王 煜，翟振男，姜德政

(1. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2. 長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

大壩阻隔了魚類洄游及上下游種群基因交流的通道，對魚類資源發(fā)展帶來不利影響[1-2]。魚類隨水電站發(fā)電泄流主動或被迫進入水輪機流道，可能遭受水輪機流道極端水動力特性及復(fù)雜結(jié)構(gòu)造成的損傷，甚至死亡。國內(nèi)外學(xué)者研究成果表明魚類通過水輪機流道下行可能受到的傷害機理分為機械、壓強、剪切力和空蝕4種原因[3-6]，其中機械損傷主要為過機魚體與水輪機構(gòu)件表面的撞擊、擠壓和摩擦損傷，與魚體尺寸、流道結(jié)構(gòu)及魚體下行軌跡有關(guān)；壓強、剪切力及空蝕損傷主要為水輪機流道內(nèi)壓強、壓強陡降、流速梯度、渦旋、湍動等極端水動力條件對過機魚體造成的水動力損傷[7]，如壓強陡降引起的魚鰾破裂和栓塞，導(dǎo)致魚類死亡[8]，負(fù)壓引起的魚體身體失衡和魚鰓受損[9]，流速梯度引起的剪切應(yīng)力導(dǎo)致魚體眼睛損傷、體表挫傷、鱗片撕裂、魚鰓翻開、身體失衡[10]等，與水輪機結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)有關(guān)[11]。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過水電站原型過魚試驗和實驗室水動力單因子損傷實驗相結(jié)合的方式針對水輪機過機流對所挾魚體造成水動力損傷的關(guān)鍵因子[12-15]進行研究。Bradly等[16]通過在哥倫比亞河下游釋放傳感器魚及實驗室模擬實驗，得出大西洋鮭魚通過水輪機流道遭受壓力損傷的關(guān)鍵因子為魚體進入水輪機前的適應(yīng)壓強與流道內(nèi)最低壓強的比值。Deng等[10-12]通過將大馬哈魚放入模擬水輪機流速梯度的水流環(huán)境中，得出魚類通過水輪機流道下行受到剪切力損傷與流速梯度成正比。美國西太平洋國家實驗室[17]針對虹鱒魚，硬頭虹鱒魚，春季和秋季大鱗大馬哈魚，美洲西鯡魚承受模擬水輪機流道水力剪切的實驗研究中表明，當(dāng)水流流速應(yīng)變率大于500 (s cm)-1時，研究魚種均遭受明顯水力剪切損傷。綜上可見，水輪機流道內(nèi)水流流速、流速梯度、壓強及壓強梯度是造成過機魚體遭受水動力損傷的關(guān)鍵水動力因子，水輪機不同運行參數(shù)下流道水動力特性將會對魚體安全通過水輪機流道下行產(chǎn)生影響。為探明影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機流道水動力過魚能力的關(guān)鍵運行參數(shù)，本文通過構(gòu)建水輪機流道水動力過魚能力評價方法，識別影響葛洲壩ZZ500軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機流道水動力過魚能力的關(guān)鍵運行參數(shù)，為構(gòu)建魚類友好的水輪機生態(tài)運行方式提供技術(shù)支撐。

1 水輪機流道水動力過魚能力評價方法

魚類通過水輪機流道下行受到水動力損傷的主要原因為：①過低的壓強和急劇變化的壓強梯度造成的氣壓損傷；②流道間隙、過流表面及水流渦旋引起的流速應(yīng)變造成的剪切損傷；③過低的壓強引起水輪機汽蝕導(dǎo)致的空蝕損傷[18-20]。因此，本文在評價河流水環(huán)境對魚類棲息、繁殖適合程度的河流內(nèi)流量增量法(IFIM)[21]基本原理的基礎(chǔ)上，提出采用水輪機流道內(nèi)可能對過機魚體產(chǎn)生水動力損傷的空間體積與流道總體積比值PWUV(percent of weighted usable volume，魚類加權(quán)可利用體積占比)來評價水輪機流道水動力過魚能力的方法。

