適應高水位變幅的魚道進口流速調節數值模擬

摘要：魚道進口布置受多種因素影響，當下游河道水位變幅較大且魚道進口數量布置受限時，魚道進口難以承受較大水位變幅，誘魚水流條件差。為此，提出了設置流速調節浮箱對魚道進口結構進行優化設計，并采用三維數值模擬對魚道進口流速調節浮箱布置進行了優化研究。研究結果表明：魚道進口段浮箱尺寸確定與下游水位變化密切相關，魚道進口布置適當高度的浮箱，可以明顯改善進口區域的流速條件；浮箱長度和魚道進口段長度對魚道進口段水流條件的影響不大，當浮箱長度取值為2～4倍進口寬度、魚道進口段長度取值為5～8倍進口寬度時，魚道進口段均可獲得利于魚類上溯的水流條件；浮箱尺寸一定，當浮箱布置位置距離魚道池室段為1.0～2.5倍進口寬度時，流態較優。

關 鍵 詞：魚道； 流速調節； 浮箱； 高水位變幅； 魚道進口長度； 進魚能力

中圖法分類號： TV697.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.11.027

0 引 言

國內外學者普遍認為，魚道進口的最佳位置布置是魚道設計中的最大難題 ^［1-3］。研究表明，魚道進口修建的4個標準為距離上游最遠、深泓線附近、主要流速區域附近以及沖刷和淤積較少。但現有的大多數魚道并沒有達到令人滿意的運行水平^［3-5］。Mao^［3］認為魚類的游泳能力和洄游行為、魚道入口位置和結構類型、下游洄游和魚道淤積等是保證魚道成功運行的關鍵因素。譚細暢等^［6］通過對實際運行的長洲魚道進行監測取樣發現，壩上水位是影響過魚效果最重要的因素，有必要調整魚道的運行方式以促進魚類洄游。

近年來許多學者研究了如何利用魚類敏感的流場、聲音、光和氣等外界因素誘導魚類快速進入進口區域 ^［7-9］。水流對魚類行為的影響仍被公認為是最原始、最有效的因素^［10-11］，過魚設施進口水流量過大或偏小，或進口處水位變化過大，均會導致魚類無法有效進入進口區域。不同機組組合發電運行工況下，下游河道流速分布與量值存在差異，通常需要布置多個魚道進口^［12］，增大了工程布置和魚道運行難度。邊永歡^［13］為了避免多進口閘門啟閉對魚道水流帶來的影響，提出一種多次往復式布置結構，利用魚道各分段之間的自然落差以及隔板、導板與整流擋板的阻擋作用，實現在水位變動過程中不同進口之間的自動切換，從而提高進口段集魚效果。金志軍等^［7］提出了一種包含有擋水壩、溢流壩、儲水槽、輸水管等結構的高效節能系統，增加魚道進口誘魚水流的同時減少溢流壩泄入壩下的水流，提高上溯魚類找到魚道進口的概率。羅凱強^［14］針對西藏典型裂腹魚，采用不同補水形式對不同流量、不同補水距離下魚道進口附近魚類上溯行為進行研究。雖然補水可以有效地增大進口流速，但過高的流速也會形成流速屏障，阻礙魚類上溯，且補水系統出流是否平穩、能否產生較強紊動^［15］，均會對魚類上溯軌跡產生較大影響，補水設計仍無法滿足需求。

在魚道實際運行過程中，發現魚道內部流量變化小，斷面平均流速低且流速均勻，在進口區域難以形成良好的誘魚優勢^［16］。特別是當下游河道水位變幅大且魚道進口個數布置條件受限時，一個進口往往要承受較大水位變幅，但魚道內池室水深及流量仍然有限，經常會導致河道水流涌入魚道池室，在魚道內部形成壅水，從而減小魚道進口的出流速度，水流難以形成流速優勢就使誘魚效果變差，影響魚道正常運行。因此能否通過一種對魚道進口結構進行重新設計的簡便方法提高誘魚、過魚效果是本次研究關注的重難點。本文提出一種適應高水位變幅的魚道進口流速調節方式，通過控制浮箱的個數和布置，調節魚道進口流速使其處于適合的誘魚流速范圍內，有效避免多個魚道進口布置，自由適應下游河道高水位的變幅，以達到提高進魚能力的目標；并運用三維數值模擬手段對魚道進口流場分布進行分析，不斷調節浮箱的布置，以為魚道進口誘魚設計提供依據。

