豎縫式魚道樁柱結構過魚效果探究

柳松濤 李廣寧 石凱 孫雙科 石小濤

摘要：為優化魚道池室結構，提升魚類洄游效果，以常規豎縫式魚道為原型，以齊口裂腹魚（Schizothorax prenanti）為試驗對象，通過數值模擬和對照性過魚試驗，比較分析了4種池室內部增加與未增加樁柱的水流結構。結果表明，在魚道主流中間增設樁柱結構，可以有效減小回流區面積，減幅達49%，并可減小豎縫處的紊動能，最大減少18%；增加魚類上溯路線分布，提高了池室空間利用率。2種結構的上溯軌跡分析發現，齊口裂腹魚多選擇回流區外側上溯，避免進入回流區中心，即選擇較高的水力應變與紊動能區域作為上溯方向，且上溯路線中偏好較低水力因子區域，上溯偏好流速為0.01～0.09 m/s，紊動能為0.001～0.008 m2/s2，水力應變為0.2～3.0/s。體型Ⅱ魚道通過在主流位置增加樁柱結構，形成了多股水流，有效減小回流區的占比，提高了魚道池室空間利用率，為魚類的上溯路徑提供了更多選擇。

關鍵詞：豎縫式魚道；樁柱結構；數值模擬；水力學特性

中圖分類號：S956? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1674-3075（2024）02-00148-11

受大壩和水庫修建的影響，魚類的洄游通道受到阻隔，作為緩解措施的魚道得到廣泛運用（董哲仁，2006；陳凱麒等，2012）；其中，豎縫式魚道（Vertical Slot Fishway，VSF）因其消能效果充分，能適應較大水位變幅受到廣泛關注（劉志雄等，2010；Mao，2018）。然而，我國豎縫式魚道實際運行效果并不理想，主要體現在魚類通過時間較長且通過率較低。為此，有必要以提高魚道通過效率為目標，對常規池室結構開展進一步探索研究。

國內外對VSF結構開展了許多研究，Rajaratnam等（1986）最早提出豎縫式魚道設計結構，在對18種不同體型池室研究后發現，10：8為最佳池室長寬比，池室內回流區流速與湍流強度適中，可為魚類提供休息區（徐體兵和孫雙科，2009；Rajaratnam et al，2010）。對比不同魚道坡度的流場分布發現，當坡度<5%，流場呈現二維分布（Wu，1999）。對豎縫寬度（b）、池室寬度（B）、導板長度（P）等參數研究發現，當0.1≤b/B≤0.2、0.2

本文提出了4種增設樁柱結構的魚道池室體型方案，并開展數值模擬計算和過魚試驗，從而優選流態較好、過魚效率較高的池室體型。對優選池室進行齊口裂腹魚（Schizothorax prenanti）對比性過魚試驗，分析其上溯行為規律，進而識別魚類行為與水力因子間的響應關系，以期為優化魚道結構及提升過魚效率提供理論依據。

1? ?研究方法

1.1? ?試驗設計

1.1.1? ?模型設計? ?魚道模型以常規豎縫式魚道為原型，按重力相似準則設計，模型比尺為1：4。試驗水槽長10.2 m、寬0.6 m，底坡坡度J=1%，設置11級試驗池室。魚道池室長L=0.75 m，寬 B=0.6 m，導板長P=0.15 m，豎縫寬b=0.075 m，導向角θ=45°，導板厚d和隔板厚b均為0.075 m。導板迎水面和隔板背水面坡度均為1：1，隔板迎水面和導板背水面坡度均為1：3（Li et al，2021）。設計4種池室，分別為體型I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其差異為樁柱數量及位置不同，樁柱直徑為豎縫寬度b=0.075 m，樁柱布置及相關參數見圖1。

試驗模型用水采用自循環閉合系統，模型下游設回水池，試驗時采用水泵供水，進水池中設置消能柵，魚道池室運行水深H0=0.3 m。模型下游末端池室為放魚池，內部上下游各安裝一道攔魚柵，上游側攔魚柵可防止試驗魚提前進入試驗段，下游側攔魚柵可防止試驗魚進入回水池。

