基于CFD的高坝集鱼系统消能布置水力学性能对比研究：可调阻力边界替代消力池深度的可行性评估

《Water》：Hydraulic Performance of Energy-Dissipation Configurations for a High-Dam Fish-Lift Collection System: A CFD-Based Comparative Study

　　

摘要专业翻译 在管道补水式集鱼系统中，补水水流以高速进入集鱼系统，必须先经消力池消能；然而，传统深池需要较大的开挖方量和较高的建设成本，池顶可调阻力边界能否部分替代池深仍缺乏系统的定量评估。本文在相同入流条件下，将池顶可渗透盖板与加深池体、内部挡板两种传统措施进行定量对比，采用统一的鱼类相关指标进行评估。基于丰满水电站集鱼系统1:5.33物理模型验证的三维计算流体动力学（CFD）模型，研究了三种消能布置方案：消力池深度（2–5 m）、盖板渗透率（72%–50%）和挡板高度（1–4 m）。以鱼栅上游控制断面（X = 14 m）的流速变异系数（CV）以及集鱼斗和滞留池内的流向湍动能（TKE）为性能评估指标。结果表明：池深从2 m增加至5 m时，CV从0.31降至0.23；盖板渗透率从72%降至50%时，CV降至0.12，流向TKE降低约87%，高流速和高湍流区域被限制在消力池内；而挡板高度的影响呈非单调变化，最优高度为2 m（CV = 0.20）。总体而言，3 m深消力池配以50%渗透率盖板可获得最均匀的进流和最低的湍流强度（最大TKE约0.003 m2/s2），为鱼类在集鱼区稳定停留和上游洄游提供了更有利的条件，同时较参考方案减少2 m开挖深度；可调阻力边界可在不牺牲水力学性能的前提下部分替代池深，为坝肩开挖受限的高水头集鱼系统提供了新的设计思路。

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一、研究背景与意义

河流筑坝是淡水生态系统面临的最普遍压力之一，大坝和水电站水库切断了河流的纵向连通性，破坏了洄游栖息地，威胁到溯河洄游和河道内洄游鱼类的种群存续。仅中国已记录的水库就超过9万座。鱼类过鱼设施——鱼道、鱼闸、集鱼系统（fish lift）和鱼类运输系统——是恢复鱼类上游洄游路线的主要工程措施。当水头超过约25 m时，集鱼系统相比鱼道具有优势，因为此时鱼道的长度和水力控制难以实现，集鱼系统已在全球众多高坝工程中得到应用。

集鱼系统的过鱼效果取决于其集鱼系统的水力条件。集鱼系统一般由鱼入口、消力池、集鱼斗和滞留池组成：鱼类被入口处的诱鱼水流吸引，聚集于集鱼斗中，在滞留池内暂存后被提升过坝。研究表明，鱼类会主动回避高流速和高湍流区域，偏好低流速休息区，而过度的湍流会增加游泳的能量消耗，延迟甚至阻断上游洄游。因此，集鱼系统应在滞留区保持低而均匀的流速和弱湍流，同时在鱼入口形成可感知的诱鱼水流。在管道补水式集鱼系统中，补水水流以高速进入集鱼系统，必须先经消力池消能，消能布置因此成为控制集鱼系统水力条件的关键因素之一。

尽管计算流体动力学（CFD）已成为过鱼设施水力设计和评估的常用工具，但现有研究主要集中于鱼道，专门针对集鱼系统集鱼系统的CFD研究很少，且大多涉及鱼入口处流态的优化，对消能布置本身尚未建立系统的定量认识。在方法上，多数研究只考察单一因素，很少在同一工程对象、相同入流条件下用统一的鱼类相关指标比较多种消能措施。流速均匀性（常用变异系数CV表征）和湍流强度（常用湍动能TKE表征）常被用于评估鱼类能否稳定停留和上游洄游，但将两者同时用于消能布置选型的系统研究仍不充分。从工程角度看，池式消能在水利工程中已很成熟，但大型集鱼系统的深消力池需要在坝肩或厂房枢纽中大量开挖，建设成本和时间可观。池顶盖板和内部挡板等改造措施可在不加深池体的前提下改善流态，有减少开挖方量的潜力，但缺乏定量证据。

本研究的目的是确定消力池深度能否被池顶可调阻力边界替代，以及在统一的鱼类相关水力指标下，可渗透盖板与加深池体和内部挡板两种经典措施相比表现如何。研究回答三个问题：池深、盖板渗透率和挡板高度如何控制鱼栅上游控制断面的进流均匀性和集鱼区的湍动能；盖板能否以更浅的池体获得同等或更好的水力条件，即更小的开挖方量；哪种布置在消能效果与开挖量之间达到最佳折中。

