0 引 言

随着经济的发展，我国对水资源的开发和治理力度不断加大，江河上大坝及其他水利工程设施的修建，极大增强了水资源的调控和利用能力，但工程的阻隔导致河流连通性受损、生境条件改变、生态环境负效应。在水利建设中重视保护洄游性水生生物的洄游路线，对实现水利的可持续发展，实现人与自然和谐共处具有重要意义。鱼道是帮助鱼类顺利通过闸坝等障碍物的专用设施，在维系河流连续性与生物种群交流方面具有重要作用。

鱼道进口宽度相对于河流而言非常狭小，国外称鱼道工程为“针眼工程”,鱼道进鱼口的布置直接决定过鱼效果，布置具有很大的难度。一般而言，鱼道进口宜布置在常有水流下泄、鱼类经常聚集的地方，并避免进口附近出现泥沙淤积、旋涡、水跃和回流等现象。LINDBERG等基于CFD模型与回声探测验证鱼类的聚集区域，为鱼道入口位置的选取提供方法基础。BEAK等采用二维水流输沙数值模型，揭示鱼道进口附近流场结构和冲淤特性，验证了鱼道进口布置的合理性。龚丽等通过不同工况的试验发现鱼道进口水流存在一个最佳流速。郑铁刚等在鱼类行为学基础上，通过对水电站下游水力特性的分析，确定了鱼道进口布置区域。李广宁等提出，电站机组运行方式决定了尾水渠内主流位置，并在主流两侧形成多个回流区，主流与回流区之间的过渡区域是布置鱼道进口的重点区域。综上可见，鱼道进口流场非常复杂，与鱼类行为也密切相关，对于具体工程，必须开展专门鱼道进口布置研究，以避免鱼道进鱼口处于不利的水流条件中。

信江流域位于江西省东北部，鱼类资源丰富，经济鱼种类较多。八字嘴枢纽的建设将对枢纽区段乃至整个信江干流鱼类形成阻隔，造成生境的破碎化。为恢复鱼类洄游通道，减缓大坝阻隔对水生态及鱼类的不利影响，设计部门在枢纽总体布置规划时均设置了鱼道，过鱼保护对象主要以“四大家鱼”等经济鱼类为主，同时为原有珍稀鱼类(如鲥鱼)重新回到信江中下游创造基本条件，主要的过鱼季节为每年4—7月，鱼道设计流速在1.0 m/s左右。本研究通过建立枢纽下游河道二维数学模型，对八字嘴西大河貊皮岭坝趾下游河道的平面水流流场结构及水力特性开展研究，分析不同水位组合、不同电站机组运行工况下下游河道水流流速分布和流态，以此优化鱼道进口位置与布置型式，对不利的水流条件提出经济合理的改善措施。本研究成果可为类似工程的过鱼设施总体布置提供参考。

1 数学模型建立与验证

基于二维浅水方程建立貊皮岭坝下河道水流流场数学模型，该模型对大水域宽浅河道流场进行模拟时具有较高的计算效率。

1.1 基本方程

(1)连续方程

(2)沿X方向的动量方程

(3)沿Y方向的动量方程

式中，H、Z分别为水深和水位；u、v分别为x、y向的流速；ρ为水体密度；vt为紊动粘性系数；c为谢才系数，c=1nR16,R为水力半径；n为底床糙率；f为柯氏力系数，f=2ω sin φ,其中ω为地球自转角速度，φ为计算水域所在地理纬度。

1.2 定解条件

方程的定解条件包括初始条件和边界条件，如下所示。

(1)初始条件：

(2)边界条件：

将枢纽不同电站运行工况的下泄水流作为流量边界，河道模型下游出口断面水位作为下游边界；固定边界处设置干、湿节点并允许干湿交替，水动力计算采用法向通量为零的边界条件，只允许水流平行地沿着这些边界流动，即∂U∂n=0(U为边界水流合速度，n为固定边界法向单位向量)。

1.3 计算方法及求解过程

利用有限单元法来计算控制方程的数值解，将控制方程分别在时间和空间上进行离散，其中时间离散采用差分法；空间离散采用有限单元法。运用加权余量的Galerkin有限元方法把浅水方程离散成非线性代数方程，求解过程全部采用隐式格式，在每一时间步长上，变量表达式为：f(t)=f(0)+at+btc(t0≤t≤t0+Δt),式中字母a、b、c是常数，c为1.5,采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解。

离散区域内采用三角形6节点等参单元和四边形8节点等参单元相耦合。平面x-y上的任意四边形变换到ξ-β平面上的坐标变换式为：(x,y)=ϕT(x1,y1)。

通过转换得到正交曲线坐标系ξ-β下的河道水流平面二维有限元控制方程如下

数值求解上述基本控制方程，便可得到枢纽下游河道的二维水流流场结构。

1.4 计算范围及网格划分

八字嘴枢纽貊皮岭电站下游河道流场结构数值模拟范围为：自貊皮岭电站向下游延伸约2.5 km河道。数模模型出口布置在河道顺直段，以保证水流流场计算的准确性。在尾水渠内紊动剧烈，横向和纵向网格节点间距为1.0～2.0 m; 下游河道流速较小，紊动较弱，网格节点间距为3.0～4.0 m, 计算区域内网格单元总计3万左右。

