响范围汉江中上游内共有鱼类8科42种，其中鲤科占总种数的52%，为工程影响河段的优势类群目标鱼类。设计流速不大于1.2m/s，采用钢筋砼结构。

竖缝式鱼道一般最大控制流速位于竖缝孔口处（如速度分布图3），所以竖缝处流速是竖缝式鱼道设计重要控制指标。根据《导则》附录A及实践经验，全世界约30余种淡水鱼类，95%以上喜欢2m/s以下的流速，大多数鱼类喜欢0.3m/s～1.5m/s的流速，如鲑鱼（大马哈鱼）极限流速2m以上接近或超过3m/s鱼类很少。

从鱼道数值模拟结果水流结构及流场分布，并结合有关研究［4］［5］和鱼道及水利水电工程实践经验，对竖缝式鱼道设计提出以下结构优化措施建议：

（1）采用隔板（单或两侧）预留闸孔(竖缝)技术，采用闸门或闸（删）板措施方便地完成同侧竖缝式与异侧竖缝式或双侧竖缝相互转化，特别是在原型或模型试验中，可方便进行不同竖缝布置形式方案比较。

（2）采用变宽度竖缝闸（栅）板技术，根据竖缝式鱼道实际运用观察情况，通过变宽度竖缝闸（栅）板可方便完成竖缝宽度调节（如0.2m、0.25m、0.3m、0.35m、0.4m、0.45m、0.5m等分级宽度），以便流速控制；且闸（栅）板导板侧可带导向墩头板，以便调节导向角度。变宽度竖缝闸（栅）板（带导向墩头板）也可进行工厂化生产。

（3）采用隔板微孔技术，将竖缝式鱼道隔板作成微孔板(按照水力学原理或试验确定孔径及孔位疏密分布)，在基本不改变水流结构形态（图5状态）前提下，可有效调节竖缝孔口流速。

（4）采用生态化设计技术，生态化设计的鱼道具有以下优点：软、透、和。“软”即多采用柔性的笼石和砂石作为建筑材料；“透”即柔性（散体组合）天然材料使得通道上下游及与岸坡生态系统沟通好；“和”即保护对象不仅能够过鱼，也能吸引更多水生生物（如鳗、龟、蟹、虾及青蛙、贝壳、蚌类等）通过或生息，且在两岸岸坡进行生态化处理，有利于植物生长及水生物繁衍，修复河流生态系统的连通性。

以上结构优化措施建议，可为以后竖缝式鱼道设计提供借鉴。陕西水利

[1]宋德敬,姜辉,关长涛,陈庆生.老龙口水利枢纽工程中鱼道的设计研究 [J],海洋水产研究,2008年,第 29卷,第 1期.

[2]程玉辉,薛兴祖.吉林省老龙口水利枢纽工程鱼道设计[J].吉林水利.2010,第6期(总第337期).

[3]沈时德.吉林省晖春市老龙口水库对大麻哈鱼洄游的不利影响及对策 [J].水电站设计,1997，13(3)：60～64.

[4]张国强，孙双科.竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响 [J].水力发电学报,2012,第31卷,第1期.

[5]徐体兵，孙双科.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟［J］.水利学报，2009，40(11)：1386～1391.

[6]金翌，康建民，喻卫奇等.旬阳水电站的鱼道设计[J].水力发电，2011，12：13-15．