1.1 流道水動力特性對過機魚體產(chǎn)生水動力損傷區(qū)域判別方法

a.網(wǎng)格剖分水輪機全流道區(qū)域，通過水輪機穩(wěn)定運行工況下全流道三維水動力數(shù)值計算，獲取各網(wǎng)格體積單元水動力參數(shù)值；

b.逐一將流道各網(wǎng)格體積單元的壓強、流速及與相鄰體積單元的壓強梯度和流速梯度與過機魚種相應(yīng)的壓強、流速、壓強梯度、流速梯度損傷閾值進行對比，篩選出超出魚類損傷閾值的體積單元作為水動力可能損傷單元，其邏輯判別式為

Epdi={(Piv0)∨

(Pgi>Pg0)∨(vgi>vg0)}

(1)

式中：Epdi為判別體積單元i是否為魚體水動力可能損傷單元的邏輯變量，變量值為1則單元i為魚體水動力可能損傷單元；Pi、vi、Pgi、vgi分別為體積單元i的壓強、流速、與相鄰體積單元的最大壓強梯度、與相鄰體積單元的最大流速梯度值；P0、v0、Pg0、vg0為過機魚種遭受損傷的壓強、流速、壓強梯度、流速梯度損傷的閾值。

c.由于魚類通過水輪機流道是否受到水動力損傷不但與流道內(nèi)水動力特性有關(guān)，還與魚體規(guī)格(體長L0、體積V0)有關(guān)，因此還需根據(jù)水動力可能損傷單元體積、過機魚體體積、相鄰水動力可能損傷單元間距等進一步綜合評判體積單元i是否對過機魚類產(chǎn)生水動力損傷。綜合評判原則為：①相鄰水動力可能損傷單元中心距小于魚體體長1/2，說明魚體同時受兩個體積單元水動力作用，損傷概率較大，其相鄰水動力可能損傷單元都定義為水動力損傷單元；②水動力可能損傷單元體積大于過機魚體個體平均體積的1/2，說明魚體通過該體積單元，大面積承受超出其損傷閾值的水流水動力作用，損傷概率高，定義該體積單元為魚體水動力損傷單元。評判水動力可能損傷單元i是否為水動力損傷單元的邏輯判別式如下：

Edi={(ΔSi,j<0.5L0)∨(Vi>0.5V0)}

(2)

式中：Edi為判別水動力可能損傷體積單元i是否為魚體水動力損傷單元的邏輯變量，變量值為1則單元i為魚體水動力損傷單元；ΔSi,j為可能損傷體積單元i與其相鄰最近的可能損傷體積單元j中心點間距，Vi為編號為i的可能損傷單元體積。

1.2 流道水動力過魚能力評價方法

對水輪機全流道各體積單元逐一進行魚類水動力損傷單元判別，識別所有魚類水動力損傷單元并對其空間體積進行疊加運算，得出流道內(nèi)造成過機魚體水動力損傷的空間總體積，將其與水輪機全流道空間體積相比，得出流道魚類水動力損傷體積占比，再將流道空間整體1減去水動力損傷體積占比，得出流道空間對過機魚體不造成水動力損傷的區(qū)域占比，即魚類加權(quán)可利用體積占比PWUV作為量化指標(biāo)評價水輪機流道水動力過魚能力。

(3)

式中：∑Vi為水輪機流道內(nèi)魚體水動力損傷單元體積總和；Vs為水輪機全流道空間總體積。

PWUV越大，說明水輪機流道空間對過機魚體不造成水動力損傷的體積越大，魚類通過水輪機流道下行越安全，反之亦然。

2 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機運行參數(shù)對流道水動力過魚能力的影響

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機具有過流能力大，運行范圍廣，運行效率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于低水頭徑流式水電站，其流道是上下游水體貫通的主要通道，為魚類過壩提供了直接通道。為探明影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機水動力過魚能力的關(guān)鍵運行參數(shù)，本文以葛洲壩水電站ZZ500型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機為例，運用流道水動力過魚能力評價方法，識別影響長江四大家魚幼魚通過ZZ500軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機流道安全下行過壩的關(guān)鍵運行參數(shù)。

2.1 研究對象基本參數(shù)

葛洲壩水電站是長江干流上第一座大型徑流式水電站，對長江魚類的洄游和基因交流有著重要的影響[22-24]。葛洲壩ZZ500型水輪機為典型的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，其主要參數(shù)見表1。

表1 葛洲壩ZZ500-LH-1020水輪機主要參數(shù)

