堰-底孔組合式魚道堰頂布置優(yōu)化研究

黃建宇，魏 萍，紀 超，王 彪，王 浩

（1.南昌龍行港口集團有限公司，南昌330029；2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，南京210034；3.江西省港航建設投資集團有限公司新干航電樞紐分公司，江西吉安331300；4.江西交遠物流有限公司，江西南昌330029）

0 引 言

隔板式魚道按隔板上過魚孔的形狀，可分為溢流堰式、孔口淹沒式、豎縫式及組合式。組合式魚道可將各種型式魚道的優(yōu)點集合，取長補短，充分發(fā)揮各種型式魚道的優(yōu)勢，適合多種魚類同時通過，提高過魚效率。溢流堰和底孔結合的堰-底孔組合式魚道，不僅能較好地發(fā)揮兩種類型過魚孔的水力特性，靈活地控制池室的流速和水流結構，而且能滿足不同習性魚類的過魚需求，是國外常用的魚道型式［1，2］。其中，淹沒孔口式魚道適用于底層洄游的魚類，能適應上下游較大的水位變幅［1，3］，溢流堰式魚道適用于表層洄游和有跳躍習性的魚類［4］。堰頂缺口將水流限制在缺口中，增加了池室中的能量耗散，溢流堰缺口型式有很多，有的布置在中央位置，有的布置在堰頂兩側(cè)左右交錯，但通過大量的魚類觀測發(fā)現(xiàn)，一些魚在穿過一系列有交錯孔或交錯槽的魚道隔板時，表現(xiàn)得非常不適應，有交錯孔或交錯槽的魚道池室內(nèi)水流主流彎曲程度大，魚類洄游道路曲折，不利于魚類沿著主流上溯［5］。汪洪波［6］等運用數(shù)值模擬的方法研究了橫隔板魚道的水力特性，表明此類型魚道內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定。劉鵠［7］、王琲［2］、黃明海［8］等分別研究了豎縫式魚道與孔口式魚道、溢流堰式魚道、潛孔式魚道組合的組合式魚道的水力特性，結果均表明組合式魚道的水力學條件較好，適合不同習性和種類的魚類通過。

溢流堰式魚道隔板設計簡單，但其堰頂形狀、尺寸、外形及孔口布置都是需要研究的重要特征，因此，本文結合工程實例對堰-底孔組合式魚道不同堰頂缺口布置的水流特征進行了研究，研究方法和思路可為同類型魚道的設計提供借鑒。

1 數(shù)學模型建立

1.1 魚道建模基本參數(shù)

堰-底孔組合式魚道單個池室凈寬2.0 m，長2.6 m，每間隔10個過魚池設置一個長5.5 m 的平底休息池。魚道全長720 m，魚道梯級數(shù)117個，其中過魚池106個，休息池11個。上游設計水位36.20 m，下游運行水位30.70 m，對應設計水頭5.5 m 的魚道設計流速為0.4～1.0 m/s，過魚對象為四大家魚等經(jīng)濟魚類，流速基本滿足過壩魚類的喜愛流速范圍。池內(nèi)設兩個底孔加一堰頂缺口的組合式隔板，隔板厚20 cm。隔板兩底孔尺寸為0.3 m×0.3 m，底孔居中布置；堰頂缺口尺寸為1 m×1 m，在池室底板高程假定為0 m 時，堰頂缺口底邊相對高程為1 m，相鄰隔板交錯布置。魚道內(nèi)設計水深為2 m，入口底板高程假定為0 m，斜坡段底坡1∶50，斷面型式如圖1所示。

圖1 魚道細部尺寸Fig.1 Fishway detail size

研究中選取靠近下游的10 個池室，9 個隔板建模，池室編號從下游到上游按魚類洄游路線編號為1～10號，下游進口處設為1號池室，上游為10號池室。底孔編號從下游到上游為1～9。

