仿生態(tài)魚道出口銜接段管樁優(yōu)化數(shù)值模擬

王鵬濤， 徐美， 陳申

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院， 鄭州 450046； 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 鄭州 450046)

水利工程的攔河筑壩，破壞了河道的連通性，隔斷了魚類的洄游通道，致使一些洄游性魚類滅絕[1]。魚道是幫助洄游性魚類跨越水工建筑物的過魚設(shè)施，在維持魚類生存交流中發(fā)揮重要作用[2-3]。魚道根據(jù)結(jié)構(gòu)型式和水力特征可以分為槽式魚道、隔板式魚道和仿生態(tài)魚道，槽式魚道分為簡單槽式與丹尼爾式，隔板式魚道又分為堰流式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式[4]。其中仿生態(tài)魚道利用延長水流路徑和加糙坡道來進(jìn)行消能，水流流態(tài)最接近天然河道，對魚類種類覆蓋面更廣，過魚效率更高[3，5]。Katopodis等[6]首次提出仿生態(tài)魚道，它主要利用舊河道建立魚類洄游的旁側(cè)通道。Acharya等[7]研究了球體、圓柱體等不同加糙塊對水流特性的影響，提出了加糙塊的間距在一定范圍內(nèi)才能達(dá)到理想效果。王猛等[8]提出仿生態(tài)魚道在較大工作水頭的水利樞紐中布置時應(yīng)合理安排電站的運(yùn)行方式和魚道的進(jìn)出口位置，進(jìn)出口應(yīng)設(shè)置攔魚及誘魚裝置。Tran等[9]運(yùn)用二維方程計算了不同淹沒阻水設(shè)施下仿生態(tài)魚道內(nèi)的水流條件，提出魚道的設(shè)計利用二維計算方法一樣可以提供精確結(jié)果。胡喬一等[10]建立了孔縫組合式仿生態(tài)魚道三維紊流數(shù)學(xué)模型，得到了仿生態(tài)魚道具有明顯的三維水流結(jié)構(gòu)，其主流明確，流態(tài)良好，整體紊動能不大。周成海等[11]以貂皮嶺仿生態(tài)魚道工程實(shí)例，通過建立三維紊流模型，論證了魚道底坡和休息池尺度。隨著仿生態(tài)魚道的應(yīng)用發(fā)展，在許多實(shí)際工程需要銜接段來承接上下兩種型式的魚道，銜接段在保持水面連續(xù)和控制水流流速方面起到重要作用，是魚道設(shè)計中重要一環(huán)，當(dāng)前的魚道設(shè)計型式很少能夠滿足銜接段水力要求[4]。

大藤峽水利樞紐秉承“綠色魚道，生態(tài)魚道”的理念，在魚道出口建設(shè)生態(tài)景觀湖，仿生態(tài)魚道出口與景觀湖過渡銜接段內(nèi)的水流流速過大不能滿足魚類上溯條件。現(xiàn)利用MIKE軟件建立三維數(shù)學(xué)模型對魚道出口銜接段內(nèi)的水力特性進(jìn)行研究分析，提出可以滿足魚類上溯條件的管樁結(jié)構(gòu)型式，并在魚道出口銜接段形成具有賞魚景觀功能的親水區(qū)域。以期解決實(shí)際工程問題、豐富魚道設(shè)計研究內(nèi)容，為今后在魚道設(shè)計的研究中提供新思路。

圖1 魚道整體模型平面布置圖Fig.1 Layout plan of overall fishway model

1 工程背景

大藤峽水利樞紐工程是珠江流域防洪樞紐工程。大藤峽水利樞紐的正常蓄水位為61.0 m，死水位為47.6 m，千年一遇的設(shè)計洪水位為61.0 m；總庫容為3.0×1010m3，防洪庫容為1.5×1010m3，調(diào)節(jié)庫容為1.5×1010m3。該魚道由工程魚道及下游仿生態(tài)魚道組成，如圖1所示。大藤峽水利樞紐的仿生態(tài)魚道在南木江副壩下游2 km的南木江河道內(nèi)。南木江魚道布置在南木江副壩左岸及下游，由一號魚道、二號魚道以及下游仿生態(tài)魚道組成。一號魚道包含一號工程魚道段165 m，一號魚道過渡銜接段100 m，一號仿生態(tài)魚道段1 440 m，總長約1 705 m；二號魚道包含二號工程魚道段123 m，生態(tài)景觀湖190 m，二號魚道過渡銜接段44 m，二號仿生態(tài)魚道280 m，總長約637 m；二者匯合后的仿生態(tài)魚道約2 530 m，南木江魚道整體平面示意圖，如圖1所示。魚類上溯時先從仿生態(tài)魚道段進(jìn)入南木江副壩下游，再經(jīng)工程魚道段進(jìn)入上游庫區(qū)內(nèi)，完成上溯[12]。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