長江青、草、鰱、鳙四大家魚是長江流域主要經(jīng)濟魚類，占我國淡水魚類總產(chǎn)量的80%。四大家魚屬于江湖半洄游性魚類，在湖泊中育肥，在長江中上游產(chǎn)卵[25]。由于具有下行過壩需求的為四大家魚幼魚，因此水輪機流道水動力過魚能力評價主要針對魚類幼魚(0齡或1齡)展開，其體長通常在20 cm以下。通過前期研究已明確四大家魚幼魚受水輪機流道水動力因子損傷的閾值[9-26](表2)。

表2 四大家魚幼魚水動力因子損傷閾值

2.2 水輪機全流道三維水動力數(shù)值模擬

2.2.1幾何模型的構(gòu)建及網(wǎng)格剖分

由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分水動力特性相差較大，故其流道空間依照水流順序劃分為蝸殼區(qū)域(進水口工作閘門至固定導(dǎo)葉出口面間的流道空間)、活動導(dǎo)葉區(qū)域、轉(zhuǎn)輪區(qū)域、尾水管區(qū)域(圖1)，各區(qū)域分別采用八叉樹網(wǎng)格剖分法進行網(wǎng)格剖分。采用水輪機額定工況下不同網(wǎng)格數(shù)量的數(shù)值模擬出力誤差值進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，當(dāng)全流道網(wǎng)格數(shù)量為600.7萬時，水輪機出力誤差波動小于2%，滿足水輪機數(shù)值計算對網(wǎng)格無關(guān)性要求，選用該網(wǎng)格劃分方案為最終網(wǎng)格方案(表3)。

圖1 ZZ500水輪機流道空間區(qū)域及網(wǎng)格剖分示意圖

表3 水輪機流道網(wǎng)格數(shù)量

2.2.2水輪機流道水動力數(shù)值模擬方法

計算域采用水電站進水口閘門斷面水流平均流速作為上游邊界條件，尾水管出口自由出流為下游邊界條件，蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪室、尾水管壁面為無滑移壁面，轉(zhuǎn)輪葉片、輪轂、泄水錐等壁面采用旋轉(zhuǎn)壁面條件。水輪機流道內(nèi)水流的運動采用不可壓雷諾平均Navier-Stokes方程和連續(xù)方程進行描述，選用RNGk-ε湍流模型進行水動力數(shù)值模擬計算[27]。為驗證數(shù)值計算的可靠性，采用額定工況下水輪機出力數(shù)值模擬值與實測值對比，得出數(shù)值模擬出力值誤差小于2%，表明數(shù)值計算結(jié)果可靠(表4)。

表4 數(shù)值模型可靠性分析

2.2.3計算工況的擬定

為識別軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機不同運行參數(shù)(水頭H、流量Q、導(dǎo)葉開度α0、槳葉轉(zhuǎn)角φ)對流道水動力過魚能力的影響，在葛洲壩ZZ500水輪機運行范圍內(nèi)，按照流量、水頭等間距取值，實現(xiàn)運行范圍樣本工況全覆蓋的原則，選取不同水頭、不同出力下的典型運行工況101組(圖2)。針對選取的各運行工況，分別采用構(gòu)建的水輪機流道水動力過魚能力評價方法進行過魚能力評價。

圖2 ZZ500型水輪機數(shù)值模擬工況

2.3 水輪機不同運行參數(shù)對流道水動力過魚能力的影響

根據(jù)葛洲壩ZZ500水輪機全運行范圍內(nèi)101組不同運行參數(shù)工況流道水動力過魚能力量化評價結(jié)果得出：在水輪機穩(wěn)定運行范圍內(nèi)流道具有較好的水動力過魚能力，流道魚類加權(quán)可利用體積占比PWUV均達(dá)到92%及以上，其中最小值(92%)發(fā)生在水輪機最大水頭(26.4 m)、最小導(dǎo)葉開度(280 mm)和槳葉轉(zhuǎn)角(-10°)的低流量(268.99 m3/s)運行工況，說明水輪機在高水頭、低流量運行工況下，其流道水動力特性對過機魚體具有最大的損傷威脅；而較低水頭(12.6 m)，較大流量(6 521.2 m3/s)工況運行時，流道具有最大PWUV(97.6%)，說明ZZ500水輪機運行在此工況下流道對家魚幼魚造成水動力損傷的概率最小。

