胡永辉 广州市增城区河湖库管理所

何志亚 冷月华 云南省红河州水利水电勘察设计研究院

莫伟均 珠江水利委员会珠江水利科学研究院

南渡江流域位于109°～110°E、18°～20°N之间，面积7033 km2，占海南岛总面积的20.6%。流域范围涉及海口、定安、澄迈、屯昌、临高、儋州、文昌、琼中和白沙等市、县，目前南渡江上已形成梯级开发之势（图1），主要有松涛水库、迈湾水利枢纽、谷石滩电站、九龙滩电站、引水工程、龙塘水闸枢纽等工程，其中迈湾水利枢纽工程是目前南渡江唯一在建工程，工程规模为大（2）型，最大坝高为75m，按500年一遇设计，2000年一遇校核。2019年11月，生态环保部出具了《关于海南省南渡江迈湾水利枢纽工程环境影响报告书的批复》（环审【2019】142号），要求在迈湾枢纽建设升鱼机过鱼，并在下一阶段开展过鱼设施专项设计。

图1 迈湾水利枢纽位置示意图

升鱼机作为过鱼设施的一种型式，主要通过集鱼槽将鱼诱进集鱼箱，再通过垂直升降的方法实现集鱼箱的自动翻坝或车载翻坝，从而实现鱼类上行，主要应用于中高坝工程，具有占地空间小、建设费用低、适应上游水位变幅及节省鱼类过坝体能等优点。我国过鱼设施研究源于东南沿海低水头闸坝过鱼需求，因此适用于低水头的鱼道得到较多关注。另一方面，欧美等发达国家对升鱼机的起步较早，且水能开发已基本结束，进一步减少了国内升鱼机的效仿应用。根据国外学者的相关研究，过鱼效果分为过鱼效能和过鱼效率，过鱼效率=min[进口效率，通道效率]，结合洄游的方向性可知进口效率是决定过鱼效率的决定因素。因此无论是升鱼机还是鱼道，对进口的研究是近期关注的热点，主要集中在进口水动力适宜性分析以及基于声、光、电、气泡幕等辅助诱鱼方案。其中，三峡大学研究团队认为水流、声、光、气泡幕诱鱼技术在定向导鱼中均发挥着重要作用，特别是水流诱鱼是一种行之有效的诱鱼措施，而声、光、气泡幕等诱鱼技术在野外布置较困难，实际效果有待进一步验证。因此，利用鱼类的趋流天性仍然是目前过鱼设施进口布置遵循的主要原理，流场的适宜性仍然是进口位置选择的重要依据。

迈湾水利枢纽是国内为数不多的采用升鱼机的工程案例，基于其过鱼原理，无法像鱼道一样设计多进口，因此集鱼槽的有限进口位置选择尤为重要，直接决定升鱼机的过鱼效果。白濑水利枢纽工程升鱼机设计中考虑了进口位置的流场问题，但并未从电站的运行工况和水工结构上进行系统分析，本文将结合上述相关因素开展研究，通过MIK E21水动力学计算模块，提出一种适用于不同机组运行下的升鱼机集鱼槽进口布置方案，有效解决南渡江洄游鱼类受阻问题。

1.迈湾水利枢纽升鱼机工程

1.1 主要过鱼对象

根据迈湾库区及下游谷石滩库区江段鱼类资源以及其生物学、生态学特点，主要过鱼对象为花鳗鲡、日本鳗鲡、七丝鲚、鲢、鳙、草鱼以及鲌亚科和鮈亚科鱼类，其它珍稀特有鱼类和经济鱼类作为兼顾过鱼种类。

1.2 主要过鱼季节及设计运行水位

根据过鱼种类的洄游特征，结合下游拦河闸坝过鱼设施运行季节，过鱼设施运行时间暂定为4至8月。期间，坝下最低运行水位为54.37m，最高运行水位56.29m。

1.3 升鱼机初步设计方案

图2 迈湾水利枢纽升鱼机与枢纽布置关系示意图

迈湾枢纽升鱼机包括集鱼系统、运鱼系统、放鱼系统及集控系统。集鱼系统拟布置在发电厂房尾水区（集鱼槽进口有A、B、C、D四个备选点），利用厂房发电尾水的流场将鱼类诱至集鱼槽中，通过集鱼斗将鱼类从尾水渠52.0m高程提升至进厂道路78.50m高程，AGV运输车沿着厂区道路将鱼运输至18#重力挡水坝段竖井鱼梯内，鱼梯将鱼类垂直提升至坝顶113.00m高程，AGV运输车再沿着坝顶路和113.0m高程马道将鱼运输至鱼类投放点放养。