1.2 控制方程

魚道內(nèi)水流流動考慮是不可壓縮水流流動問題，湍流模型選用標準k-ε模型。

數(shù)學模型控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和k-ε方程：

連續(xù)性方程：

動量方程：

紊動能k方程：

紊動能耗散率ε方程：

式中：t為時間，s；u、v、w為x、y、z方向的時均速度分量為坐標分量，m/s；ρ為水體密度，kg/m3；μ、μt為水體的黏性系數(shù)和紊動渦黏系數(shù)，m2/s；p為時均壓強，Pa；gi為重力加速度，m/s2；k為紊動能，m2/s2；ε為紊動能耗散率，m2/s3；Gk為紊動能產(chǎn)生項，各項紊流常數(shù)取值為Cμ=0.09、σε=1.3、σk=1.0、Cε1=1.44、Cε2=1.92。

追蹤自由液體表面采用VOF 方法，通過計算水和氣的體積分數(shù)來表征物體的形態(tài)，aa表示氣體的體積分數(shù)，aw表示水的體積分數(shù)，其控制方程如下：

1.3 網(wǎng)格剖分

魚道池室水流條件計算網(wǎng)格劃分的思路為：在形狀復雜的區(qū)域采用四面體單元劃分非結構網(wǎng)格，在形狀相對簡單的區(qū)域劃分為六面體結構網(wǎng)格。由于使用壁面函數(shù)法，在劃分網(wǎng)格時不需要在壁面區(qū)對網(wǎng)格進行加密。魚道形狀相對簡單，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，計算區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，隔板過魚孔（堰頂缺口和底孔）局部加密。池室內(nèi)采用網(wǎng)格尺寸0.1 m，隔板過魚孔網(wǎng)格尺寸0.05 m，模型含54.45 萬個節(jié)點，11.98 萬個六面體單元，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 魚道網(wǎng)格劃分（從左到右1～10號）水流方向從右到左Fig.2 Fishway grid division（from left to right，1～10#）flow direction from right to left

1.4 邊界條件

進出口邊界條件設置為壓力出口，采用進出口自由面水位作為邊界條件；頂部邊界條件設壓力出口，壓強為大氣壓；邊墻和底板設為無滑移固壁邊界。

1.5 數(shù)學模型驗證

數(shù)學模型采用現(xiàn)場實測的池室水深和底孔流速進行驗證，工況為現(xiàn)場監(jiān)測實測的工況，上游水深1.38 m，下游水深0.39 m。水深測點為池室中間左右兩側(cè)，每個池室實測2 個測點，池室水深結果取2 個測點水深的平均值，底孔流速按水流方向分為左右底孔，以ADV聲學多普勒流速儀測量測點速度大小及方向，結果見圖3和圖4。如圖可見，數(shù)學模擬結果與現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)吻合較好，數(shù)值模擬可以比較準確地模擬魚道池室內(nèi)的水流流態(tài)。

圖3 池室水深對比Fig.3 Comparison of Water depth of the pool room

圖4 底孔流速對比Fig.4 Comparison of the Bottom hole flow rate

1.6 計算方案

不同的堰頂形狀會改變魚道池室內(nèi)的水流特征。如圖5所示，堰頂缺口的寬度B為1 m 保持不變，相鄰過魚堰頂缺口交錯部分長度為p，如圖6，設無量綱參數(shù)p/B，分析p/B為0（方案1）、0.4（方案2）、0.6（方案3）、0.8（方案4）、1.0（方案5）在魚道運行水深h=2.0 m 的水流結構，從方案1到方案5的p/B逐漸增大，上下池室堰頂缺口錯縫偏移逐漸減小。p/B等于0時，堰頂缺口左右交錯布置，p/B等于1時，堰頂缺口布置在隔板中間，隔板左右完全對稱。

圖5 p/B=0魚道水池結構布置Fig.5 P/B=0 Structural layout of fishway pool

圖6 p/B＞0魚道水池結構布置Fig.6 p/B＞0 Structural layout of fishway pool

2 結果與分析

2.1 池室流態(tài)分析

堰-底孔組合式魚道系溢流堰式魚道和孔口式魚道的結合，沿水深方向具有不同的水流流態(tài)。為了避免進出口邊界對池室流態(tài)的影響，選取中間池室5號進行分析，考慮魚類通過堰頂和底孔不同的洄游路線，選取兩個不同水深的平面流場進行分析，兩個平面分別位于距池底以上0.15 和1.5 m，0.15 m 處的平面流場能夠反映兩底孔的水流特征，1.5 m處的平面流場能反映堰頂?shù)乃魈卣?，圖層位置示意圖如圖7所示。分析了5 種方案兩個水層的流速分布，圖8列出了方案1到方案5不同水層的流速分布和流速矢量圖。

