竖缝与孔口组合式鱼道流动特性模拟研究

鱼道作为一种供鱼类洄游的生态廊道,其流场特性与鱼类洄游特性的协调性研究,已成为目前鱼道研究的热点问题之一。本文基于Fluent软件中k-ε(RNG)湍流模型和VOF模型,以长洲鱼道为研究对象,对竖缝与孔口组合式鱼道的流场特性进行数值模拟研究,分析了鱼道的流场特性对鱼类洄游的影响。结果表明,设计流量条件(Q=6.64 m~3/s)下,沿池室水深方向流速与湍动能的分布对中华鲟、鲥鱼等主要过鱼对象洄游产生影响较小,而对洄游能力较弱"四大家鱼"物种的洄游产生较大的阻碍;进口流量大小与池室各点的流速大小呈线性关系,当运行的进口流量为3.64~4.64 m~3/s时,鱼道的水力特性基本满足主要过鱼对象和"四大家鱼"的洄游。本文的研究成果可为优化鱼道的运行提供一定参考。     

基于高效高精度栖息地模型的生态流量研究

为实现水电开发和生态保护的和谐发展,科学、定量、高效地分析水电站运行对河流生态的影响,已成为当前水利科学研究的热点。本文将基于Godunov格式有限体积法求解的水动力模型与栖息地适宜模型相耦合,并引入GPU加速技术,建立高效高精度栖息地适宜模型。以野狐峡下游为研究河段,花斑裸鲤为目标鱼类,对不同流量下河段产卵生境进行模拟,以确定电站建成后适宜目标鱼类产卵的生态流量。结果表明：流量在87.5～139m³/s和338～562.5 m³/s时,适宜花斑裸鲤繁殖的有效栖息地面积占其最大值的90.0%以上。为保障产卵栖息地状态良好,建议生态流量在499.2 m³/s附近。该成果对保护黄河上游土著鱼类栖息地具有重要的生态意义,也可为评价水利工程对水生生物的影响提供科学支持。     

双转轮对旋式鱼类友好水轮机：概念及转轮优化

水电工程在产生巨大正效益的同时,也存在影响鱼类洄游的生态负效应;鱼类友好型水轮机因能助鱼下行过坝,近年备受关注。针对河床式水电站,以减小鱼类损伤为主要目标,通过加长流道减小压力梯度,提出一种新型转轮：螺旋叶片,流道长、叶片少,降低鱼类撞击概率;双转轮对旋,既加长流道,又提高效率;叶片进出口均满足最优速度三角形条件。CFD模拟优化结果表明,最高发电效率达80.4 %,压力梯度小于鱼类友好水轮机的国际推荐标准,兼顾了发电效率和过鱼特性。     

水轮机转轮结构与过机幼鱼受压强损伤相关性研究

大坝阻隔了洄游性鱼类的洄游通道,鱼类通过水轮机下行或误入水轮机流道将遭受水轮机流道复杂水动力特性及水轮机结构的影响,导致过机鱼体的损伤甚至死亡。为有效保护鱼类资源,本文在对大型轴流式水轮机进行全流道三维数值模拟的基础上,以鱼类受压强和压强梯度损伤阈值作为评价指标,对水轮机流道转轮叶片数目及转轮泄水锥尺寸进行降低幼鱼损伤概率的优化研究。研究结果表明,在满足水轮机出力要求的前提下,大型轴流式水轮机转轮叶片数目增多将增大下行幼鱼受压力及压力梯度损伤的概率,转轮泄水锥相对高度的减小将增加幼鱼受压力及压力梯度损伤的概率。该研究成果可为减小鱼体损伤的环境友好型水轮机优化设计提供参考。     

