不同位置與朝向的魚道進口水流特性研究

石迅雷

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

1 概 述

魚道進口是否易被魚類發現和利于魚類集結，是魚道設計成敗的關鍵因素之一[1]。而魚道進口的位置與朝向決定魚道進口附近水流的特性，影響著整個魚道工程的過魚效果[2]。為此，國內外的學者針對魚道進口的不同布置形式進行了大量的室內試驗研究及數值模擬計算。如謝春航等提出魚道進口布置于集誘魚通道時的集誘魚水流具有更適宜魚類洄游的水力學特性，能更有效地吸引并引導魚類洄游上溯，找到魚道進口[3]。黎賢訪等基于RNGk-ε紊流模型對進魚口型式進行了數值仿真和對比分析，提出進魚口軸線與河岸成30°夾角并采用3支渠道輻射狀分散布置型式，可產生較優的水流條件，適宜供多種魚類上溯[4]。Abad等利用Flow-3D流體力學計算軟件，對加拿大北支河魚道進口布置方式和孔口式魚道的水力學特性進行研究，認為該布置方式在不同上游流量時，下游水流條件均滿足魚道運行需求[5]。但在國內已建成的魚道工程中，魚道進口該以何種方式布置卻沒有統一的認識。魚道進口的不同朝向、不同布置方式如何影響進口附近的水流特性？在魚道設計的過程中，魚道進口以怎樣的開口朝向及布置方式更有利于魚類完成上溯？這仍然是國內外學者們最為關心的問題之一，也值得我們進一步探究。

本文結合國內外已建成魚道的工程經驗及相關學者的研究成果，通過改變魚道進口與電站尾水閘門的距離、魚道進口開口朝向與河道主流的角度，提出3種魚道進口的布置方式，采用Flow-3D計算流體軟件，對這3種魚道進口布置形式的水流特性進行數值模擬，并通過模型試驗驗證模擬結果的合理性。對比分析不同魚道進口布置方式下魚道進口附近水流的流速、紊動能，提出更適合魚類上溯的魚道進口布置位置以及開口朝向。

2 魚道進口數學模型

2.1 魚道進口布置型式

圖1所示水工模型由位于岸邊的魚道一、位于河道中間的魚道二、上游的發電機組及溢洪道組成。

注：1.溢洪道； 2.發電機組； 3.魚道一； 4.魚道二； A，B，C，D，E，F為魚道進口圖1 水工模型布置圖Fig.1 Hydraulic model layout

魚道一的長度設置為2 m，魚道二的長度設置為6 m。其中，魚道進口A位于魚道一的中間，魚道進口B、C位于魚道一的末端，魚道進口D位于魚道二的中間，魚道進口E、F位于魚道二的末端；魚道進口A、B、D、E開口朝向與河道主流方向垂直，魚道進口C、F開口朝向與河道主流方向平行。發電機組尾水閘門寬度設置為0.4 m，調節魚道進口閥門，使其寬度為0.2 m。為了控制計算規模，同時又能保證模擬的區域包括受魚道進口水流顯著影響的河道區域，本次模擬的區域范圍為10 m×10 m(長×寬)。在模擬過程中，為了研究水電站發電工作時的下泄流量對魚道附近水流誘魚效果的影響，溢洪道設計為不泄水狀態，河道流量來源于水電站機組全部開啟時的下泄流量。根據研究要求及內容，選取3種具有代表性的魚道進口布置型式，見表1。其中，工況一開啟與電站距離較近、開口朝向與河道主流垂直的魚道進口A，D；工況二開啟與電站距離較遠、開口朝向與河道主流垂直的魚道進口B，E；工況三開啟與電站距離較遠、開口朝向與河道主流平行的魚道進口C，F。