圖7 不同水層流速云圖三維模型（P/B=0）Fig.7 Three dimensional model of flow velocity cloud diagram of different water layers（P/B=0）

魚類在進入魚道進口后，其過魚效果主要取決于隔板過魚孔流速及池室內(nèi)流態(tài)。要求過魚孔流速小于過魚對象的克流能力，池室內(nèi)主流明確，有一定回流，但回流不能過于劇烈，范圍不能過大，以免魚類迷失方向，延誤上溯時間［9，10］。

如圖8（a）所示，p/B等于0 時，通過隔板堰頂進入下級水池的水流，上級魚池水流通過堰頂缺口進入下級魚池時受隔板橫向?qū)О遄饔茫呖琢鞒龅乃髌蜓呖滓粋?cè)，受下級隔板堰頂缺口影響在池室3/4 處開始偏向下級堰頂缺口一側(cè)，水流沿邊壁流動直到受到下一級隔板阻擋后改變方向，沿下一級隔板邊壁流動。從流速矢量圖來看，堰頂處水層主流明確，但存在明顯的主流貼壁現(xiàn)象，主流的另一側(cè)存在超過池室2/3 面積的大范圍回流區(qū)，回流區(qū)的范圍較大。從流速云圖來看，最大流速0.76 m/s，出現(xiàn)在堰頂缺口前緣，主流在池室內(nèi)流速超過0.6 m/s的區(qū)域主要位于堰孔附近和堰孔同側(cè)邊壁附近，池室內(nèi)大部分區(qū)域主流流速約為0.4～0.7 m/s，回流區(qū)流速值不大，在0.1～0.3 m/s 之間，回流強度不大，能夠滿足四大家魚等經(jīng)濟魚類洄游要求。距離池底0.15 m 范圍內(nèi)的水流由底孔進入水池，如圖8所示，在整個水池底部水深范圍內(nèi)形成了較大的回流區(qū)，底孔處最大流速達到0.93 m/s，兩底孔的流速分布不均，遠離堰頂缺口一側(cè)底孔流速大于0.7 m/s的區(qū)域面積大于另一側(cè)底孔。

圖8 不同方案下魚道池室不同水層流態(tài)Fig.8 Flow pattern of different water layers in fishway pool chamber under different schemes

如圖8（b）所示，p/B等于0.4 時，流速分布規(guī)律與p/B等于0時基本一致。堰頂處水層主流寬度與堰頂缺口寬度接近（堰頂缺口寬度1.0 m），主流最大流速增大至0.83 m/s，堰頂處水層主流明確，主流貼壁現(xiàn)象有所緩解，主流另一側(cè)的回流區(qū)面積較P/B等于0 時略有減小。底孔處水層最大流速0.90 m/s，出現(xiàn)在遠離堰頂缺口一側(cè)底孔處，另一側(cè)底孔處仍有較大面積的回流區(qū)。

如圖8（c）所示，p/B等于0.6 時，堰頂處水層主流兩側(cè)回流區(qū)發(fā)生變化，回流區(qū)面積由原來的2/3 減少至約1/2，主流最大流速為0.96 m/s，堰頂處水層主流明確，相對于P/B等于0 時，主流彎曲程度小，主流平順，基本沒有主流貼壁現(xiàn)象。底孔處水層最大流速0.81 m/s，出現(xiàn)在遠離堰頂缺口一側(cè)底孔處，兩底孔流速分布不均的現(xiàn)象有所改善，底孔主流的流速在0.5～0.7 m/s之間，回流區(qū)的流速小于0.3 m/s，各個水層流速分布滿足不同種類、不同水層的目標魚類上溯洄游要求。

如圖8（d）和圖8（e）所示，p/B大于等于0.8 時，堰頂處水層主流接近一條直線，主流寬度等于堰頂缺口寬度，在主流兩側(cè)形成兩個面積較小的回流區(qū)。p/B等于0.8 時，主流最大流速1.17 m/s，p/B等于1.0時，主流最大流速1.38 m/s。底孔處水層的流速分布接近于對稱，兩底孔流速分布基本相同，P/B等于0.8底孔最大流速0.60 m/s，p/B等于1.0底孔最大流速0.47 m/s。p/B大于等于0.8 時，各個水層的主流明確，流態(tài)較好，但最大流速超過四大家魚等經(jīng)濟魚類洄游極限，對于部分游泳能力較弱的魚類及幼魚，可能會形成流速障礙。

