兩種主要技術(shù)型魚道的水力特性研究進展

郭澤云

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

河流上閘壩的修建雖然滿足了“興水利、除水害”的目標(biāo)和要求，但另一方面當(dāng)眾多的水壩修建在同一條河流上時，將嚴重破壞河流的連通性，阻礙河水順暢下泄，從而引發(fā)河流的生物多樣性危機，特別是對魚類的影響更加明顯[1-2]。為消除或減少這種不利影響，人們發(fā)明了魚道。但有關(guān)研究表明，大多數(shù)已建魚道的過魚效果是偏低的[3]。主要原因除了由于管理不善而導(dǎo)致較差的過魚效果外，其最大的影響因素是缺乏對魚道水力學(xué)問題和魚類生物學(xué)問題的深入了解。如果能夠充分掌握問題背后所蘊含的機理，魚道的真正效用完全可以發(fā)揮出來，這一點已得到相關(guān)研究的驗證[4-5]。為此，本文主要針對國內(nèi)外研究人員在探索魚道水力學(xué)問題時采用的方法和結(jié)論進行評述與分析。

1 魚道的類型與特點

在我國現(xiàn)行的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，按結(jié)構(gòu)型式可將魚道劃分為仿生態(tài)式、隔板式、槽式和特殊結(jié)構(gòu)型式等，其中后3種類型的魚道可統(tǒng)稱為技術(shù)型魚道。本文的研究對象為兩種最常見的技術(shù)型魚道——隔板式魚道和槽式魚道。

1.1 隔板式魚道

隔板式魚道也稱池式魚道，其按隔板的型式及消能機理的差異可分為豎縫式、溢流堰式、淹沒孔口式和組合式。在隔板式魚道的4個子類中，目前應(yīng)用最廣泛的是豎縫式魚道，而應(yīng)用前景最為看好的要屬組合式魚道，下面將重點對這兩個子類的水力特性研究進展進行闡述。另外，關(guān)于這4個子類的優(yōu)缺點及其適用性可參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 槽式魚道

槽式魚道可分為加糙式魚道和簡單槽式魚道兩種，由于簡單槽式魚道極少被采用，故在此不作闡述。而加糙式魚道，最為典型的代表非丹尼爾式魚道莫屬。丹尼爾式魚道的最大優(yōu)點在于其相比其它類型的魚道可以建的更陡，因而在建設(shè)成本上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。但其缺點也很明顯，例如水流紊動大等等。需要特別指出的是關(guān)于它的適用性問題，很多文獻在描述丹尼爾式魚道的適用性時喜歡給它貼上一個標(biāo)簽——僅適用于大中型或游泳能力強的魚類通過，這是因為沒能透徹地理解丹尼爾式魚道的寬度、底坡坡度、寬深比以及水池長度同這個標(biāo)簽之間的相互關(guān)系。有研究表明，當(dāng)?shù)つ釥柺紧~道的底坡坡度放緩至一定程度時，體型較小的魚也可以通過，并且上溯成功率高達88%[6]。

2 魚道的水力特性研究

2.1 豎縫式魚道

Bermúdez等[7]采用物理模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對16種不同幾何結(jié)構(gòu)的豎縫式魚道進行了研究，通過對這16種設(shè)計的生物學(xué)效率進行評價，發(fā)現(xiàn)池室的長度是影響豎縫式魚道內(nèi)水流特性的主要因素。Bombac等[8]系統(tǒng)地研究了豎縫式魚道大小隔板間的偏轉(zhuǎn)角問題，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化該偏轉(zhuǎn)角可在流量和最大流速不變的情況下讓魚道建的更陡，從而能夠明顯地節(jié)省魚道的建設(shè)成本。Quaranta等[9]利用數(shù)值模擬的方法對兩種豎縫式魚道內(nèi)的紊流場進行了比較，得出標(biāo)準(zhǔn)豎縫式魚道內(nèi)的水力條件比簡化的豎縫式魚道更適合魚類上溯的結(jié)論。Tarradel等[10]針對豎縫式魚道池室較大情況下產(chǎn)生的大回流區(qū)讓體型較小的魚類陷入困境的問題，利用粒子圖像速度場儀對不同結(jié)構(gòu)型式的豎縫式魚道中的紊流進行了測量。試驗結(jié)果表明，池室中的流態(tài)取決于池室的長寬比，并就針對的問題提出了一種可能有效的方法，即在水池中某一位置插入一根圓柱。在Tarradel的研究基礎(chǔ)上，Calluaud等[11]對豎縫式魚道中某一位置有無圓柱存在情況下的紊流特性與瞬時流動特性進行了對比研究，進一步證明了在水池中增添圓柱的積極作用。該研究發(fā)現(xiàn)，在池室中增加圓柱能大幅降低局部區(qū)域的流速振幅、渦量和紊動能，從而能夠讓魚類在洄游途中的能量消耗降到最低。Marriner等[12]利用現(xiàn)場測量和數(shù)值模擬的方法對豎縫式魚道轉(zhuǎn)彎段內(nèi)水流的水力特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎處的池室中增加隔板可以減小水流中的旋渦尺寸，并認為這可能會有助于提高過魚效率。

