豎縫式魚道水力特性研究進展

宋文定 王烈梅 宋文虎 宋雄飛

摘 ?要：文章介紹豎縫式魚道池室長寬、豎縫寬度、導板長度、墩頭、導角、魚道坡度以及轉彎段的結構形式對魚道水力特性的影響，同時總結分析了同側豎縫式魚道和異側豎縫式魚道的水力特性，最后總結了未來魚道研究的發展趨勢及熱點。

關鍵詞：豎縫式魚道;流態;水力特性;轉彎段

河流上修建的閘壩等水工建筑物在為人類帶來巨大經濟和社會效益的同時，也破壞了河流原有的連通性，阻斷了魚類洄游通道，對魚類資源、河流生物多樣性和生態系統產生不利影響。因此魚道作為幫助魚類洄游的生態水利措施應運而生。魚道內適宜的水流流態、流速、水深和紊動條件等水力特性是魚類順利通過魚道完成洄游的必要條件[1]。文章著重對國內外使用最多的豎縫式魚道的水力特性研究工作作出綜述。

1 池室長寬及縫寬對流態的影響

加拿大阿爾伯特大學的徐體兵、Rajaratnam、S.Wu等通過對豎縫式魚道的流場結構試驗發現：在魚道的池室的長寬比為L/B = 10：8時，池室的流態穩定，具有較好的消能效果，存在較大、低速的回流區供魚類休息[2]。

我國已建魚道的孔縫尺寸與水池尺寸的比率通常比國外大。在國外，同側豎縫式魚道的豎縫寬度一般是池室寬度的1/6～1/8，是水池長度的1/8～1/10，但是在國內，同側豎縫的寬度一般分別是池室寬度、水池長度的1/5、1/5～1/6[3]。這個比例與隔板型式的消能效果有關，比例大些消能充分，因而兩側豎縫可比同側豎縫大;此外，這個比例還與每塊隔板間水位差有關，隔板水位差小時這個比例可以大些。我國的魚道以過鯉科中小型魚類為主，每塊隔板水位差一般僅為4cm左右，孔口流速也較國外的要小，因此可以適當加大孔縫寬度。

張國強，孫雙科等研究[4]顯示當豎縫寬度b/B=0.1～0.25時，主流區最大流速軌跡線偏轉適中，流場結構合理且主流區流速沿程衰減顯著。從控制徑向流速不均勻程度與橫向流速大小兩方面考慮，豎縫寬度宜取b/B=0.15～0.20。

2 導板長度及墩頭對流態的影響

羅小鳳，李嘉[5]就導板長度對魚道水流流態的影響做了研究得出圖1，由圖1可知，當導板長度為10cm和30cm時，主流上最大流速值均較大;當導板長度達到50cm以后，最大流速曲線基本趨于一致。沿程最大流速曲線在導板長度0.05～0.1m的范圍內基本一致，導板長度對主流流態影響微弱，但對其兩側回流位置及流速分布的影響不可忽略。

徐體兵[2]通過對設墩頭和未設墩頭的情況進行研究分析，得出對豎縫式魚道而言，隔板設置墩頭與否對水流流態的影響主要是在鄰近豎縫的部分范圍，但是對整個池室的水流結構并沒有特別明顯的影響，當改變墩頭的長度時，對豎縫附近的區域內的水流流態也沒有特別明顯的影響。所以，在實際的魚道工程中，可以不設墩頭，使魚道的體型布置更簡潔，便于施工，而且也可以避免漂浮物滯留在魚道內。

3 導角對流態的影響

豎縫的射流方向是由導角的大小決定的，同時也決定了池室內水流的摻混強度。導角越大主流彎曲程度也越大，由于受邊壁的制約，當導角增大到主流沿邊壁流動時將無法摻混。在設計豎縫隔板時，為了避免主流沖向邊壁導致大面積區域得不到有效利用，可以通過改變水池長寬比來調節因角度過大導致消能效果不佳的問題，以此利用大角度衰減效率高的優勢來消能[6]。

4 魚道底坡對流態的影響

統計國內外已建知名魚道的底坡，發現國外魚道多布置在高壩上，坡度較陡，約為1/25～1/16，提升高度約為16～57.5m，而我國已經建成的魚道多數布置在沿海沿江平原地區的低水頭閘壩上，魚道底坡較緩，一般約為1/332～1/25，而且提升的高度不大，一般都在10m左右[7]。當底坡小于5%時，水流流態呈現二維特性，底坡在10%～20%間時，流態上下層出現差異，水流表現為三維特性。

