魚道紊流特性研究進(jìn)展

李甜暢，閆 濱

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866）

1 研究背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對水資源需求越來越高，因而在江河湖泊上修建了大量的閘壩工程。這些工程在帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時，也會使得魚類棲息地環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致生物多樣性降低，例如分布在山西、陜西、河南、山東4省河段的鰻鱺，由于建壩阻隔其洄游通道而大量減少，黃河下游河南、山東河段的達(dá)氏鱘、白鱘也逐步稀少，破壞了原有的區(qū)域生態(tài)平衡。因而，在修建水利工程的同時，必須充分考慮過魚設(shè)施的建設(shè)以維持水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

圖1 魚道型式Fig.1 Several types of fishway

按照全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定公布的定義，魚道為供魚類上溯洄游過壩的人工通道；或設(shè)在江河上的固定建筑物（如水壩）中使魚類能逆流或順流通過的人工水道；或水利設(shè)施中供魚類洄游的人工水道［1］。魚道一般適用于低水頭水利樞紐，是一種最常見的過魚設(shè)施。其種類［2］包括：丹尼爾式、池堰式、溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式、特殊結(jié)構(gòu)式、仿自然式、涵洞式、新型螺旋式等（見圖1）。其中，丹尼爾式的流量較大，可以改善下游吸引魚類的條件，但是水流的紊動比較劇烈；池堰式具有很好的消能效果，并且可以為魚類提供休息的區(qū)域［3］，但是隨著流量的增大，其紊流狀態(tài)就會發(fā)生較大改變［4］；溢流堰式雖然運(yùn)行比較平穩(wěn)，但是消能性較差，對水位變動的適應(yīng)性較差；淹沒孔口式對水位變動的適應(yīng)性較好，但消能效果較差；豎縫式消能效果和適應(yīng)性均較好，但容易造成池室內(nèi)水流的紊動；組合式可以發(fā)揮各種孔口優(yōu)勢，水力特性較好，但由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計有一定難度；特殊結(jié)構(gòu)式雖然經(jīng)濟(jì)、易于設(shè)計，但其是采用竹籠固定在混凝土上，所以需要經(jīng)常更新；仿自然式可以給魚類在池室中創(chuàng)造良好的休息條件，不過需要有符合要求的合適地形；涵洞式魚道具有流速大、輸水快的特點，但是其進(jìn)出口處流速過大，且水流的紊動過大［5］；新型螺旋式是在現(xiàn)有豎縫式魚道順河布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)而得到的一種新型魚道，它具有占用平面面積小、提升高度大、流速分布均勻、水深大等特點，適合不同魚類洄游［6］。

上述各類魚道雖然都具有一定優(yōu)點，但是普遍存在著紊流劇烈的缺點，而魚道內(nèi)流速、漩渦的分布、紊動能、紊流強(qiáng)度等紊流特性是魚類順利通過魚道及實現(xiàn)自然洄游的關(guān)鍵因素，因此，研究魚道內(nèi)紊流要素的變化規(guī)律，合理設(shè)計魚道形式，對于提高魚道過魚效果、維持區(qū)域生態(tài)平衡具有重要意義。

2 紊流特性

魚道的紊流特性包括流速、紊流強(qiáng)度、紊動能、雷諾切應(yīng)力等。紊流的瞬時流速包括時均值和脈動值2個部分。對于x方向，有

式中：ux為x方向紊流的瞬時流速；ˉux為x方向紊流的時均值；u′x為x方向紊流的脈動值。

對于脈動值，常用它的均方根值作為它的統(tǒng)計特征值。若為各向同性紊流，則有

式中：u′y為y方向紊流的脈動值；u′z為z方向紊流的脈動值。

用單位質(zhì)量流體的紊動平均動能e來表示紊動能的大小，即

常用紊流強(qiáng)度N來表示紊流的程度，即

對N-S方程進(jìn)行時間平均后，得到紊流時均運(yùn)動的運(yùn)動方程即雷諾方程，雷諾方程中的這 3項為附加法向應(yīng)力這3項為附加切應(yīng)力，統(tǒng)稱為雷諾應(yīng)力［7］。

