魚礁護岸結構設計與布置研究以及流場效應分析

鄧柏旺，朱彬彬，周佳楠，沈 達

（1.上海市水利工程集團有限公司，上海201612；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州225127）

0 引 言

魚礁結構是一種棲息地改善結構，對水生生物的繁殖和生長有重要意義。生物環境方面，魚礁能增大水域的生物量；非生物環境方面，不同內外部形狀的魚礁直接影響周圍及內部的流速流態，進而影響魚類。魚礁一般被廣泛應用于海洋中，在內陸護岸工程中應用較少。利用魚礁塊體作為新型生態護岸結構，可為山區河流較高流速下的護岸結構設計提供參考。

針對魚礁結構的系統研究已取得豐富的成果。陳勇［1］等人通過實驗研究，分析了人工魚礁的環境功能和集魚效果。林軍［2］等人從物理環境、魚礁材料等角度研究了人工魚礁的物理穩定性。劉舜斌［3］等人對嵊泗人工魚礁一期工程建成之后的4個季度的漁業資源進行調查研究，發現魚礁投放后，魚礁區生產力得到了提高，群落結構得到了明顯改善。丁玲［4］等人通過試驗研究，分析了魚礁最大靜摩擦系數與海洋底質泥沙粒徑、含水率等因素的關系。近年來魚礁結構也被應用于內陸護岸工程中。重慶交通大學路鼎［5］提出了兩種魚礁護岸結構（螺母魚礁塊體和菱形魚礁塊體），著重研究了魚礁護岸結構的破壞機理，豐富了河道護岸形式。韓林峰［6］等人利用水槽模型試驗，對透空六面體人工魚礁周圍的水力特性進行研究，得到了魚礁護岸的魚類產卵場水力因子。

本文根據長江河道魚類習性，結合內陸山區河道護岸工程（重慶市跳墩河流域）對魚礁護岸塊體的結構尺寸進行設計，利用有限元軟件對魚礁周圍流場進行數值模擬，分析魚礁以及魚礁場的流場效應，確定魚礁塊體的布置間距，研究不同布置方式下的魚礁場流場效應并確定魚礁在岸坡上的布置方式。

1 研究區域和數據

1.1 研究區域概況

跳墩河流域位于重慶市，屬嘉陵江水系左岸一級支流，位于亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和、四季分明、雨量充沛，流域面積11.7 km2，主河道長10.5 km，天然落差達275 m，平均比降為1.03%。河道部分河段采用混凝土護坡和護底（圖1），河道硬質化，無法滿足生態要求，亦減少河道自凈化能力，與生態、和諧目標相違背。該段河道地處山區，水流較為湍急，水流通常能達到1～3 m/s，本文針對該段河道，利用魚礁結構進行硬質護岸改造，使之能滿足山區河流較高流速下的生態要求。

圖1 原始河道Fig.1 The original river

1.2 數據

1.2.1 河道簡化

為方便進行數值模擬計算，觀察近岸的水力特性，根據重慶市跳墩河流域河道特點，將原始河道簡化成底寬10 m，邊坡坡度為1∶1.5，長度為50 m的梯形河道（圖2）。不同魚類對水深有著特定的要求，但可通過豎向布設多個魚礁的方式以滿足不同魚類的習性。因此，本文暫不考慮河道水位變化，主要研究河道不同流速下的魚類棲息地效應。以河底高程0 m為基準高程，計算水位按照硬質護岸滿流工況定為4.0 m。

圖2 簡化的河道計算斷面Fig.2 Calculated section of the simplified channel

1.2.2 人工魚礁結構

借鑒海洋魚礁工程應用經驗，設計魚礁結構如圖3所示，以適應河道護岸斜坡。為方便魚礁塊體的預制以及施工，魚礁塊體整體為中空矩形體，底部為中空結構，使得礁體內部與土壤直接相連。

圖3 魚礁結構示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of the reef structure

根據不同魚類大小在魚礁外表面設置過魚孔供各種魚類自由穿梭。過魚孔設置為3 種不同大小，分別為主流面上的400 mm×600 mm 過魚孔，迎流面與背流面上的300 mm×300 mm過魚孔和頂面上的300 mm×400 mm 過魚孔。同時在頂面還設置有3個的植生孔，可在魚礁內部種植水生植物，植物根部周圍可以受到混凝土結構的保護，既能保證水生植物正常生長，又能防止水生植物過度生長，水生植物還為水生動物提供營養物質。

魚礁下方設置有固定支腳便于安插在護岸斜坡中，提高魚礁塊體的穩定性。在魚礁塊體與土層接觸處分布有透水孔，可維持魚礁內部水流與土壤進行物質交互。根據重慶跳墩河流域河道情況，將其安裝在1∶1.5 的邊坡上，露出尺寸為1 000 mm×900 mm×（300～800 mm），內部空間為800 mm×700 mm×（100～600 mm），適合體型半米及以下的魚類，而普通河道內魚類多為50～500 mm之間，根據表1中各類魚類體型，滿足跳墩河流域河道內魚類棲息要求。

