異側豎縫寬度對魚道水流結構的影響研究

張 羽，張凌峰，杜慶君，李卓普，趙集云

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450000)

0 概 述

大壩、水閘等水利水電工程的建設利用推動了經濟發展，提高了水資源潛在的巨大生態和社會效益；但是它也阻斷了河流在能量流動、物質傳輸、信息傳遞功能上的連續性。這一影響對需要洄游、繁殖的魚類等水生物尤為突出。因此，為了保護魚類等水生資源，探索并設計出能夠適應魚類洄游，降低水利工程帶來的人為性生態循環破壞的魚道是一種行之有效的方法。魚道是為幫助魚類等水生物通過大壩、水閘上溯或下行的補救性措施，主要是為魚類提供上溯通道，保護魚類生態多樣性與保持河流連續性的一種重要技術工程手段。當前魚道設計形式主要分為工程性魚道和仿自然式魚道，作為工程魚道中最常見布置方式之一的豎縫式魚道，以其良好的過魚效果成為目前國內外工程魚道設計的普遍形式。該類魚道具有池室內主流形態穩定、主流區回流區位置明確、豎縫處流速分布較均勻、對來流變化自適應性強等技術特點。我國近期建設的魚道工程也大都采用了豎縫式魚道。如，黑龍江省的關門嘴子水庫橫隔板豎縫魚道、廣西大藤峽的南木江工程魚道等。

一般而言，國內外對工程魚道方面的研究重點不外乎為豎縫處的流速特征、池室內主流區和回流區的分布、池室內主流流速的衰減規律等等內容。其中最廣為接受的就是豎縫式魚道垂直方向上流速梯度的變化很小，可以忽略不計，豎縫式魚道的流動可以做二維平面流來處理。具體來說，豎縫式魚道的形式分為同側豎縫和異側豎縫兩種，對于發展時間更長和應用更為廣泛的前者，國內外已經有相對深入的研究。Rajaratnam等[1]與Liu等[2]通過物理模型試驗研究了魚道的流場結構及流態，提出魚道各級水池的長寬比為L∶B=10∶8時，魚道流態較為穩定。An等[3]、Fujihara等[4]先后進行了豎縫式魚道的數值模擬計算，研究了魚道池室的長寬比對魚道流態的影響，并提出長寬比在8∶8～10.5∶8的范圍內可以獲得魚道池室內較好的水流流態。Larinier[5]提出并研究了豎縫式魚道消能率這一概念，認為各級池室內的單位體積耗散率應小于150～200 W/m3；張國強等[6]采用數值模擬的方法系統研究了豎縫寬度對魚道豎縫處和池室內流場結構的影響，并提出豎縫寬度b/B在0.1～0.25這一范圍時，豎縫斷面處流速分布梯度大，主流的最大流速軌跡線基本位于池室中部且偏轉程度適宜，主流流速沿程衰減明顯，魚道消能效果較好。趙彬如等[7]研究了豎縫位置對豎縫處流速和池室內流態個流場結構的影響，并給出了豎縫位置的推薦取值區間。邊永歡等[8]將變化的豎縫斷面平均流速作為自變量，系統地研究各工況下豎縫斷面流速分布與各級池室內主流流速分布的變化規律，得出在0.8～2.0 m/s這一流速區間內時，流速的變化對各部分影響很小。這也表明了前述相關研究取得的結論具有良好的適用性。

上述研究大多側重于同側豎縫式魚道，而豎縫式魚道的另一個重要形式——異側豎縫式魚道，關于魚道整體或細部的設計與研究卻很少，其池室內主流形態、水力特性參數等與同側魚道有較大不同。董志勇等[9]做了平坡物理模型試驗，并擬合出無導板異側豎縫式魚道的主流軌跡曲線，其表現為一條4次S形態曲線。在流速變化方面，異側豎縫式魚道的池室內主流速度表現為前半池長，逐漸減小；后半池長，逐漸增加。在半池長附近，存在一個低速區；同時進行的放魚試驗結果表明：由于該區域流速低于感應流速(0.8～1.2 m/s)，試驗魚類(河鰻、鯽魚)溯游至該低速區會發生打轉或徘徊現象。劉志雄等[10]進行了異側豎縫式魚道物理模型試驗，研究了不同豎縫寬度、池室長寬比下豎縫斷面的無量綱流速分布規律和池室內主流最大流速沿程衰減情況；并在董志勇的基礎上改進了主流軌跡的擬合公式。曹慶磊等[11]通過物理模型試驗得出：隨著流量的變化，池室內各部位的無量綱流速、紊動能和紊動切應力的變化規律；同時也驗證了異側豎縫式魚道型式下不同水深平面的主流軌跡和流速分布曲線接近重合。這表明異側豎縫魚道的水流結構也可以當做為二維平面流動來處理。

