包 莉，安瑞冬

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 水道處,四川 成都 610072；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

1 前 言

當(dāng)河流筑壩設(shè)閘后，人工建筑物將阻斷天然河流的連通性，改變了其固有的自然特性，使魚(yú)類棲息地環(huán)境因素(如水位、流量、水溫等)出現(xiàn)變化，對(duì)魚(yú)類活動(dòng)產(chǎn)生重要影響，甚至阻斷部分種群的洄游通道[1]。魚(yú)道對(duì)于恢復(fù)魚(yú)類及其他水生生物在河流中的自由通道具有重要意義，是流水生態(tài)改良的關(guān)鍵部件。現(xiàn)有魚(yú)道形式主要包括丹尼爾式魚(yú)道、池堰式魚(yú)道和豎縫式魚(yú)道[2]。

豎縫式魚(yú)道利用隔板分成許多梯級(jí)池室，利用豎縫處射流與魚(yú)池中水流的摻混來(lái)進(jìn)行消能，該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)與運(yùn)行方便。魚(yú)池中水流被突縮的豎縫壅高，動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，從豎縫流出后在魚(yú)池中劇烈摻混，大部分動(dòng)能和勢(shì)能再轉(zhuǎn)化熱能耗散[3]。數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)是研究魚(yú)道水力學(xué)特性的兩種常見(jiàn)方法。

在魚(yú)道實(shí)際設(shè)計(jì)中，為保證豎縫流速不高于魚(yú)類沖刺泳速，底坡不宜過(guò)陡，而當(dāng)上下游水位落差較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)魚(yú)道長(zhǎng)度較長(zhǎng)而超出場(chǎng)地布置區(qū)域的情況。這就需要對(duì)魚(yú)道進(jìn)行“折疊”，將魚(yú)道設(shè)計(jì)成繞彎的形式。彎道中的流速應(yīng)該足夠小，以方便魚(yú)類休息，且能起到平穩(wěn)水流的作用。如果彎道處出現(xiàn)過(guò)大的流速或者彎道處水流流態(tài)紊亂，則會(huì)對(duì)魚(yú)類洄游造成影響，對(duì)魚(yú)道運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

本文針對(duì)豎縫式魚(yú)道的彎道進(jìn)行研究，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)比兩種不同結(jié)構(gòu)形式(圓弧形和矩形)的彎道，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 彎道魚(yú)池布置與結(jié)構(gòu)形式方案

研究針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)某工程魚(yú)道設(shè)計(jì)實(shí)例開(kāi)展論證，擬建方案充分考慮魚(yú)類游動(dòng)能力及工程布置需求，魚(yú)道豎縫寬度為0.3m，豎縫隔板倒角為45°，魚(yú)道寬度2.0m，池室長(zhǎng)度為2.4m，魚(yú)池正常運(yùn)行中水深為1.2m，其中每隔10級(jí)魚(yú)池設(shè)置1休息池，休息池長(zhǎng)度為4.8m，魚(yú)道布置示意見(jiàn)圖1。

圖1 豎縫式魚(yú)道布置示意

在研究中發(fā)現(xiàn)，將魚(yú)道彎道布置為休息池的方式可以減緩流態(tài)對(duì)洄游的不利影響。本文對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的彎道進(jìn)行研究，比較分析圓弧形彎道和矩形彎道的流態(tài)特點(diǎn)。

2.1 魚(yú)類游動(dòng)能力

洄游魚(yú)類的游泳能力對(duì)于魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果成功與否有著重要的影響。洄游魚(yú)類的游泳能力主要由趨流特性和克流能力描述。

魚(yú)類的趨流特性一般以感應(yīng)流速為指標(biāo)。感應(yīng)流速指能夠使魚(yú)類產(chǎn)生趨流反應(yīng)的流速值，感應(yīng)流速通常以魚(yú)類游動(dòng)方向的改變?yōu)橹甘緲?biāo)準(zhǔn)。魚(yú)類的克流能力依生物代謝模式和持續(xù)時(shí)間的不同主要分為3類，以速度來(lái)表示：持續(xù)游泳速度、耐久游泳速度和突進(jìn)游泳速度。

從魚(yú)類游泳速度的角度來(lái)看，魚(yú)道中的流速不宜過(guò)大，否則會(huì)給魚(yú)類的洄游帶來(lái)困難。本研究中魚(yú)類突進(jìn)游泳速度在1.1～1.25m/s范圍。如何保障最大流速不超過(guò)魚(yú)類突進(jìn)游泳速度，魚(yú)道結(jié)構(gòu)形式的選擇就十分重要。

2.2 圓弧形彎道方案及其特點(diǎn)

研究模型在圓弧形彎道的上、下游各設(shè)置三級(jí)豎縫式魚(yú)池(見(jiàn)圖2)。

圖2 圓弧形彎道示意

該魚(yú)道最顯著的特點(diǎn)就是其彎道形式為圓弧形，上游豎縫式魚(yú)池的水流的出射方向與圓弧形邊墻的走向趨于平行。

2.3 矩形彎道方案及其特點(diǎn)

