仿自然魚道的一般布置原則及數(shù)值模擬研究

姜 靜，周 赤，劉志雄(長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所， 湖北 武漢 430010)

仿自然魚道的一般布置原則及數(shù)值模擬研究

姜 靜，周 赤，劉志雄
(長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所， 湖北 武漢 430010)

擬建的閣山水庫會(huì)阻斷魚類的洄游通道，為解決魚類上溯問題，將同時(shí)布置仿自然魚道?；诜伦匀霍~道的一般布置原則，建立了適合研究仿自然魚道數(shù)值模擬的CFD模型，并通過物理模型試驗(yàn)研究成果進(jìn)行了模型驗(yàn)證和率定。在此基礎(chǔ)上對魚道不同的障礙物布置尺寸和間距開展了優(yōu)化比較,通過研究魚道內(nèi)的流速分布及流量等水力參數(shù)，確定了較合理的障礙物布置形式。研究表明，增大障礙物的尺寸和減小障礙物的間距均可以增強(qiáng)對水流的阻礙作用。綜合分析后推薦本魚道工程障礙物布置的較合理形式為：高2.0 m，長4.0 m，寬2.5 m，間距10 m。此布置形式在設(shè)計(jì)工況下，魚道內(nèi)的流速范圍為0.3 m/s～1.2 m/s，主流明確，能夠滿足各種魚類的上溯要求。

仿自然魚道；數(shù)值模擬；流速分布；閣山水庫

隨著水利工程的發(fā)展，修建的大壩、水閘等水工建筑物阻斷了魚類的洄游通道，對洄游魚類產(chǎn)生了巨大的影響,甚至導(dǎo)致一些洄游魚類的滅絕[1]。因此，為維護(hù)生態(tài)平衡，過魚設(shè)施的修建是十分必要的。

魚道的典型形式有丹尼爾型魚道、堰流式魚道、豎縫式魚道[2]。但傳統(tǒng)的魚道存在過魚目標(biāo)單一，運(yùn)行維護(hù)管理不暢等缺點(diǎn)。在20世紀(jì)70年代，Katopodis C等[3]首次提出仿自然魚道的概念。仿自然魚道是模仿自然河道修建的一條坡度平緩的水路供魚類洄游，有利于水能的耗散，其水流條件更加接近天然河道，因此過魚率較高[4-5]，較多的運(yùn)用于日本、瑞典、德國等國家的魚道工程中。

仿自然魚道近年來在國外的研究較多，Komura S等[6]通過改變漂石位置說明了其對于魚道內(nèi)水流流態(tài)的影響；Acharya M等[7]提出仿自然魚道比傳統(tǒng)魚道更適合用于中低水頭樞紐中；Khan L A[8]用STAR-CD方法對魚道內(nèi)水流進(jìn)行三維數(shù)值模擬，F(xiàn)ujihara M等[9]用二維淺水模型進(jìn)行魚道水力特性計(jì)算。

在國內(nèi)，毛熹等[10]對魚道的池室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；高東紅等[11]也進(jìn)行了三維魚道水力特性計(jì)算，并計(jì)算了成年粉紅鮭魚逆流上溯的阻力和能量損耗；李恒等[12]分析了不同過水?dāng)嗝婷娣e比對水流流態(tài)的影響，許少華等[13]主要研究了魚道流場的和適度問題。黎賢訪[14]對金沙電站的魚道水流流態(tài)進(jìn)行了分析，表明魚道結(jié)構(gòu)布置合理。

本文以閣山水庫魚道為例對仿自然魚道中的流速分布，流量等水力參數(shù)展開研究。

1 仿自然魚道的一般布置原則

仿自然魚道大致分為加糙坡道型魚道和水池淺灘型魚道2種不同型式[15-16]。

加糙坡道型魚道布置形式簡單，僅由一個(gè)長斜槽構(gòu)成?？紤]到魚類的游泳能力有限，魚道的坡度應(yīng)適當(dāng)平緩，長度也不宜過長，通常是在魚道中每隔一段距離布置一個(gè)低流速的休息池，休息池的形成方式有兩種：一種是人工彎曲的靜水區(qū)，另一種是在斜槽內(nèi)碼放大型的天然漂石。漂石的碼放方式可以是規(guī)則碼放，也可以是松散碼放，除此之外還可以采用交錯(cuò)布置的形式。若采用規(guī)則碼放，則漂石結(jié)構(gòu)會(huì)比較穩(wěn)定，可以適當(dāng)增加底坡的坡度；反之，若采用松散碼放，則漂石的抗沖能力減弱，需適當(dāng)減緩底坡的坡度，但這種碼放方式的優(yōu)點(diǎn)是水流流態(tài)較為接近天然河道；而最能良好模擬天然河道水流條件的漂石碼放方式是交錯(cuò)布置。

水池淺灘型魚道采用的是梯級構(gòu)造，是由淺灘和水池交錯(cuò)布置的一種魚道形式。水池處水深較深，流速較小，而淺灘處的水深較淺，流速也相對較大。這種魚道形式的布置要求是：淺灘處的流速不得大于魚類上溯的極限流速，且水池處的流速要小于魚類的最大持續(xù)速度。

