蔡玉鵬 劉火箭 劉志雄 徐成劍 黃曉敏

摘要：

水利工程建設(shè)一定程度上破壞了河流的縱向連接，改變了河流的生態(tài)系統(tǒng)，魚(yú)道成為魚(yú)類逆流而上的關(guān)鍵洄游通道。采用三維紊流模型對(duì)常規(guī)的豎縫式矩形池室魚(yú)道及新設(shè)計(jì)的豎縫式梯形池室魚(yú)道分別開(kāi)展了數(shù)值模擬計(jì)算，分析了相同流量及水位條件下兩種池室的水流結(jié)構(gòu)、流速及紊動(dòng)能分布規(guī)律。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：梯形池室回流區(qū)范圍較大，回流區(qū)流速較小，且豎縫處的流速分布較為均勻，最大流速及紊動(dòng)能均較矩形池室小;矩形池室流速及紊動(dòng)能沿水深方向呈典型二元分布，梯形池室豎縫處流速沿水深向上逐漸減小，紊動(dòng)能逐漸增大。豎縫式梯形池室魚(yú)道作為一種非常規(guī)的魚(yú)道型式，水力特性基本滿足魚(yú)類的洄游，且部分指標(biāo)較矩形魚(yú)道更優(yōu)，相關(guān)成果可為優(yōu)化魚(yú)道設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

豎縫式魚(yú)道; 梯形斷面; 流速; 紊動(dòng)能

中圖法分類號(hào)： TV131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.034

0 引 言

水利工程在防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、供水等方面發(fā)揮了巨大作用，但是對(duì)魚(yú)類的負(fù)面影響也是多方面的，如阻斷了洄游通道、造成棲息地生境破碎、改變了上下游生存環(huán)境等，特別對(duì)洄游性魚(yú)類的產(chǎn)卵造成了災(zāi)難性影響，導(dǎo)致河流魚(yú)類豐富度和生物多樣性下降。為了將人為分割的河流縱向連通性恢復(fù)到可接受水平，修建有效的魚(yú)道是一種較佳的解決方案。