本文主要對異側豎縫式魚道的水力特征進行數值模擬計算研究，定量分析豎縫寬度對魚道池室和豎縫處水流結構的影響，并與前人的研究成果對比，分析流態優劣，并給出合理的寬度取值范圍。

1 數學模型及驗證

1.1 數值模型

根據前文所推薦的魚道尺寸，本研究采用魚道池室部分長寬比取值為L∶B=10∶8，導板長度P∶B=3∶10，具體見圖1，其中單級池室長度L為3.00 m，寬度為2.40 m，導板長度P取0.72 m。研究分別選用了b/B=0.050、0.063、0.100、0.125、0.150、0.175、0.200、0.225、0.250、0.300、0.400、0.500等12種豎縫寬度，探討各工況下魚道水池內水力特性。根據文獻[8]的結論：豎縫斷面平均流速在0.8～2.0 m/s范圍內，其流速大小對于池室內各種水力學參數沒有顯著影響，故本文以不失代表性的設置斷面進口平均流速為0.125 m/s，以保證豎縫斷面平均流速達到上述要求。

圖1 魚道模型計算域

結合文獻[12]的研究表明，豎縫式魚道水流呈明顯的二維平面流動特征，垂直方向上流速變化可以忽略不計。因此，本研究以二維平面模型進行數值模擬計算。

數值模擬采用Fluent 18.0流體模擬軟件，在計算過程中，為了盡量減小進出口邊界對池室內流場的影響，模型建立為6級水池，參見圖1。來流邊界位于池室左側設為速度入口，平均流速設置0.125 m/s；出流邊界在右側設置為壓力出口，其他為固壁邊界，初始流場靜止。在計算網格劃分方面，魚道池室內部采用結構化網格，網格邊長為16 mm而豎縫處位置形狀不規則，采用非結構化三角形網格，網格邊長為8 mm。另外還對重點計算域為第4個水池進口豎縫以及池室的網格進行加密處理，加密后網格邊長為分別為8、4 mm。設置的殘差絕對標準值為1×10-3，時間步長控制0.01 s，時間步數為20 000。

數值模擬計算方法采用RNGk-ε湍流模型和基于壓力法求解器的SIMPLEC算法，其中k-ε(RNG)模型的控制方程如下[13]：

連續性方程

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 模型驗證

采用曹慶磊等[11]異側魚道實測數據進行數學模型驗證。其試驗魚道水池如圖2所示，與本文的魚道體形I相似。對該魚道進行二維建模，模型進口采用速度進口，模型出口均采用壓力邊界。將模擬計算結果的A-A＇斷面的相對流速(斷面流速U/斷面平均流速Uo)與文獻[11]中的實測結果進行對比，并繪于圖3，結果表明數值計算結果與實測結果吻合較好，且從流態分布圖上來看，二者流態分布基本一致，說明數學模型能夠較準確的模擬魚道池室內的流場結構。

圖3 數值模擬-驗證試驗測量數據對比

2 豎縫處斷面流速分布

對于豎縫式魚道而言，水力學主要研究重點就在于豎縫處和池室內的特征。對于前者，豎縫是整個魚道系統流速最大、紊動最強烈的部位，此處一般需要魚類以爆發或極限速度穿越，因此研究豎縫斷面水力特性是提高過魚效率的重點。本文取豎縫中心斷面作為研究對象，以豎縫斷面的平均流速Uo為參照，對模擬的各工況豎縫斷面流速數據U進行無量綱處理，分別做出(U/Uo)～(Xi/b)關系曲線。其中，Xi為豎縫斷面上距起點的距離，b為豎縫斷面寬度，Ux、Uy分別為斷面橫向與縱向流速。由圖4可知，豎縫斷面處流速分布具有明顯的兩側小中間大的特性，豎縫斷面左側10%右側20%以內，水流流速低于豎縫斷面平均流速；而豎縫中間70%的寬度范圍內，水流流速均接近或稍高于平均流速。豎縫斷面流速的這種不均勻分布，具有豐富的流場信息，能夠給不同種類、不同感應流速的魚類提供上溯通道。