长江中游四大家鱼产卵场物理生境模拟研究

在分析物理生境模拟方法基本步骤基础上,结合物理生境模拟模型PHABSIM,选择长江中游夷陵长江大桥至虎牙滩江段四大家鱼产卵场进行模拟分析,建立鱼类产卵场物理生境适宜性标准,推求长江中游四大家鱼产卵场的流量和加权可利用面积的关系。模拟计算结果,四大家鱼产卵期适宜环境流量为7500～12500m3/s,最适宜环境流量为10000m3/s,该研究结果可为开展三峡水库生态调度措施以保护水库下游四大家鱼产卵繁殖提供参考依据。     

异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究

本文试验研究了异侧竖缝式鱼道的主流轨迹、主流速度的沿程变化规律、横向流速分布的特征及其随流量的变化情况,并进行了放鱼试验。试验研究是在浙江工业大学大比尺鱼道中进行的,考虑5种典型流量(Q=8.78,18.94,27.55,34.95,40.65L/s),取h/3和2h/3两个水深,沿每一水深平面纵向有12条横线(x=0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110cm),每条横线上布设27个测点。通过试验研究,提出主流轨迹的经验公式、主流速度沿程变化的关系式、横向流速分布特征的半理论半经验公式等。另外,通过放鱼试验,给出过鱼对象(鲫鱼、河鳗)在主流低速区以及沿主流轨迹的溯游特性。     

家鱼幼鱼对水轮机流道水力剪切响应实验研究

水力剪切是鱼类通过水轮机流道下行时遭受损伤的主要原因之一。发展鱼类友好型水轮机,提高水轮机的过鱼效率,需首先明确鱼类对水轮机流道内水力剪切作用的响应关系。本研究以四大家鱼幼鱼为研究对象,设计模拟水轮机流道因流道狭窄或固体表面边界引起的水力剪切环境实验装置,对四大家鱼幼鱼分别进行承受水力剪切的响应实验。实验结果表明,四种家鱼幼鱼在受到流速应变率大于或等于2179 m?s-1m-1的射流冲击时,均出现不同程度的损伤,损伤程度随流速应变率的增大而加强。另外,鱼体受流速应变率引起的水力剪切造成的损伤程度不但与家鱼种类有关,还与射流作用于鱼体的方位有关。实验结果可作为四大家鱼幼鱼通过水轮机流道下行是否受到流速应变率引起的水力剪切损伤的判别依据,为优化水轮机亲鱼型设计和运行,有效保护四大家鱼资源提供有效支撑。     

同侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究

本文在大比尺鱼道模型中对同侧竖缝式鱼道的水力特性进行了系统的试验研究,并做了放鱼试验。选择了5组典型流量,对每一组流量系统地实测了13h(h为相应流量的水深)平面、12h平面及23h平面各断面(x=0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100cm)的流速分布,分析了同侧竖缝式鱼道的流速分布形态、无量纲流速分布特征、断面最大流速沿程衰减情况、同一水深不同流量的流速分布。通过放鱼试验,考察了鱼类对不同流量的响应情况,提出同侧竖缝式鱼道的不足及其改进措施。     

岷江上游鱼类完整性指标现状调查评价

鱼类完整性指标F-IBI是以鱼类为研究对象,开展河流健康状况评价的指标。本文在广泛收集岷江上游鱼类调查资料的基础上,结合Fausch等修订的12个指标体系,提出了适用于岷江上游的,包括鱼类组成、耐受性、营养结构、丰富度指标、鱼类数量与健康状况等五个方面的12项指标。以河流水电开发前为背景,拟定了F-IBI指标期望值和赋值标准,利用2011年的鱼类调查结果对岷江上游鱼类完整性指标进行评价。评价结果表明岷江上游鱼类生物完整性属差和一般的状态,说明岷江上游鱼类种类减少,种类组成与期望值比较趋向单一化,外来种类增加,未见顶级肉食者,年龄级缺失,数量、生长和体质等指标下降,鱼类资源量下降,渔获物个体小型化,可见水电工程的建设后鱼类资源退化,建议开展过鱼设施研究及设计,同时开展下泄生态流量及生态调度研究。     