2 研究方法

2.1 基本控制方程

本研究中數值模擬通過求解時間平均的納維埃－斯托克斯方程來模擬匯流口的三維水流，方程如下：

連續方程：

動量方程：

x方向：

y方向：

z方向：

式中：U，V和W為x，y和z三個方向上的時均流速；ρ為密度；P為壓力；τ為剪切應力。

2.2 κ－ε湍流模型和自由水面處理

考慮到新型生態護岸結構較為復雜，且有魚礁塊體的存在，易產生分離流、二次流、旋流等復雜流動，本文采用Realiz‐ableκ-ε模型。

水利工程中對于自由水面處理目前常用的有剛蓋假定［8］以及VOF 法［9］。在進行魚礁結構周圍水力特性研究時，主要觀察其結構周圍流場，而其水面起伏及水位變化對研究結果影響不大，考慮到計算資源以及計算時間，采用剛蓋假定對其自由表面進行處理。

2.3 計算網格

因魚礁結構較為復雜，采用非結構網格對魚礁護岸進行網格劃分。本研究主要關注魚礁結構以及近岸周圍流場水力特性，對魚礁和近岸附近網格進行局部加密處理。建立疏密不同的網格尺寸，依據Biron［10］的方法進行網格獨立性驗證，確定最合適的網格全局尺寸。以最密網格（網格數量3 047 628）為基準進行計算，網格在879 452 時即已經達到了網格獨立性要求，過密的網格對流場最高流速以及計算域水力損失的精確度沒有明顯的提高，但是考慮到本文需要描述水流交界面等原因，綜合考慮計算時間及計算精度，采用網格總數為1 733 276時確定的全局網格尺寸（200 mm），本文網格全局尺寸都以此為基準。

表2 網格獨立性驗證Tab.2 Grid independence verification

2.4 邊界條件設置

模型計算主要側重較大流速條件下，魚礁塊體對流場的影響，故根據山區中小型河道流速情況，假設來流為均勻定常流，CFD 模型中進口流速選取1、1.5、2、2.5、3 m/s 5 個流速。邊界條件設置如圖4所示，進口邊界采用速度進口，假設為均勻定常流，設置入流速度大小為1、1.5、2、2.5、3 m/s；出口邊界采用壓力出口；自由水面根據剛蓋假定，設置為對稱邊界；河道中間也設置為對稱邊界；其余設置為壁面邊界。

圖4 邊界條件設置Fig.4 Settings of boundary condition

2.5 模擬工況

治理河段常年水流速度為1～3 m/s，為總結河道不同水流流速下魚礁流場效應的變化規律，本文選取進口流速1、1.5、2、2.5、3 m/s 5 種工況，對單個魚礁附近流場進行模擬。經過試模擬，單個魚礁的影響范圍大致為3～7 m，本文設置不同流速、不同間距下共計25 個工況進行數值模擬，以確定最優間距，滿足河道全年較長時間的魚類棲息地效應。

表3 不同魚礁布置間距工況Tab.3 Different reef arrangement spacing conditions

為探索不同布置方式對魚礁場周圍流場的影響，本文根據河道現狀以及河道景觀需求，提出兩種布置方式：直線型布置方式和梅花型布置方式（圖5），利用有限元軟件對同一入流速度2 m/s 下的魚礁場水流進行數值模擬，評價其流場效應，優選方案。

圖5 魚礁塊體布置方式Fig.5 Arrangement of reef blocks

2.6 魚礁流場評價指標

本文選取上升流、背渦流、魚類游泳能力，能量損失4 個指標評價人工魚礁流場效應。

2.6.1 上升流、背渦流

海洋魚礁通常規定以豎直方向流速大于或等于0.1 倍來流速度的區域定義為上升流區域，以水流速度小于0.8 倍來流速度的區域定義為背渦流區域，即為多數魚類棲息的低流速渦流區［11］。而在內陸河流特別為山區河流，流速隨時間變化較大，在較高流速下規定0.8 倍來流速度以下區域為背渦流區域，不滿足內陸河道規律。本文根據內陸河道大多數魚類的習性［7］，規定魚礁后流速小于等于0.8 m/s 的區域為背渦流區域。借鑒上述研究結論，將豎直方向流速大于等于0.1 倍來流速度的區域定義為上升流區域，將時均流速小于等于0.8 m/s的區域定義為背渦流區域。利用上升流高度、上升流面積、最大上升流流速3 個指標來反映上升流效應，利用背渦流面積來反映背渦流效應。