表1 魚道進口布置方式工況表Tab.1 Workflow table of fishway entrance layout

2.2 湍流模型與控制方程

本文采用流體計算軟件Flow-3D進行數值模擬計算，控制方程為連續性方程和動量方程，紊流數值計算模型采用標準的k-ε紊流模型，利用VOF方法追蹤流體自由表面運動,分析魚道進口附近區域的流速、紊動能等水力要素。

2.3 邊界條件以及網格劃分

經邊界進入模型區域的水流分別為電站尾水閘門的下泄水流和魚道的下泄水流，進口邊界采用速度進口，以分布于長江中下游流域的馬口魚為實驗對象，為了讓馬口魚感應水流并完成上溯，本次模擬中電站尾水閘門的下泄水流和魚道的下泄水流均設置為V=0.25 m/s，出口邊界設置為壓力出口，邊壁和底板設置墻體均不可過流，水氣交界面的邊界條件設定為壓力邊界條件，壓強為標準大氣壓1.01×105Pa，初始水深均為0.2 m。

計算網格采用Flow-3D生成的六面體結構化網格，魚道進口1 m范圍內進行網格加密，網格總數約為1 071 260。最小網格單元體積約為3.2×10-7m3，初始時間步長本文取為0.01，最小時間步長為1×10-8。

2.4 模型驗證

為了驗證本文數值模擬的準確性，本文對工況三的魚道進口布置形式進行了物理模型試驗，根據上述方法建立的數學模型，選取距離電站尾水閘門1 m處兩魚道之間的斷面模擬流速值和實驗實測值進行對比分析。測量之前關閉所有魚道進口，測量平面與底面平行，兩魚道之間的水域每隔0.3 m布置一個測點。由圖2可知，兩者水流流速大小相對誤差范圍為2%～9%，誤差值在允許的范圍之內，因此數值模擬計算結果具有合理性。

圖2 數值模擬與模型試驗斷面流速大小對比Fig.2 Comparison of flow velocity between numerical simulation and model test section

3 魚道進口模型數值模擬結果及分析

3.1 流速場

魚道進口在河道流場下所形成的流速場是決定水流特性的主要因素，是魚類能否順利找到魚道進口的重要影響因素，圖3給出了3種工況所形成的流速場。

圖3 流速分布圖Fig.3 Flow velocity distribution

由圖3可知，在由電站發電產生的尾水作為河道運行的背景流量下，3種魚道進口布置方式在魚道進口豎縫處產生的流速大小基本保持一致，為0.5 m/s左右。工況一中，兩個魚道進口A，D的水流以射流的形式在進口處與電站尾水90°交匯，使原本流速衰減的電站尾水在魚道進口下游處形成流速為0.2～0.5 m/s的流速場，并延伸至河道下游，此為馬口魚偏好的吸引流速，流速場的橫向寬度為1.2～2.0 m，由于岸邊邊壁及魚道二邊壁的作用，使得魚道進口A，D射流而出的水流與岸邊之間形成了流速為0～0.1 m/s的低流速區；工況二與工況一類似，原本流速衰減的電站尾水在魚道進口下游處形成流速為0.2～0.5 m/s的流速場，流速場的橫向寬度為1.5～2.4 m，由于岸邊邊壁的作用，魚道進口B射流而出的水流與岸邊形成了流速為0～0.1 m/s的低流速區；工況三中，由于魚道進口C，F產生的水流與電站尾水在各進口下游1m范圍內接近于0°匯合，水流擴散并不明顯，流速衰減較為緩慢，高流速區域處于魚道進口C，F下游處，高流速區域橫向寬度較窄，寬度范圍為0.2～0.4 m，河道中存在著大片面積的較低流速區域。

對比工況一、工況二，改變魚道進口與電站尾水閘門的距離影響著河道形成的馬口魚偏好流速區域的范圍，相比于工況一，距離電站尾水閘門較遠的魚道進口布置方式能夠形成范圍更大的誘魚水流，更有利于馬口魚完成上溯。

