廣西老口樞紐U型魚道轉彎段水力特性研究

韓若冰 蔡德所

摘要：在魚道坡度的限制下，上下游水位差越大，魚道所需長度越長。因此，U型魚道因其在對長度要求下場地的節約性，得到廣泛應用。目前，對U型魚道轉彎段的研究較少，缺乏完整的設計方法。本文以廣西老口樞紐下游段的豎縫式U型魚道為研究對象，采用Flow-3D軟件對魚道轉彎段的水力特性進行了數值模擬分析。結果表明：老口樞紐U型魚道轉彎段主流區明確，最大水平流速為1.27m/s，紊動不劇烈，消能效果較好，左側轉彎段主流區水流貼邊墻流動，出現較大的回流區，右側轉彎段主流區處于中部，回流區位于主流區兩側。廣西老口魚道可滿足魚類上溯的基本要求。

關鍵詞：豎縫式魚道；轉彎段；Flow-3D；數值模擬；水力特性

基金項目：國家自然科學基金資助項目（40971280）

中圖分類號： TV135 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.22.086

魚道，作為維持魚類自由溯游的主要建筑物，近年來在國內外得到更多重視。豎縫式魚道結構簡單、過魚效率高、應用廣泛。多數大壩上下游差較大，所需魚道長度較長，受場地限制難以布置成直線，往往需要布置成折返式，即U型魚道。魚道水力特性是影響過魚效果的主要因素[1]。U型魚道轉彎段內，由于水流流行發生180°轉向，水流流態與紊動能發生巨大變化，容易對魚類上溯產生不利影響。因此U型魚道轉角段水力特性具有很大的研究意義。目前，許多學者對豎縫式魚道池室及休息室水力特性進行了很多研究[2]，對U型魚道轉彎段的研究較少，也未見U型魚道轉彎段相關的成熟設計方法。作者基于老口航運樞紐豎縫式魚道下游段U型魚道，采用數值模擬方法，研究U型魚道轉彎段水力特性，為其他魚道設計作參考。

1 工程概況

廣西老口航運樞紐位于邕江上游，左江、右江交匯處下游4.7km處[6]。老口樞紐距廣西首府南寧市市區約34km，是那凝視邕江綜合利用樞紐規劃梯級中的第七級，以防洪為主，兼顧改善南寧市水環境的綜合性樞紐。老口樞紐建成后，阻礙了魚類洄游通道，因此修建了豎縫式魚道作為主要過魚建筑物。老口樞紐魚道總長約719m，布置圖如下，主要由三段構成：一是大壩下游U型段總長約397m，由于布置空間有限，布置成3個U型段以減少開挖；二是大壩下游L型段總長約124m，沿安裝間右側及下游側外圍布置；三是過壩段及上游段總長約198m，沿廠房右岸護岸岸坡布置。

2 數值模擬

2.1 數學模型

數值模擬采用（RNG）模型。（RNG）模型通過大尺度的運動和修正后的粘度項的方法來體現小尺度的影響，從而在控制方程中去除小尺度的運動。

2.2 計算區域及物理模型

本文選取老口航運樞紐U型魚道下游段進口的40個池室作為模擬計算區域，模型凈長69m，凈寬18.5m，凈高6.5m，沿魚道中心線全長169.129m，魚道坡度1∶60，模擬模型圖、平面尺寸圖及局部尺寸詳見圖1。

2.3 邊界條件及算法

Flow-3D軟件能夠實現對魚道水力特性進行較為精確的模擬[3]，因此，本文采用Flow-3D軟件進行數值模擬計算。數值模擬計算上下游邊界采用壓力邊界，工況選取老口樞紐上游水位75.5m，下游水位65m，即魚道水位H=2m，對應模型上游水深5.53m，下游水深3m。模型頂部設置為壓力邊界，大氣壓強為101325Pa，邊墻與底部為固壁邊界。在計算區域內，網格采用六面體結構網格，網格邊長0.1m，初始時間步長及最小時間步長采用默認值。

將青、草、鰱、鳙 “四大家魚”作為老口航運樞紐魚道的主要過魚對象。其游泳能力對應的極限流速為：體長0.1～0.3m對應極限流速0.7～0.9m/s，體長0.3～0.9m對應極限流速1.2～1.9m/s。

3 結果與分析

在魚道水位H=2m下進行模擬計算后，主要對兩個180°轉彎段水力特性進行研究。分別選取兩個轉彎段不同水深剖面進行分析，剖面高度h與魚道水位H的比值，h/H分別取0.2，0.5，0.8。

3.1 轉彎段流態分析

流態是影響過魚效果的主要因素。對于魚類上溯，轉彎段主流區要明確，能讓魚類感知到主流方向；存在一定回流區以達到消能效果；轉彎段回流區流速不宜過大，否則影響魚類休息；最大流速應小于極限流速。

