多布水电站坝下流场分析及鱼类洄游水力生境指标研究

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水利工程中大坝的修建会破坏河流的连通性,阻碍洄游鱼类的洄游通道,从而影响鱼类的生殖交流,对鱼类种群的繁衍造成了影响。研究坝下流场的水力特性,探求水动力条件对鱼类洄游行为的影响,对确立有利于鱼类洄游的发电机组运行方式,促进鱼类物种的延续,实现生态的和谐,保持河流生态的可持续发展具有重要的意义。本文基于标准k-ε紊流模型,结合钢盖假定法模拟自由液面,建立三维数值模型,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,对水电站坝下游流场进行计算。研究水电站机组不同开启组合对坝下流场水动力条件的影响,并结合鱼类调查数据,对机组各运行方案下的鱼类洄游水力生境指标进行研究。主要结论如下:(1)流场中的回流区主要存在于尾水渠内、消力池内、重力坝区与土石坝区下游河道交汇处附近。尾水渠中出现回流是由于发电尾水以射流的形式进入尾水渠后,较高速度流动的尾水沿着尾水渠底部斜向上运动过程中,尾水主流与周围水体发生强烈的剪切作用从而带动周围水体发生运动,消力池内、重力坝区与土石坝区下游河道交汇点附近出现回流是由于扩散水流与消力池内、重力坝区与土石坝区下游河道交汇点附近的静止水流形成了剪切涡。(2)发电尾水主流扩散形成的高流速区域位于下游70m尾水渠末端处,机组不同开启组合下该区域内的最高流速范围在2 m/s-3.4 m/s之间。由于1#机组尾水受右边导墙影响,4#机组尾水受到左岸边坡影响,会导致发电尾水无法充分扩散,因此1#机组和4#机组运行时坝下流场中的最高流速比其他开启组合方式下的大。(3)机组发电时,尾水渠内的紊动能范围在0.04 m2/s2-0.1 m2/s2之间,其他区域的紊动能均小于0.01 m2/s2。对于每种研究方案,流场中同一断面垂线上不同位置处的紊动能表现出明显的差异性,底面的紊动能最大,表面的最小。(4)在0<z/hs<0.1范围内的近壁位置附近,垂线流速的变化较大,这种现象主要是由于水流和河道底部的强烈剪切作用而使近壁附近的剪切流速梯度较为明显,远离近壁位置的流速增长幅度相比于近壁附近较为平缓。(5)机组不同开启组合下,高速下泄的尾水水流在流场中均形成水流屏障,开启远离左岸的机组,水流屏障的位置距左岸也相应较远,因此存在4#机组开启的机组运行方式最不利于鱼类上溯至进鱼口。
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