蜿蜒式魚道與豎縫式魚道的水力特性對比分析

劉 輝，郄志紅，吳鑫淼

（河北農(nóng)業(yè)大學 城鄉(xiāng)建設(shè)學院，河北 保定 071001）

魚道是1 種能夠使被攔河建筑（如水閘、大壩等）阻斷的江河重新連通，為魚類提供洄游路徑的專門水工建筑物，具有維系江河上下游水生態(tài)的作用。魚道按結(jié)構(gòu)可以分成工程型魚道和近自然型魚道。常見的工程型魚道有豎縫式、丹尼爾式、池堰式和管道式魚道等。工程型魚道中的豎縫式魚道因其流態(tài)穩(wěn)定、對上下游水位變動自適應性強等優(yōu)點，在國內(nèi)外工程應用較為廣泛［1］。豎縫式魚道水力特性的研究歷史比較早，20 世紀80 年代，加拿大Alberta 大學的Rajaratnam 團隊［2-5］結(jié)合水工物理試驗與室外觀測對豎縫式魚道進行了系統(tǒng)研究，研究表明魚道池室的長寬比宜適當取值，當長寬比取值1.25 ～1.88 范圍內(nèi)，魚道內(nèi)部水流流態(tài)穩(wěn)定。法國的Larinier 等［6］對豎縫式魚道的池室消能情況進行了試驗研究，提出了可以用魚道水池單位體積消能率來表達豎縫式魚道中水體的紊動強度。徐體兵 等［7］通過對魚道模型進行數(shù)值模擬計算，得到了豎縫式魚道水池的長寬比為9∶8 ～10.5∶8、導板長度與水池寬度之比為0.25 ～0.34 的合理區(qū)間，可以獲得較好流態(tài)。張國強等［8］研究了豎縫寬度對水池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)的影響，并給出豎縫寬度的合理取值范圍為b/B=0.15 ～0.20（b、B分別為豎縫寬度和池室寬度）。但在實際工程中，一些工程型魚道的運行效果不佳，如富春江七里壟水電站魚道、湖南的洣水洋塘水電站魚道等未能發(fā)揮應有作用［9-10］。

隨著生態(tài)文明和回歸自然理念的不斷深化，生態(tài)水力學不斷發(fā)展，魚道等生態(tài)補償技術(shù)被積極開發(fā)，其中近自然型魚道得到了國內(nèi)外越來越多的重視，用于保護水利工程建設(shè)中的魚類資源。例如孫雙科、張國強［11］分析闡述了近自然魚道的設(shè)計理念及方法，并提出近自然魚道由于構(gòu)建了魚類所熟知的水流流態(tài)，提高了過魚能力。王猛等［12］對于仿自然型魚道進出口布置的流態(tài)進行了水工模型試驗和放魚試驗研究，得到了進出口附近水流條件的合適位置和影響因素。郄志紅等［13］提出1 種新型太極式魚道，通過數(shù)值模擬計算和物理模型試驗結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)新型太極式魚道能夠顯著增強魚道消能減速效果，流態(tài)豐富，利于魚類上溯洄游。李廣寧等［14］引入水生植物元素提出1 種仿自然魚道并進行了物理模型試驗和過魚試驗，發(fā)現(xiàn)該魚道水流蜿蜒，流態(tài)豐富，魚類能夠順利上溯。

筆者結(jié)合前期工作成果，提出了1 種近自然的旋流式太極八卦魚道［15］，從近自然型魚道工程設(shè)計方面看，水力學特性研究是魚道設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題，數(shù)值模擬技術(shù)能夠更加細致地研究內(nèi)部流場的水力學特性。因此，以其簡化模型—蜿蜒式魚道進行水流數(shù)值模擬并與相同規(guī)模尺寸的豎縫式魚道數(shù)值模擬結(jié)果進行對比評價，說明該魚道體型的合理性。蜿蜒式魚道的結(jié)構(gòu)布置與豎縫式魚道相近，但同時具有近自然型魚道的特點，適用于特定地形條件及運行水頭較低的小型魚道工程。