模型计算区域地形特征、物理模型水流流速测点和网格剖分情况分别如图1和图2所示。鱼道进口位于右岸电站下游较远处的洲滩上。

图1 貊皮岭电站下游河道数模计算区域地形特征

图2 貊皮岭电站下游河道数模网格划分

1.5 模型验证

本次数学模型验证采用比尺1∶100的整体水工物理模型试验成果数据进行验证。选取10年一遇洪水(11 200 m3/s)坝下流场进行验证。物理模型试验水流流速测点如图1所示。各测点的物理模型与数学模型流速值对比如表1所列。由表1可知，数值计算和物理模型试验所得结果基本一致，枢纽下游水流流场结构整体较为平顺，仅在发电机组泄水口附近及船闸下游附近区域有涡旋乱流现象。大部分测点区域水流流速指标非常接近，平均误差6.1%,仅局部区域个别流速测点存在差异，表明本研究所建立的数学模型总体能够较好的反映原型水流的运动情况，模拟精度较高。

2 鱼道进口水流条件分析与优化

2.1 计算工况

八字嘴枢纽由东大河的虎山嘴和西大河的貊皮岭两个枢纽组成。貊皮岭电站机组装机2台，单机容量3.5 MW,总装机容量7 MW,机组满发流量为390 m3/s, 最大过机流量650 m3/s。鱼道布置于电站下游右侧洲滩上。为分析貊皮岭电站下游鱼道进口附近水流条件，根据设计部门提供的枢纽运行基本资料及鱼道的特点，考虑电站主要过鱼季节(每年4—7月)的运行工况，设置计算工况如表2所列。

2.2 鱼道进口附近水流条件模拟结果

2.2.1 鱼道进鱼口水流条件

对原地形条件下各水位组合工况进行数模计算得到的鱼道进口附近整体及局部流场结果如图3—图6所示。

图3 MD-1工况貊皮岭鱼道进口流速云图 (左侧1台机组发电泄水178.1 m3/s)

图4 MD-2工况貊皮岭鱼道进口流速云图(右侧1台机组发电泄水178.1 m3/s)

图5 MD-3工况貊皮岭鱼道进口流速云图 (2台机组发电泄水365.2 m3/s)

图6 MD-4工况貊皮岭鱼道进口流速云图 (2台机组发电泄水650.0 m3/s)

基于各水位组合工况条件下的数模计算结果，分析鱼道进口附近整体及局部流场可知，在MD-1和MD-2工况中，除电站尾水渠中流场结构有所差异，电站下游河道的水流流场结构基本一致，而鱼道原设计进口附近(原鱼道进口位于洲滩下游侧)水流流速偏小，仅为0.1 m/s左右，不利于鱼类顺利发现并进入鱼道。MD-3工况中，在电站尾水附近水流流速约0.5～0.7 m/s, 但在中部洲滩下游，原设计鱼道进口位置，水流流速依然较小，而在拟优化鱼道进口附近流速约为0.5 m/s。MD-4工况中，电站下游靠岸侧水流依然较为平顺，无回流涡旋等不良水流现象，整体水流条件较好，原设计鱼道进口位置水流流速有所增大，但仅0.3 m/s左右，相对较小，会导致鱼类无法准确找到鱼道进口位置，影响过鱼效果；而在拟优化鱼道进口附近流场较为复杂，且存在较大范围流速大于1.2 m/s的区域，流速大于鱼道设计流速，易导致其他弱小鱼类上溯困难。

综上所述，鱼道进口布置在洲滩下游侧时，各运行工况中鱼道进口附近水流流速指标均较小，进鱼口不在活水区，鱼类很难感知到进口水流流速，难以发现鱼道进口。为此，需要对鱼道进口位置进行调整。电站尾水渠附近的水流流速能较好满足鱼类上溯需求，且该位置流场平顺、流态较好，初步建议鱼道进口位置向上游移动至电站尾水附近。而前述研究成果表明，如仅将鱼道进口位置上移在大流量工况无法很好地满足鱼道设计流速以及兼顾其他弱小鱼类，因此鱼道进口位置调整后还需对尾水渠下游区域进行开挖(ND-5—ND-6)。鱼道进口位置调整后的计算工况如表3所列，调整后鱼道进口位置如图7所示。

图7 鱼道进口位置向上游偏移示意(单位：m)

