魚道優化設計數值仿真研究

【摘要】本文通過對魚道結構優化，基于流體計算的數值仿真技術，分別對優化后魚道內流態和紊動能的結果進行分析，得出：優化后的豎縫-孔口組合式魚道內的平均流速能降低30%以上，水流更為平緩，魚道各池室內的表層豎縫流速較小，底層孔口流速較大，表層和底層的紊動能均比較小。通過研究發現，優化后的豎縫-孔口組合式魚道內的流速和流態對魚類的上溯是有利的。

【關鍵詞】魚道；優化；流態；紊動能

1.引言

我國的魚道研究工作起步較晚、發展較慢，許多魚道在設計、施工和運行管理上存在諸多問題[1]。從資料分析來看，國內的魚道大部分運行不理想[2]，由于多種原因，魚類不愿進入魚道，魚道已經廢棄，優化魚道被提上了日程。國內外有一些成功的優化案例，例如，Peake S等人[3]研究了單側導豎式魚道的優化設計問題，主要通過優化魚道休息區尺寸和適合魚類游泳能力的流速的目標函數，得出了最優設計變量豎縫尺寸的數值解。1990年改建了綏芬河渠道攔河壩魚道，魚道隔板類型改用豎縫與底孔相結合的形式[4]；2000年改建的巢湖閘魚道，將原來的池堰式魚道改造成垂直豎縫式與底孔組合式魚道[5]。以上魚道經改造后運行的都比較成功。

2.魚道類型的優化

董志勇[6]等人研究表明：對于同側豎縫式魚道，其水池內射流、旋渦的作用較強而不利于魚類上溯；而在異側豎縫式魚道中，魚類很容易在水池中迷失方向。所以，有必要對豎縫式魚道的結構進行優化提出了一種最優的新結構。組合式魚道隔板的過魚孔，一般為溢流堰、潛孔及豎縫的組合，此型隔板能較好地發揮各種型式孔口的水力特性，也能靈活地控制所需要的池室流態和流速分布，為現代魚道的設計中所常用。國外常用的組合方式是潛孔和堰的組合，如美國著名的邦維爾、麥克納里、北汊、冰港等壩的魚道。國內組合式隔板魚道，有堰和堅縫組合的江蘇太平閘魚道，孔口和豎縫組合的瀏河魚道，孔口和堰組合的湖南洋塘魚道等。

在西藏某水電站魚道優化方案中，采用豎縫-孔口組合式魚道，如表1所示。孔口采用淹沒孔口式，是將隔板的過魚孔全部淹沒在水下，孔口流態是淹沒孔流，魚道的大部分水量從孔中通過，水流主要靠孔后擴散來消能。最適應喜在底層洄游的中、大型魚類，藏木水電站河段的典型魚類巨須裂腹魚和拉薩裂腹魚都是底中層水性[7]。另外，淹沒孔口式隔板適應上下游水位變動性能較好。此型隔板結構簡單，便于維修。

3.數學模型

在FLOW-3D軟件的基礎上，數值仿真采用納維-斯托克斯方程組描述，選用RNG湍流模型，對豎縫-孔口組合式魚道池室內的水流進行三維數值模擬分析研究。

（1）質量連續方程：

4.2 流態分析

取截面z=1.20m時進行分析，是截取豎縫和孔口的截面。如表2中流線圖所示，水流由上游隔板豎縫處和孔口流入，上游隔板孔口水流主流沿側墻邊壁近似直線流向下游豎縫處；而上游隔板豎縫處的水流沿著側墻邊偏轉后分為兩股，一部分在池室內形成漩渦，另一部流向下一個孔口。如表2中等值線圖所示，各池室的流速分布存在差異，池室內主流流速較大，最大流速區域位置也基本一致，孔口的流速普遍大于豎縫處的流速，這是因為豎縫的截面寬度是0.30m，而孔口的截面寬度是0.50m；池室內在豎縫和孔口之間中間區域流速較小，各池室中在主流區的兩側也有明顯回流。

表3中過魚池，是該過魚池為整個模型中的第五級，孔口的水流分成兩股，一股和豎縫水流摻混，流向下一個孔口；另一小股流向下一個豎縫處。而在過魚池中間形成兩個大漩渦，順時針方向流向下一個孔口。池室內的最大流速發生在孔口處，最大流速為0.80m/s。兩個主流的兩側形成三個回流區，流速較小，在-0.20～0.20m/s范圍內。