2.6.2 魚類游泳能力

魚類的游泳能力一般用魚在一定時段內可以克服某種水流的流速大小表示，分為感應流速、臨界游泳速度和突進游泳速度。感應速度是指水體從靜止到流動時，魚類開始感應并趨流前進的水流速度。突進游泳速度是魚類所能達到的最大游泳速度，也稱極限速度，通常指持續時間小于20 s的游泳速度。

對于魚礁布置間距參考因素目前并沒有標量化的闡述，應用在海洋中的魚礁結構的布置間距大多也是憑經驗布置，或者通過實驗取流場最優化布置方式［12］，并沒有標量化的數據進行約束。本文結合魚類克服流速能力的實驗數據［7］，分析魚礁布置間距。因治理河段地處山區，水流流速較高，魚礁設計的目的主要為了降低流速，為河道魚類提供棲息地條件，該治理河段魚類群落構建工程主要利用烏鱧、鱖魚、鯉魚、鯽魚、鰱魚、鳙魚進行魚類群落修復，從表1看出以上魚類臨界游泳速度在0.3～0.8 m/s 之間，突進游泳速度為0.8 m/s 左右，本文選取大部分魚類的突進游泳速度0.8 m/s作為流速上限，并根據0.8 m/s以內的流速空間來確定魚礁體結構的布置間距。

2.6.3 能量損失

李建［13］等通過研究發現四大家魚的產卵環境多為水流流態較為復雜、能量損失較大的河段，重慶市跳墩河流域作為內陸河道適宜產卵區，同時為了研究魚礁場在河道高水流流速下的減速效果，更好的分析魚礁周圍的流場變化，采用能量損失進行分析。

3 結果分析

3.1 單個魚礁的流場效應

流場模擬結果顯示，如圖6（a），單個魚礁在流速為2 m/s時，在垂直方向，魚礁的上方形成了明顯的上升流，在礁體后方也形成了明顯的背渦流。主要因為水流流經魚礁時大部分水流進入迎流面魚孔，少部分水流因為混凝土結構的阻礙作用呈現上挑趨勢，有助于營養物質豎向傳遞。水流進入魚礁內部后因前擋板混凝土作用，在上部魚孔上方形成小范圍負壓區域［圖6（b）］，小部分水流從迎流面魚孔進入后從上部魚孔流出，水流經魚礁的減速作用在魚礁后方形成低流速區，形成適合魚類棲息的背渦流區域。在水平方向［圖6（c）］，水流經魚礁作用，部分水流在魚礁結構護壁的切割下，逐漸遠離近岸，并在魚礁后方偏主流區形成高流速區，同時因護岸與魚礁的聯合作用，魚礁后方靠護岸一側形成小范圍回流區，在回流區后形成低流速背渦區。

圖6 單個魚礁在流速2 m/s下的流場模擬結果Fig.6 Simulation results of flow field of a single reef at a flow rate of 2 m/s

單個魚礁在5 個不同流速下各指標的變化情況見圖7，從圖7中可以看出其變化規律與放置在海洋中的人工魚礁相似。最大上升流流速隨來流速度的增加呈線性上升趨勢；上升流高度受來流速度的影響，整體表現為緩慢上升趨勢，上升流高度受來流速度的影響較小，增長值僅為毫米級；上升流面積隨來流速度的增加逐漸增大，增長值較小；背渦流面積隨來流速度的增大而急劇減少，在高流速下魚類的棲息空間受到限制。由此可以看出，隨著河道水流流速增加，有助于上升流的產生，促進魚礁周圍的水體交換和河道底泥內營養物質的傳遞，增加了浮游生物，形成餌料場，吸引魚類覓食。但隨著河道水流流速的增大，背渦流的面積急劇減少，在高流速水流下，供魚類生存的空間大范圍減少，雖然促進了水體內營養物質的交換，但并沒有足夠的棲息空間供魚類覓食、生活，背渦流區域成為魚礁流場效應的主要控制因素。

圖7 單個魚礁各工況流場效應隨來流速度的變化情況Fig.7 The flow field effect of a single reef under various conditions with the change of incoming flow velocity

3.2 魚礁塊體布置間距選取

對進口流速2 m/s 工況下模擬出的三維流場利用UDF 提取背渦流區域得到圖8，計算各個工況背渦流體積得到圖9所示曲線。

由圖8可發現當間距較小時，上游魚礁塊體產生的低流速背渦流與下游魚礁塊體影響的上游低流速區相互影響疊加，導致背渦流體積較小的現象，隨著間距的增大，背渦流區域影響長度逐漸增大，但寬度逐漸減小，在間距5～6 m 處呈現斷裂趨勢，在間距7 m時完全斷裂。由此形成（圖9）在不同進口流速下隨著布置間距的增加，背渦流體積呈現先增大后平穩再下降的變化趨勢。根據變化的頂峰值即背渦流體積最大時工況，可確定魚礁最優布置間距。如圖9所示，在進口流速1.5 m/s 時，背渦流體積最大出現在間距6 m 的工況；當進口流速增大到2.0、2.5、3.0 m/s 時，出現在間距5 m 的工況。考慮到治理河道地處山區，水流湍急，全年大部分時間水流流速都在1～3 m/s，綜合考慮工程造價及較高流速下的生態效應，魚礁塊體間距建議取5 m較為合適。