魚(yú)道是一種通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如隔板、孔、縫等）來(lái)改善水流流態(tài)、減小水流流速，使魚(yú)類能順利上溯的過(guò)魚(yú)設(shè)施。豎縫式魚(yú)道是一個(gè)帶有橫隔板和導(dǎo)板的傾斜通道，每個(gè)橫隔板之間都有一個(gè)垂直的豎縫來(lái)分隔上下游水位差。根據(jù)豎縫的位置和數(shù)量可將豎縫式魚(yú)道分為同側(cè)豎縫式魚(yú)道、異側(cè)豎縫式魚(yú)道和雙側(cè)豎縫式魚(yú)道。豎縫處水流的收縮擴(kuò)散、池室內(nèi)的回流和延長(zhǎng)主流路徑都是豎縫式魚(yú)道的消能方式，消能效果也較為良好。豎縫式魚(yú)道內(nèi)水流特性呈明顯的二元特性[1-3]，即便上下游水位變幅（上下游水位同步）較大，流速和湍流仍可以維持在比較穩(wěn)定的水平，可滿足喜好不同水深的魚(yú)類上溯，目前在中國(guó)的水環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用最為廣泛。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)豎縫式魚(yú)道的水力特性進(jìn)行了較多的研究。高柱等分別采用模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬技術(shù)研究了豎縫隔板及墩頭型式[4-5]、豎縫寬度[6-7]、池室長(zhǎng)寬比[2，8-9]、導(dǎo)向角度[10]、魚(yú)道坡度[11]等幾何參數(shù)對(duì)水池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)、湍動(dòng)耗散、池室及豎縫處流速等水力特性指標(biāo)的影響，并提出了一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或者給出了合理取值范圍。如高柱、張超等[4-5]認(rèn)為不同隔板型式池室內(nèi)流態(tài)存在較大差異，流線型墩頭型式會(huì)導(dǎo)致主流橫向偏轉(zhuǎn)程度減緩，橫向擴(kuò)散加大，有利于流速沿程衰減，因而需要采取其他措施增大阻力，以控制豎縫斷面流速。張國(guó)強(qiáng)、郭維東等[6-7]通過(guò)研究指出：豎縫寬度對(duì)魚(yú)道池室內(nèi)的流態(tài)及水力特性分布均有較大影響，提出無(wú)量綱豎縫寬度的最佳取值范圍為b/B=0.15～0.20，該豎縫寬度下池室內(nèi)能形成適合魚(yú)類洄游的流態(tài)，主流區(qū)水流橫向擴(kuò)散范圍適中，回流區(qū)面積較為對(duì)稱，流速較小。Rajaratnam、徐體兵等[2，9]通過(guò)大量試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)魚(yú)道池室的長(zhǎng)寬比L/B=8∶8～10.5∶8時(shí)可獲得魚(yú)類上溯的合適水流結(jié)構(gòu)。劉本芹等[8]通過(guò)修改豎縫寬度、橫向?qū)О彘L(zhǎng)度等參數(shù)，提出了長(zhǎng)寬比小于1.0時(shí)的隔板布置及水力特性。羅小鳳等[10]的研究結(jié)果表明：隔板導(dǎo)向角越大，豎縫射流的衰減速度越快，主流軌跡的彎曲程度也越大。毛熹等[11]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)放緩坡度一半（從5.2%放緩到2.6%）時(shí)，豎縫處平均流速會(huì)降低約20%以上，可見(jiàn)坡度對(duì)魚(yú)道的水力特性影響較大。邊永歡等[12-15]研究了魚(yú)道流量對(duì)池室水流結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：魚(yú)道均勻流條件下，池室中流速等水力指標(biāo)基本沿水深方向呈明顯的二元特性。非均勻流條件下，池室中相同部位的流速、紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力隨著流量的增加而增加。蔣永強(qiáng)等[16-21]研究了目標(biāo)魚(yú)類在豎縫式魚(yú)道上溯過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性、水力偏好以及魚(yú)類運(yùn)動(dòng)軌跡與特定水力因子的關(guān)聯(lián)程度，提出了一些適宜魚(yú)類上溯的水力學(xué)指標(biāo)。蔣永強(qiáng)等[16]認(rèn)為魚(yú)類上溯過(guò)程中，湍流動(dòng)能的影響最為顯著，魚(yú)類的上溯軌跡基本集中在紊動(dòng)能為0.3 J/kg等值線附近。傅菁菁等[17]認(rèn)為齊口裂腹魚(yú)適應(yīng)的魚(yú)道坡度應(yīng)為2.6%。顏鵬東等[18]提出視頻跟蹤法對(duì)豎縫式魚(yú)道中目標(biāo)魚(yú)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，有助于為豎縫式魚(yú)道設(shè)計(jì)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。譚均軍等[19]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鳙魚(yú)和草魚(yú)喜好在紊動(dòng)能為0.020～0.035 m2/s2，流速為0.16～0.40 m/s的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

已有關(guān)于豎縫式魚(yú)道的研究多以矩形斷面池室為主，而近年來(lái)梯型斷面的仿生態(tài)魚(yú)道逐漸成為研究熱點(diǎn)[22-24]，認(rèn)為卵石墻結(jié)構(gòu)的仿生態(tài)魚(yú)道池室流態(tài)豐富、線路內(nèi)流速差異較大，不足之處主要是耗水量較大。針對(duì)上述特點(diǎn)，本文提出了一種豎縫結(jié)合梯型斷面的豎縫式仿生態(tài)魚(yú)道，該魚(yú)道布置型式既滿足了豎縫式魚(yú)道的集中消能要求，又?jǐn)U大了魚(yú)道池室的休息區(qū)，改善了池室的水流結(jié)構(gòu)。采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)豎縫式仿生態(tài)魚(yú)道的水力特性進(jìn)行分析，并與常規(guī)豎縫式魚(yú)道的水力進(jìn)行對(duì)比分析，可為魚(yú)道的設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。