1 浮箱布置思路及運行

1.1 浮箱布置思路

魚道進口浮箱布置見圖1～3。魚道進口流速調節結構主要包括如下5個部分：浮箱、滑道、工作閘門、魚道池室、河道。圖中H₁為魚道進口處水深，m；H₂為魚道正常運行時池室內部水深，m；B為進口浮箱寬度，m；b為單個浮箱的長度，m；h為單節浮箱的高度，m，本次研究時h=0.5 m；H₀為堰上水頭，放置浮箱的位置近似按照寬頂堰出流計算；h_s為下游淹沒水深，m。

1.2 運行方式

浮箱通過滑道進行啟閉，在浮箱后魚道池室內設置了工作閘門，用于控制魚道的運行。通過控制浮箱的個數，調節魚道進口流速v，使其處于適合的誘魚流速范圍內，以達到良好的誘魚效果。

1.3 優缺點分析

與現有方法相比，在魚道進口布置流速調節浮箱，進口能適應更大范圍的水位變幅，進口流速僅通過控制浮箱個數就能充分調節，避免了多個進口布置，且水流為無壓流，起到了良好的誘魚作用。浮箱裝置的滑道可以上下控制浮箱的位置和個數，避免了傳統的魚道進口裝置只能從底部出流控制的缺點，適應不同生活習性的魚類需求。

2 三維模型建立及求解

2.1 基本方程

運用三維水力學模型計算魚道內水流流動情況，紊流模型采用k-ε雙方程模型，基本方程包含連續方程、動量方程和k、ε方程。自由表面采用VOF方法，采用有限差分方法對所有方程進行離散，具體方程、模型參數及求解詳見文獻［15］。

2.2 邊界條件

模型上邊界條件為流量，下邊界條件為河道水深；魚道頂面邊界條件設置為壓力進口，相對壓強值設置為0，以便空氣可自由出入；固體邊界采用固壁無滑移邊界條件。

2.3 三維模型建立

本次模擬范圍主要是部分河道、魚道進口段以及連接部分魚道池室，池室內模擬隔板和導板。整個模型計算長度約為25～30 m，部分河道段的尺寸為10 m×6 m，魚道進口段寬度為1 m，進口段長度為5～12 m不等，魚道池室段布置6節池室，每節池室長度為1.28 m，寬度為1.00 m，導板長度為0.64 m，隔板長度為0.31 m，豎縫寬度為0.16 m，射流角為45°。魚道進口局部模型如圖4所示，計算網格采用六面體網格，網格尺寸約為0.05～0.10 m，局部加密，使用FAVOR（fractional areas volumes）方法處理網格與模型邊界的擬合，網格數量約為1 000 000 個。

3 流速調節浮箱布置對魚道進口水流條件影響

3.1 數模模擬工況設計及方案優選依據

筆者團隊對魚道進口流速調節浮箱的尺寸、數量、布置位置等方面做了大量的研究工作，限于篇幅，本文僅對部分工況成果進行對比展示，典型數值模擬工況見表1。

根據相關魚道設計規范、導則^［17-18］等要求，魚道進口底高程能滿足下游水位變化，在主要過魚季節中進口水深不宜小于1.0 m，最佳的誘魚流速范圍為臨界流速和突進流速之間，且流速越快，水流的影響范圍越大。綜合考慮，本次研究方案優選進口流速范圍取值為0.6～1.6 m/s。

3.2 浮箱高度對進口水流條件影響

魚道上游來流量Q=0.5 m³/s，下游進口水深H₁=3.3 m，在浮箱長度（b=3 m）一定時，研究浮箱高度h對進口水流條件影響，結果如圖5～6所示，h₁為魚道進口底板以上水深高度，m，下同。