1.4 电站尾水区主要参数

迈湾枢纽引水发电系统共布置两个进水口，1#进水口和2#进水口分别布置在右岸14#和15#重力坝段上，两坝段长度均为20.0m，坝顶高程113.00m。大机组独立使用1#进水口，采用单机单管引水方式；两台小机组及生态旁通管共用2#进水口，采用一管两机引水方式。大机组额定引用流量79.10m3/s，小机组额定引用流量17.20m3/s，生态泄放流量6～8月25.9 m3/s；9～10月20.5 m3/s；其他月份10.3 m3/s。厂房大机组尾水管出口底高程为44.12m，小机组尾水出口底高程48.95m，两者均以1:3的反坡连接至52.0 m高程尾水渠，尾水渠顺河势布置，以缓坡与原河床衔接。电站在过鱼季节的运行情况如表1所示。

表1 过鱼季节电站运行情况

1.5 工程建设难点分析

根据鱼类的洄游习性与枢纽水工建筑物的结合程度拟设有4个进口位置（ABCD），各有优缺点（表2），如何在过鱼季节实现最大效率的过鱼，以流场的适宜性论证升鱼机集鱼槽进口位置合理性是本项目的主要难点。因此，本项目选定升鱼机集鱼槽进口位置的原则为：选定进口位置附近流场在过鱼季节时段，不同机组运行工况下能最大程度地满足过鱼需求。

表2 迈湾升鱼机集鱼槽进口位置方案比较

2.模型构建

项目采用MIKE21 水动力模型对升鱼机建设前尾水区域的流场情况进行模拟，探索升鱼机集鱼槽进口最佳位置。MIKE21 水动力模型是基于三向不可压缩和Rey nolds平均的Navier-tokes 方程，并服从Boussinesq 假定和静水压力假定。

2.1 控制方程

连续方程：

X方向动量方程：

Y方向动量方程：

式中t表示时间；u，v分别为x，y方向的垂向平均速度；z为水位，即水面到某一基面距离；h为总水深，即床面到水面的距离；f为科氏系数(f=2ωsinφ，ω是地球自转的角速度，φ是所在地区的纬度)；g为重力加速度；n为糙率；μH为紊动扩散系数。

2.2 模型范围与网格划分

如图3所示，计算区域上边界取至电站尾水出口，下边界取至坝轴线下游约300m，左边界为电站下游63m高程马道及等高线，右边界取至灌溉引水渠处及65m高程等高线。模型范围内包括电站尾水护坦（高程52m）和泄水闸护（高程46.55m）坦以及河道自然地形区域。采用三角形网格，通过自然临近法插值得到河道地形，模型最大网格单元4m2，网格总数14102个，节点数7333个。

图3 数学模型计算区域网格划分

2.3 边界条件和计算工况

本次模型计算中，在尾水出口处设置3个流量开边界，分别对应3台发电机组，左侧大机组发电流量78.68m3/s，两台小机组发电流量均为17.20m3/s。下游设置为水位开边界，根据计算提供坝址水位流量关系，结合南渡江工程河段河道平均坡降1.3‰，推求模型下游边界水位=坝址水位-300×0.13‰。两岸设置为陆域闭边界，当某机组不运行时，对应的流量边界设置成陆域闭边界，曼宁系数采用默认32m1/3/s。本次模型计算工况如表3所示。

表3 模型计算工况

3.结果与分析

3.1 流场特征分析

由于机组运行的不同，下泄水流在流速流向上差别较大，呈现不同特点：工况1，1#机组发电时，最大流速约0.78 m/s，主流靠右岸52m坡脚线下泄；工况2，2#机组发电时，最大流速约0.65 m/s，主流靠主流靠右岸52m坡脚线下泄，但相比工况1，离右岸52m坡脚线稍远，此时B进口位于弱回流区；工况3，1#机组发电时，最大流速约1.57 m/s，主流靠隔墙一侧下泄，A进口位于回流区；工况4，1#+3#机组发电时，最大流速约1.52 m/s，主流靠隔墙一侧下泄，相比工况3，更靠近右岸52m坡脚线，A和B进口均位于回流区；工况5，2#+3#机组发电时，最大流速约0.70m/s，主流宽度较广，几乎覆盖整个电站尾水渠，主流右侧离右岸52m坡脚线较近，B进口位于回流区；工况6，1#+2#+3#机组均发电时，最大流速约1.43m/s，主流覆盖整个电站尾水渠宽度，但高速主流区仍考隔墙一侧，A进口位于回流区，B进口亦位于小范围回流区；各进口处的水力特征参数如表4所示。