1.1.2? ?試驗方法? ?試驗所用齊口裂腹魚采購自四川某漁場，選擇體長（10±2） cm的幼魚，該體長下其臨界游泳能力大于豎縫處最大流速0.39 m/s，確保不會因試驗魚游泳能力不足影響試驗結果（Cai et al，2018）。試驗前暫養于8 m3的方形水池中，采用深井水24 h循環供水，并進行曝氣處理，溶解氧濃度保持在7 mg/L以上（Branco et al，2013）。試驗期間暫養池水溫（16±2）℃，pH值（7.3±2.0），光照為室內自然光。試驗前2 d停止喂食（Mallen-Cooper，1994）。

試驗分為2組，設置試驗組Ⅰ篩選出較優的魚道結構，分別在試驗池室第3、5、7、9號布置體型Ⅰ～Ⅳ，根據各級池室通過時間，選擇相對較優的池室結構布置體型。該試驗未設置對照試驗，作為初步篩選較優池室結構方案，有利于縮小試驗周期，避免試驗期間水溫等環境因素變幅過大對過魚試驗結果的影響。試驗組Ⅱ設置對照試驗，以篩選的較優結構作為試驗組，標準魚道作為對照組，進一步分析樁柱結構對魚類上溯行為的影響，試驗布置見圖2。相比于單一試驗，對照試驗能保證在相同條件下進行過魚試驗，降低水溫、光照和聲音等無關因素對試驗結果的影響（郭子琪等，2021；黃婕等；2021；譚紅林等，2021）。

試驗前調整魚道運行水深為0.3 m，測量并記錄試驗魚道中的水溫、含氧量、pH值等相關參數，確保試驗中循環水含氧量大于6 mg/L，pH值在（7.75±2.5）（Branco et al，2013）。每天隨機選取20尾魚作為試驗用魚，每尾魚僅用于1次試驗，試驗后將魚放置于另一水池暫養。魚道流態穩定后開始放魚，關閉攔魚柵，待試驗魚適應15 min后，撤去攔魚柵。自試驗魚進入11號池室時開始計時，待其游出1號池室時停止計時，記錄上溯時間和上溯視頻。若試驗魚超過20 min未通過魚道，則記為上溯失敗。本試驗共放魚106尾，其中順利通過11級池室67尾，作為數據分析對象，避免各體型池室通過率偏差對統計數據的影響。試驗組Ⅱ中，將2組魚同時放入下游放魚池并開始試驗，試驗過程中分別記錄2組魚道的通過時間和上溯視頻。試驗完成后，隨機選取另2尾魚繼續下一組對照試驗。

1.2? ?數值模擬

1.2.1? 數學模型? ?本研究使用Fluent軟件對4種樁柱結構進行數值模擬。采用標準k-ε湍流模型進行湍流計算，VOF模型追蹤魚道自由水面，結合壓力-速度耦合SIMPLE算法進行求解計算（Li et al，2021）。計算域包括11級池室，如圖3所示。采用結構性六面體網格，魚道池室網格尺寸0.05 m，豎縫及樁柱處網格尺寸0.04 m，垂向網格0.025 m，計算區域高度1 m。魚道進口及出口邊界條件設置為壓力進口，給定水深0.3 m；頂部邊界條件設置為壓力進口，相對壓強設置為0；底面及邊壁設置為無滑移壁面。迭代計算時間步長為0.01 s，每步迭代最大次數設置為30（Anastasios et al，2018; Fuentes-Pérez et al，2018）。

1.2.2? ?模型驗證? ?數值模擬結果與物理模型試驗進行對比，以驗證模擬結果的可靠性。魚道流場為典型的二維分布（Wu et al，1999），為此選取0.5H0橫截面作為數據提取斷面，以斷面Ⅰ（X=15 cm）、斷面Ⅱ（X=40 cm）和斷面Ⅲ（X=60 cm）作為驗證斷面，對體型Ⅱ的模型進行驗證。計算結果表明，各體型驗證斷面數值模擬與實測結果流速分布吻合程度較高，流速誤差在0.03 m/s以內，數值模擬結果與物理模型試驗結果基本一致（圖4）。

2? ?結果與分析

2.1? ?池室水力特性

2.1.1? ?回流區尺度? ?按數值計算的流線圖劃分主流區及回流區，結果見圖5。將回流區的分布圖導入CAD，計算回流區面積a，與魚道池室面積A相比進行無量綱化處理，得出回流區在魚道中的占比a/A。統計5種結構的回流區相關數據如表1。