方案2 到方案5 逐漸降低了上下池室堰錯峰偏移，隨著p/B增大，受隔板的阻礙作用逐漸減小，主流的彎曲程度減小，池室內(nèi)回流區(qū)范圍逐漸減少，但由于減小了隔板對水流的阻礙，能量耗散小，因此堰處主流流速逐漸增大。設計方案堰頂缺口居于隔板一側(cè)，遠離堰頂缺口一側(cè)的底孔流速明顯大于近堰頂缺口一側(cè)的底孔流速，遠離堰頂缺口一側(cè)的底孔主流扭曲度大。優(yōu)化了隔板的相對位置后，兩底孔的流速逐漸接近對稱，遠離堰一側(cè)的底孔主流逐漸明確，說明底孔的流態(tài)受堰頂缺口的布置方式影響。

2.2 堰頂處主流彎曲程度與衰減規(guī)律分析

最大主流流速沿程變化曲線一定程度上反映了流速衰減效果。如前所述，池室堰錯縫偏移越大，池室內(nèi)主流越彎曲。為了系統(tǒng)地分析池室內(nèi)堰頂處水層主流流速的衰減規(guī)律，以池室5 號為研究對象，池室長為x軸，方向為水流流向，提取池室內(nèi)主流流速的最大值，沿x軸方向繪制成圖，各方案沿程流速如圖9所示。

設參數(shù)1-Vmin/Vmax為最大衰減率，其一定程度上反映出水池內(nèi)的流速衰減效果，各方案最大衰減率見表1，由圖9和表1可以看出，主流流速衰減排序依次為：方案1＞方案2＞方案3＞方案4＞方案5。方案1 由于隔板對水流的阻礙作用，主流的最大衰減率最大為54.1%；方案2 到5 降低了上下池室堰錯縫偏移，減少了隔板對水流的阻礙作用，其最大衰減率逐漸減少。

圖9 堰處流速沿程分布Fig.9 Velocity distribution along weir orifice

表1 主流軌跡線流速最大衰減率分布表Tab.1 Distribution of maximum attenuation rate of mainstream velocity

2.3 推薦方案紊動能分析

魚道中水流的紊動能過高，魚類將消耗更多的能量，降低魚類的游動能力和平衡能力，使其無法順利完成上溯。適當?shù)奈闪鲃涌蔀轸~類提供良好而穩(wěn)定的水流條件，保證魚類的上溯［11，12］。

圖10列出了方案1和方案3堰頂處水層和底孔處水層紊動能分布圖，由圖可見，兩種方案均是水流經(jīng)過隔板堰頂缺口處紊動能達到最大值，紊動能在魚道池室內(nèi)總體較小。兩種方案魚道大部分區(qū)域紊動能均不超過0.06 m2/s2，滿足過魚對紊動能的要求。

圖10 紊動能分布（單位：m2/s2）Fig.10 Distribution of turbulent kinetic energy

3 結 論

針對某堰-底孔組合式魚道，建立魚道三維數(shù)學模型，對不同的堰頂缺口布置方式進行分析，得出如下結論：

（1）上下池室堰頂缺口相對位置對池室流態(tài)影響較大。p/B越小，池室內(nèi)主流越彎曲，回流區(qū)范圍越大，此時魚道池室內(nèi)消能效果較好，堰頂處主流速度較小。通過增大p/B，能有效減少堰頂處主流彎曲程度，減小回流區(qū)范圍。

（2）上下池室堰頂缺口相對位置對底孔的流速分布和流態(tài)具有顯著影響。交錯缺口的設置會使兩底孔的流速分布不均，遠離堰頂缺口一側(cè)的底孔流速相對較大，底孔主流不明確。通過增大P/B，能改善底孔處流態(tài)，降低底孔流速。

（3）對于本工程而言，p/B=0.6 時，魚道池室內(nèi)流速分布合理，最大流速小于1.0 m/s，主流明確，回流區(qū)范圍相對較小，池室內(nèi)紊動能最大值為0.06 m2/s2，滿足過壩魚類上溯要求。 □