學(xué)者們通過研究表明，魚道中的紊流特性和魚類的行為有著密切的關(guān)聯(lián)。Lacey等［8］（2012）研究發(fā)現(xiàn)：魚道中魚類的洄游能力主要取決于紊流的強(qiáng)度（紊動能、雷諾切應(yīng)力和漩渦）、周期性、方向、長度（漩渦及漩渦的規(guī)模）等。Crowder等［9］（2002）指出，漩渦和紊動能是紊流特性中對魚類影響較大的因素，漩渦是表示一個流體繞其軸線旋轉(zhuǎn)的速度向量；紊動能是衡量由于紊流速度波動而導(dǎo)致動能增加的量度。Guiny等［10］（2005）研究得出，池堰式魚道中的最大紊動能在0.4～1.2 m2／s2之間，而 Silva等［11］（2010）在同種魚道中得到最大紊動能值僅為0.02 m2／s2；Liu等［12］（2006）發(fā)現(xiàn)，豎縫式魚道中最大紊動能為0.2 m2／s2；Morrison等［13］（2009）在涵洞式魚道中測得最大紊動能為0.6 m2／s2。

3 魚道紊流特性研究進(jìn)展

3.1 丹尼爾式魚道

丹尼爾式魚道是最早出現(xiàn)的魚道形式，早期有學(xué)者對其流量、水深及流速分布進(jìn)行了研究［14］。其后，佟雪豐等［15］（2016）利用 ADV進(jìn)行流速測量，通過物理模型試驗（模型總長 L＝18.57 m，寬度B＝1 m，高H＝1 m，坡比為1∶12），分析丹尼爾式魚道在不同工況下的紊動特性。結(jié)果表明：池室中的流場具有明顯的主流區(qū)和回流區(qū)；主流區(qū)域內(nèi)w方向紊動強(qiáng)度值明顯高于 u，v 2個方向，回流區(qū) u，v，w方向的紊動強(qiáng)度值則大致相同；在xy平面上，雷諾應(yīng)力值隨著與邊墻距離增大而減?。凰鹘?jīng)過隔板處紊動能達(dá)到最大值，隨后沿程減小。

丹尼爾式魚道底板附近處流速較小，可供游泳能力弱的魚類洄游，游泳能力強(qiáng)的魚類可以在接近表面處洄游。但由于魚道內(nèi)的流速會隨水深增加而增大，因此限制了魚道的高度［14］。

3.2 池堰式魚道

池堰式魚道歷史比較久遠(yuǎn)，自20世紀(jì)80年代起，廣大學(xué)者陸續(xù)通過試驗，對池堰式魚道內(nèi)水流流態(tài)、流量與水深的關(guān)系進(jìn)行了研究［16－19］。為了進(jìn)一步了解該魚道的紊流特性，Yagci［20］（2010）通過試驗對長L＝0.7 m，寬度B＝0.975 m，坡度為7%的池堰式魚道內(nèi)的紊流特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：池室中各層流動模式不同，形成了2個流動區(qū)域，分別是主流區(qū)和循環(huán)區(qū)。其中，循環(huán)區(qū)在速度值較低處提供一個相對靜止的休息區(qū)域。基于試驗數(shù)據(jù)，得到6層的紊流模式。最大的紊流出現(xiàn)在第3層，位于2個主要流層“堰流”層和“孔口流”層之間，這可能是因為相對密集的動量轉(zhuǎn)移到這2個主要流動層之間。試驗結(jié)果也表明，魚道中紊流具有各向異性。