2.2.2 鱼道进鱼口前移方案

将鱼道进口布置上移后，重新计算坝下流场分布。结果表明，MD-1—MD-3工况下，鱼道进口附近水流较为平顺，流态较好，流速约为0.5～0.7 m/s, 能够较好地满足鱼类上溯需求，同时借助电站下泄水流的诱鱼作用，可显著提高过鱼成功率；但在MD-4工况时，电站下泄流量较大，在电站尾水下游侧，鱼道进口附近存在流速达到甚至超过1.20 m/s的区域范围，在实际运行过程中，这一区域很可能成为鱼类上溯的“流速屏障”,因此需要进行进一步优化调整。

2.2.3 鱼道进口前移+局部小开挖方案

为了降低大流量下鱼道进鱼口流速，尝试在MD-4方案基础上，将电站尾水下游侧长约80余米范围内地势较高的区域进行开挖，即工况ND-5。将电站尾水下游侧长约80余米范围内地势较高的区域进行开挖，开挖范围如图8所示，开挖后地面高程5.0 m。

从图9可以看出，采取ND-5方案后，鱼道进口附近流速约为1.0 m/s, 鱼道进口附近大于1.20 m/s流速区域显著减少，存在水流流速小于1.20 m/s的上下贯通的通道。由流速矢量图可知，电站尾水渠及鱼道进口处水流平顺，流态较好，无明显乱流、涡旋的现象。但鱼道进口附近总体流速大于鱼道设计流速1.0 m/s, 且难以兼顾其他弱小鱼类上溯，为此，需要对ND-5方案进一步优化。

图8 优化调整方案1开挖范围示意(单位：m)

图9 ND-5工况貊皮岭鱼道进口流场 (2台机组发电泄水650.0 m3/s)

2.2.4 鱼道进口前移+局部大开挖方案

在ND-5工况的基础上，鱼道进鱼口附近仍存在较大范围水流流速大于1.0 m/s的区域，因此本研究开展了ND-6方案的研究。该方案与ND-5工况的开挖范围基本一致，为电站尾水下游侧长约100 m, 将开挖后地面高程定为4.0 m, 与电站尾水池护坦高程一致(见图10)。

流场计算结果如图11、图12所示。由图11、图12可知，采取ND-6优化调整方案后，鱼道进口附近流速约为0.9 m/s, 流速大于1.0 m/s的范围进一步减小，流场结构也相较ND-5工况更加简单，流速分布更加均匀，鱼道进口附近水流流态较好，水流平顺，无明显涡旋乱流现象，沿河道方向存在流速小于1.0 m/s的上下贯通的通道，能够更好地满足鱼类上溯需求。

图10 优化调整方案2开挖范围示意(单位：m)

图11 ND-6工况貊皮岭鱼道进口流速云图(2台机组发电泄水650.0 m3/s)

图12 ND-6工况貊皮岭鱼道进口流速矢量图 (2台机组发电泄水650.0 m3/s)

3 结 论

本研究针对貊皮岭电站不同运行工况下鱼道进口附近水流流场结构进行了数值模拟，结合物理模型试验结果对数学模型的有效性进行了验证，并针对鱼道进口布置存在的问题提出了合理可行的调整改善措施。所得主要结论如下：

(1)在枢纽各运行工况下，鱼道原设计进口附近河道流场结构较为平顺，但流速偏小，不利于鱼类发现并顺利进入鱼道；

(2)将鱼道进口位置向上游移动至电站下游活水区域，可有效借助电站下泄水流进行诱鱼，提高过鱼效率。调整后，MD-1—MD-3工况下，鱼道进口附近水流较为平顺，流态较好，能够满足鱼类上溯需求；但在MD-4工况时，鱼道进口附近存在流速达到甚至超过1.20 m/s, 将成为鱼类上溯的“流速屏障”,需要进行优化调整；

(3)通过两种开挖方案的对比发现，ND-5方案时，鱼道进口水流条件得到较大改善，但依然存在“流速屏障”,考虑兼顾其他弱小鱼类，建议采用推荐方案ND-6方案。

(4)通过将鱼道进口调整至活水区域，并进行局部开挖调整鱼道进口流速，使得鱼道进口水流既可以被鱼类感知，亦不形成鱼类难以逾越的“流速屏障”,可保障鱼道进口水流条件满足诱鱼需求。该方法可供其他类似鱼道工程参考。

作者简介：

黄勇(1987—),男，工程师，学士，主要从事鱼道设计的研究。E-mail:674762586@qq.com;

*祝龙(1988—),男，高级工程师，博士，主要从事鱼道水力学研究。E-mail:zhulong@nhri.cn;

引用：

黄勇, 祝龙, 詹雅雯, 等. 貊皮岭水电站鱼道进口布置论证与优化[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(10): 89- 99.

HUANG Yong, ZHU Long, ZHAN Yawen, et al. Demonstration and optimization of fishway entrance layout of Mopiling Hydropower Station [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(10): 89- 99.