為識別影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機過魚能力的關(guān)鍵運行參數(shù)，分別將葛洲壩ZZ500水輪機運行范圍內(nèi)101組運行工況的主要運行參數(shù)與PWUV進行相關(guān)性分析。

2.3.1運行水頭H

由水輪機各工況下PWUV-H關(guān)系圖(圖3)可見，隨著H的增加，PWUV呈逐漸下降的趨勢，其中在最大水頭(26.4 m)運行條件下，不同流量工況的流道PWUV均小于93%；而在最小水頭(8.6 m)條件下，流道最大PWUV可達(dá)到97.5%，說明H越高魚體在流道內(nèi)遭受水動損傷概率越大。同時，H越高，其同一運行水頭下不同流量工況的流道PWUV變化范圍越小，說明當(dāng)水輪機運行在高水頭下，其流道PWUV受流量、導(dǎo)葉開度等其他運行參數(shù)影響較小，流道水動力特性對下行魚類十分不利。

圖3 Z500水輪機PWUV-H關(guān)系

2.3.2流量Q

根據(jù)101組運行工況PWUV-Q關(guān)系圖(圖4)，PWUV隨Q的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，說明流量的增加使家魚幼魚通過該水輪機流道下行時遭受水動力損傷的概率減小，流道水動力過魚能力增強。當(dāng)Q>402 m3/s時，PWUV均達(dá)到94%以上，流道適合魚類下行的空間較大，魚類在流道內(nèi)受水動力損傷的概率較低。

圖4 ZZ500水輪機PWUV-Q關(guān)系

2.3.3導(dǎo)葉開度α0

由各運行工況下PWUV-α0關(guān)系圖(圖5)可見：PWUV與α0呈正相關(guān)，α0越大，流道水動力特性適合家魚幼魚下行的空間區(qū)域越大，流道具有較好的水動力過魚能力。當(dāng)α0>460 mm(相對開度為0.65)時，PWUV>94%，且α0，PWUV越大，流道水動力過魚能力越強。根據(jù)國外關(guān)于魚類在水輪機流道遭受水動力損傷的相關(guān)研究[7-17]，魚類通過水輪機座環(huán)及活動導(dǎo)葉區(qū)域主要遭受因?qū)~間隙產(chǎn)生的流速梯度引起的剪切應(yīng)力損傷。因此，α0的增大，可增加導(dǎo)葉間過流斷面積，減小流速梯度，進而降低流速突變對魚體造成剪切應(yīng)力損傷，提高流道過魚能力。另外，α0的增加，同時增加了水輪機流量，優(yōu)化了流道空間的水流狀態(tài)，進一步提高流道水動力過魚能力。

圖5 ZZ500水輪機PWUV-α0關(guān)系

2.3.4轉(zhuǎn)輪槳葉轉(zhuǎn)角φ

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪槳葉與活動導(dǎo)葉保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，以提高水輪機運行效率。根據(jù)葛洲壩ZZ500水輪機101組運行工況下槳葉轉(zhuǎn)角與PWUV關(guān)系圖(圖6)，可得出軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機流道水動力過魚能力隨槳葉轉(zhuǎn)角的增大有增大的趨勢。槳葉轉(zhuǎn)角小于-5°的運行工況，大部分工況的流道PWUV在0.92～0.94范圍內(nèi)；當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)角大于-5°時，流道PWUV基本都大于0.94。PWUV較高(≥97%)的工況槳葉轉(zhuǎn)角在-2°～10°之間，說明軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機槳葉轉(zhuǎn)角為正值時，流道PWUV較高，特別是在水輪機運行在最優(yōu)工況(φ=0°)及附近區(qū)域，流道具有較好水動力過魚能力。當(dāng)φ>+10°時，隨槳葉角度增加流道PWUV值呈現(xiàn)下降趨勢，說明當(dāng)水輪機偏離最優(yōu)工況運行，流道水流水動力條件惡化，不但降低水輪機運行效率還增加了對過機魚體造成水動力損傷的概率。