加糙坡道型魚道和水池淺灘型魚道雖然是兩種不同類型的布置形式，但它們也有一些相同的特點(diǎn)：(1) 就地取材，利用漂石等材料，使魚道內(nèi)的水流流態(tài)與天然河道較為相似，有利于魚類上溯；(2) 適合各種魚類自由上溯和降河，過魚效率高，具有生態(tài)廊道功能；(3) 需有合適的地形條件且占地面積較大；(4) 需保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止洪水破壞，所以雖然建造費(fèi)用較低，但維護(hù)費(fèi)用很高。

2 閣山水庫及魚道工程概況

閣山水庫位于黑龍江省綏化市綏棱縣境內(nèi)呼蘭河右岸支流諾敏河上游，距綏棱縣城約36 km。工程任務(wù)以灌溉和城鎮(zhèn)供水為主，兼顧防洪發(fā)電等綜合利用。主體工程包括土壩、溢洪道、電站、灌溉洞等，總庫容4.04億m3，水庫大壩為黏土均質(zhì)壩，長度3 246 m，壩頂高234.20 m，最大壩高18.1 m。溢洪道位于大壩左側(cè)。魚道從老河道電站尾水渠起始，在溢洪道左側(cè)順溢洪道軸線方向布置50 m，經(jīng)100 m半徑的36°角轉(zhuǎn)彎遠(yuǎn)離溢洪道的干擾，順直210 m，經(jīng)100 m半徑的35°角轉(zhuǎn)延近似平行大壩布置，在魚道樁號1+300 m處再經(jīng)100 m半徑轉(zhuǎn)彎向大壩下游偏離，魚道樁號2+500 m處經(jīng)300 m半徑轉(zhuǎn)彎折回上游，在大壩左端經(jīng)50 m半徑轉(zhuǎn)彎入庫。魚道經(jīng)過諾東輸水洞的尾水渠，延尾水渠設(shè)一倒虹吸，使魚道平順通過，如圖1所示。

圖1 閣山水庫工程樞紐總體布置圖

閣山水庫仿自然魚道斷面為梯形，底寬5.0 m、兩側(cè)邊坡1∶1.5，池室深度取3.2 m，魚道全長3.5 km，進(jìn)出口落差14.4 m，坡降1∶200。槽身邊墻部位每隔10 m設(shè)置障礙物，障礙物尺寸：高2.0 m，沿水流方向長4.0 m，垂直水流方向?qū)?.5 m，間距10 m。魚道設(shè)計(jì)水深1.2 m，水流進(jìn)口流速1 m/s。魚道出口設(shè)置控制閘門，閘室處斷面呈矩形，長度為6.0 m，凈寬為5.0 m。

本魚道過魚保護(hù)對象主要是洄游魚類鮭科中的哲羅鮭和細(xì)鱗鮭等冷水性魚類。主要過魚季節(jié)：每年的4月—7月。

3 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型以魚道出口段1 km范圍為研究對象。為減小邊界條件對計(jì)算結(jié)果的影響，故選擇距進(jìn)出口邊界較遠(yuǎn)的中間段池室的數(shù)據(jù)作為研究對象分析流速特征。

3.1 控制方程組

FLUENT的湍流計(jì)算有三種不同形式的基本方程：標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型，RNGκ-ε模型，Realizableκ-ε模型。因RNG模型在ε方程中加了一個(gè)條件，它提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性的解析公式，因此RNGk-ε模型相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有更高的精度，故本文采用RNGκ-ε模型。

基于RNGκ-ε湍流方程建立閣山水庫仿自然魚道數(shù)學(xué)模型，控制方程組表示如下：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

3.2 邊界條件

模型采用明渠計(jì)算方法，水流進(jìn)口為速度進(jìn)口，流速為1 m/s；水流出口為壓力出口；頂部為壓力進(jìn)口，相對壓強(qiáng)為零。壁面為無滑移壁面，考慮糙率影響，糙率取0.03。

3.3 網(wǎng)格劃分

模型用有限體積法對控制方程離散，采用四面體的計(jì)算網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 魚道網(wǎng)格劃分

3.4 數(shù)值模擬方法

使用VOF計(jì)算方法模擬追蹤自由水面。壓力采用Body Force Weighted格式差值，動(dòng)量差值格式為二階迎風(fēng)格式，體積分?jǐn)?shù)采用Geo-reconstruct格式差值，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)間步長取為0.5 s。計(jì)算歷時(shí)延長至計(jì)算結(jié)果基本恒定。

3.5 模擬結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)水深1.2 m的工況下，表(z/h=0.8)、底(z/h=0.2)水層的水流流態(tài)如圖3所示。

圖3 魚道平面內(nèi)水流流態(tài)

根據(jù)模擬結(jié)果，魚道水流呈現(xiàn)如下特征：(1) 表層水流最大流速為1.2 m/s，底層水流最大流速為0.8 m/s；(2) 因障礙物的阻礙作用，魚道水流沿垂向呈現(xiàn)三維特性，主流明確且呈“S”型彎曲；(3) 隨著水層的升高，水流流速逐漸增大，主流寬度逐漸增加。