3.3 淹沒孔口式魚道

淹沒孔口式魚道屬于隔板型魚道，其過魚孔是淹沒在水下的孔洞，孔口流態(tài)為淹沒流。汪紅波等［21］（2012）采用數(shù)值模擬方法對淹沒孔口式橫隔板魚道的流態(tài)以及紊動能等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。分析表明：池室內(nèi)的漩渦主要分布在大孔主流的兩側(cè)，在同一隔板中，與大孔同側(cè)的小孔處水流具有分流現(xiàn)象，而與大孔異側(cè)的小孔處比同側(cè)的小孔處流速大；紊動能主要分布在隔板的邊界處以及魚道的底部，相同隔板條件下，大孔同側(cè)小孔處的紊動能要比異側(cè)的小，且擋板邊界處的要比邊墻邊界處的大。

3.4 豎縫式魚道

早期對于豎縫式魚道的研究主要集中在紊流流速規(guī)律方面。董志勇等［22－23］（2008）對 L＝15 m，B＝0.8 m，H＝1 m，隔板間距為 120 cm，豎縫寬度為30 cm的同側(cè)、異側(cè)豎縫式魚道的一維流速進(jìn)行研究，研究表明：同側(cè)豎縫式魚道中，如果流速較大，則魚類在穿過豎縫后就轉(zhuǎn)向漩渦區(qū)域，若流速較適宜，則魚類在穿過豎縫后可以繼續(xù)上溯；異側(cè)豎縫式魚道內(nèi)主流速的變化分為前半池和后半池2部分，其中前半池主流速度逐漸減小，后半池則逐漸增加。并且在半池長附近存在一個低速區(qū)，流速＜0.2 m／s。郭維東等［24］（2012）對 L＝11 m，B＝0.4 m，H＝0.5 m的同側(cè)豎縫式魚道的流速特性進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明：當(dāng)水流進(jìn)入到池室后，主流速度先逐漸增大，在達(dá)到最大值后，主流速度開始減小，在接近下一池室豎縫處流速達(dá)到極值區(qū)。隨后，郭維東等［25］（2013）在其前期試驗的基礎(chǔ)上，對同側(cè)豎縫式魚道進(jìn)行了二維的數(shù)值分析，并且與物理模型的結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的結(jié)果與物理模型的結(jié)果基本一致，并且，其在前期的基礎(chǔ)上，從紊動能的角度分析了適合目標(biāo)魚類洄游的池室規(guī)格，得出：長寬比為10∶8、底坡為1%的條件對目標(biāo)魚種的洄游更為有利。

紊流特性不僅包括紊流流速，還包括紊流強(qiáng)度、紊動能以及雷諾切應(yīng)力等。Liu等［12］（2006）利用ADV進(jìn)行流速測量，分別對坡度為5.06%和10.12%的2種豎縫式魚道內(nèi)紊流特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：2種坡度對應(yīng)著2種不同的水流形態(tài)，而2種坡度魚道內(nèi)主要紊流特征與平面射流的差別較大；隨著射流沿池室向下，縱向和橫向紊流強(qiáng)度隨之降低，但在回流區(qū)紊流強(qiáng)度基本保持不變。Sanagiotto等［26］（2006）分析了豎縫式魚道池室內(nèi)流速、紊動能、紊流強(qiáng)度以及雷諾剪切力等紊流特性，發(fā)現(xiàn)水流可分為主流區(qū)和休息區(qū)，其中主流區(qū)的流速、紊動動能和雷諾剪切力均較大，但紊動強(qiáng)度較小，而休息區(qū)的紊流特性與之相反。Bermúdez等［27］（2010）利用物理模型和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對5%和10%這2種坡度的16種不同規(guī)格的豎縫式魚道（見表1）內(nèi)紊流特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：紊動能最大值通常是在池室的入口處，紊流強(qiáng)度以及消能率在池室的上部較低。