DHI-MIKE水環(huán)境軟件是丹麥水利研究(Danish hydraulic institute，DHI)最新推出的水環(huán)境模擬綜合軟件產(chǎn)品,能為河流水動力及環(huán)境模擬提供強(qiáng)大的功能支持[13]。MIKE 3水動力模塊的基本方程是不可壓縮雷諾應(yīng)力平均N-S方程，并基于Boussinesq假設(shè)和靜水壓力分布，三維數(shù)學(xué)模型控制方程主要包括連續(xù)方程和動量守恒方程[14]。

(1)連續(xù)方程。

(1)

(2)水平動量方程。

(2)

(3)

式中:x、y、z為笛卡爾坐標(biāo)；t為時間；η為水流表面水位；u、v、w為x、y、z方向的流速分量；f為科氏力系數(shù)；g為重力加速度；ρ為水體密度；ρ0為空氣密度；Pa為大氣壓強(qiáng)；usS、vsS為點(diǎn)源流入周圍水體的加速度；Fu、Fv分別為水平應(yīng)力量，可表示為

(4)

(5)

式(5)中：A為水平渦黏性系數(shù)。

總水深h可以通過沿垂直方向積分得到，即

(6)

2.2 模型概述及設(shè)計方案

基于大藤峽水利樞紐生態(tài)景觀湖和生態(tài)魚道為原型建模，模型范圍由上游生態(tài)補(bǔ)水渠和工程魚道連接生態(tài)景觀湖經(jīng)S形平頂堰和順?biāo)鞣较蛑饾u收縮的扇形銜接段到下游仿生態(tài)魚道段，如圖2所示。仿生態(tài)魚道的來水由兩部分組成分別為生態(tài)補(bǔ)水渠和工程魚道段。生態(tài)景觀湖利用S形平頂堰前緣與仿生態(tài)魚道進(jìn)口自然銜接[12]。過平頂堰后，通過出口銜接段逐漸與下游生態(tài)魚道段銜接，下游仿生態(tài)魚道段坡降為1∶100。

設(shè)計方案要求在滿足魚類洄游的情況下，在仿生態(tài)魚道出口銜接段形成上溯魚群休整停留的景觀區(qū)域，因此在銜接段處布設(shè)橋墩型木樁，使得魚類在木樁后的低流速區(qū)短暫休憩再進(jìn)入生態(tài)湖中。4種設(shè)計方案均布設(shè)11排共3組管樁，方案a～方案c三管樁型式為圓樁，方案d為方樁。每排管樁均以仿生態(tài)明渠進(jìn)口斷面與中軸線交點(diǎn)為圓心的同心圓，排間距0.8 m左右，其中前五排在S形平頂堰上，順?biāo)鞣较蜷g隔布設(shè)，定義兩管樁中間過水區(qū)域與兩管樁中心間距的比為透水率。4種方案的管樁大小、形狀和透水率，如表1所示。從上游向下游對出口銜接段的管樁編號1～11，模型的高程與范圍以及管樁布置方案a為例，如圖2所示。

2.3 網(wǎng)格剖分及邊界條件

模型水平面上用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格、垂向上用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行剖分。剖分三角形網(wǎng)格面積最大不超過3.9 m2,最小角度不低于21°，在出口銜接段管樁周邊進(jìn)行局部加密三角形網(wǎng)格面積最小面積為7 cm2。按照管樁大小及形狀不同的四種設(shè)計方案的網(wǎng)格剖分如表1所示，出口銜接段管樁區(qū)域剖分圖如圖3所示，網(wǎng)格細(xì)節(jié)剖分如圖4所示。