1 研究方法

1.1 模型控制方程

魚(yú)道中的三維水流由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程控制，各方程表達(dá)式如下。

連續(xù)性方程：

式中：k為紊動(dòng)能;ε為紊動(dòng)能擴(kuò)散率;μ為水的動(dòng)力黏滯系數(shù);μt為紊流黏性系數(shù);Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;σk，σε，C1ε，C2ε，C3ε為湍流模型中的常數(shù)項(xiàng)。

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，使用有限體積法建立離散方程時(shí)，需將控制體積界面上的物理量及其導(dǎo)數(shù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)物理量插值求出，插值方法采用二階迎風(fēng)格式，選擇壓力-速度耦合SIMPLE算法求解計(jì)算[25]。采用流體體積函數(shù)（VOF）方法處理自由水面問(wèn)題[25]。在空間上定義函數(shù)F，全含水為1，不含水為0，當(dāng)為自由水面時(shí)，0

1.2 池室設(shè)計(jì)及計(jì)算條件

1.2.1 池室設(shè)計(jì)

建立豎縫式矩形池室與梯型池室相結(jié)合的魚(yú)道局部結(jié)構(gòu)，魚(yú)道池室平面及三維布置如圖1～2所示。魚(yú)道包含豎縫式矩形池室段、銜接休息池段及梯形池室段，其中矩形段及梯形段分別由5個(gè)池室組成，上、下游側(cè)同時(shí)建立兩個(gè)緩沖水池。矩形段池室寬3.00 m，長(zhǎng)3.60 m，高3.00 m，隔板厚0.20 m，底坡1∶60，豎縫寬度0.40 m，豎縫法線與魚(yú)道中心線的夾角為45°。內(nèi)設(shè)同側(cè)導(dǎo)豎式隔板，長(zhǎng)隔板長(zhǎng)1.90 m，池室側(cè)帶0.40 m寬度的豎向?qū)О澹谈舭彘L(zhǎng)0.74 m，頭部為90°的尖角。矩形池室與梯形池室間的銜接休息池段采用平坡，長(zhǎng)度10.00 m。梯形池室段底寬3.00 m，池室長(zhǎng)7.20 m，隔墩厚0.50 m，兩側(cè)邊坡1∶2.5，底坡1∶120，頭部尖角角度為120°，豎縫寬度0.40 m，在底寬3.00 m的槽底段，長(zhǎng)隔板長(zhǎng)1.80 m，短隔板長(zhǎng)0.74 m。

1.2.2 計(jì)算條件

模型上、下游側(cè)均設(shè)定相同的水位邊界，以模擬魚(yú)道池室均勻流條件。池室底部和側(cè)壁均采用無(wú)滑移邊界。魚(yú)道池室與空氣接觸的邊界均采用壓力入口邊界。為了研究流量對(duì)池室水力特性的影響，分別計(jì)算了池室平均水深為2.5，2.0，1.5，1.0 m共4組工況。根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建計(jì)算模型，網(wǎng)格劃分采用正六面體與四面體混合網(wǎng)格，通過(guò)對(duì)模型網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)總網(wǎng)格數(shù)超過(guò)2 200 000后，網(wǎng)格數(shù)的增加對(duì)模擬結(jié)果幾乎沒(méi)有影響。

2 模型驗(yàn)證

利用長(zhǎng)江科學(xué)院井岡山魚(yú)道模型試驗(yàn)資料對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀伪瘸邽長(zhǎng)r=10.0，流速采用旋漿式流速儀進(jìn)行測(cè)量，模型照片如圖3所示。試驗(yàn)在豎縫代表池室內(nèi)選取9個(gè)斷面，每個(gè)斷面6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)平面布置如圖4所示。其中Ⅲ號(hào)斷面與短隔板上游側(cè)重合，每個(gè)斷面間隔為5 cm，1號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)距兩側(cè)邊墻為2.5 cm，中間測(cè)點(diǎn)間距均為5 cm，池室共計(jì)布置52個(gè)測(cè)點(diǎn)。魚(yú)道池室平均試驗(yàn)水深2.5 m條件下，池室內(nèi)典型斷面的模型試驗(yàn)與計(jì)算流速對(duì)比如圖5所示。對(duì)比物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算的流速分布發(fā)現(xiàn)，物理模型試驗(yàn)流速大小與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，除個(gè)別點(diǎn)外兩者結(jié)果均較為接近。且豎縫處平均流速試驗(yàn)值為1.05 m/s，計(jì)算值為1.03 m/s，兩者差值較為合理。