表1 16種規(guī)格魚道的尺寸Table1 Dimensions of 16 fishways

為進(jìn)一步了解魚道內(nèi)的紊流特征，曹慶磊等［28］（2010）采用三維數(shù)值模擬方法對長L＝7.25 m，寬度B＝0.6 m，高H＝0.6 m的同側(cè)豎縫式魚道內(nèi)的流場、雷諾剪切應(yīng)力等紊流特性進(jìn)行研究，并且通過試驗驗證了標(biāo)準(zhǔn)k－ε和雷諾切應(yīng)力方程2種紊流模型的結(jié)果。研究結(jié)果表明：池室內(nèi)形成了由1個主流區(qū)和2個大小不同的回流區(qū)組成的3個區(qū)域；紊動能和雷諾切應(yīng)力對豎縫處和小回流區(qū)的魚類上溯影響較大，對大回流區(qū)處的上溯能力影響不大。在上述研究基礎(chǔ)上，曹慶磊等［29］又利用ADV量測流速，對異側(cè)豎縫式魚道進(jìn)行試驗研究，研究表明：池室中的流速、紊動能以及雷諾剪切應(yīng)力在豎縫出口處較大，在回流區(qū)較小，魚類洄游時在上層受到流速的影響要稍大于下層，而所受紊動能與雷諾切應(yīng)力的影響則與之相反。高東紅等［30］（2015）以生態(tài)流體力學(xué)為基礎(chǔ)，用3D模型分析了豎縫式魚道內(nèi)的流場。分析表明：魚道內(nèi)部流場呈現(xiàn)明顯的三維特性，并伴隨有漩渦、上升流、下降流以及流動分離等現(xiàn)象，沿著長隔板附近的流速較低，且在魚池兩端形成上升流，流態(tài)發(fā)生了明顯的變化，并且有渦流產(chǎn)生；在通過豎縫處，形成了射流形式，在豎縫上游形成下降流而在下游附近形成上升流；在魚池中部流向短隔板處形成下降流；位于短隔板邊的漩渦靠近下游，位于自由表面附近的旋渦相對較弱，并且靠近上游隔板。

綜上，國內(nèi)外對豎縫式魚道紊流特性的研究方法主要為物理模型試驗和數(shù)值模擬方法。研究內(nèi)容主要為紊流流速、紊流強(qiáng)度及紊動能的分布規(guī)律。結(jié)果表明：異側(cè)豎縫式魚道內(nèi)主流速先減小后增大，而同側(cè)豎縫式魚道則與之相反；位于豎縫處和出口處的紊流強(qiáng)度較大，位于入口處的紊動能較大，這都會對魚類的通過產(chǎn)生較大的影響，因此，合理改善該處的設(shè)計尺寸和形式，會使過魚效果得到一定的提高。

3.5 組合式魚道

組合式魚道是溢流堰式、淹沒孔口式及豎縫式3種形式的組合。對于豎縫和潛孔組合式魚道，黃明海等［31］（2009）對其進(jìn)口處的紊動水流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，魚道隔板導(dǎo)墻厚度為0.3 m，布置一個0.8 m寬的豎縫，導(dǎo)墻另一側(cè)靠近底部設(shè)置5個0.46 m×0.46 m（長×寬）的正方形潛孔，相鄰導(dǎo)墻豎縫及潛孔采用交替方式布置。分析結(jié)果顯示：組合式魚道豎縫和潛孔處流速較大，底部流速＞水面流速。豎縫和潛孔的進(jìn)口轉(zhuǎn)角處及兩側(cè)邊壁的渦量較大，最大渦量可達(dá)15 s－1；豎縫、潛孔斷面中部和其下游局部區(qū)域的紊動能較大，最大值可達(dá)到0.27 m2／s2。