圖2 模型高程與模型范圍及方案a管樁分布示意圖Fig.2 Model elevation, model scope and schematic diagram of pipe pile distribution of plan a

表1 數(shù)學(xué)模型方案表

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格剖分Fig.3 Grid division of calculation area

圖4 4個方案出口銜接段局部網(wǎng)格剖分圖Fig.4 Local grid section diagram of connection section of the outlet of four schemes

模型的上邊界采用恒定的流量，生態(tài)補(bǔ)水渠流量為13.3 m3/s，工程魚道流量為3.6 m3/s，模型下邊界水位為43.026 m。CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)數(shù)小于1；干濕水深采用預(yù)設(shè)值；初始水位為43.279 m；根據(jù)物理模型試驗(yàn)取河床糙率0.035～0.04；此外計算模型不考慮風(fēng)壓力、潮汐力、科氏力等因素的影響。

2.4 模型驗(yàn)證

采用水平比尺1∶12、垂直比尺1∶10的變態(tài)物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證[12]，為方便對比計算結(jié)果選取了9個斷面作為研究斷面，斷面具體分布,如圖5所示。在16.9 m3/s流量下方案d流量下方案d的物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，橫截面(cross section，CS)CS1、CS5～CS9模擬水位和試驗(yàn)水位對比情況，如圖6(a)所示，各斷面水位的絕對誤差為-0.17～0.11 m，相對誤差在3.4%以內(nèi)，從圖6中可看出這6個斷面水位模擬效果較好，模擬精度滿足計算要求。CS1和CS5在0.8h(h為水深)的模擬流速和試驗(yàn)流速的對比情況，如圖6(b)、圖6(c)所示，CS1流速的絕對誤差為-0.05～0.1 m/s，相對誤差在8.1%以內(nèi)，CS2流速的絕對誤差為-0.03～0.02 m/s，相對誤差在8.1%以內(nèi)。CS1受主槽內(nèi)設(shè)置管樁結(jié)構(gòu)的影響主槽流速較低，數(shù)值模擬的主流位置和流速大小與物理模型試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。因此，采用所建模型對仿生態(tài)魚道過渡銜接段管樁優(yōu)化進(jìn)行模擬研究是可行的。

3 計算結(jié)果分析

3.1 流態(tài)分析

布設(shè)管樁后的仿生態(tài)魚道出口銜接段水流具有明顯的三維特性，選取流速最大的6～8號管樁段，自魚道底部向上劃分0.2h、0.5h、0.8h(h為魚道水深) 3個流層，分析魚道底層、中層和表層的水流特性。

仿生態(tài)魚道出口銜接段內(nèi)左右相鄰管樁之間的流速是影響過魚效果的重要因素，要求左右相鄰兩管樁之間的流速小于魚類上溯的極限流速，魚類才可以完成上溯。如圖7所示，表、中、底層水流流態(tài)較為平順，水流流經(jīng)管樁時與圓墩繞流情況相似，斷面突然變窄，一部分水流受管樁的阻擋在管樁前出現(xiàn)壅水，另一部分則流向管樁兩側(cè)導(dǎo)致兩側(cè)流速急劇增大；水流在管樁后方存在較大的回流漩渦，但回流強(qiáng)度并不劇烈且水流流速大部分在0.30 m/s以下，形成一個較大范圍的低流速區(qū)可供魚類上溯時短暫休整。

圖6 數(shù)學(xué)模擬與物理試驗(yàn)水位與流速對比圖Fig.6 Comparison of water level and velocity between mathematical simulation and physical test

圖5 研究斷面分布圖Fig.5 Distribution of cross sections

圖7 4種方案下管樁間隙的水流流態(tài)Fig.7 Flow pattern of pipe pile clearance under four schemes

4種方案管樁間過水區(qū)域的水流流速如表2所示，方案a的水流流速在0.8～1.3 m/s，方案d的水流流速最小在0.5～0.8 m/s，方案b與方案c在中層相鄰兩管樁之間的流速約為1.35 m/s，流速偏高不適宜一些小型魚類上溯洄游；方案a與方案d管樁間過水區(qū)域的主要流速在魚類安全上溯的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