矩形彎道的與圓弧形彎道結(jié)構(gòu)的魚(yú)道一樣，魚(yú)池見(jiàn)圖3。

圖3 矩形彎道示意

該魚(yú)道最顯著的特點(diǎn)是其彎道形式為矩形，上游豎縫式魚(yú)池的水流出射后，趨向于矩形彎道的中心，且比圓弧形彎道的消能區(qū)域范圍更大。

3 魚(yú)道流態(tài)數(shù)值模擬

數(shù)值模擬要建立反映問(wèn)題各物理量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。數(shù)值模型以前述設(shè)計(jì)資料為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)魚(yú)道水力學(xué)分析結(jié)論，研究了兩種具有不同形式休息池的魚(yú)道數(shù)值模擬，計(jì)算均在Q=0.360m3/s的流量下進(jìn)行，水深為1.0m，模型坡度為S=2.6%。數(shù)值模擬主要通過(guò)使用FLUENT軟件進(jìn)行，選取三維計(jì)算模型。

3.1 數(shù)學(xué)模型

(1)連續(xù)方程；

(2)動(dòng)量方程；

(3)紊動(dòng)能k方程和耗散率ε方程。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖4和圖5分別給出圓弧形彎道和矩形彎道形式下，底層( 距底部0.2m)、中層( 距底部0.4m)和表層(距底部0.8m)的計(jì)算結(jié)果。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：圓弧形彎道形式的魚(yú)道豎縫處的最大流速能達(dá)到1.35m/s，矩形彎道形式的魚(yú)道豎縫處的最大流速為1.20m/s。從流速的角度看，矩形彎道形式的魚(yú)道流速較圓弧形彎道形式的魚(yú)道小，更適于魚(yú)類的洄游，且矩形彎道形式的魚(yú)道靠近外側(cè)邊壁存在明顯的回流區(qū)。圓弧形結(jié)構(gòu)雖利于水流過(guò)流，卻不利于摻混消能；而矩形結(jié)構(gòu)增加局部糙率，利用了水流粘滯性，在休息池處消能作用明顯，因此魚(yú)道流速也相對(duì)較小，更利于魚(yú)類洄游。

4 模型試驗(yàn)

4.1 模型布置

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性，進(jìn)行了彎道矩形結(jié)構(gòu)形式魚(yú)道的模型試驗(yàn)。圖6給出模型試驗(yàn)情況。彎道模型與計(jì)算模型尺寸保持一致，試驗(yàn)工況相同，而在長(zhǎng)擋板末端增加沿上、下游方向的縱向擋板，形成“L”形結(jié)構(gòu)形式。

4.2 矩形彎道休息池流速分布

主要對(duì)休息池進(jìn)行流速的測(cè)量，圖7為休息池流速等值線圖。

由圖7可知，矩形彎道休息池的最大流速為1.08m/s，方向?yàn)?45°。休息池中水流從豎縫流出后，主流沿豎縫方向流動(dòng)，遇到擋板時(shí)被壅高，形成壅水并且轉(zhuǎn)向，向下一級(jí)魚(yú)池流動(dòng)；由于水流從豎縫處出來(lái)后斷面突然擴(kuò)大，過(guò)水面積明顯增大，主流兩側(cè)形成兩個(gè)旋渦，分布在旋渦上的測(cè)點(diǎn)流速較小，而分布在主流上的測(cè)點(diǎn)流速較大。為了更直觀地比較數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的結(jié)果，圖8給出休息池?cái)?shù)值模擬的結(jié)果。

對(duì)比圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，彎道用矩形平面休息池形式，最大流速出現(xiàn)在豎縫跌水末端，這也驗(yàn)證了前面試驗(yàn)的結(jié)論。模型試驗(yàn)增加“L”形擋板而改變了主流從豎縫出來(lái)后的行進(jìn)方向，不是貼壁而是向休息池中間運(yùn)動(dòng)，這有利于高流速主流的分散，從而降低水流流速，更適于魚(yú)類的洄游。

5 結(jié) 論

(1)結(jié)合魚(yú)類游動(dòng)特點(diǎn)來(lái)看，矩形結(jié)構(gòu)的彎道設(shè)置有效降低主流區(qū)和豎縫處流速，為魚(yú)類休息提供更多的低流速區(qū)。

圖4 圓弧形結(jié)構(gòu)魚(yú)道不同水深的流速等值線

圖6 彎道矩形結(jié)構(gòu)形式模型試驗(yàn)

圖5 矩形結(jié)構(gòu)魚(yú)道不同水深的流速等值線

圖8 數(shù)值模擬休息池流速等值線(m/s)

圖7 休息池流速矢量圖(m/s)

(2)數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，圓弧彎道休息池進(jìn)口處的最大流速能達(dá)到1.35m/s，矩形彎道休息池進(jìn)口處的最大流速為1.20m/s。由于圓弧形結(jié)構(gòu)利于水流過(guò)流的特性，水流在魚(yú)道中所受阻力較小，故水流軌跡平順，流速也整體偏大；矩形彎道結(jié)構(gòu)整體流速相對(duì)較小，更利于魚(yú)類洄游時(shí)的暫時(shí)休息。

(3)物理模型試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了矩形彎道休息池布置的優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)一步說(shuō)明了“L”形擋板在流速控制上的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王興勇, 郭軍.國(guó)內(nèi)外魚(yú)道研究與建設(shè)[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2005,3(3):222-226.

[3] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京,清華大學(xué)出版社,2004.