閆 濱，王鐵良，劉桐渤

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866)

為滿足人們對(duì)水資源日益增長(zhǎng)的需求，廣大水利工作者在河流上修建了大壩和水閘等水工建筑物。這些工程在為人類帶來巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，也破壞了河流原有的面貌，人為阻隔了魚類的洄游通道，對(duì)魚類資源、河流生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了不利影響。在此背景下，魚道作為幫助魚類洄游的生態(tài)友好型水利措施應(yīng)運(yùn)而生。魚道適宜的水流流態(tài)、流速、水深和紊流等水力特性是幫助魚類順利通過魚道完成洄游的必要條件。本文著重對(duì)豎縫式魚道、池堰式魚道和涵洞式魚道水力特性的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展加以闡述。

1 豎縫式魚道水力特性研究進(jìn)展

最早的豎縫式魚道是1943年在加拿大英屬哥倫比亞菲沙河的赫爾斯門魚道中首先應(yīng)用的［1］。對(duì)豎縫式魚道水力特性的研究主要集中于水流流態(tài)、流速場(chǎng)、流量與水深關(guān)系、紊流場(chǎng)及消能率等方面。

1.1 水流流態(tài)

Rajaratnam等(1986)首先對(duì)豎縫式魚道的水力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的模型試驗(yàn)研究，對(duì)4種不同比尺(1，5.33，8和16)的豎縫式魚道模型在7種不同結(jié)構(gòu)形式的池室進(jìn)行了水流流態(tài)分析。研究發(fā)現(xiàn)，豎縫式魚道豎縫處形成的射流沿水流方向能量逐漸衰減，并在池內(nèi)形成回流區(qū)［2］;Rajaratnam 等(1992)和Puertas等(2004)提出，均勻流狀態(tài)下，豎縫式魚道內(nèi)的水流流態(tài)主要取決于特定的水池設(shè)計(jì)，例如水池的幾何尺寸［3-4］。Bermudez等(2010)對(duì)不同水池尺寸(豎縫寬度 b 分別為0.038，0.075，0.113和0.150 m，單個(gè)水池長(zhǎng)度分別為2.5b，5b，10b 和 15b，寬度分別為 2b，2.67b，4b 和 8b，魚道坡度為 5%)的同側(cè)豎縫式魚道進(jìn)行試驗(yàn)，得到2種不同水流流態(tài)。當(dāng)水池長(zhǎng)寬比小于1.25時(shí)，水池中射流從上一級(jí)豎縫直接導(dǎo)入下一級(jí)豎縫，射流兩側(cè)存在大小不等的漩渦;當(dāng)水池長(zhǎng)寬比大于1.88時(shí)，射流離開上一級(jí)豎縫后，直接碰撞水池邊墻，射流兩側(cè)仍然存在漩渦;當(dāng)水池長(zhǎng)寬比介于1.25和1.88之間時(shí)，水池中出現(xiàn)上述2種流態(tài)之間的過渡性水流流態(tài)［5］。

董志勇等(2008)對(duì)同側(cè)豎縫式魚道的一維流動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出豎縫寬度較大(30 cm)、池室相對(duì)較小(池室寬度80 cm)情形魚道的水力特性和放魚試驗(yàn)的結(jié)果［6］。研究表明，同側(cè)豎縫式魚道適用于中等流量情形(流量為8～41 L/s);若流量較大，水池內(nèi)射流、漩渦的作用均較強(qiáng)，不利于魚類上溯，此時(shí)宜采用異側(cè)豎縫式魚道。水利水電科學(xué)研究院的徐體兵和孫雙科(2009)研究了魚池的長(zhǎng)寬比及墩頭長(zhǎng)度對(duì)魚道內(nèi)流態(tài)的影響。研究表明:水池長(zhǎng)寬比是影響豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)的主要控制因素，長(zhǎng)寬比在8∶8～10.5∶8倍豎縫寬度范圍內(nèi)可以獲得較好的流態(tài);此外，隔板是否設(shè)置墩頭對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響有限，從避免漂浮物滯留與防止泥沙淤積角度看，在實(shí)際魚道工程中可考慮不設(shè)隔板墩頭［7］。羅小鳳等(2010)通過對(duì)同側(cè)豎縫式魚道進(jìn)行物模和數(shù)模試驗(yàn)得出:在魚道流量及水池長(zhǎng)寬比一定的情況下，若不考慮邊壁的阻礙作用，導(dǎo)角越大，豎縫射流的衰減速度就越快，主流軌跡的彎曲程度越大，也越容易沖撞到右側(cè)(沿水流方向)邊墻［8］。劉東等(2010)通過試驗(yàn)得出，異側(cè)豎縫式魚道的整體主流軌跡呈“S”形曲線，在單一池室(單個(gè)水池寬度均為0.8 m，長(zhǎng)度分別為1.0，1.5，2.0 m，對(duì)應(yīng)豎縫寬度分別為0.16，0.24，0.32 m，下泄流量分別為 40，50，60 L/s，池室水深分別為0.4，0.5，0.6 m，魚道的坡度為3%)中呈現(xiàn)“L”形［9］。

1.2 流速場(chǎng)