不同工況對比分析可知：魚道進口無浮箱布置（A-0工況）和浮箱高度為2 m（A-3工況）時，主流區流速大小基本小于0.6 m/s；浮箱高度為2.5 m（A-2工況）時，主流區流速大小基本位于0.6～1.2 m/s；浮箱高度為3 m（A-1工況）時，主流區流速大小基本位于0.8～2.0 m/s。根據相關魚道設計規范、導則^［17-18］等可知最佳的誘魚流速范圍約為0.6～1.6 m/s，魚道進口無浮箱布置時，魚道進口區域的出流流速很小，水流難以形成流速優勢，不利于誘魚。綜合分析可知，下游進口水深、浮箱長度等其他條件一定時，浮箱高度過低對進口段流速大小改善不明顯，浮箱高度過高時進口段流速太大，水流條件也不利于魚類上溯。浮箱高度的取值除了與進口段魚道尺寸有關外，還與下游水位變化密切相關，還需結合下文魚道進口段浮箱尺寸與下游水位變化的適應性關系進一步研究確定。

3.3 浮箱長度對進口水流條件影響

魚道上游來流量Q=0.5 m³/s，下游進口水深H₁=3.3 m，在浮箱高度一定（H=5h=2.5 m）時，研究浮箱長度不同對水流條件的影響。本次主要模擬了浮箱長度為2，4，6，1 m和0.5 m時，不同工況魚道進口中心線縱剖面流場、水平流場分布對比如圖7～8所示。

不同工況對比分析可知：其他條件一定，浮箱長度不同時，不同工況魚道進口段主流區流速大小基本相同，主流區流速大小位于0.5～1.5 m/s，基本位于最佳的誘魚流速范圍內。研究表明：浮箱長度對魚道進口段水流條件的影響不大，當浮箱長度取值為2～4倍進口寬度范圍內時，魚道進口段均可以獲得利于魚類洄游上溯的水流流態。

3.4 浮箱布置位置及進口段長度不同對進口水流條件影響

在工況A-1（浮箱布置位置距離魚道池室段1 m）和B-1（浮箱布置位置距離魚道池室段2 m）的基礎上，控制浮箱尺寸不變，分別模擬了浮箱布置位置距離魚道池室段3，4，5，2.5 m及1.5 m 5種工況，研究浮箱布置的位置對水流條件的影響。魚道上游來流量Q=0.5 m³/s，下游進口水深H₁=3.3 m，浮箱長度b=2 m，浮箱高度H=5h=2.5 m時，不同工況下魚道進口中心線縱剖面流場、水平流場分布對比如圖9～10所示。對比分析可知：浮箱尺寸一定，當浮箱布置位置距離魚道池室段較遠時（C-2工況、C-3工況），浮箱和魚道池室段之間易產生回流區，水流流態較亂，不利于魚類上溯。浮箱布置位置距離魚道池室段長度為1.5 m和2.5 m時，主流區流速大小基本位于0.5～1.5 m/s，在最佳的誘魚流速范圍內。浮箱布置位置與魚道池室段的距離取值為1.0～2.5倍進口寬度時，流態較優。

在工況D-1（魚道進口段長5 m，浮箱長2.0 m，高2.5 m）的基礎上，控制浮箱尺寸及浮箱布置位置不變，模擬了魚道進口段長度分別為5，6，8 m及12 m 4種工況，研究進口段長度不同對水流條件的影響，結果如圖11～12所示。對比分析可知：浮箱尺寸及浮箱布置位置一定時，魚道進口段長度為5 m（D-1工況）～12 m（D-4工況）區間時，主流區流速大小基本位于0.5～1.5 m/s，魚道進口段長度不同對流速大小的改變影響不大，但魚道進口段長度較長時（D-3工況、D-4工況）會大大增加工程量，同時在浮箱前后易產生回流區，降低過魚效率。研究表明，魚道進口段長度取值為5～8倍進口寬度范圍內時，流態較優，建議在實際工程布置中結合魚道進口段寬度適當縮短進口段長度，從而提高集誘魚效果。

3.5 魚道進口段浮箱尺寸與下游水位變化適應性分析

由前文分析可知，浮箱高度過低或過高時進口段流速分布均不利于魚類上溯。在上述方案研究的基礎上，進一步研究魚道進口段浮箱尺寸與下游水位變化的適應性關系，從而確定浮箱高度的取值，以獲得最優的進口水流條件。E1～E6工況下魚道進口中心線縱剖面流場分布、水平流場分布如圖13～14所示。