邊永歡等[13、14]采用數(shù)值模擬的方法對豎縫式魚道 90°和180°轉(zhuǎn)彎段的流場進行了研究，發(fā)現(xiàn)此類轉(zhuǎn)彎段內(nèi)存在容易導(dǎo)致魚類滯留的大尺度回流區(qū)，并針對這種不利流態(tài)進行了改進研究，得出增設(shè)整流導(dǎo)板可改善轉(zhuǎn)彎段水力條件的結(jié)論。王猛等[15]利用雷諾應(yīng)力(RSM)模型對在3種底坡坡度的同側(cè)豎縫魚道內(nèi)增設(shè)不同形狀障礙物后的流場進行了數(shù)值模擬研究，研究表明，在正對豎縫下游的池室內(nèi)布置障礙物對豎縫處的最大流速影響不大，但能在一定程度上減小豎縫與障礙物之間的流速梯度。另外，在正對豎縫下游的池室內(nèi)布置圓柱型障礙物，能讓豎縫處的紊動能和雷諾切應(yīng)力下降20%～30%左右。郭維東等[16]利用雷諾應(yīng)力模型分別對4種豎縫相對寬度的同側(cè)豎縫式魚道內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬計算，對模擬的結(jié)果從水流形態(tài)、主流流速沿程衰減情況和紊動能3個方面進行了分析，得出豎縫相對寬度b0/B(b0為豎縫寬度，B為池室寬度)為0.15時的水流條件更有利于過魚的結(jié)論。呂強等[17]利用RNGk-ε紊流模型對池室長寬比不同的9種雙側(cè)豎縫式魚道內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬計算，重點研究了上述9種池室長寬比下的流場結(jié)構(gòu)特點，并據(jù)此將其大致分為了3類，初步指定適合魚類洄游的池室長寬比區(qū)間。趙彬如等[18]為了研究豎縫位置對魚道內(nèi)水力學(xué)特性的影響，利用RNGk-ε紊流模型對7種工況下豎縫式魚道內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬計算。通過對模擬結(jié)果的分析，找到豎縫位置的合理布置范圍。張超等[19]采用數(shù)值模擬的方法對3種墩頭型式的豎縫式魚道內(nèi)的水流流場進行了計算，并利用流線型墩頭魚道模型進行了水力學(xué)試驗。通過分析數(shù)值模擬和物理模型試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于折線型墩頭，流線型墩頭不會顯著改變池室內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)，但會導(dǎo)致豎縫處的流速偏大，因此將隔板與導(dǎo)板墩頭流線型化看作是一種改進還需要進一步的確定。

2.2 組合式魚道

Yagci[20]利用溢流堰與孔口組合式魚道進行了水力學(xué)實驗，推導(dǎo)出關(guān)于該類魚道的單位水體功率耗散方程和關(guān)于隔板上的槽口與潛孔的流量系數(shù)表達式，并指出這一成果將有助于此類組合式魚道的設(shè)計。黃明海等[21]利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型對豎縫與潛孔組合式魚道進口渠段內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬，主要對魚道池室、潛孔和豎縫等部位的流態(tài)、流速、紊動能和渦量進行了計算分析，得出這些水力學(xué)因子在水池內(nèi)的大小分布規(guī)律。王琲等[22]利用RNGk-ε紊流模型對溢流堰與豎縫組合式魚道內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬，對3種水深情況下池室內(nèi)的流速和紊動能進行計算分析，并給出池室內(nèi)流速以及紊動能情況隨水深增加的變化規(guī)律。劉鵠等[23]以長洲魚道為研究對象，利用RNGk-ε紊流模型對豎縫與潛孔組合式魚道內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬計算，分別就設(shè)計流量條件下的池室流速、紊動能和魚道進口流量變化對魚類洄游的影響進行分析。

2.3 丹尼爾式魚道

Katopodis等[24]采用物理模型試驗的方法，對不同幾何結(jié)構(gòu)的丹尼爾式魚道進行了研究。試驗結(jié)果表明，從豎直方向上來看，丹尼爾式魚道底板附近的流速較低，可讓游泳能力較差的魚通過；而自由水面附近的流速則較大，僅適合游泳能力較強的魚使用。此外，通過分析沿主流方向的流速剖面圖發(fā)現(xiàn)，流速從池底到自由水面是逐漸增大的，這就意味著必須對丹尼爾式魚道內(nèi)的水深進行合理控制，否則將無法獲得有效的水力條件。Rajaratnam等[25]通過物理模型試驗對丹尼爾式魚道180°轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水力特性進行了研究，指出在轉(zhuǎn)彎段可以讓水流實現(xiàn)順利偏轉(zhuǎn)。佟雪豐等[26]對不同流量條件下丹尼爾式魚道內(nèi)的紊流特性進行試驗研究，但僅對其中一種工況的紊流特性進行了研究，并且只選取兩種水深平面進行分析，對水池內(nèi)紊流信息的挖掘不夠充分。

3 結(jié) 論

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對魚道水力學(xué)問題研究所采用的方法主要有兩種，即物理模型試驗與數(shù)值模擬計算，其中近年來對數(shù)值模擬的利用頻率明顯更高。在研究內(nèi)容上，主要有以下3個方面：①調(diào)整池室內(nèi)各結(jié)構(gòu)部分的位置或尺寸；②增設(shè)額外障礙物；③改變來流條件。另外，對于魚道水力特性的研究，不再只限于流速和流態(tài)，對于描述紊流特點的物理量也越來越受到研究者的重視。