新型豎縫式雙池室魚道設計及其水力特性分析

謝美鈴，付成華，吳一杰

(西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

魚道可以溝通魚類洄游路線、恢復魚類洄游生活，讓魚類進行生殖或索餌洄游，對于保護水產資源、發展漁業生產有一定的積極作用。魚道是通過修建坡度較緩的水槽并在其中設置卡口將水位差分解成多個較小落差，利用消能減速以及控制水流流量和縮短魚道長度等措施來創造適合于魚類上溯的流態，從而幫助魚類洄游通過的工程結構[1]。中國早期魚道建設主要依靠國外的經驗公式進行設計，魚道在運行時不能完全滿足國內主要洄游魚類的上溯要求[2]。在人與自然和諧共處的大背景下，魚道優化設計研究日益受到重視，可以激勵水利事業良性進步并促進生態資源可持續發展。

國內外工程上常用的魚道主要有丹尼爾式、豎縫式、溢流堰式仿自然式等[3]。豎縫式魚道是一種池室魚道，其具有流態穩定、對上下游水位變化適應力強、過魚效率高等技術優勢，因而在國內外廣泛應用[4]。傳統的豎縫式魚道只有一條洄游通道，洄游通道中的豎縫處是魚道流速最大的部位，必須要控制豎縫處流速小于魚類的極限游泳速度，否則魚類難以完成洄游[5]。傳統豎縫式魚道豎縫式魚道的水池長寬比、豎縫斷面導向角等因素對魚道的水流結構影響較大，尤其是對魚道池室內的回流區[6]。目前國內多位水利學者致力于改進傳統豎縫式魚道的缺點，提出不同新型豎縫式魚道并驗證其水力特性，為水利事業與生態環境和諧共處貢獻智慧。王新雷等[7]根據豎縫式魚道應用于高水頭樞紐將占用很大平面面積這一問題，結合螺旋原理設計了一種新型螺旋式魚道。蔡玉鵬等[8]基于豎縫式魚道研究了一種豎縫式梯形魚道，其水力特性基本滿足魚類的洄游，且部分指標優于傳統豎縫式魚道。阮天鵬等[9]對一種新型的豎縫式魚道箱式魚道進行水力特性研究，為箱式魚道的建設及應用提供一定技術與理論依據。

在前人研究基礎上，基于生態可持續發展理念，本文設計了一種豎縫式雙池室魚道[10]，通過對魚道池室內水流流態進行數值計算分析，其水力特性較易滿足魚類洄游條件，具有洄游通道數量多、魚類回流區穩定性等特點，相關成果可為魚道工程設計提供參考，對促進河流生態可持續發展具有非常重要的現實意義。

1 魚道設計

1.1 設計原理

魚道的工作過程遵循液體連續性原理和液體運動能量方程，通過增大過水斷面、沿程水頭損失和局部水頭損失可以減小速度水頭，從而減小魚類在魚道豎縫處受到的阻力，使魚類更容易完成洄游。

水流連續性方程為：

A1V1=A2V2

(1)

式中A——過水斷面，m2；V——流速，m/s。

水流能量方程為：

(2)

式中z——位置水頭，m；p/(ρg)——壓強水頭，m；u2/(2g)——流速水頭，m；α——動能校正系數；hw——水頭損失，m。

豎縫式雙池室魚道結構設計有3條洄游通道，不僅增加了魚道豎縫處過魚、過水斷面尺寸，同時使水流得到充分摻混，增大了水頭損失。根據魚道工作原理，其結構設計可以實現魚道結構優化目的。

1.2 結構設計

豎縫式雙池室魚道單元由多階新型U型隔板、底板和邊墻構成。魚道運行時，每階U型隔板與邊墻之間設有邊豎縫，各階U型隔板之間設有中間豎縫。各階U型隔板將魚道分為多個單元池室，每個單元池室分為消能池室A和休息池室B(圖1)。

圖1 豎縫式雙池室魚道結構示意

2 數值模型

2.1 控制方程

采用Fluent軟件中的RNGκ-ε模型和速度-壓力耦合SIMPLE算法進行魚道數值模擬計算。在采用RNGκ-ε模型求解流場時主要有連續方程、動量方程、κ方程和ε方程，各方程表達式如下：

連續性方程為：

(3)

動量方程為：

(4)

κ方程為：

(5)

ε方程為：

(6)

2.2 網格劃分和邊界條件

已有研究表明，豎縫式魚道的池內水流具有明顯的二元特征，垂直方向上的水流流速可忽略不計[11-13]。本文設計的新型豎縫式魚道與傳統豎縫式魚道結構相似，因此本研究選用平面二維數學模型進行計算。豎縫式雙池室魚道二維模型見圖2，圖中箭頭方向為水流方向，初步擬定魚道總長度L=25.54 m，魚道池室寬度B=3.00 m。由2個U型隔板組成的單元長度l=3.60 m，共擬設10階U型隔板，入口邊界距第1階U型隔板3.60 m，第10階U型隔板距離出口邊界3.60 m。U型隔板厚度為0.20 m，隔板彎頭處為90°，外緣為圓弧形。魚道邊豎縫b1=b2=0.20 m，中間豎縫b3=0.40 m。初步擬定的結構尺寸僅為研究豎縫式雙池室魚道水力特性，具體實際工程中則需根據實際工程情況、洄游魚類的體型和游泳能力等因素綜合進行設計。