對比工況B-1、E-1～E-3分析可知：當浮箱高度為2.5 m（5節浮箱），下游進口水深H₁=2.8 m（E-2工況）時，魚道進口主流區流速范圍約為1.0～2.2 m/s，主流區流速偏大；下游進口水深H₁=3.5 m時（E-3工況），魚道進口主流區流速范圍為0.5～1.0 m/s，主流區流速偏?。幌掠芜M口水深H₁=3 m和3.3 m時，主流區流速大小位于0.6～1.2 m/s，基本位于最佳的誘魚流速范圍內。

對比工況A-3、E-4～E-6分析可知：當浮箱高度為2.0 m（4節浮箱），下游進口水深H₁=2.2 m時（E-6工況），魚道進口主流區流速范圍為1.3～2.7 m/s，主流區流速偏大；下游進口水深H₁=3.3 m時（A-3工況），魚道進口主流區流速范圍位于0.6 m/s以下，主流區流速偏小；下游進口水深H₁=2.5 m和2.8 m時，主流區流速大小位于0.6～1.2 m/s，基本位于最佳的誘魚流速范圍內。

研究表明，魚道進口段浮箱尺寸的確定與下游水位變化密切相關，浮箱高度的取值為（H1/h（舍棄小數取整）-1）×單節浮箱高度時，可以獲得較優的水流條件。

4 討 論

魚道進口誘魚的因素很多，如何簡單、高效、靈活地利用魚類敏感的流場、聲音、光和氣等外界因素誘導魚類快速進入進口區域一直是學者關注的焦點^［19］。魚道進口進行補水消能系統設計可以有效提高魚道進口流速，但易產生漩渦、紊動能大等不良流態。并且山區性河流本身流速大，當利用電站尾水進行補水設計時，魚類無法上溯至電站尾水區域^［20］，補水設計無法滿足誘魚要求，此外仍無法解決下游河道流速分布與量值存在差異、不同機組組合運行工況下多個魚道進口布置和調度運行的困難。為此本文提出了一種適應高水位變幅的魚道進口流速調節方式，通過控制流速調節浮箱的布置，調節進口流速使其處于適合的誘魚流速范圍內，自由適應下游河道高水位的變幅，有效避免多個魚道進口布置。研究表明，進口段長度過長會影響魚道進魚效果，建議在實際工程布置中結合魚道進口段寬度適當縮短進口段長度，從而提高集誘魚效果。除了考慮在魚道進口布置流速調節浮箱以外，也可以考慮在整個進口段依次布置若干收縮性的控制斷面，以提高進口的過魚流速，但此種方法適應高水位變幅的靈活性較差，且沿程阻力較大。孫東坡等^［21］提出了明槽式魚道，在進流口區增設多級壅水坎改善水流流態，解決了進流口區水面沿程急劇跌落、流速過大等問題，但多級壅水坎不足之處是阻力較大，會相應降低進流口的過流能力。邊永歡^［13］提出的多次往復式布置結構，可實現在水位變動過程中魚道不同進口之間的自動切換，也避免了多進口閘門啟閉對魚道水流帶來的影響，與本文有異曲同工之處。

雖然水流條件被認為對魚類行為的影響是最原始、最切實有效的因素，但不同魚類上溯有不同的流速分布范圍、紊動能分布范圍等偏好選擇。和本文一致，目前大多數學者都是通過對流速、湍流度等水力指標來評估魚類行為與水動力學之間的關系^［22-23］，這種研究存在片面性。Jerónimo等^［24］提出合理的魚道設計取決于水力變量和生物變量之間的相互作用，考慮到在魚道中游泳過程涉及的水力和生物現象較為復雜，提出了一個根據生物學標準分析魚道模型效率的工具。O′Connor等^［25］也提出要融合生態學、工程學以及社會經濟學等多方面來制定魚道的性能標準。此外，與各種數值模型和物理模型研究成果相比，魚道實際運行過程中流動特性的現場研究仍然非常少^［4］。魚道進口除了水流條件會影響魚類運動行為外^［26］，還需結合魚類生理學、生態學等多維角度對魚類的游泳能力和上溯行為進行深入研究。下一步計劃結合實際工程運行中過魚對象的特性，運用現場遷移試驗進一步驗證浮箱調節的魚道進口過魚能力。