體型Ⅰ中，主流經過樁柱產生向池室左側分支（順水流方向左側），主流范圍更加廣泛，增加可能的魚類上溯路線，同時左側大回流區被削減。體型Ⅱ中，主流由于中間樁柱作用主流范圍有所擴大，偏向樁柱左側。體型Ⅲ、Ⅳ在魚道回流區增設樁柱，其中體型Ⅳ由于樁柱靠近池室左側，減小了左側回流區對主流的壓縮，回流區范圍更加廣泛。

相較于標準魚道，布置樁柱結構的池室回流區總面積占比都有一定程度減小，其中體型Ⅱ減小幅度最大，達49%。由于回流區面積減小，對主流的約束作用減弱，其分布范圍更加廣泛，體型Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ主流均有偏向左側墻壁的趨勢。4種結構中，回流區的變化主要集中在左側，體型Ⅰ中左側大回流區被分割為4個小回流區，體型Ⅲ、Ⅳ回流區也有所增加。體型Ⅱ中大回流區縮減為位于上游隔板側的小回流區，減小為原來的26.1%，這也是其回流區占比減小明顯的主要原因。

2.1.2? ?池室流場水力參數分布? ?使用Tecplot提取各體型池室數值模擬結果，選擇Z=0.5H0平面作為數據分析斷面，分別做流速、紊動能和總水力應變云圖，觀察不同體型池室各水力參數分布差異。

流速是影響魚類上溯的主要水力要素，也是魚道設計的重要判斷標準（Hou et al，2019）。5種體型中，高流速區主要在主流附近區域，低流速區主要位于兩側回流區。主流區流速為 0.20～0.38 m/s，回流區流速較小，僅0～0.1 m/s，其最大流速均位于豎縫靠近隔板側。除在體型Ⅰ中池室流速有明顯增加外，其他3種體型魚標準魚道流速分布差異不大，各體型魚道的流速場分布如圖6-a。

紊動能TKE反應出水流流速脈動振幅，若在實際流場中魚類所經過的區域水流紊動過大，則會導致魚類上溯體能消耗加快，進一步影響其游泳能力（Enders et al，2003）。5種體型池室的紊動能如圖6-b所示。紊動能較高區域都位于豎縫處，回流區紊動能低于0.006 m2/s2，豎縫及部分主流區域則在0.010～0.025 m2/s2。

對比5種體型池室的紊動能分布發現，體型Ⅱ最大紊動能0.018 m2/s2低于標準魚道0.022 m2/s2，減小幅度為18%；體型Ⅰ豎縫處最大紊動能小于標準魚道。5種魚道中標準魚道豎縫處紊動能為0.018～0.022 m2/s2的區域面積最大，主流區紊動能在0.006～0.008 m2/s2的面積更加廣泛。體型Ⅲ、體型Ⅳ豎縫處紊動能有明顯的增加，最大紊動能為0.024 m2/s2。總體來說，在主流區增設樁柱的方案可以有效減小魚道內的紊動能，回流區增設樁柱結構會增加豎縫處的紊動能。

總水力應變用以反映流場區域內控制體變形情況，可以綜合反映各方向流速變化的梯度（Nestler et al，2008；齊亮等，2012）。本研究5種魚道池室中，總水力梯度相對較高的區域均位于主流區域，且各體型豎縫處總水力應變明顯高于池室內部；其中，體型Ⅰ豎縫處水力梯度最高，達到18/s；體型Ⅲ、Ⅳ豎縫處水力梯度分布相似，導板端部較小部分存在水力梯度達到18/s；體型Ⅱ與標準魚道豎縫處水力梯度相似，處于相對較低水平。各魚道池室體型總水力應變如圖6-c所示。

2.2? ?過魚效果

2.2.1? ?通過時間? ?試驗組Ⅰ過魚試驗于9月上、中旬進行，平均水溫15.4℃，溶解氧為7.0 mg/L以上。試驗共放魚106尾，其中順利通過11級池室共67尾，統計其通過時間中位數及平均數如圖7-a所示。體型Ⅱ通過時間平均數相比其他體型時間更短，為 14 s，同時體型Ⅱ通過時間中位數與其他體型相比也有優勢，通過時間為 9 s。為此，以齊口裂腹魚為過魚對象時推薦體型Ⅱ作為初步篩選的池室結構。試驗組Ⅱ過魚試驗于10月中旬至11月中旬進行，平均水溫15.6℃，溶解氧為7.0 mg/L以上。體型Ⅱ與標準魚道通過時間中位數與平均數差異并不大。試驗組Ⅱ各體型魚道通過時間如圖7-b所示。