3 結(jié)果與分析

不同水位條件下，矩形及梯形池室的水流結(jié)構(gòu)、流速及紊動(dòng)能基本一致。池室平均水位在2.5，2.0，1.5，1.0 m時(shí)，魚(yú)道池室流量分別為0.84，0.68，0.52，0.35 m3/s，流量基本與水位呈正相關(guān)關(guān)系。以下重點(diǎn)對(duì)上、下游水位均為2.5 m工況下的池室水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 池室流態(tài)

豎縫式矩形魚(yú)道池室水流流態(tài)如圖6所示，池室主流以45°角從豎縫射向下一級(jí)池室的中間，到達(dá)池室中間靠右斷面部位時(shí)水流又逐漸流向下一級(jí)豎縫，池室內(nèi)主流呈“S”形。水池內(nèi)形成2個(gè)回流區(qū)，回流區(qū)1位于右側(cè)主流與長(zhǎng)擋板之間，面積相對(duì)較小?；亓鲄^(qū)2位于左側(cè)主流與側(cè)壁之間，面積較大。豎縫式梯形魚(yú)道池室水流流態(tài)如圖7所示，池室主流以30°角從豎縫射向下一級(jí)池室的中間，到達(dá)池室中間靠右斷面部位時(shí)水流又逐漸流向下一級(jí)豎縫，池室內(nèi)主流呈“W”形。水池內(nèi)形成2個(gè)回流區(qū)，分別位于主流兩側(cè)，回流區(qū)2的面積較回流區(qū)1略大。

3.2 池室流速

矩形池室流速如圖8～9所示，豎縫處主流流速最大且沿豎縫斷面分布不均勻，短隔板側(cè)流速明顯大于長(zhǎng)隔板側(cè)，最大流速值為1.05 m/s。主流在通過(guò)豎縫后向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，主流范圍有所擴(kuò)大，主流區(qū)的流速在0.40～0.70 m/s之間，兩側(cè)回流區(qū)內(nèi)的流速在0.30 m/s以內(nèi)，可為魚(yú)類提供短暫的休息。池室流速沿縱向分布基本均勻，表明池室水流沿水深方向具有典型的二元特性。

梯形池室流速如圖10～11所示，豎縫處主流流速最大且沿豎縫斷面分布均勻性較矩形池室優(yōu)，最大流速值為1.03 m/s。主流在通過(guò)豎縫后向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，主流范圍有所擴(kuò)大，主流區(qū)的流速范圍在0.40～0.60 m/s之間，兩側(cè)回流區(qū)內(nèi)的流速在0.30 m/s以內(nèi)，可為魚(yú)類提供短暫的休息。池室豎縫處流速沿縱向分布不均勻，受縱向池室寬度變化影響，流速?gòu)牡撞康奖韺又饾u減小，池室內(nèi)部流速沿縱向均勻分布。

3.3 湍流特性

湍流特征包括湍流水平、強(qiáng)度、應(yīng)變和長(zhǎng)度尺度，被認(rèn)為是魚(yú)類遷徙最重要的特征。

圖12為矩形池室的紊動(dòng)能分布圖，池室的最大紊動(dòng)能位于豎縫處，最大值為0.14 m2/s2。豎縫水流通過(guò)收縮斷面后紊動(dòng)能逐漸減小，紊動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，主流紊動(dòng)能在0.02～0.10 m2/s2之間，兩側(cè)回流區(qū)紊動(dòng)能均在0.02 m2/s2以內(nèi)。紊動(dòng)能沿水深方向分布較為均勻，具有典型的二元特性。