本次研究僅對魚道進口段附近局部建模模擬，可能對水面線計算結果展示不充分，下一步研究中可以擴大河道計算范圍、延長魚道池室段的長度并布置休息池，同時增加對紊動能等指標的影響探討，進一步深入研究浮箱布置對進口流速調節的影響。

5 結 論

本次研究提出了一種簡便的魚道進口流速調節設計方法，通過調節浮箱布置自動適應下游河道高水位變幅，使魚道進口區域獲得適合魚類洄游上溯的水流條件，以達到良好的進魚效果；并運用數值模擬手段不斷優化調節浮箱的布置，以期獲得最優的誘魚水流條件，得出如下結論：

（1） 魚道進口無浮箱布置時，魚道進口區域的出流流速很小，水流難以形成流速優勢，不利于誘魚。通過布置適當高度的浮箱，可以明顯改善進口流速條件。魚道進口段浮箱尺寸確定與下游水位變化密切相關，當浮箱高度的取值為（H1/h（舍棄小數取整）-1）×單節浮箱高度時，可以獲得較優的水流條件。

（2） 其他因素一定時，浮箱長度和魚道進口段長度不同對進口段水流條件的影響不大，浮箱長度取值為2～4倍進口寬度、魚道進口段長度取值為5～8倍進口寬度時，魚道進口段均可以獲得利于魚類洄游上溯的水流流態。建議在實際工程布置中結合魚道進口段寬度適當縮短進口段長度，從而提高集誘魚效果。

（3） 浮箱尺寸一定，浮箱布置位置距離魚道池室段較遠時易產生回流區，水流流態較亂，不利于魚類上溯。浮箱布置位置與魚道池室段的距離取值為1.0～2.5倍進口寬度時，流態較優。

參考文獻：

［1］ 王改會，沈坤民，黎賢訪.西藏扎拉水電站魚道工程布置與設計研究［J］.水利水電快報，2024，45（6）：62-68.

［2］ ZHI X G，XUE Z L，GUANG Y M，et al.A two-dimensional hydrodynamic numerical model applied on layout of fishway entrance and its optimizations［J］.Earth and Environmental Science，2018，153（4）：042031.

［3］ MAO X.Review of fishway research in China ［J］.Ecological Engineering，2018，115：91-95.

［4］ MARTIN B，GORAZD N K，JURIJ M，et al.Extensive field measurements of flow in vertical slot fishway as data for validation of numerical simulations［J］.Ecological Engineering，2015，84：476-484.

［5］ MAO X，LI J，AN R D，et al.Study of key technologies for fishways in the plateaus of western China［J］.Global Ecology and Conservation，2019，20：e00755.

［6］ 譚細暢，黃鶴，陶江平，等.長洲水利樞紐魚道過魚種群結構［J］.應用生態學報，2015，26（5）：1548-1552.

［7］ 金志軍，石小濤，柯森繁，等.一種增加魚道進口誘魚水流的高效節能系統：206173911U［P］.2017-05-17.

［8］ 譚紅林，譚均軍，石小濤，等.魚道進口誘魚技術研究進展［J］.生態學雜志，2021，40（4）：1198-1209.

［9］ ELINGS J，BRUNEEL S，PAUWELS I S，et al.Finding navigation cues near fishways［J］.Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society，2023，99（1）：313-327.

［10］謝春航，安瑞冬，李嘉，等.魚道進口布置方式對集誘魚水流水力學特性的影響研究［J］.工程科學與技術，2017，49（增2）：25-32.

［11］譚均軍，高柱，戴會超，等.豎縫式魚道水力特性與魚類運動特性相關性分析［J］.水利學報，2017，48（8）：924-932，944.

［12］賀新娟，李潤偉，孫萬光，等.水電站壩下尾水渠集魚流場模擬研究［J］.水利水電技術，2020，51（12）：133-139.