3.1.1 左轉彎段流態分析 左轉彎段模擬結果如圖1。

由圖2模擬結果可知：一是三個典型剖面的流態分布基本相同，主流區貼向魚道轉彎段外壁，在轉彎段中心形成一個較大的回流區，在進彎外壁處和出彎外壁處形成兩個較小的回流區；二是三個典型剖面的最大水平流速分別1.27m/s（底層，h/H=0.2）、1.11m/s（中層，h/H=0.5）、1.13m/s（頂層，h/H=0.8），均出現在上一池室豎縫主流區與進彎段交界處，數值相差很小。三個典型剖面垂向流速數值均較小；三是主流區水平流速在0.5～1.3m/s之間，滿足大部分魚類上溯條件[4]，出現主流區貼壁的主要原因是進彎處水平流速方向朝向外壁，加上在轉彎段流向發生180°轉向，使得出現主流區貼壁的現象；四是由于主流區貼向外壁，在左側轉彎段中部形成較大的回流區，回流區流速較小，在0.4m/s以下，中心點接近于0，適合魚類休息[5]；五是左側轉彎段能夠充分消能，降低流速。

3.1.2 右轉彎段流態分析 右轉彎段模擬結果如下。

由上述模擬結果可知：一是三個典型剖面的流態分布基本相同，主流區在轉彎段中心處，四個回流區分布在主流區兩側；二是三個典型剖面的最大水平流速分別1.19m/s（底層，h/H=0.2）、1.15m/s（中層，h/H=0.5）、1.07m/s（頂層，h/H=0.8），均出現在上一池室豎縫主流區與進彎段交界處，數值相差很小。三個典型剖面垂向流速數值均較小；三是主流區水平流速在0.4～1.2m/s之間，滿足大部分魚類上溯條件，流態分布與左轉彎段不同的原因是進彎處水平水流流場朝向轉彎段中心，與左轉彎段相比流向變化不劇烈；四是四個回流區流速較小，均在0.4m/s以下，中心點接近于0，適合魚類休息；五是右側轉彎段能夠充分消能，降低流速且流態分布較左轉彎段好。

3.2 轉彎段紊動能

紊動能是流體紊動所具有的動能，魚道內紊動能過大會使魚類迷失方向甚至失去平衡，嚴重的會有扭傷身體，損傷眼睛等嚴重后果[5]。因此，對紊動能的研究是必要的[7][8]。

3.2.1 左轉彎段紊動能 左側轉彎段紊動能模擬結果如下。

由圖4可知：一是三個典型剖面紊動能分布相似；二是左側彎道回流區紊動能在0.06J/kg以下，方便魚類休息；三是主流區紊動能在0.06～0.1J/kg之間，最大為0.101J/kg；四是底層（ h/H=0.2）、中層（h/H=0.5）和頂層（h/H=0.8）最大紊動能分別為0.083J/kg、0.101J/kg、0.092J/kg，滿足魚類上溯基本要求。

3.2.2 右轉彎段紊動能 右側轉彎段紊動能模擬結果如下。

由圖5可知：一是三個典型剖面紊動能分布相似；二是右側彎道回流區紊動能在0.06J/kg以下，方便魚類休息；三是主流區紊動能在0.06～0.107J/kg之間，最大為0.107J/kg；四是底層（ h/H=0.2）、中層（h/H=0.5）和頂層（h/H=0.8）最大紊動能分別為0.106J/kg、0.105J/kg、0.093J/kg，滿足魚類上溯基本要求。

4 結論

基于Flow-3軟件對老口航運樞紐U型魚道轉彎段水力特性進行了數值模擬計算，主要研究了轉彎段流態分布及紊動能分布。結果表明：

在不同水深下轉彎段流態分布相似，主流區明確，可為魚類上溯提供明顯路線，且均存在流速較小（0.4m/s以下）的回流區，最大流速值1.27m/s，滿足大部分魚類上溯要求。左側轉彎段出現主流區貼向魚道外壁現象且回流區較大，會對魚類上溯造成不利影響。在不同水深下紊動能分布相似；回流區紊動能較小（0.06J/kg以下），最大紊動能不大。經研究表明，老口航運樞紐魚道轉彎段基本滿足魚類上溯條件，但實際過魚效果仍需在實際中檢驗。

參考文獻

[1]WU S， RAJARATNAM N， KATOPODIS C. Structure of Flow in Vertical Slot Fishway[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（04）：351-360.

[2]高柱，戴會超，郭卓敏，等.隔板型式對豎縫式魚道水力特性的影響研究[J].水利水電技術，2014，45（10）：37-41.

[3]諸韜.FLOW-3D模型在魚道工程水力特性模擬上的應用[J].廣東水利水電，2018，3（03）：15-18.

[4]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，2012，28（03）：80-82.

[5]鄭金秀，韓德舉，胡望斌，等.與魚道設計相關的魚類游泳行為研究[J].水生態學雜志，2010，3（05）：104-110.

[6]王得祥.水流紊動對魚類影響實驗研究[D].南京：河海大學，2007.

[7]DUGUAY J M， LACEY R W J. Numerical study of an innovative fish ladder design for perched culverts[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2016，43（2）：173-181.

[8]GAO Z， ANDERSSON H I， DAI H C， et al. A new Eulerian-Lagrangian agent method to model fish paths in a vertical slot fishway[J].2016，88：217-225.

作者簡介：韓若冰，在讀碩士研究生，研究方向：魚道及其他過魚設施；水利工程。

通訊作者：蔡德所，教授，博士生導師，研究方向：河流健康診斷與修復。