圖8 進口流速2 m/s時不同魚礁布置間距背渦流區域分布圖Fig.8 Distribution diagram of backswirl region with different reef arrangement spacing at inlet flow rate of 2 m/s

圖9 各進口流速下不同魚礁布置間距背渦流體積變化規律Fig.9 The variation rule of backvortex volume at different reef arrangement spacing under each inlet velocity

3.3 魚礁塊體的布置方式選取

根據以上研究成果確定魚礁布設間距，即順水流同一直線方向任意兩個魚礁之間的間距都為4 m，即每5 m設置一個魚礁塊體，對兩種布置方式進行流場模擬。

3.3.1 布置方式對魚礁場周圍流場的影響

（1）流場效應分析。比較兩種布置方式的上升流和背渦流，上升流和背渦流分布位置如圖10和圖11，計算結果如表4。

圖10 不同布置方式在水流流速為2 m/s時上升流區域分布圖Fig.10 The distribution diagram of the upwelling area at the current velocity of 2 m/s in different arrangements

圖11 不同布置方式在水流流速為2 m/s時背渦流區域分布圖Fig.11 The distribution diagram of the dorsal eddy region at the current velocity of 2 m/s in different arrangements

表4 不同魚礁布置方式在流速為2 m/s條件下的流場效應Tab.4 Flow field effect of different reef arrangements at a flow velocity of 2 m/s

分析發現兩種布置方式的上升流產生位置都為靠近上游的第一排的位置，因前方魚礁結構對水流的影響，后排的魚礁結構幾乎不產生上升流。直線型布置方式產生的上升流體積較梅花型布置方式大，更有利于營養物質的垂向傳遞。兩種布置方式都在魚礁結構后方產生一定大小的背渦流區域，其中直線型布置方式產生的背渦流體積較梅花型布置方式大的多，體積為梅花型布置方式5 倍多，主要因為直線型布置方式同排魚礁阻水具有疊加效應，產生的背渦流區域相互疊加擴大，而梅花型布置方式布置魚礁只控制自身的背渦流區域，各個魚礁結構之間幾乎不干擾。因此直角型布置方式較梅花型布置方式魚礁之間的相互協同疊加作用更為明顯，產生更大的上升流和背渦流區域，為魚類提供更多的營養物質和棲息空間。

（2）能量損失分析。利用有限元計算進出口的總壓差值，即可得到減速結構所消耗的能量即減速結構的水力損失。總水頭損失計算見表5。

由表5可知，直線型布置方式較梅花型布置方式的能量損失大，水流更為紊亂，為魚類提供產卵的環境，同時直線型布置方式有更強的減速效果，能夠降低近岸流速，減弱水流對岸坡的沖刷，特別是在山區河道流速較大時，通過設置直線型布置方式更能消耗一定的水動能，降低下游的防洪壓力。

表5 不同魚礁布置方式在流速為2 m/s條件下的能量損失Tab.5 The energy loss of different reef arrangements at a flow rate of 2 m/s

3.3.2 布置方式的選定

比較兩種布置方式下的上升流、背渦流的空間分布和體積大小，以及兩種布置方式能量損失值發現：①采取直線型布置方式，礁體之間的相互協同作用更好，上升流與背渦流體積較梅花型布置方式大；②直線型布置方式較梅花型布置方式能量損失值大，阻水效果更好。因此，護岸魚礁結構的布置方式宜采用直線型布置方式。

4 結論和討論

隨著河道水流流速的增大，單個魚礁周圍上升流區域緩慢增長，背渦流區域急劇減少，在高流速水流下，供魚類生存的空間大范圍減少，雖然上升流促進了水體內營養物質的交換，但并沒有足夠的棲息空間供魚類覓食、生活，背渦流區域成為魚礁流場效應的主要控制因素。

模擬分析不同流速下各魚礁布置間距的背渦流區域分布及大小，綜合考慮工程造價及較高流速下的生態效應，魚礁塊體間距建議取5 m較為合適。

對兩種布置方式的流場進行模擬分析發現，直線型布置方式較梅花型布置方式，礁體之間的相互協同作用更好，上升流與背渦流體積更大，能量損失更多，阻水效果更好，工程中宜采用直線型布置方式。 □