［13］邊永歡.豎縫式魚道若干水力學問題研究［D］.北京：中國水利水電科學研究院，2015.

［14］羅凱強.針對西藏典型裂腹魚的魚道進口補水誘魚水流水動力特征研究［D］.宜昌：三峽大學，2019.

［15］賀新娟，白冰，孫萬光，等.魚道進口補水消能數值模擬研究［J］.水資源與水工程學報，2022，33（3）：133-142.

［16］馬軍，路振剛，李潤偉，等.一種魚道進口流速調節結構及設計方法：115162289A［P］.2022-10-11.

［17］國家能源局.水電工程過魚設施設計規范：NB/T 35054—2015［S］.北京：中國電力出版社，2015.

［18］中華人民共和國水利部.水利水電工程魚道設計導則：SL 609—2013［S］.北京：中國水利水電出版社，2013.

［19］羅凱強，康昭君，夏威，等.魚道進口不同補水形式對齊口裂腹魚上溯行為的影響［J］.生態學雜志，2019，38（4）：1182-1191.

［20］EMANUELE Q，CHRISTOS K，CLAUDIO C.Effects of bed slope on the flow field of vertical slot fishways［J］.River Research and Applications，2019，35（6）：656-668.

［21］孫東坡，何勝男，王鵬濤，等.明槽式魚道進流口區水流特性及改善措施［J］.水利水電技術，2016，47（4）：58-62.

［22］金志軍，馬衛忠，張袁寧，等.異齒裂鰒魚通過魚道內流速障礙能力及行為［J］.水利學報，2018，49（4）：512-522.

［23］FARZADKHOO M，KINGSFORD R T，SUTHERS I M，et al.Flow hydrodynamics drive effective fish attraction behavior into slotted fishway entrances［J］.Journal of Hydrodynamics，2023，35（4）：782-802.

［24］JERNIMO P，LUIS C，MARA B，et al.Computer application for the analysis and design of vertical slot fishways in accordance with the requirements of the target species［J］.Ecological Engineering，2012，48：51-60.

［25］O′CONNOR J，HALE R，MALLEN C M，et al.Developing performance standards in fish passage：integrating ecology，engineering and socio-economics［J］.Ecological Engineering，2022，182：104672.

［26］鄭鐵剛，孫雙科，柳海濤，等.基于生態學與水力學的水電站魚道進口位置優化研究［J］.水利水電技術，2018，49（2）：105-111.

（編輯：胡旭東）

Numerical simulation on water velocity regulation at fishway inlet adapted for high water level variation

HE Xinjuan^1，2，BAI Bing³，YIN Jia′nan¹，ZHANG Zhichong^1，2

（1.China Water Northeastern Investigation，Design amp; Research Company，Changchun 130021，China； 2.Research Centre on Cold Region Engineering Technology of Ministry of Water Resources，Changchun 130061，China； 3.Songliao River Water Resources Commission of Ministry of Water Resources，Changchun 130021，China）

Abstract：

The layout of fishway inlets is affected by many factors.When the downstream river water level changes greatly the layout of fishway inlets is limited，and the fishway inlets can′t adapt to large water level variation，which lead to poor water flow conditions for luring fish.To this end，this paper sets a flow velocity regulating pontoon to improve the fish luring ability，and used a three-dimensional mathematical model to optimize the arrangement of the flow velocity regulating pontoon.The results showed that the pontoon size was closely related to the variation of the downstream water level.The flow velocity conditions in the inlet area can be significantly improved by arranging a pontoon of suitable height at the inlet of the fishway.The pontoon length and the length of the fishway inlet section had little effect on the flow conditions of the fishway inlet section.When the pontoon length was 2～4 times of the inlet width，and the fishway inlet section length was 5～8 times of the inlet width，the fishway inlet section can obtain well flow conditions conducive to the fish tracing.When the pontoon size was determined，the flow pattern was better when the pontoon was fixed away from fishway intlet at distance of 1.0～2.5 times of the inlet width.

Key words：

fishway； velocity regulating； pontoon； large water level variation； fishway inlet section length； fish luring ability