2.2.2? ?通過率? ?通過率是判斷魚道過魚效果的重要判斷指標。試驗組Ⅰ中未詳細統計各體型魚道的通過率，參考樣本為順利通過11級池室的魚類，各體型魚道通過率一致，以避免各池室布置位置差異對過魚效果的影響。試驗組Ⅱ對照試驗共放魚168尾，標準魚道成功上溯121尾，通過率PrⅠ=72%；體型Ⅱ成功上溯115尾，通過率PrⅡ=68%。試驗組Ⅱ中標準魚道中試驗魚通過率略高于體型Ⅱ。

2.2.3? ?生存曲線? ?采用生存分析方法，分析試驗組Ⅱ中不同池室體型對齊口裂腹魚通過效果的影響。生存分析不僅綜合考慮了通過時間與通過率指標，還考慮到隨通過時間遞增通過率的變化。隨后利用時序檢驗（log-rank test）的方法比較不同生存曲線分布區別是否顯著。將試驗組數據導入統計分析軟件GraphPad Prism 7對生存曲線進行比較。結果表明，試驗組Ⅱ中標準魚道和體型Ⅱ過魚效果無顯著差異（P=0.361>0.05），各試驗組生存曲線如圖7-c所示。

2.3? ?上溯行為

2.3.1? ?上溯軌跡熱點? ?為進一步深入分析2種結構對魚類上溯的影響，對其上溯的軌跡進行統計分析。由攝像機記錄魚類在池室中的上溯視頻，采用LoggerPro對魚類上溯過程進行打點，通過多條上溯軌跡疊加繪制熱點圖8。

試驗組Ⅱ中，體型Ⅱ魚類上溯軌跡主要集中在樁柱上部，之后沿隔板側通過豎縫，上溯軌跡明顯，部分魚類沿樁柱下端邊墻貼壁上溯。標準魚道中大部分魚類選擇沿下部分邊墻上溯，在導板處轉向通過豎縫，部分魚類靠近池室右側沿隔板側通過豎縫，結果與Shi等（2022）的研究結論一致。其中樁柱結構中魚道上溯軌跡分布更加豐富，而標準魚道中魚類上溯多集中于導板一側，位于左側大回流區少有魚類通過，樁柱結構豐富了魚類上溯路徑的選擇，有利于提高池室空間利用率。

觀察體型Ⅱ魚類主要上溯路徑上的行為發現，魚類多沿隔板側通過豎縫，通過豎縫后存在明顯的調整上溯方向行為，大多數魚類調整方向朝向樁柱側，之后沿該方向移動至樁柱左側。在樁柱附近魚類又一次調整方向垂向隔板側，沿該方向行一段距離后，魚類轉向靠近隔板側，貼近隔板行進至豎縫處后調整方向沿隔板背水面通過豎縫，完成單級池室的上溯，魚類上溯過程如圖9。

2.3.2? ?水力因子與上溯軌跡耦合? ?由上溯軌跡熱點圖8可以發現主要上溯路線差異明顯，提取魚類的主要上溯路線與水力因子、回流區分布耦合，分析魚類在上溯軌跡上差異的成因，結果如圖10。剔除軌跡線中規律不明顯的其他軌跡，得出體型Ⅱ主要軌跡線占比為52%，次要軌跡占比30%，標準魚道中主要軌跡線占比78%，次要軌跡占比12%。

魚類上溯過程中都偏向由回流區域外側通過，避免了進入回流區中中心，同時偏好于較小回流區側通過，可能是魚類偏好于流向單一的通道上溯，回流區中流向復雜不利于魚類辨明上溯方向。從流速云圖的耦合中可以發現，魚類偏好避免通過豎縫下游段的高流速區域，行進路線中流速大多處于較低水平。