3.2 外缘线分析

根据鱼类行为习性，鱼类一般迎主流上溯，进鱼口若布置在主流两侧可增大鱼类进入集鱼槽的概率。以流速等于0.2m/s等值线作为主流外缘线，通过进一步分析各工况下主流右侧外缘线特点，如图4所示工况1时，C和D进口靠近主流，诱鱼较为有利；工况2时，B和D进口靠近主流，诱鱼较为有利；工况3时，A、B、D进口靠近主流，诱鱼较为有利；工况4时，A、B、C、D进口均靠近主流，满足诱鱼需求；工况5时，B、C、D进口靠近主流，诱鱼有利；工况6时，A、B、C、D进口均靠近主流，满足诱鱼需求。因此计算区域中存在各主流右侧外缘线交汇的水域，该水域离电站尾水出口约108m，位于右岸人工开挖边坡末端，52m坡脚线上，即D位置区域。过鱼季节电站不同组合运行时，主流均经过D进口或靠近D进口，具有较好的诱鱼条件。

图4 不同机组运行方式下尾水区流场分布

4.讨论

4.1 升鱼机集鱼槽进口最佳位置分析

迈湾水利枢纽升鱼机工程初步设计方案中设计了A、B、C、D4个集鱼槽进口备选点，前期分析可知，基于升鱼机运输系统与生物习性喜好两大因素，4个进口位置各具优势，主要表现为均能满足某一工况机组运行下的诱鱼需求，其中D点优势仅为升鱼机除结构设计便利。过鱼季节内，升鱼机的过鱼效果受电站运行的影响较大，主要表现为流场分布的差异，由于过鱼季节相对短暂，为保证过鱼设施的良好过鱼效果，过鱼时段内过鱼设施发挥效能最大化、最优化是目前环评提出的高质量要求。

图5 各工况下尾水主流右岸外缘线示意图

根据流场分析及设计提供的过鱼季节电站机组运行情况，3#机组参与运行下对A进口诱鱼较为有利，有效运行率为21.6%；2#或3#机组参与运行下对B进口诱鱼较为有利，有效运行率为96.7%；1#机组参与运行下对C进口诱鱼较为有利，有效运行率为89.5%；D进口在各机组运行下均位于主流一侧，有效运行效果为100%。因此，根据迈湾升鱼机集鱼槽进口的选定原则，B、C和D进口是较为理想的集鱼槽进口位置。B进口位于尾水平台，常处于某些机组运行工况下的回流区，水流条件较为紊流。进口位于表层水体，而过鱼对象中有鳗鲡等较多中下层水体习性鱼类，无法满足其过鱼需求，且B进口集鱼槽需与电站尾水处的水工建筑物融合，增加了建设难度；C进口在3#大机组运行时也处于回流区。综上考虑，结合工程实际，认为D进口是迈湾升鱼机集鱼槽的最佳位置。

4.2 迈湾升鱼机集鱼槽进口最佳位置诱鱼效果分析

上述分析可知，迈湾升鱼机集鱼槽进口位置布置在D点，具有可兼顾电站不同运行工况的流场适宜性和升鱼机运输结构设计上的优势，但根据鱼类的洄游习性，D点并非鱼类上溯的最远点，需配合拦鱼电栅的使用，方可有效引导鱼类进入升鱼机，电栅的一端连接在集鱼槽进口上游1m处，另一端靠近下游，与主流方向呈45°夹角，长约30m。大量研究表明，集鱼槽进口流速大于鱼类的感应流速时，方可对鱼类形成吸引流，大部分鱼类的感应流速在0.2m/s左右，因此迈湾升鱼机集鱼槽的出口流速应大于主要过鱼对象的感应流速。另一方面，区别流的形成也是鱼类能够准确找到进口的关键，区别流是指进口流域与尾水主流存在明显区别，易于鱼类识别的水流。本工程中，D进口处在6 种电站运行工况下的尾水主流断面最大流速分别为0.41m/s、0.32m/s、1.12m/s、1.15m/s、0.40m/s和1.20m/s，分析认为当主流断面流速为0.40 m/s左右，为形成区别流，集鱼槽进口流速需增至0.7m/s；当主流断面流速接近1.20 m/s，达到多数鱼类的极限游游泳能力，0.7m/s的集鱼槽进口流速亦能为鱼类提供一个相对低速休息区，引导鱼类进入，为使集鱼槽进口流速达到0.7m/s，需设置相应的补水系统。D进口处的水深位于2.16～4.09m，基本满足过鱼水位需求。基于上述流速设计，配合拦鱼电栅的使用，迈湾升鱼机集鱼槽D进口能够达到一个较为理想的诱鱼效果。

5.结论

a通过二维水动力数值模拟，基于“选定进口位置附近流场在过鱼季节时段，不同机组运行工况下能最大程度地满足过鱼需求”原则，认为D进口为迈湾升鱼机集鱼槽最佳进口位置，位于右岸小机组尾水下游约95m弯段处，紧靠右岸52m坡脚线。

b 电站不同运行工况下主流均经过集鱼槽进口附近，水深为2.16～4.09m，满足过鱼水位需求。为达到较为理想的诱鱼效果，需设置拦鱼栅诱导鱼类上溯至集鱼槽进口附近，最后通过定量补水使进口流速达到0.7m/s，形成区别流，进一步诱导鱼类进入集鱼槽。