圖6 ZZ500水輪機PWUV-φ關(guān)系

圖7 ZZ500水輪機PWUV-N關(guān)系

2.3.5水輪機出力N

水輪機出力受其運行水頭、流量、效率共同影響，是評價水輪機運行效益的關(guān)鍵指標(biāo)。水輪機運行穩(wěn)定性與其出力有較強的相關(guān)性，一般情況下，水電站運行在其額定出力的70%以上，機組具有較好的運行穩(wěn)定性。根據(jù)葛洲壩ZZ500水輪機101組運行工況PWUV-N關(guān)系圖(圖7)可見，水輪機出力大于其額定出力的70%(90 MW)時，PWUV均大于94%，說明水輪機運行在大出力的穩(wěn)定運行區(qū)域，流道水動力特性也具有較好的“親魚”性能。在水輪機小出力工況，多數(shù)工況PWUV較小，但也有少量工況PWUV較大，說明在水輪機出力較低時，其流道水動力特性穩(wěn)定性較差，其流道水動力過魚能力受流量、導(dǎo)葉開度等其他運行參數(shù)的影響較大，但整體PWUV略低，對過機魚體帶來不利影響。因此，水輪機運行在大出力工況，不但具有較好的發(fā)電效益和運行穩(wěn)定性，其流道水動力特性也更加適合魚類通過其安全下行。

3 結(jié)論與討論

a.軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機在穩(wěn)定運行工況下，流道具有較高的家魚幼魚加權(quán)可利用體積占比，葛洲壩ZZ500型水輪機均達(dá)到92%以上，說明低水頭大流量的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機流道空間具有較好的水動力過魚能力，可作為魚類安全下行的直接通道。

b.水輪機運行水頭及導(dǎo)葉開度與其流道水動力過魚能力有明顯的相關(guān)性。水頭越高，流道空間使過機魚體遭受水動力損傷的區(qū)域越大，魚類通過水輪機流道下行受到水動力損傷的概率越大；導(dǎo)葉開度越大，流道PWUV越大，流道水動力過魚能力越好。說明水輪機運行水頭與導(dǎo)葉開度是影響流道水動力過魚能力的關(guān)鍵運行參數(shù)。

c.軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機過機流量與槳葉轉(zhuǎn)角對流道水動力過魚能力有一定影響。流道水動力過魚能力隨流量增大而增大，但當(dāng)流量趨于水輪機最大流量時，流道空間魚類加權(quán)可利用體積占比趨于某一穩(wěn)定值。水輪機槳葉轉(zhuǎn)角運行在最優(yōu)工況附近區(qū)域，流道PWUV較大，水動力過魚能力最優(yōu)；槳葉轉(zhuǎn)角為正值的工況，流道水動力過魚能力優(yōu)于槳葉轉(zhuǎn)角為負(fù)角的工況。

d.水輪機運行在額定出力及其附近大出力工況時，流道PWUV較大，具有較好水動力過魚能力。

由此可見，影響軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機水動力過魚能力的關(guān)鍵運行參數(shù)為運行水頭及導(dǎo)葉開度，同時過機流量、槳葉轉(zhuǎn)角及出力對其也有一定影響。水輪機運行在大流量、低水頭、大出力工況，不但具有較高的發(fā)電效益和運行穩(wěn)定性，同時也具有較好的水動力過魚能力。這與Cada等[7-18]得出的水輪機過機魚體存活率是一個關(guān)于轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)角、導(dǎo)葉開度、水流狀態(tài)的復(fù)雜函數(shù)的研究結(jié)論基本相近。

上述結(jié)論得出軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機運行參數(shù)對其流道水動力過魚能力具有較為明顯的影響，故可通過優(yōu)化水輪機運行參數(shù)建立魚類友好的水輪機生態(tài)運行方式，以提高其流道水動力過魚能力。然而，魚類通過水輪機流道下行還可能因與流道構(gòu)件的撞擊、摩擦、擠壓等遭受到機械損傷，其損傷概率與魚體下行軌跡、流道尺寸、魚體尺寸等因素密切相關(guān)，因此下一步研究還應(yīng)以魚類水動力損傷概率及機械損傷概率綜合評價水輪機流道過魚能力。另外，本文主要針對四大家魚1齡以下的幼魚通過軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機流道下行進行研究，魚體尺寸與流道水動力計算網(wǎng)格單元尺寸相差不大，對于尺寸較大的成魚，在判定水動力損傷單元區(qū)域時應(yīng)進一步分析和討論。