三峡水库对下游重要鱼类产卵期生态水文情势影响研究

三峡水库蓄水,改变了河流天然水流情势,同时也导致了水库下游鱼类产卵繁殖条件的变化.以长江中华鲟和四大家鱼为研究对象,采用水库下游宜昌水文站实测流量、水位、水温和泥沙资料,定量分析了三峡水库蓄水前后中华鲟和四大家鱼产卵期的生态水文情势变化情况.分析结果表明,中华鲟产卵繁殖期的10月和¨月多年平均流量分别减少了24.7%和24%,多年平均含沙量分别下降了94%和97%,而水温则略有上升;四大家鱼产卵繁殖高峰期的5月和6月多年平均流量分别减少了4.1%和10.6%,多年平均含沙量下降了95%,水温略有降低;此外,三峡水库蓄水使得中华鲟和四大家鱼产卵时间平均推迟10天左右,产卵规模也大幅降低.该研究可为开展三峡水库下游重要鱼类保护提供参考.     

加速流对不同体长草鱼幼鱼下行行为的影响

加速流是鱼类下行过程中必须面对的特征流场,其普遍存在于鱼类下行过坝通道中。为探究加速流对不同体长草鱼幼鱼下行行为的影响,本文以体长5.75 ~ 9.48 cm的草鱼（Ctenopharyngodon idellus）幼鱼为研究对象,比较两种不同加速流工况（水流加速度分别为0.29 m/s2、0.59 m/s2）对不同体长草鱼幼鱼的累计通过率、第一次到达加速区的时间以及非加速区和加速区的时间占比等的影响。结果表明：加速流为0.59 m/s2,体长7.55 ~ 9.48 cm的草鱼累积通过效率最高;加速流为0.29 m/s2,体长5.75 ~ 6.48 cm的草鱼累积通过效率最高;加速流为0.59 m/s2,体长7.55 ~ 9.48 cm的草鱼第一次到达加速区的时间最短,可认为具有较强的下行洄游动机。不同加速流工况对应的上游非加速区域均对草鱼幼鱼下行造成了延迟效应。研究结果可为优化鱼类下行过坝效率提供一定参考。     

异侧布置缝-孔-堰组合式鱼道紊流结构试验研究

我国沿海沿江洄游性鱼类众多,单一式鱼道难以满足鱼类不同溯游习性的要求。迄今,人们对单一式鱼道研究较多,而对组合式鱼道仅限于数值模拟工作,试验研究几乎是空白。本文对凹口堰-矩形中孔-竖缝组合式鱼道的紊流结构进行了较为系统的试验研究。采用声学多普勒测速仪（ADV）量测了鱼道水池内各点的三维瞬时流速,分析了组合式鱼道的流动特征、时均流速、紊动强度、雷诺应力、频谱特性、相关函数及紊动尺度。试验研究结果表明：与单一式鱼道比较,组合式鱼道水流具有显著的三维流动结构;纵向流速在水平面上存在明显峰值区,横向流速和垂向流速显示在横断面上存在旋涡区;在竖缝壁面射流与孔口射流汇聚区,纵向、横向及垂向紊动强度均较大,合并后则逐渐减小;雷诺应力峰值区主要出现在多股射流交汇区;纵向脉动能量主频峰值大小为孔口>凹口堰>竖缝;纵向脉动流速表现出随时间的相关性,并有凹口堰>孔口>竖缝,且沿程波动周期延长;积分尺度和微分尺度显示涡旋结构与组合式鱼道的流区有关。     

竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响

竖缝式鱼道具有流态稳定、对上下游水位变动自适应性强、过鱼效率高等技术特点,是目前国内外比较流行的鱼道布置方式之一,得到了广泛的工程运用。已有研究表明,影响竖缝式鱼道水流结构的参数主要包括各级水池的长宽比、导板长度、导向角度、以及隔板墩头体型等。本文在已有研究基础上合理取用竖缝式鱼道的长宽比、导板长度、导向角度等参数,采用数值模拟方法,进一步研究了竖缝宽度对水池内水流结构的影响,并给出了其合理取值范围。     