兩者軌跡線的差異主要集中在魚類通過豎縫后上溯方向的選擇，標準魚道中大部分魚類通過豎縫后由于慣性作用繼續沿當前方向行進至邊墻，而體型Ⅱ中魚類大多選擇沿隔板側直行，之后調整方向朝向樁柱側行進，在隔板側存在主動選擇上溯方向的行為，可能是魚類偏向高紊動能、高水力應變區域上溯。標準魚道中，豎縫上游端突出存在較高水力應變與高紊動能區域，其與魚類的主要上溯路線存在較高的吻合度；而體型Ⅱ中高水力應變高紊動能區集中在隔板側，且其范圍較窄導向性并強烈，為此魚類的主要上溯路線偏向隔板側，且主要軌跡占比沒有標準魚道高。在體型Ⅱ中樁柱左側，豎縫下游段存在較高的水力應變與紊動能區域，魚類的主要上溯軌跡中在該區域都有方向調整的傾向，表明魚類偏好于高水力應變高紊動能區域進行方向調整。

2.3.3? ?水力因子上溯偏好范圍? ?對魚類軌跡分布與池室水力因子分布進行定量分析，將池室按照熱點圖中網格劃分，提取每個網格內水力參數的平均值，結合魚類在該網格分布數量繪制直方圖11。對魚類在各網格中的數量分布與水力因子進行相關性分析發現，無論標準魚道還是體型Ⅱ魚道，魚類數量的分布與流速、紊動能、水力應變具有顯著的相關性，大部分P<0.01（表2）。雖然2種體型過魚軌跡存在明顯的差異，但魚類偏好的水力因子范圍存在一致性，都偏向于較低水力因子區域上溯，裂腹魚在上溯過程中偏好水力應變0.2～3.0/s，偏好流速為0.01～0.09 m/s，偏好紊動能為0.001～0.008 m2/s2。本研究與譚均軍等（2017）研究得出草魚、鰱等幼魚偏好水力因子范圍有所不同，可能是不同種類不同體長魚類偏好水力因子范圍存在差異。與本研究團隊在裂腹魚的其他試驗研究中結論一致，都偏好在低流速、低紊動能區域上溯（Li et al，2021） 。

本試驗表明，體型Ⅱ魚道與標準魚道從通過時間及通過率的角度看來，兩者效果相當。體型Ⅱ魚道通過在主流位置增加樁柱結構，形成了多股水流，有效減小了回流區的占比，提高了魚道池室空間利用率，為魚類的上溯路徑提供了更多選擇。鑒于本文僅開展了齊口裂腹魚的相關試驗研究，尚未能證實體型Ⅱ魚道的過魚優勢，后續擬進一步開展其他魚種的過魚試驗，以進一步論證體型Ⅱ魚道的合理性。

3? ?結論

在豎縫式魚道池室內部增設樁柱結構，并采用數值模擬和放魚試驗方法驗證4種樁柱結構的可靠性，評價樁柱結構實際過魚效果，得出如下結論：

（1）體型Ⅱ魚道在主流中間處布置樁柱結構可以有效的減小回流區的占比，有利于減小池室內紊動能，同時相較于本文其他結構，齊口裂腹魚的通過時間較短。

（2）體型Ⅱ魚道與標準魚道過魚效果相當，但具有更高的空間利用率，形成了具有流速梯度的多股水流，為魚類的上溯路徑提供了更多選擇。

（3）齊口裂腹魚在上溯過程中偏好于回流區外側通過，都選擇避免豎縫下游段的高流速區域，偏好于高水力應變高紊動能區域進行方向調整。

（4）魚類上溯軌跡偏好與流速、紊動能、水力應變顯著相關（P≤0.01），偏好流速0.01～0.09 m/s，偏好紊動能0.001～0.008 m2/s2，偏好水力應變0.2～3.0/s。

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（責任編輯? ?萬月華）

收稿日期：2022-07-14? ? ? 修回日期：2022-11-14

基金項目：國家自然科學基金（51679261）；流域水循環模擬與調控國家重點試驗室自主研究課題（SKL2020TS04）。

作者簡介：柳松濤，1997年生，男，碩士研究生，研究方向為魚道水力學。E-mail：202008150021032@ctgu.edu.cn

通信作者：李廣寧，1993年生，男，高級工程師，主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail：lgnchina@163.com