二、主要技术方法

研究人员以丰满水电站集鱼系统为研究对象，该电站位于吉林省吉林市第二松花江上，是松花江干流骨干梯级之一。研究对象主要目标鱼种包括溯河洄游的日本七鳃鳗以及草鱼、青鱼、鲢、鳙和鳊等短距离生殖洄游鱼类，过鱼季节为5月至8月。研究人员采用FLOW-3D 11.2版本建立三维数值模型，计算域复现了集鱼系统主体及两个补水消力池。模型采用VOF方法追踪自由水面，FAVOR技术处理复杂几何边界，求解不可压缩N-S方程，湍流采用RNG k–ε模型闭合。边界条件包括补水管道入口的体积流量边界（3 m³/s）、集鱼系统入口的指定压力边界、底部和侧壁的壁面边界以及网格块间界面的对称边界。计算域采用结构化六面体网格，通过嵌套网格技术分为五个区块进行局部加密。进行了网格无关性验证，比较了约203万、596万和1062万三种网格，中网格与细网格的均方根差为0.008 m/s，约为平均流速的3%，最终选用596万单元的中网格。模型以1:5.33几何比尺物理模型进行验证，物理模型总长约21 m，采用声学多普勒测速仪（ADV）测量流速，验证工况下24个测点的均方根误差为0.04 m/s，约为实测平均流速（0.29 m/s）的14%，数值模型复现了物理模型的流速分布。共设置三个系列12个工况：池深系列（2、3、4、5 m）、盖板渗透率系列（72%、66%、60%、50%，安装于3 m深池顶部）和挡板高度系列（1、2、3、4 m，位于3 m深池中部）。所有工况采用同一运行条件：单机半发，水深4.6 m，补水流量3 m³/s。性能评估采用两个指标：鱼栅上游控制断面（X = 14 m）的流速变异系数CV和集鱼斗与滞留池中心线上的流向湍动能TKE。

三、研究结果

3.1 三种消能布置对流速分布和湍动能的影响

在池深系列中，池深2 m时控制断面（X = 14 m）的高流速区域最大且横向明显不对称；随池深增加，高流速区域逐渐收缩，5 m时最小，断面流速范围从2 m时的0.12–0.44 m/s收窄至5 m时的0.10–0.37 m/s。CV随池深增加从0.31（2 m）单调降至0.23（5 m）。在盖板系列中，在3 m深池顶部安装可渗透盖板显著减小高流速区域，且渗透率从72%降至50%时流速分布更加均匀，CV从0.23单调降至0.12，为三种布置中最低值。在挡板系列中，高流速区域的抑制在2 m时最明显，而4 m时水流被偏转并形成新的高流速区域，CV先降后升，2 m时最小为0.20，4 m时升至0.25。

沿集鱼斗和滞留池中心线（X = 15–32 m）提取的流向TKE显示，三种布置下TKE在鱼栅后急剧下降，随后在滞留池中保持低而近似恒定的值。池深系列中平均TKE随池深增加而降低，2 m与5 m之间相差约27%，3 m与4 m之间差异很小（约2%）。盖板系列中平均TKE随渗透率降低持续下降，72%与50%之间相差约87%，高TKE区域被限制在消力池内。挡板系列对平均TKE的影响最小，各高度间差异仅约6.6%。

3.2 三种消能布置的综合比较

综合考虑X = 14 m断面流速均匀性和集鱼区流向TKE，3 m深池配50%渗透率盖板表现最佳：CV最低（0.12，对比5 m深池的0.23和2 m挡板的0.20），最大TKE最低（约0.003 m²/s²，对比分别约0.009和0.010 m²/s²），且三种方案下集鱼斗和滞留池流速均未超过相应控制值。盖板方案仅需3 m池深而非5 m，即比5 m深参考方案减少2 m开挖，同时获得更好的水力性能。从流动机理看，盖板抑制了补水射流的竖向分量并减小了补水管道引起的横向偏转；挡板主要起导流作用；加深消力池主要减小竖向流速梯度。