圖4 豎縫斷面流速分布

除了豎縫斷面流速分布的不均勻程度問題，豎縫斷面的水流偏轉程度也是影響過魚效率的重要影響因素之一。由于異側豎縫魚道的前后池室結構分布不一，豎縫斷面各點水流將會出現橫向或者縱向流速。這將會使水流出現偏轉現象，縱向流速越大，偏轉程度越大，越不利于魚類通過豎縫。圖5、6分別做出了(Ux/Uo)～(Xi/b)和(Uy/Uo)～(Xi/b)關系曲線，表明了不同豎縫寬度情況下豎縫斷面上橫向、縱向流速的分布特征。結果表明，在b/B=0.05～0.5的范圍內，豎縫寬度越大，縱向流速對豎縫斷面上該點流速影響越小；但較大的豎縫寬度，也會增大橫向流速。為了進一步確定豎縫斷面流速分布的不均勻程度與豎縫寬度的關系，計算出斷面上縱向流速的標準差，并做出上述標準差值與豎縫寬度的關系曲線(見圖7)。

圖5 豎縫斷面橫向流速變化與豎縫寬度關系

圖6 豎縫斷面縱向流速變化與豎縫寬度關系

圖7 豎縫斷面縱向流速標準差與豎縫寬度關系

從圖7可以看出：在b/B=0.05時，豎縫斷面縱向流速標準差達到0.65 m/s。隨著豎縫寬度的增大，標準差逐漸變小，說明徑向流速逐漸變小，豎縫斷面的流速不均勻程度逐漸降低；當b/B≧0.15時，標準差基本小于0.2 m/s，豎縫斷面流速趨于穩定；但同時豎縫寬度越大，橫向流速也越大。結合圖5可以看出，在b/B=0.25左右時，橫向流速的影響有突然增大的趨勢。綜合豎縫處水流均勻性和控制水流偏轉程度大小兩方面看，推薦豎縫斷面寬度b/B取值為0.15～0.25。

3 池室流場水流結構

豎縫式魚道的池室內的流場結構主要分為主流區和回流區兩部分，魚類沿較高流速的主流洄游，也可以低流速的回流區區憩息，因此魚道池室內的水流結構也是影響過魚效率的關鍵因素。而且異側豎縫式魚道因其池室兩側豎縫出口位置交錯，池室內水流受豎縫寬度變化影響，整體流態、流速、流場結構均具有較大差異。研究上述12種豎縫寬度下數值模擬魚道池室流場結構，分析主流最大流速衰減規律，總結豎縫寬度對池室水流特征的影響規律，可以為魚道豎縫寬度設計提供參考依據。

3.1 不同豎縫寬度下各級水池內的水流結構

水流受導板和隔板的阻礙后在豎縫位置橫向收縮而后再下一個池室內橫向摻混擴散，豎縫的寬度不同，水流的形態和回流區的差別也會比較大。根據數值模擬試驗結果，可以依據豎縫寬度變化對主流和回流區的影響程度，將流場結構劃分為以下三類。

第一類。在0≤b/B≤0.15時，水流通過交錯的豎縫，主流在池室內形成明顯的偏轉，主流的前半部分沿著豎縫頂的方向沖向池室上側壁，后半部分沿著池壁流動很短距離后進入下一豎縫；每個池室內形成兩個非對稱、大小不一的回流區，左側回流區尺度遠小于右側；池室整體主流明確，但偏轉程度很大，尤其是當b/B=0.062 5時，在池室長度x/L=0.6處出現貼壁水流的不利流態，魚道實際運行中應當嚴格避免這種流態的出現。典型流場圖見圖8a、8b。

第二類。當0.15

圖8 不同豎縫寬度下典型流場結構示意

第三類。當0.25≤b/B<0.5時，主流進一步順直，僅有微小的偏轉，左右兩側回流區基本對稱大小尺度相當；特別的，當b/B=0.5時，上側隔板已經短于下側導板，因而造成水流的偏轉，典型流場圖見圖8e、8f。

3.2 主流區最大流速軌跡線與流速沿程衰減情況

以第四級水池為研究對象，進一步量化研究水池內的流速分布，以第四級水池進口導板為起始斷面，每隔0.1m取一個橫斷面，一共選取31個橫截面，提取各個斷面上的最大流速Umax以及其位置信息，形成主流的最大流速軌跡線。圖9給出了不同豎縫寬度下水池內主流區的最大流速軌跡線；該軌跡線沿程流速值均比較大，但是沿最大流速軌跡線存在一個最小流速，該最小流速的量值標志著水池內主流的擴散程度與能量耗散效果。提取最大流速軌跡線上的流速U與最大流速Umax，繪出無量綱數(U/Umax) ～(xi/L)的關系曲線如圖10所示。

