某水电站过鱼设施的水力特性优化研究

作     者：兰志良 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程文;曹剑叶

授予年度：2022年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：竖缝式鱼道 水流流态 模型试验 数值模拟 

摘      要：拦河闸坝等水工建筑物的修筑阻断了鱼类的洄游通道,鱼道的建设为鱼类的洄游迁徙提供了重要的生命通道,鱼道的布置方式和结构设计的合理性直接影响着鱼道的过鱼效果。本研究以某水电站拟建的两段式过鱼设施为工程背景,通过对自然河流鱼道段在过鱼季节的河道水动力进行模拟计算,并结合目标鱼类的洄游习性评估了在过鱼季节河道的过鱼通道大小和该河流鱼道的最佳下泄流量;利用水工模型试验探究了竖缝式鱼道池室流态与流速分布规律;利用数值模拟手段对竖缝式鱼道的进出口初始设计方案进行优化,并给出推荐方案;建立竖缝式鱼道整体水工模型对不同工况条件下竖缝式鱼道内流场分布规律进行了探究,并结合鱼类的洄游特征评价了鱼道设计是否满足鱼类的洄游。本研究可为某水电站鱼道的设计优化及可行性提供科学的依据。主要研究成果如下:(1)自然河流鱼道在4～9月的下泄流量下齐口裂腹鱼、重口裂腹鱼、大渡软刺裸裂尻鱼可顺利溯河洄游,适合三种鱼类快速上溯的最佳下泄流量应保持在4m3/s。使用基于目标鱼种游泳能力的流速指标计算了自然河流鱼道过鱼通道宽度,证明了目标鱼种在4～9月可顺利从河道上溯;基于生境模拟法计算了河道不同下泄流量下各鱼种的生境面积,并分析了各目标鱼种的流量～生境面积关系,得出了自然河流鱼道适合目标鱼种快速上溯的最佳下泄流量为4m3/s。(2)竖缝式鱼道的典型池室内水流形态平顺且存在供洄游鱼种休息的回流区,池室流速均小于目标洄游鱼种的最大克流速度1.2m/s,鱼道设计满足过鱼要求。根据竖缝式鱼道局部模型试验,鱼道典型池室内主流流态呈较缓的“S形分布,主流流速沿流动方向逐渐减小,在主流区两侧,存在范围较大的回流区,面积约占池室面积的80%;鱼道工作水深在1.0m和1.5m时,鱼道池室内的流速范围为0.1m/s～0.6m/s,竖缝处的流速范围为0.7m/s～0.9m/s。(3)针对竖缝式鱼道初始方案的进口段和出口段出现的主流贴壁、流速过小现象进行了结构优化,优化后的鱼道进口段和出口段水流流态得到有效改善。通过对竖缝式鱼道进口段和出口段建立数值模型,模拟了其在1.5m水深工作状态下的水流流态,对出现的不利于目标鱼种洄游的水流流态,通过优化相应结构改善了水流流态。(4)建立了竖缝式鱼道整体水工模型对不同工况下鱼道内流态、沿程水深和竖缝最大流速进行了研究。研究结果表明:各工况鱼道内各级池室与关键池室段的水流流态良好,主流区均位于池室中央,未见主流贴近和冲击边壁等不利流态出现;在正常运行工况下的鱼道沿程水深均保持一致,竖缝式流速均小于1.2m/s;竖缝式鱼道的设计及布置方式合理,可满足过鱼需求。