對比方案a、方案b和方案c在不同透水率下透水率越高即相鄰管樁之間過水區(qū)域與管樁直徑的比值越高管樁間過水區(qū)域的主要流速越低越適合魚類上溯；比較方案a和方案d在相同透水率下方形管樁間的水流流速遠(yuǎn)小于圓形管樁間的水流流速，且方形管樁的水流流速從上到下逐漸減小，表層最大流速約為0.75 m/s，底層最大流速約為0.56 m/s，逐級分層的水流流速有助于不同水層的目標(biāo)魚類上溯。故而就對比水流流速來說，在仿生態(tài)魚道出口銜接段布置管樁結(jié)構(gòu)后透水率越高，管樁間流速越低越適合魚類上溯更適合魚類上溯、方形管樁結(jié)構(gòu)比圓形管樁結(jié)構(gòu)更適合魚類上溯。

表2 4種方案管樁間隙水流流速

3.2 橫截面流速分布圖

為分析3組11排管樁群對魚道出口銜接段流速的影響，選取CS3斷面的剖面流速分布圖進(jìn)行分析，如圖8所示，CS2、CS3與CS4斷面流速，如表3所示。4種方案水流結(jié)構(gòu)相似，河道橫截面流速分層明顯，河流表面和底面水流流速接近0 m/s，出口銜接段主槽內(nèi)流速明顯低于左右兩側(cè)灘地流速，管樁群對降低主槽內(nèi)水流流速效果顯著。方案a和方案b出口銜接段主槽內(nèi)的主要流速在0.55 m/s左右，左右兩側(cè)灘地的主要流速在1.0～2.0 m/s，且方案b的流速小于方案a的流速，方案d銜接段主槽內(nèi)的流速在0.4 m/s左右，左右兩側(cè)灘地的主要流速在1.0～1.9 m/s，以上3種方案主槽內(nèi)的流速均在魚類喜好流速范圍內(nèi)。依據(jù)《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則》[15]過魚對象的喜好流速在0.2～0.8 m/s),在魚類從下游仿生態(tài)魚道上溯至此時可節(jié)省魚類上溯體力使其安全平穩(wěn)的經(jīng)過出口銜接段到達(dá)生態(tài)景觀湖內(nèi)；方案c中CS2、CS3和CS4橫斷面主槽在0.6h以下的水流流速小于0.15 m/s達(dá)不到本工程段過魚對象的感應(yīng)流速0.2 m/s，可能致使部分魚類迷失方向從而影響整體的過魚效率。

圖8 4種方案下CS3橫截面流速分布圖Fig.8 Velocity distribution of CS3 section of the four schemes

表3 4種方案下CS2、CS3與CS4橫斷面的流速

綜上，在銜接段設(shè)置管樁結(jié)構(gòu)時，透水率越小，管樁群的阻水效果更加明顯，在管樁群后方形成的低流速區(qū)范圍更大，在一定范圍內(nèi)透水率小的管樁結(jié)構(gòu)使出口銜接段內(nèi)水流流速更適宜魚類上溯，但透水率過小的管樁結(jié)構(gòu)使出口銜接段內(nèi)的流速小于過魚對象的感應(yīng)流速反而不利于魚類上溯。對比方案a和方案d，兩種方案的水流結(jié)構(gòu)相似，主槽和灘地的流速相差不大，說明管樁結(jié)構(gòu)的形狀不是影響出口銜接段內(nèi)管樁群下游水流流速的主要因素。

4 結(jié)論

分析了仿生態(tài)魚道出口銜接段中不同管樁結(jié)構(gòu)對水流流速的影響，得出如下結(jié)論。

(1)圓形管樁中方案a管樁直徑為0.25 m，透水率為0.34，銜接段水流流速是圓形樁方中流速最小的方案，主槽流速為0.8～1.3 m/s，適宜魚類上溯。

(2)相同管徑和透水率下，方形管樁間的流速低于圓形管樁間的流速，方形管樁方案d主槽內(nèi)流速在0.2～0.8 m/s，在魚類上溯的喜好游泳速度范圍內(nèi)，魚類可輕松上溯。

(3)兩種形狀的管樁結(jié)構(gòu)方案主槽內(nèi)水流均在管樁后出現(xiàn)低流速區(qū)，魚群上溯時在管樁后的低速區(qū)休憩逗留時供人們欣賞，賦予其新的觀賞價值,可為建設(shè)魚道時提供新思路。