圖9 主流區最大流速軌跡

圖10 最大流速軌跡線上流速衰減

從圖9的主流區最大流速軌跡線可以看出，在0.062 5≤b/B≤0.15時，最大流速軌跡線向左側偏轉幅度較大，流線較長，大致在xi/L=0.6時偏轉程度達到最大。此時，部分主流已經頂沖左側壁，隨后主流在水池的后半段軌跡線向右側偏轉，在xi/L=0.9左右時向下一豎縫出口處偏轉。當0.15≤b/B≤0.2時，最大流速軌跡線的偏轉程度較上述情況有明顯降低，主流較順直且基本位于前后兩豎縫的中心連線上，軌跡線只在水池進出口段有輕微的偏轉。當0.2≤b/B≤0.5時，最大流速軌跡線順直且位于前后豎縫中心連線上，只且隨著豎縫寬度逐漸增大，主流已經沒有偏轉，尤其是b/B=0.4時，主流軌跡基本為一條平滑直線。

由圖10給出的主流區最大流速沿程衰減分布可見，豎縫寬度對主流區最大流速的沿程衰減有顯著影響，豎縫寬度的變化會影響水流擴散摻混，進而影響主流區流速的沿程變化。當0.05≤b/B≤0.2時，豎縫寬度較小，主流在池室前半段與其他水體混合作用較強，水流的橫向擴散作用弱，且主流偏轉程度較大，流程更長。U/Umax最大變動在0.38～0.80之間，變化幅度較大，表明水池內主流區流速沿程衰減明顯；當b/B>0.2時，豎縫寬度較大，水流在水池內橫向擴散增強，流程短，U/Umax均大于0.8，表明流速沿程衰減作用較小。

從以上對豎縫處和池室內水力學特征值分析可見，豎縫寬度對池室內主流流速和流場分布影響顯著。綜合考慮魚類對水流流態和流場結構的需求，推薦豎縫寬度取值為0.15≤b/B≤0.2。此時，主流流程處于合適的長度，流速衰減均勻，兩側回流區發達，無疑是最為合適的洄游流態。

4 容積耗散功率

在豎縫式魚道的設計中，除了關注豎縫和池室這兩個關鍵部位的水流結構，魚道也是一個水力消能設施，魚道各級池室的能量耗散情況也是需要考慮的重點問題。2002年法國的Larinier[5]重點研究了豎縫式魚道的消能效率問題，并提出了各級水池內的單位水體消能率(容積耗散功率)E的概念，它反映了水池內的湍流度和摻氣程度；E值越大，表明池室內摻氣程度和湍流度越大，魚類上溯也越困難，并根據物理模型試驗結果提出了E不宜大于150～200 W/m3的建議；因此除了比較上述水力學特征值外，還需要復核計算池室單位水體消能率。

具體消能率計算如下

(5)

(6)

Q=Ubh

(7)

根據式(5)、(6)、(7)可得

(8)

式中，L為魚道池室長度，取3.0 m；B為魚道池室寬度，取2.4 m；b為魚道豎縫寬度；為魚道池室水深；h為水密度，ρ取1 000 kg/m3；g為重力加速度；Q為過流流量；Δh為相鄰池室的落差，φ為流速系數，取0.8；同時，根據文獻[14]，取U=0.8～1.2 m/s，這包括了大部分的魚類的洄游速度。依據式(8)計算0.15≤b/B≤0.2工況下魚道的單位水體耗散率(見表1)。

表1 魚道單位水體耗散率

表1結果表明，豎縫寬度在0.15≤b/B≤0.2的范圍內，單位水體耗散率計算值遠小于150～200 W/m3，滿足要求。因此前文給出的豎縫寬度b/B建議在0.15～0.2是合適的。

5 結 論

本文通過對異側豎縫式魚道水流結構的數值模擬計算，系統研究了不同豎縫寬度對池室流場結構、豎縫斷面流速分布、主流特性及回流區形態的影響，得出以下主要結論：

(1)不同的豎縫寬度對豎縫斷面處水流特征具有顯著影響，過寬或過窄的豎縫寬度分別會產生較大的橫向流速和不穩定的縱向流速；綜合來看，豎縫斷面寬度b/B推薦取值為0.15～0.25。

(2)豎縫寬度對異側豎縫式魚道池室水流的流態影響較大，豎縫相對寬度b/B在0.15～0.20的范圍內，可以獲得池室較好的主流流態，兩側回流區大小、位置合適，主流流速沿程衰減尺度適中。

(3)計算單位水體消能率表明，前文推薦豎縫寬度b/B在0.15～0.20之間時能夠滿足魚道池室內水體耗散率不大于150～200 W /m3的基本要求。

綜合以上結論，建議異側豎縫式魚道豎縫最佳寬度取值范圍為0.15～0.20。這與前文研究同側豎縫式魚道的推薦取值十分接近；但單位水體消能率較文獻[6]更低，說明推薦豎縫寬度范圍內，異側豎縫式魚道紊流度更低，流態更平穩。