對于豎縫與堰的組合式魚道，王琲等［32］（2013）利用RNG k－ε紊流模型對 L＝4 m，B＝3.5 m，H＝3 m，豎縫寬b1及堰寬b2均為0.5 m，堰頂距池室底部1.8 m的魚道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了池室內(nèi)的流場及紊動能。分析表明：堰上和池室內(nèi)的流速隨水深增加而加大；池室內(nèi)、豎縫處和堰上的紊動能均隨著水深增加而加大。龔麗等［33］（2015）利用數(shù)值模擬方法分析了老龍口水利樞紐處長L＝532.5 m，坡度i＝6.25%，過魚池凈寬 B＝2.5 m，豎縫寬度為0.32 m，溢流堰寬1.1 m的豎縫與堰組合式魚道池室內(nèi)的主流、流速和紊動能。結(jié)果表明：沿主流軌跡線方向，主流流速沿程衰減，衰減率最高可達(dá)44%左右，證明該種魚道池室消能效果良好；池室內(nèi)紊動能基本在0.01～0.12 m2／s2之間，對魚類的洄游影響較小。

由于組合式魚道將不同形式的魚道有機(jī)組合，取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮各種形式魚道的優(yōu)勢，因而適合多種魚類同時通過，極大提高過魚效率。

3.6 仿自然式魚道

仿自然式魚道可以為生活在水中的生物體提供合適的通道，在經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面，仿自然式魚道可以替代傳統(tǒng)的魚道，因而引起了廣大學(xué)者的研究興趣［34］。Breton等［35］（2013）分析了 L＝8.89 m，B＝0.91 m，H＝0.61 m，坡度為5%的仿自然式魚道的紊流特性。其結(jié)果表明：魚道中漩渦的規(guī)模為1～30 cm；紊動能值的范圍較大，為0.005～0.25 m2／s2；最強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力發(fā)生在靠近噴射區(qū)的巨石上，而不是擴(kuò)散到整個斷面上。這種情況，魚類可以選擇在巨石之間洄游通過魚道，從而避開射流區(qū)域。在巨石尾部，其速度、峰度、旋渦均較低，可以作為魚類的休息區(qū)。Baki等［36］（2015）進(jìn)一步研究了 L＝8.89 m，B＝0.92 m，坡度分別為1.5%和3%的仿自然式魚道內(nèi)的紊流特性，研究表明，巨石群和孤立的巨石之間的紊流和紊流衰減率存在一定的差異。巨石群的紊動能和雷諾切應(yīng)力的最大值明顯小于孤立巨石中的數(shù)值，其主要原因是由于尾流干擾流紊動能的分散度要高于其他條件。

3.7 涵洞式魚道

涵洞式魚道紊流特性的研究主要集中在紊流流速、紊流強(qiáng)度及紊動能方面。Abbs等［37］（2007）研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形波紋鋼管涵洞的紊流強(qiáng)度在邊界附近較高，而在中心區(qū)較低。最大紊流強(qiáng)度出現(xiàn)在涵洞進(jìn)口處上角偏下游處。Richmond等［38］（2007）利用ADV在螺旋波紋涵洞式魚道內(nèi)測量流速，從而對魚道內(nèi)流速及紊流狀態(tài)進(jìn)行分析。

結(jié)果表明：在主流區(qū)的中心會產(chǎn)生較高的流速及紊流強(qiáng)度；平穩(wěn)的流速和較高的紊流強(qiáng)度出現(xiàn)在主流區(qū)的左側(cè)；主流區(qū)的右上角則會產(chǎn)生相對較低的流速和紊流強(qiáng)度（向上游看），魚類在涵洞的右側(cè)通過。Morrison等［13］（2008）利用物理模型對 L＝12.2 m，D＝1.83 m，坡度為1.14%的涵洞式魚道的紊流特性進(jìn)行分析，利用M－ADV儀器分別在設(shè)有斜坡堰式擋板和槽堰式擋板的涵洞內(nèi)測量流速。研究表明：在槽堰式擋板的邊緣會產(chǎn)生較大的橫向紊流強(qiáng)度；在斜坡式擋板的左側(cè)（向下游看）會產(chǎn)生較高的紊動能。Hunt等［39］（2010）分析了 L＝21 m，D＝0.8 m，坡度為0%和1.5%的環(huán)形波紋鋼管涵洞內(nèi)紊流分布情況，結(jié)果表明，紊流最大的位置和下游低流速區(qū)域位置密切相關(guān)，涵洞進(jìn)口附近的紊流明顯大于流場充分發(fā)展區(qū)域的紊流。