對比工況二、工況三，兩種魚道進口的布置方式其進口豎縫處均能達到0.5 m/s的最大流速，但與河道垂直的魚道進口布置方式能夠產生大范圍的馬口魚流速偏好區域，更易于魚類識別，從而更加順利地找到魚道進口。

3.2 紊動能

紊動能是描述流場的一個重要水力參數，也是在魚類上溯過程中體能耗散的主要原因。國外有研究表明，紊動能過大會使魚類在上溯的過程中消耗大量的能量[6]，以至于無法完成上溯。圖4給出了3種工況下的紊動能的分布。

由圖4可知，工況一中，在魚道進口A至岸邊的區域內，形成了大范圍的高紊動區域，并延伸至河道下游，區域橫向寬度逐漸減小，區域面積為7.25 m2左右，最大紊動能可達0.13 m2/s2，由于魚道進口D位于魚道二的二分之一處，魚道二阻斷了魚道進口水流與溢洪道下游處的水流區域相交匯，在魚道進口至河道下游的區域內形成了大范圍的紊動區域，并在河道下游末端水流逐漸擴散均勻，紊動相對緩慢，區域面積為7.11 m2/s2左右，最大紊動能位于該區域的中心處，可達到0.01 m2/s2；工況二中，由于岸邊邊壁的不可過流，在魚道進口B至岸邊的區域內，形成了大范圍的高紊動區域，并延伸至河道下游，區域橫向寬度逐漸減小，區域面積為5.3 m2左右，最大紊動能可達0.11 m2/s2，由魚道進口B，E射流而出的水流逐漸擴散均勻，在河道中形成了紊動能較低的水流區域，紊動能為0.001 5～0.002 5 m2/s2；工況三中，由魚道進口C，F流出的水流與河道水流零度交匯，紊動并不劇烈，低紊動區域集中在魚道進口至河道下游的狹長范圍內，區域面積為3.3 m2左右，魚道進口C至岸邊存在著很小范圍的高紊動區域，區域面積為0.3 m2左右，最大紊動能可達0.014 m2/s2。

對比工況一、工況二，開啟距電站閘門較近的魚道進口A，D在河道下游產生了更大范圍的高紊動區域，馬口魚在上溯的過程中容易迷失自己，以至于無法順利尋找到魚道進口完成上溯。

對比工況二、工況三，相比開啟與河道平行的魚道進口C，F，開啟與河道垂直的魚道進口B，E能夠產生更大范圍的紊動區域，同時也會產生大范圍的低紊動區域。有研究表明，適宜的紊動能有助于魚類完成上溯，魚類喜好聚集在紊動能范圍內頂流前進以減少自身能量消耗[7]，因此工況二更有利于目標魚類完成上溯。

圖4 紊動能分布圖Fig.4 Distribution of turbulent kinetic energy

4 結 論

通過對不同位置及朝向的魚道進口各個工況的流場進行了數值模擬，以電站尾水流量作為河道運行的背景流量，從流速和紊動能兩方面分析了各個工況下流場的水力特性。綜合分析，得出以下結論：

1) 相對于開口朝向與河道主流平行的進口C、F，開啟開口朝向與河道主流垂直的魚道進口能夠形成更大范圍的目標魚類偏好流速區域以及適合魚類上溯的低紊動區域。

2) 由于岸邊邊壁的不可過流及魚道二阻斷了電站下游與溢洪道下游的部分水流交匯，開啟距電站閘門較近的魚道進口A，D在其下游處產生了范圍較大的、不利于目標魚類上溯的高紊動區域，距離電站尾水閘門較遠的魚道進口B，E能夠形成范圍更大的誘魚水流,同時在其下游處產生的不利于目標魚類上溯的高紊動區域也相對較小。

3) 布置于岸邊的魚道由于岸邊的不可過流，在魚道進口至岸邊的區域內易形成高紊動區以及低流速區，不易目標魚類尋找到魚道進口完成上溯，因此布置于河道中的魚道更能提高魚道的過魚效率。