5 魚道轉彎段對流態的影響

包莉等[8]對轉彎段的研究得出：圓弧形結構水流軌跡平順，流速整體偏大;而設置矩形結構的彎道可以有效降低主流區和豎縫處的流速，可以提供更多的低流速區給魚類休息，更利于魚類洄游;而且，相關的物理模型試驗結果[9]也證明了布置矩形彎道的好處。邊永歡等[10]采用數值模擬的方法，分別對豎縫式魚道180°轉彎段和90°轉彎段的水流流場進行研究[11]，得出：180°和90°的轉彎段內會出現主流區緊貼邊墻的水流結構，而且主流區兩側回流區尺度過大，回流區的流速也大于常規池室水流流速;增設整流導板后，180°轉彎段內主流流速衰減效果顯著，回流區數量增加，影響域減小;而90°轉彎段內主流區大致居中，主流衰減效果顯著，回流區尺度合理，回流區內流速甚小。

6 同側豎縫式魚道中水力特性研究進展

加拿大學者Rajaratnam N等[12]1986年最早通過對7種不同設計形式的同側豎縫式魚道流場進行了試驗研究，發現了魚道的尾水深度會對魚道內的水流流態有較大的影響，得出無量綱流量與相對水深的關系，1992年做了18種不同尺寸的豎縫式魚道設計[13]，發現長為10b0、寬為8b0（b0為豎縫寬度）的魚道尺寸具有較好的消能效果，且存在較大、低速的回流區供魚類休息。

Sanagiotto D G（2006）[14]對同側豎縫式魚道內的流場、紊動能進行試驗測量分析，得出池室內的流場主要取決于縫寬以及池室的長寬比，而紊動能則更多的與長寬比及流速有關。

Laurent Tarrade L（2008）[15]對同側豎縫式魚道進行模型試驗，研究了3個底坡（I=5%，10%，15%）、3個流量（Q=576，736，864L/s）和4個池寬（B=1.7，2，2.3，2.7m）的魚道內時均流速和紊流特征，分析得出池室中的紊流模型與流速取決于池室的長寬比，體積散耗動能與流速之間有密切的關系。

7 異側豎縫式魚道中水力特性研究進展

董志勇等[16]通過對異側豎縫式魚道水力特性的研究，得出異側豎縫式魚道的最大速度軌跡線為S形曲線，可以用四次曲線來表示;最大速度的沿程變化為，前半池室的最大速度逐漸減小，后半池室的最大速度逐漸增加，而在池室中間則會有一個流速低于0.2m/s的低速區，最大速度的沿程變化可以用一條拋物線來表示;池室橫向流速分布在前半部分近似為壁面射流分布，在后半部分近似為高斯分布;而橫向流速分布特征基本上不隨著流量而變化。

8 結論與展望

總體來看，目前國內外的研究主要集中在魚道的結構布置形式以及魚道池室內的水流流速、水深、消能率、紊動能、紊流強度等水力特性，而且基本上考慮的是非轉彎段魚道的研究。今后的一段時間內，魚道的研究重心會慢慢轉移到魚道轉彎段的研究，因為魚道轉彎段的研究具有較強的工程實踐意義。此外，魚道結構布置形式的創新也會成為未來研究的熱點之一。

參考文獻

[1]閆濱，王鐵良，劉桐渤.魚道水力特性研究進展[J].長江科學院院報，2013，6.

[2]徐體兵，孫雙科.豎縫式魚道水流結構的數值模擬[J].水利學報，2009（11）：1386-1391.

[3]Puertas J，Pena L，Teijeiro T. Experimental approach to the hydraulics of vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering， 2004，130（1）：10-23.

[4]張國強，孫雙科.豎縫寬度對豎縫式魚道水流結構的影響[J].水力發電學報，2012（1）：151-156.

[5]羅小鳳，李嘉.豎縫式魚道結構及水力特性研究[J].長江科學院院報，2010（10）：50-54.

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[8]包莉，安瑞冬.豎縫式魚道的彎道布置與結構形式研究[J].水電站設計，2012.

[9]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.

[10]邊永歡，孫雙科，鄭鐵剛，等.豎縫式魚道180°轉彎段的水力特性與改進研究[J].四川大學學報，2015.

[11]邊永歡，孫雙科，等.豎縫式魚道90°轉彎段水力特性的數值模擬[J].水生態學雜志，2015.

[12]Nallamuthu Rajaratnam， Gary Van der Vinne， Christos Katopodis. Hydraulics of vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering， 1986，112（10）：909-927.

[13]Rajaratnam， N.， Katopodis， C.， and Solanki， S. New designs for vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering， 1992，118（3）：402-414.

[14]Sanagiotto D G， Coletti J Z， Marquesm G. Velocity And Hydraulic Turbulence On A Vertical Slot Fishway[C].Hydropower 2006 International Conference .p1056-1064

[15]Tarrade L.， Texier A.， David L.， and Larinier M. Topologies and measurements of turbulent flow in vertical slot fishways. Hydrobiologia 609，2008，177-188.

[16]董志勇，馮玉平，Alan Ervine.異側豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發電學報，2008，12.