圖2 豎縫式雙池室魚道模型尺寸

2.2.1網格劃分

使用ICEM CFD對所建模型進行網格劃分，魚道模擬區域采用三角形網格，網格單元數15 965，節點數7 936，劃分后魚道網格模型見圖3。

圖3 豎縫式雙池室魚道網格模型

2.2.2邊界條件

根據邊永歡等[4]研究，豎縫式魚道的豎縫處斷面平均流速值在0.8～2.0 m/s內時，其流速大小對魚道池室內各水力參數無顯著影響。本文參考豎縫式魚道的特性對豎縫式雙池室魚道進行研究，不失代表性地設置入口邊界流速為0.3 m/s，將豎縫式雙池室魚道的豎縫斷面處流速控制在0.8～2.0 m/s范圍內。豎縫式雙池室魚道出口邊界設置為自由出流，邊墻和隔板均設置為無滑移速度邊界條件。

3 計算結果分析

3.1 池室內水流流態

池室內流態結構是魚道水力學研究的重點，豎縫式雙池室魚道池室流線見圖4。

圖4 豎縫式雙池室魚道池室流線(m/s)

豎縫式雙池室魚道池室內流態結構主要分為中間主流區、兩側邊主流區和各階休息池室的回流區，共3條洄游通道。洄游魚類沿著較高流速的主流區洄游上溯，同時也可以在穩定的回流區休息以恢復體能。

水流受到U型隔板的阻礙后在中間豎縫處橫向收縮，再進入消能池室充分摻混擴散并發生了一定橫向偏轉，有效地利用魚道進行了消能，然后進入下一階中間豎縫從而形成了一條經過各階中間豎縫的連續平滑穩定的中間主流區。水流受到U型隔板和邊墻的阻礙后發生橫向收縮在各階邊豎縫處形成兩側邊主流區，兩側邊主流沿著粗糙的邊墻連續流動。水流在各階休息池室中形成了非常穩定且被U型隔板保護起來的低流速回流區。

3.2 池室內水流流速

豎縫式雙池室魚道池室內速度分布見圖5。

圖5 豎縫式雙池室魚道池室流速云圖(m/s)

為降低邊界條件對魚道池室水力特性的影響，本文重點對第5和第6階池室水流流速進行數值分析。最大流速Vmax=1.35 m/s出現在豎縫式雙池室魚道邊豎縫處，中間主流區流速為0.51～1.23 m/s，兩側邊豎縫主流區流速為0.62～1.35 m/s。休息池室中的回流區流態穩定且流速較小，流速為0～0.30 m/s，能為魚類創造良好的休息條件以恢復體能[14-16]。

豎縫式雙池室魚道豎縫處流速有著明顯的兩側小中間大的現象，具有豐富的流場信息，能夠給不同魚類提供上溯信息供其洄游。同時，中間豎縫處流速小于邊豎縫處流速，可供幼魚等游泳能力較差的魚類或幼魚通過，提高了魚道的適用范圍。如第5階中間豎縫處水流平均流速為 1.01 m/s，第5階中間豎縫對應的兩側邊豎縫處水流平均流速為1.24 m/s。

3.3 池室水流紊動能

豎縫式雙池室魚道池室紊動能分布見圖6。

圖6 豎縫式雙池室魚道池室紊動能分布云圖(m2/s2)

紊動能可以反映水流的紊動狀態，魚道池室內紊動能超過魚類可承受范圍則不利于魚類洄游，如傷害魚類眼睛和魚鰭、破壞魚類平衡能力、耗盡魚類體能和使魚類迷失上溯方向等。根據已有研究表明，魚道池室紊動能越小，則池室內水流越穩定，魚道的過魚效率越高[17]。

本文選取第5、6階池室開展魚道紊動能數值研究，豎縫式雙池室魚道中第5階消能池室的紊動能平均值為1.69×10-2m2/s2，第6階消能池室紊動能值小于第5階，為1.57×10-2m2/s2。休息池室中回流區的紊動能較小且穩定，兩階池室的紊動能平均值均為0.18×10-2m2/s2，水流接近靜水狀態，滿足魚類休息條件[18]。魚道消能池室中的紊動能顯著大于休息池室，水流可以充分地在魚道消能池室中進行摻混擴散實現有效消能，局部最大值為0.06 m2/s2。

4 結語

通過RNGκ-ε模型和速度-壓力耦合SIMPLE算法對新設計的豎縫式雙池室魚道進行二維數值模擬分析計算，主要結論如下。

a)豎縫式雙池室魚道具有3條主流區作為洄游通道，具有非常穩定且被U型隔板保護起來的低流速回流區。

b)豎縫式雙池室魚道池室內水流具有豐富的流速信息，能夠給不同魚類提供上溯信息供其洄游。

c)豎縫式雙池室魚道休息池室中回流區的紊動能較小且穩定，消能池室中的紊動能明顯大于休息池室。

豎縫式雙池室魚道作為一種新型魚道，其水力特性較易滿足魚類洄游條件，符合可持續建設理念，相關成果可為魚道工程設計提供參考。