基于PIV技术的明槽交汇区流场试验研究

明槽交汇水流存在于很多水力系统中,交汇区水流结构十分复杂,对干、支流交汇流场的研究具有重要意义。研究采用能突破空间单点流速测量局限的PIV技术,观测不同汇流比条件下非对称型交汇明槽的三维水流结构,分析交汇区流场的演变规律。试验结果表明,交汇口上游的水面比降随汇流比的增大而减小,交汇口处及下游合流掺混区水面比降随汇流比的增大而增大。交汇口上游各断面垂线时均流速随汇流比的增大而增大,各断面时均流速随汇流比的增加而受到顶托效应的影响越大,交汇口各断面垂线的时均流速随汇流比的减小而减小,分离区随汇流比的减小而增加。PIV技术能良好的观测交汇区水流结构,可应用于明槽交汇区的流场试验研究。     

孔兑入黄数值模拟及分析

本文利用平面二维水沙数学模型对十大孔兑之一的西柳沟入黄进行模拟并分析。结果表明:在流场方面,高含沙洪水入汇后,壅水区水位升高,流速先降低后升高,不同点的流速升高不同步;河床在支流入汇口处存在突降,形成高流速区,经高流速区后流速迅速降低,泥沙淤落;相较于低含沙水流入汇,高含沙水流入汇的回流区外形更狭长,水流结构更复杂;低含沙水流入汇来沙全部输向下游,高含沙水流入汇则会有部分泥沙向上游输送;在入汇口上下游,上沙坝的形成过程是从两岸向中间发展最终合拢并堵塞主河槽,下沙坝则同时淤升,左岸抬升较为均匀,右岸抬升先快后慢,沙坝最终沿右岸延伸;在实际当中,交汇区的流场及河床变形与洪水过程密切相关。     

三峡水库夏季不同支流倒灌特性及其影响分析

为研究三峡库区夏季不同支流库湾倒灌特性及其对水温分层和营养盐分布的作用特性,以及其对水华的影响,于2017年7月对三条不同支流库湾（香溪河、大宁河、小江）的流速、水温、营养盐和叶绿素a等进行了监测。结果表明：夏季三峡库区干流水体主要以中层倒灌潜入支流库湾,均主要为温差异重流,且倒灌潜入深度与厚度主要与支流库湾河口水温分布有关。受干流倒灌的补给作用,三条支流中下游营养盐普遍呈现出“中层>底层>表层”的垂向分布规律,由于上游有磷矿产业,香溪河TP分布情况较其他支流不同,呈现上游至下游逐渐减小的趋势。干、支流间不同的温度差使支流间倒灌异重流的强度存在差异,倒灌异重流将影响支流的水温分层结构,导致支流库湾存在不同水华优势藻种及强度,进而对支流水华产生不同的影响。     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。     

反坡段对侧式进/出水口水力特性影响研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口,因进/出水口底高程低于库底高程,进/出水口与库区设反坡明渠连接,反坡坡比的大小将影响进出水口水力特性。目前缺乏反坡坡比建议值指导进/出水口设计,本文通过数值模拟研究了6种不同坡比1:1 ~ 1:6对进出水口水力特性的影响。结果表明,对于进/出水口水头损失系数、拦污栅断面流速分布只有在进流工况下坡比对两者存在一定影响。对于进/出水口流态,进流工况,各坡比在进/出水口内部调整段上方均形成了一定高度的回流区,坡比越小,回流区面积比也越小,当坡比小于1:3时,明渠反坡段未出现回流。出流工况,各坡比中、边孔均在反坡段上方出现回流现象,边孔回流区长度模数大于中孔,并且坡比越小,回流区长度模数越大。同时随着坡比由1:1到1:6逐渐减小,平台段水流向库区扩散更加均匀。反坡坡比范围在1:3 ~ 1:4时,进/出水口可以获得较好的水力特性。