圖13為梯形池室的紊動(dòng)能分布圖，池室的最大紊動(dòng)能位于豎縫處，最大值為0.10 m2/s2，豎縫水流通過(guò)收縮斷面后紊動(dòng)能逐漸減小，紊動(dòng)區(qū)域略有擴(kuò)大，主流紊動(dòng)能在0.02～0.08 m2/s2之間，兩側(cè)回流區(qū)紊動(dòng)能均在0.01 m2/s2以內(nèi)。紊動(dòng)能沿水深方向分布不均勻，紊動(dòng)能從底部到表層逐漸增大，池室內(nèi)部紊動(dòng)能分布較為均勻。

4 結(jié) 論

采用RNG k-ε湍流模型和VOF方法對(duì)豎縫式矩形池室及梯形池室魚(yú)道的水力特性進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了該模型的正確性，主要結(jié)論如下。

（1） 矩形池室及梯形池室魚(yú)道均有面積較大的回流區(qū)，回流區(qū)的流速在0.3 m/s以內(nèi)，適合魚(yú)類短暫休息，梯形池室回流區(qū)范圍較矩形池室大。

（2） 矩形池室流速沿水深方向呈典型二元分布，豎縫處流速最大，沿孔口分布不均勻;梯形池室豎縫處流速沿水深向上逐漸減小，豎縫處最大流速較矩形池室小，沿孔口方向流速分布較均勻。

（3） 矩形池室紊動(dòng)能沿水深方向呈典型二元分布，豎縫處紊動(dòng)能最大，沿孔口分布不均勻，沿池室水流方向存在一條強(qiáng)紊動(dòng)帶;梯形池室豎縫處紊動(dòng)能沿水深向上逐漸增大，豎縫處最大紊動(dòng)能較矩形池室小0.04 m2/s2，沿孔口方向流速分布較均勻，平面上紊動(dòng)范圍較矩形池室小。

豎縫式梯形池室魚(yú)道作為一種非常規(guī)的魚(yú)道型式，水力特性基本滿足魚(yú)類的洄游，且部分指標(biāo)較矩形魚(yú)道優(yōu)，相關(guān)成果可為優(yōu)化魚(yú)道設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

蔡玉鵬，劉火箭，劉志雄，等.豎縫式魚(yú)道梯形斷面池室水動(dòng)力學(xué)特性研究

[J].人民長(zhǎng)江，2021，52（7）：204-209，230.

Study on hydrodynamic characteristics of vertical slot fishway with trapezoidal section pool

CAI Yupeng1，LIU Huojian2，LIU Zhixiong2，XU Chengjian1，HUANG Xiaomin1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China; 2.Department of Hydraulics，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The construction of water conservancy projects has destroyed the longitudinal connection of rivers and changed the ecosystem.Fishway has become the key migration channel for fish going up rivers.3D turbulence model was used to numerically simulate the conventional vertical slot fishway with rectangular section pools and the newly designed vertical slot fishway with trapezoidal section pools，respectively.The flow structure，velocity and turbulent kinetic energy distribution of the two kinds of pools under the same flow and water level were analyzed.It found that for the trapezoidal pool，the recirculation zone was large with small flow velocity in it，the flow velocity distribution at the vertical slot was uniform，and the maximum flow velocity and turbulent kinetic energy were smaller than those in the rectangular pool.The flow velocity and turbulent kinetic energy in rectangular pool showed typical binary characteristics along the water depth direction.The flow velocity at the vertical joint of trapezoidal pool decreased gradually along the water depth direction，and the turbulent kinetic energy increased gradually.As an unconventional fishway type，the hydraulic characteristics of the vertical slot fishway with trapezoidal section pool basically met the migration of fish，and some indicators were better than the rectangular fishway.The relevant results can provide some references for design optimization of fishways.

Key words：

vertical slot fishway;trapezoid section;flow velocity;turbulent kinetic energy