1 蜿蜒式與豎縫式魚道數(shù)學模型及CFD 模擬

流體運動應滿足連續(xù)性方程和動量守恒方程，考慮不可壓縮流體的紊動情況，建立魚道的RNGk-ε紊流數(shù)學模型，Navier-Stokes 方程下的控制方程［16-19］如下：

根據(jù)魚道設(shè)計準則確定蜿蜒式魚道和豎縫式魚道的幾何布置參數(shù)［20］，魚道結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1?？紤]可比性，設(shè)定2 種魚道的基本尺寸相同，即魚道的總長、底坡、池室數(shù)相同，其它尺寸參數(shù)見表1?；谏鲜鰯?shù)學模型分別對2 個魚道進行整體模擬。進水口邊界設(shè)定為壓力進口，出水口邊界為壓力出口，頂部邊界設(shè)置為壓力進口，相對壓強設(shè)置為0，其余設(shè)定為固壁邊界。

網(wǎng)格劃分:選擇六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對魚道模型進行劃分，采用Auto-mesh 功能自適應技術(shù)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸為0.10 m，網(wǎng)格總數(shù)量602 14 個。

圖1 蜿蜒式魚道A 和豎縫式魚道B 平面布置Fig.1 Plane layout of meandering fishway and vertical slit fishway

表1 魚道布置技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of fishway layout

在上游水深為0.40 m 的情境下CFD 模擬的整體結(jié)果如圖2 所示?？梢钥吹礁鞒厥覂?nèi)水流狀態(tài)基本類似，故下文中取各自的第3#級池室的計算結(jié)果進行比較。

圖2 魚道模擬結(jié)果圖Fig.2 Simulation results of fishway

2 2 種魚道水流特性對比分析

2.1 池室流速場分析

分別選取距離魚道池底H=0、H=0.15、H=0.30 m 的平行于底坡的剖面及其它關(guān)鍵斷面，研究魚道對池室內(nèi)水流結(jié)構(gòu)不同水深處流速場的影響。

2.1.1 池室不同水深處流速場比較分析 由圖3 給出的蜿蜒式和豎縫式魚道池室3#內(nèi)距池底H=0、H=0.15 和H=0.3 m 的平行剖面的流場分布可知，魚道的水流特性有以下異同：

2 種魚道池室水流特性相似點：（1）主流明確，流態(tài)分區(qū)明顯，有利于魚類上溯找到正確的上游方向。（2）順水流方向，2 個埡口或豎縫之間的主流區(qū)流速值在縱向上呈現(xiàn)先逐漸減小后增大的規(guī)律，在橫向上呈現(xiàn)主流區(qū)流速高，向兩側(cè)流速降低的規(guī)律。（3）蜿蜒式魚道池室中不同水深處（距池底H=0、H=0.15 和H=0.3 m）的流態(tài)、流速場分布基本相似，在豎縫式魚道中也有相同的規(guī)律。

2 種魚道池室水流結(jié)構(gòu)不同點：（1）豎縫式魚道內(nèi)，在豎縫處形成了射流至下級豎縫處，且主流小幅度彎曲；而蜿蜒式魚道的池室內(nèi)出現(xiàn)旋流，能夠產(chǎn)生近似“S”型的水流特征，水流運動蜿蜒曲折，更接近自然河道水流分布，主流彎曲幅度偏大。（2）主流在池室內(nèi)的相對位置不同。豎縫式魚道中主流橫向上基本位于池室中心區(qū)域，而蜿蜒式魚道中主流大部分分布在池室右側(cè)區(qū)域及靠近池壁處，表層主流相對比較擴散，多樣化結(jié)構(gòu)形式為不同種群的魚類提供了更多選擇路徑。（3）豎縫式魚道內(nèi)主流兩側(cè)各產(chǎn)生1 個大小不同的漩渦區(qū)，對中間的主流造成擠壓，使主流更加集中；蜿蜒式魚道導流坎將急流導向?qū)?cè)，僅在主流左邊產(chǎn)生1 個漩渦區(qū)，單側(cè)漩渦對主流擠壓偏小，主流相對更加擴散。（4）豎縫式魚道池室內(nèi)大部分流速低于1.00 m/s，局部最大流速1.25 m/s 位于豎縫斷面邊緣處。主流兩側(cè)的漩渦區(qū)及低流速區(qū)流速值在0.38 m/s 以下；蜿蜒式魚道池室內(nèi)大部分流速低于1.20 m/s，局部最大流速1.45 m/s 在緊靠埡口右壁位置，范圍小，池室左側(cè)區(qū)域流速值在0.40 m/s 以下。