如表3中休息池所示，該休息池水流從上游隔板豎縫處和孔口流入，孔口處的水流分成兩股，一股直接流向下一個豎縫，另一豎縫處的水流摻混，流向下一個孔口。在池室的中間開成兩個小的漩渦，在右側的側墻邊壁開成一個小漩渦。休息池的水流的最大流速發生在孔口處，最大流速為0.80m/s。而豎縫處的流速在0.50m/s左右。休息池的大部分流速0.40m/s以下，能為魚類的休息創造良好的條件。

取截面z=2m時進行分析，大約是魚道設計水深靠近表層的位置。如表2中流線圖所示，水流由上游隔板豎縫處流入，沿著豎縫側的墻壁，由下游隔板豎縫處流出，豎縫式魚道的整體主流軌跡呈“S”形曲線，在單一池室中呈現“L”。而在靠近下一個豎縫的同方向形成一個漩渦。如表2中等值線圖所示，池室的流速分布比較相似，池室內主流流速較大，最大流速區域位置也基本一致，均在豎縫處和靠近豎縫的側墻邊壁；各池室中也有明顯回流。

如表3中過魚池所示，水流從上游隔板豎縫處流入，主流順著左側墻壁沿著下一個隔板邊壁流向下一個豎縫處，而在過魚池中間形成兩個大小不一的漩渦。上游隔板水流的最大流速發生在豎縫處，最大流速為0.50m/s。過魚池在中間位置和右側靠墻邊壁有回流區，大小在-0.20～0.05m/s范圍內。下游隔板豎縫處的最大流速發生在與下一個過魚池交接處，最大流速為0.50m/s，最大流速的區域較小。

如表3中休息池所示，該休息池主流順著右側墻壁流向下一個豎縫處，而在休息池靠近豎縫處形成一個小漩渦。休息池的水流的最大流速發生在豎縫處，最大流速為0.50m/s。休息池中的最大流速在0.30m/s，休息池內水流流速絕大部分為在-0.20～0.30m/s左右，符合設計內部流速0.40m/s以下。

4.3 紊動能分析

取Z=1.2m，如表4所示，過魚池的紊動能在豎縫處達到了最大值0.0040m2/s2，孔口處的紊動能普遍偏小，大約在0.0020m2/s2，而紊動能沿著主流方向有逐漸減小的趨勢?；亓鲄^的紊動能比較小，在接近下一個豎縫時，紊動能逐漸變大。休息池的紊動能在豎縫處達到最大值0.0030m2/s2，而孔口處的紊動能在0.0014m2/s2.?；亓鲄^紊動能大部分在0.0002m2/s2左右，休息池中的紊動能主要發生在孔口側的邊壁附近，雖然區域較大，但其值較小，對上溯魚類的影響較小。

取Z=2m，如表4所示，過魚池的紊動能在豎縫處達到了最大值0.0025m2/s2，池室內的紊動能普遍偏小，大約在0.0005m2/s2，而紊動能沿著主流方向有逐漸減小的趨勢?；亓鲄^的紊動能比較小，在接近下一個豎縫時，紊動能逐漸變大。休息池的紊動能在豎縫處達到最大值0.0010m2/s2.，主要發生在豎縫處附近，區域非常小，對上溯魚類幾乎沒有影響，給魚類提供了更好的休息空間。

5.小結

優化后的魚道相比豎縫式魚道模型，魚道內的平均流速降低了30%以上，水流也更為平緩。魚道沿垂向水流分層明顯，表層豎縫流速偏小，適合體長較小和喜在表中層水性的魚類通過。底層孔口流速偏大，適合喜底中層水性和喜急流水性的魚類通過，而魚道中層水流流速適中。另外，回流區域變大，可以為魚類提供休息場所。從紊動能來看，表層和底層的紊動能均比較小，不會使魚類迷失方向，對魚類的上溯影響較小。所以，認為優化的魚道結構在流速和流態以及紊動能方面對魚類洄游均有利。

參考文獻

[1]劉志雄，周赤，黃明海.魚道應用現狀和研究進展[J].長江科學院院報，2010（04）：28-31.

[2]王興勇，郭軍.國內外魚道研究與建設[J].中國水利水電科學研究院學報，2005（03）： 222-228.

[3]Alvarez-Vázquez L J，Martínez A，Vazquez-Mendez M E，et al.An optimal shape problem related to the realistic design of river fishways[J].Ecological Engineering.2008，32（4）：293-300.

[4]戚印鑫，孫娟，邱秀云.水利樞紐中的魚道設計及試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2009（03）：55-58.

[5]杜崢嶸，喬業斌.巢湖閘魚道設計[J].安徽水利科技，2002（1）：14-15.

[6]董志勇，馮玉平，Ervine Alan.同側豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發電學報，2008（06）：121-125.

[7]李紅敬，謝從新.雅魯藏布江魚類資源與利用對策[Z].2006：165-167.