3.3 水平面流速分布

在推荐方案及其对比案例的表层、中层和底层三个水平面上进一步考察流速空间分布。无盖板的3 m参考案例中，消力池和鱼栅前存在明显高流速区域，集鱼斗和滞留池内流速横向差异较大；5 m深池中高流速区域收缩，集鱼斗和滞留池流速分布更均匀，但需额外2 m开挖；3 m深池配50%渗透率盖板时，高流速区域被限制在消力池内，集鱼斗和滞留池三个水平面的流速均低且均匀分布，形成从鱼入口到滞留池的连续低流速带。三种方案下集鱼斗和滞留池水平面流速均未超过设计限值，盖板方案适宜流速覆盖范围最大，且无需加深池体即获得最完整的连续低流速通道。

四、讨论与结论

推荐方案（3 m深消力池配50%渗透率盖板）集鱼区的水力条件与文献报道的鱼类偏好范围一致：集鱼斗和滞留池内最大TKE（约0.003 m²/s²）低于Silva等在池式鱼道中观测到的伊比利亚鲃偏好阈值（K < 0.05 m²/s²），X = 14 m断面流速范围（0.11–0.32 m/s）与鲤科鱼类偏好流速范围（0.20–0.40 m/s）一致。CV描述流速分布的均匀性，较低的CV意味着鱼栅上游断面中接近或超过较弱游泳者爆发游速的局部峰值更少，低于可感知范围的区域也更少，更多断面处于目标鱼种可稳定停留并继续上游的流速区间。

在消能方式上，现有过鱼设施实践大致分为两条路线：一是在池内设置几何突变结构通过射流扩散和剪切消能降低流速，如竖缝式鱼道的竖缝和导板、H型和多缝鱼道的形状优化等；二是池式消能，通过池长、尾槛高度等参数控制流速衰减，代价是池体尺寸随消能需求增大。与这两条路线相比，本研究所用可渗透盖板不改变池体尺寸，而是在池顶增加可调阻力边界：盖板限制射流的竖向分量并将高TKE区域限制在消力池内，使3 m深池比5 m深池获得更均匀的鱼栅上游流速分布和更低的集鱼区TKE。从机理上看，这与池内挡板和竖缝通过局部阻力重塑流场的思想一致，区别在于作用对象从过鱼通道的池室转移到补水流的消力池，不占用过鱼通道空间。

边界阻力的大小由盖板渗透率控制：渗透率降低时，相同补水流量通过更小的开孔面积，局部流速和孔口剪切消能增加，集中射流转化为分布的低动量出流并在盖板下方停留更长时间；同时盖板抑制射流竖向分量和补水管道产生的横向偏转。但进一步降低渗透率会增大盖板水头损失和下方壅水，可能最终减少进入集鱼系统的有效补水量。在测试的72%至50%范围内，流速分布随渗透率降低而更均匀，集鱼区TKE单调降低，在最低测试渗透率（50%）时表现最佳。

从工程角度看，与5 m深参考方案相比，3 m深池配50%渗透率盖板在池深上减少2 m，同时获得更低的CV和更低的最大TKE，表明盖板并非以牺牲水力性能换取减少开挖。对高坝坝肩的消力池而言，减少2 m深度意味着开挖方量、成本和施工时间的相应减少，对坝肩地形的扰动更小；盖板采用穿孔钢筋混凝土或钢板制作，结构简单、无活动部件、维护需求低、渗透率可调，是低风险、易实施、易逆转的环保措施。

研究结论如下：增加消力池深度从2 m至5 m可单调改善鱼栅上游断面流速均匀性并降低集鱼斗和滞留池内流向TKE，但3 m与4 m之间差异很小，池深超过4 m后TKE的进一步改善趋于边际化。池顶可渗透盖板是三种措施中最有效的：渗透率从72%降至50%显著改善进流均匀性并降低集鱼区湍流，将高湍流区域限制在消力池内，在集鱼斗和滞留池中提供有利于鱼类的低流速、低湍流条件；与加深池体不同，盖板不增加开挖量。挡板高度的影响非单调且需调试：测试高度中约2 m的挡板给出最均匀的进流，而更高的挡板偏转水流并产生新的高流速区域；挡板在控制集鱼区湍流方面也不如盖板有效。三种措施中推荐3 m深池配50%渗透率盖板：与传统5 m深池相比，在减少2 m开挖的同时获得更均匀的流速分布和更低的集鱼区湍流。对坝肩开挖受限的高水头工程，这提供了一种以池顶可调阻力边界替代部分池深的设计思路。研究的主要局限包括：仅针对单一运行条件、采用无法解析非定常涡结构的RANS闭合模型、以多孔挡板近似鱼栅。将计算扩展至其他设计水深、显式解析鱼栅条以及用鱼类行为实验验证推荐方案是后续研究的方向。