圖3 魚道流速場Fig.3 Flow field of fishway

2.1.2 主流區(qū)最大流速軌跡線和沿程衰減情況 圖4給出了距魚道池底H=0.15 m 處蜿蜒式和豎縫式魚道主流區(qū)的最大流速軌跡線，圖5 給出最大流速的沿程分布情況。

圖4 主流區(qū)最大流速軌跡線Fig.4 Trajectory of maximum flow velocity

圖5 主流最大流速沿程變化Fig.5 Distribution of maximum flow velocity

由圖4 主流區(qū)最大流速軌跡線圖可知，蜿蜒式魚道主流最大流速軌跡線的彎曲度相比豎縫式魚道偏大，導流坎的導流作用明顯。蜿蜒式魚道中主流最大流速軌跡線靠右壁彎曲，約在x=1.7 m 處彎曲幅度最大，主流整體分布在池室右側(cè)部分；豎縫式魚道中主流最大流速軌跡線向左側(cè)略有彎曲，約在x=1.5 m 左右時彎曲幅度達到最大，橫向上主流基本位于池室中間位置。

由圖5 主流最大流速沿程變化曲線和表2 最大流速衰減率可知，2 種魚道池室3#中主流最大流速的最大衰減率相差不大,均在55%以上。說明2 種魚道結(jié)構(gòu)的主流區(qū)最大流速沿程衰減明顯，變化幅度較大，主流的橫向擴散程度較大，均能夠有效消減主流能量。

表2 水深H=0.15 m 處主流最大流速最大衰減率Table 2 Maximum attenuation rate of the maximum velocity in the main flow

2.1.3 斷面流速分布 埡口或豎縫位置是魚道結(jié)構(gòu)的最窄區(qū)域，也是最大流速出現(xiàn)位置，因此有必要對埡口或豎縫斷面流速作出分析。圖6a、圖6b 分別給出了下層（H=0 m）、中層（H=0.15 m）、上層（H=0.30 m）處蜿蜒式魚道埡口中心斷面流速分布和豎縫式魚道豎縫中心斷面流速分布情況。能夠發(fā)現(xiàn)，蜿蜒式魚道埡口中心斷面流速在橫向上具有明顯的梯度分布特點，流速分布范圍廣，最大流速出現(xiàn)在右側(cè)邊壁附近，左側(cè)邊壁流速相比右側(cè)邊壁偏小，垂向上流速分布基本保持一致，在斷面左側(cè)區(qū)域流速變化表現(xiàn)明顯。豎縫式魚道豎縫中心斷面流速變化在橫向上有近導板側(cè)流速偏大，隔板側(cè)流速偏小的規(guī)律，垂向上流速分布變化較明顯。

圖6 斷面流速分布Fig.6 Velocity distribution of cross sections

2.2 池室紊動能分析

紊動能即流體紊動所具有的動能，是衡量水流紊動程度的重要指標。紊動能越大，水體湍動程度越劇烈，流體間的碰撞產(chǎn)生的能量損失越大［21］。紊動能不僅影響魚類的運動能力，還有可能損傷魚類的身體，對池室紊動能分析十分重要。