計(jì)算結(jié)果表明：此障礙物布置形式在設(shè)計(jì)水深1.2 m的工況下，魚道內(nèi)水流流態(tài)良好，主流明確，有利于各種魚類的上溯。

4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證結(jié)果的正確性，本研究同時(shí)開展了物理模型試驗(yàn)。

4.1 物理模型

物理模型根據(jù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型長度比尺為1∶20。魚道主要模擬了魚道進(jìn)口段(從進(jìn)口至第二個(gè)彎段后一定長度)，共長約500 m、出口段(出口前第二個(gè)彎段上游一定長度至出口)，共長約900 m。模型模擬魚道長度約1 400 m。

4.2 模型驗(yàn)證

物理試驗(yàn)工況同數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，控制進(jìn)口水深1.2 m，流速1 m/s。取魚道順直段的同一部位作為研究對象，物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬得到的流速分布圖如圖4所示。由圖4可以看出，物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得的流速分布基本一致，表明了其結(jié)果的正確性。

圖4 魚道內(nèi)同一部位流速分布圖

5 障礙物布置的比較與優(yōu)化

為研究不同的障礙物布置形式對魚道內(nèi)水流流態(tài)分布的影響，對障礙物尺寸及布置間距進(jìn)行對比分析。

5.1 優(yōu)化方案

優(yōu)化比較的方案見表1，方案1為基本方案，方案2～方案5分別改變了障礙物的寬、長、高、間距。其中長為沿水流方向，寬為垂直水流方向。

表1 障礙物布置方案特征值表 單位：m

5.2 流速分布

數(shù)值計(jì)算的邊界條件，網(wǎng)格劃分，數(shù)值方法同前。計(jì)算結(jié)果取表層(z/h=0.8)水流流態(tài)進(jìn)行分析，如圖5所示。五種工況下魚道研究段的流量，水深，比降見表2。

對模擬結(jié)果分析可以看出：(1) 障礙物尺寸的增大和間距的減小對水流的阻礙作用均增強(qiáng)，可以使魚道內(nèi)的流量減小，但對水深和比降的影響很小。(2) 方案1時(shí)，魚道內(nèi)水流流態(tài)良好，主流明顯，呈S型彎曲，最大流速為1.2 m/s，小于魚類上溯的極限流速，能滿足各種魚類的上溯要求。(3) 方案2表明，障礙物寬度增大，可以略微降低魚道內(nèi)的最大流速，但主流不如方案1明顯，其流速分布不利于魚類上溯。(4) 方案3和方案4表明，障礙物長度和高度增大，使水流集中，流速分布不好，不建議采用。(5) 障礙物間距減小，魚道內(nèi)流速明顯減小，最大流速不超過1 m/s，但障礙物間距的減小將導(dǎo)致工程量明顯增加，不經(jīng)濟(jì)。(6) 通過以上分析，推薦較合適的方案1的參數(shù)為本工程障礙物的布置形式，即：長4.0 m，寬2.5 m，高2.0 m，間距10 m。

圖5 魚道流速分布圖

6 結(jié) 語

建立適合仿自然魚道模擬的CFD模型，對魚道池室內(nèi)的水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的正確性。并分別改變障礙物的長、寬、高及間距，分析其對水流流態(tài)及流量等的影響，推薦出適合本工程的障礙物布置形式。此布置形式較好的解決了本魚道工程的過魚問題，可為其他魚道工程提供借鑒。

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General Layout Principles and Numerical Simulation of Nature Simulating Fishway

JIANG Jing， ZHOU Chi， LIU Zhixiong

(InstituteofHydraulics,ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,Wuhan,Hubei430010,China)

The planned Geshan reservoir will block the migration route of fish, in order to solve the problem of fish migration, fishway will be designed at the same time which use nature-simulating arrangement. Based on the general layout principles, the flow in fishway is numerically simulated by CFD model, which is reasonable for nature-simulating fishway, the model was calibrated and validated by physical experiments. Different sizes and spacing of obstacles within the fishway were further compared and analyed, after which the more reasonable arrangement of the obstacles was determined by study the velocity distribution and the rate of flow in the fishway. The results show that increasing the size and minimizing the spacing of obstacles can enhance the block effort to water. After comprehensive analysis, this research recommends a reasonable arrangement of the obstacles in the fishway which is two meters high, four meters long, two point five meters wide, ten meters spacing. The velocity in the fishway under this design ranges from 0.3 m/s to 1.2 m/s and mainstream is obvious which is suitable for fish migration.

nature simulating fishway; numerical simulation; velocity distribution; Geshan reservoir

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.017

2016-07-21

姜 靜(1990—)，女，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)。 E-mail: 719583965@qq.com

周 赤(1963—)，男，湖南岳陽人，教授級高級工程師，主要從事水工水力學(xué)高速水流方面的研究。E-mail: zhouchi@mail.crsri.cn

S956.3

A

1672—1144(2016)06—0081—05