除了對紊流流速、紊流強(qiáng)度及紊動能的研究外，有學(xué)者對涵洞式魚道內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和探討。Yan等［40］（2011）對 L＝8 m，D＝0.5 m，坡度為0.4%的波紋鋼管涵洞內(nèi)水流的紊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，指出隨著水流沿涵洞長度方向推進(jìn)，紊流強(qiáng)度及漩渦尺寸不斷增大，最大的漩渦尺寸范圍為26～59 cm；較大的漩渦在涵洞進(jìn)口處分散在過水?dāng)嗝娴淖笊辖呛陀疑辖菂^(qū)域，到流場充分發(fā)展區(qū)域（涵洞中部），漩渦逐漸集中于斷面中心偏低區(qū)域。劉桐渤等［41］（2015）在前期研究基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬分析了環(huán)形波紋鋼管涵洞式魚道內(nèi)不同流量、埋深（0D，0.1D，0.2D）工況下，流速沿程分布以及紊流強(qiáng)度在進(jìn)出口及洞身的變化趨勢。

研究結(jié)果表明：該種魚道的過水?dāng)嗝嬷行膮^(qū)域處的流速較高，紊流強(qiáng)度較低；水面中心區(qū)域附近紊流強(qiáng)度較高，水流流速較低。涵洞底部邊壁處，流速較小，紊流強(qiáng)度也較低。

涵洞式魚道進(jìn)出口處流速過大，且水流的紊動過度，這將不利于魚類的通過，但波紋鋼管涵洞過水?dāng)嗝娴拇蟛糠謪^(qū)域水流流速低于平均流速，所以比較適合魚類上溯洄游［42］。特別地，波紋鋼管中波紋的粗糙度可以在邊界附近產(chǎn)生足夠低的流速，即使涵洞內(nèi)的平均流速超出了魚種的游泳能力，魚類仍然可以由此游向上游［43］，過魚效果良好。因而，波紋鋼管涵洞式魚道可針對部分合適的過魚對象進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3.8 各種魚道紊流特性分析

通過對丹尼爾式、池堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式、仿自然式、涵洞式魚道紊流特性的對比分析，歸納各種魚道的主要紊流特性見表2。

表2 各種魚道紊流特性Table2 Turbulent characteristics of different types of fishway

由表2可見，各類魚道中影響紊流特性的因素各不相同，在實際應(yīng)用中，可將其作為參考，加以改善，使魚道的過魚效果得到提高。

4 結(jié) 語

綜上，目前關(guān)于魚道內(nèi)紊流特性的研究主要集中在流速、紊動能以及雷諾剪切應(yīng)力等方面，且已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但是對于漩渦的研究還比較少見。魚道內(nèi)漩渦的存在也會在很大程度上干擾魚類的洄游，因此，了解漩渦的大小、分布等特點十分必要，這將成為今后紊流特性研究熱點之一。

目前國內(nèi)對于波紋鋼管（CSP）涵洞式魚道內(nèi)漩渦結(jié)構(gòu)的研究仍屬空白，由于CSP的結(jié)構(gòu)有利于魚類的上溯，若能進(jìn)一步研究其紊流特性，充分發(fā)揮其特點并提出改善措施，將CSP更廣泛地應(yīng)用到魚道建設(shè)中，將會對維持區(qū)域生態(tài)平衡發(fā)揮重要作用。此外，數(shù)值模擬作為物理模型試驗的輔助手段，由于其可以調(diào)節(jié)各種邊界條件，進(jìn)行多工況數(shù)值模擬，便于方案優(yōu)選，且與物理模型試驗相比，其具有限制條件少，靈活性強(qiáng)的優(yōu)點，因而該方法可以廣泛地應(yīng)用于魚道紊流特性研究中。

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