2.2.1 不同水深處紊動能分布 圖7 給出了距魚道池底H=0.15、H=0.30 m 處池室3# 紊動能分布情況。對比不同水深處的紊動能分布圖發(fā)現(xiàn)，蜿蜒式魚道內(nèi)同一池室不同深度的紊動能分布情況基本相似，豎縫式魚道內(nèi)也有相似的規(guī)律。蜿蜒式魚道主流區(qū)的紊動能在0.050 J/kg 以下，池室前端中心位置的紊動能偏大，為0.050 ～0.065 J/kg，兩側(cè)池壁附近紊動能最低。豎縫式魚道池室紊動能分布呈Ω 型，紊動能值為0.036 ～0.106 J/kg，最大紊動能位于豎縫區(qū)靠近導板處，左側(cè)漩渦區(qū)紊動能范圍0.036 ～0.071 J/kg，主流及右側(cè)漩渦區(qū)紊動能相對較低。蜿蜒式魚道的最大紊動能偏小，約是豎縫式魚道的61.3%。魚類一般喜于紊動能較低的區(qū)域上溯和休息，Silva 等確定了高、低紊動能區(qū)的臨界值為0.050 J/kg［22］。水流的紊動程度與魚類的游泳能力呈負相關(guān)，紊動能越大，就會越抑制魚的游泳能力［23］。蜿蜒式魚道池室大部分區(qū)域為低紊動能區(qū)，主流區(qū)紊動能值TKE＜0.050 J/kg，對魚類的游泳能力及上溯行為影響也相對較小。

圖7 池室紊動能分布圖Fig.7 Turbulent energy distribution of the pool

3 結(jié)論

應用CFD 模擬計算的方法分別對蜿蜒式和豎縫式魚道相關(guān)的水力特性問題進行了研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）2 種魚道結(jié)構(gòu)的流態(tài)分區(qū)明顯，主流明確。蜿蜒式魚道池室內(nèi)不同水深位置（距池底H=0、H=0.15 和H=0.3 m）的流態(tài)、流速場分布基本相似，在豎縫式魚道中也有相同的規(guī)律。與豎縫式魚道相比，蜿蜒式魚道池室內(nèi)出現(xiàn)旋流，產(chǎn)生近似“S”型的水流特征，水流運動蜿蜒曲折，更接近自然河道水流分布，主流彎曲幅度偏大。

（2）主流在2 種魚道池室內(nèi)的相對位置不同，多樣化結(jié)構(gòu)形式為不同種群的魚類提供了更多選擇路徑。豎縫式魚道內(nèi)主流兩側(cè)均產(chǎn)生漩渦區(qū)，造成對中間的主流擠壓，使主流更加集中，而蜿蜒式魚道導流坎將急流導向?qū)?cè)，僅在主流左邊產(chǎn)生1 個漩渦區(qū)，單側(cè)的漩渦區(qū)對主流擠壓偏小，因此主流更加擴散。蜿蜒式魚道最大流速出現(xiàn)在埡口及導流坎附近，豎縫式魚道最大流速在豎縫處，最大流速相差不大，且最大衰減率沒有明顯差距,均在55%左右，滿足過魚要求。

（3）蜿蜒式魚道內(nèi)不同水深處的紊動能分布情況基本相似，豎縫式魚道內(nèi)也有類似規(guī)律。蜿蜒式魚道最大紊動能相對偏小，僅是豎縫式魚道的61.3%。蜿蜒式魚道池室大部分區(qū)域為低紊動能區(qū)，主流區(qū)紊動能值TKE＜0.050 J/kg。

（4）豎縫式魚道在豎縫處的急縮急擴產(chǎn)生了較大局部水頭損失，使豎縫處的最大流速相比蜿蜒式魚道偏小，但水流紊動偏大，主流位置居中。蜿蜒式魚道在埡口處是漸縮漸擴，水流更加平順，紊動較小，池室主流靠近池壁，水流急緩深淺分區(qū)。

蜿蜒式魚道作為1 種近自然型魚道，池壁結(jié)構(gòu)平滑過渡，與水流運動貼合，更接近自然河道，形式美觀，與河流生態(tài)相得益彰，但其細部構(gòu)造優(yōu)化、底坡J調(diào)整和實際工程實施等問題仍需深入探索。