Rajaratnam(1986，1992)、Puertas等(2004)和Pena等(2004)通過試驗(yàn)對(duì)幾種豎縫式魚道的流速場(chǎng)進(jìn)行了研究。研究表明，當(dāng)魚道坡度小于5%時(shí)，水池中的平均流速場(chǎng)在水平面呈二維分布，垂直方向流速比水平方向流速低得多;其研究還表明，在均勻流條件下，池室流速場(chǎng)幾乎與流量無關(guān)［2-4，10］。Rajaratnam等(1986)通過試驗(yàn)觀察，總結(jié)出豎縫處最大流速 Vsm的計(jì)算公式［2］:

式中:Δh表示相鄰兩水池間的水位差(m);g為重力加速度(m/s2);Vsm取決于通過魚類的爆發(fā)游速。Bermudez等(2010)通過試驗(yàn)并利用連續(xù)性方程得到豎縫式魚道豎縫處的平均流速公式［5］:

式中:Q表示流量(m3/s);hs為豎縫處平均水深(m);b'表示豎縫寬度(m)。在數(shù)值模擬計(jì)算中，豎縫處的水深與水池中心處的水深呈線性關(guān)系;當(dāng)坡度為5%時(shí)，hs=0.97hc，其中，hc表示水池中心處的水深(m)。因而，在試驗(yàn)過程中，通過量測(cè)水池中心處的水深即可知道豎縫處的水深。

Bermudez等(2010)通過試驗(yàn)分析指出，水池長(zhǎng)度是影響豎縫式魚道水力特性的主要因素，豎縫寬度和水池寬度對(duì)水流特性也存在一定影響。隨著水池長(zhǎng)度增加，相鄰水池間的水頭差變大，回流流速也隨之增大［5］。

董志勇等(2008)利用大比尺魚道模型對(duì)同側(cè)豎縫式魚道的水力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并進(jìn)行放魚試驗(yàn)［6］。由典型流速分布圖可知，靠近豎縫處斷面流速呈正態(tài)分布，距豎縫較遠(yuǎn)處才逼近壁面射流的流速分布。此外，由于在同側(cè)豎縫式魚道中射流的卷吸作用較強(qiáng)，并且在水池內(nèi)形成較大的漩渦，所以水池內(nèi)縱向流速的衰減比自由壁面射流快得多。而且，通過豎縫的射流不存在自由射流中的勢(shì)能核。

毛熹等(2012)研究了底孔和坡度對(duì)魚道流速的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)如下不同工況的魚道進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。工況Ⅰ:坡度為5.2%，無底孔;工況Ⅱ:坡度仍為5.2%，長(zhǎng)隔板近壁端有一個(gè)0.3 m × 0.3 m底孔;工況Ⅲ:坡度為2.6%，無底孔。3種工況下池室長(zhǎng)度均為1.2 m，寬度為1 m，高度為1 m，豎縫寬度為0.3 m。數(shù)值模擬研究成果表明:豎縫式魚道的最大流速一般出現(xiàn)在豎縫附近，并且對(duì)于豎縫處的測(cè)點(diǎn)，一般是底層流速更大;增加底孔會(huì)降低豎縫處的流速，但底孔處流速偏大;放緩坡度會(huì)降低魚道中的流速，坡度放緩一半時(shí)，豎縫處平均流速會(huì)降低約20%以上，對(duì)魚類洄游有利［11］。

包莉等(2012)對(duì)豎縫式魚道彎道處流速進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)比2種不同結(jié)構(gòu)形式(圓弧形和矩形)的彎道，并進(jìn)行物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證。豎縫寬度0.3 m，豎縫隔板倒角 45°;魚道寬度2.0 m，單個(gè)池室長(zhǎng)度2.4 m，池室正常運(yùn)行水深1.2 m;每隔10級(jí)魚池設(shè)置一休息池，休息池長(zhǎng)度4.8 m。結(jié)果表明，矩形結(jié)構(gòu)的彎道設(shè)置有效降低了主流區(qū)和豎縫處流速，利于魚類洄游時(shí)的暫時(shí)休息。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)，表明矩形彎道布置與“L”形魚池?fù)醢褰Y(jié)構(gòu)形成的流場(chǎng)更符合魚類洄游需求［12］。

1.3 無量綱流量與相對(duì)水深的關(guān)系

相對(duì)水深表示從水面算起的垂線上任一測(cè)點(diǎn)的深度與實(shí)際水深的比值。Rajaratnam等(1986)研究發(fā)現(xiàn)，均勻流條件下，無量綱流量和相對(duì)水深之間呈線性關(guān)系［2］。Rajaratnam等(1992)推求出無量綱流量與水池中心相對(duì)水深、坡度及豎縫寬度之間的關(guān)系表達(dá)式［3］為

式中:Q為流量(m3/s);Cd為流量系數(shù);hc為水池中心水深(m);S表示坡度(%);b表示豎縫寬度(m);等式左邊整體表示無量綱流量表示水池中心相對(duì)水深。Puertas等(2004)通過對(duì)2種豎縫式魚道水流流態(tài)的觀察與研究，提出了無量綱流量與水池中心水深之間的關(guān)系式［4］:

式中:Q為總流量(m3/s);α為運(yùn)移系數(shù);h0為水池中心水深(m);QA為無量綱流量;表示相對(duì)水深。該表達(dá)式進(jìn)一步證實(shí)了無量綱流量與相對(duì)水深之間的線性關(guān)系。

1.4 紊流場(chǎng)

Liu 等(2006)對(duì)2 種坡度(5.06%，10.52%)的豎縫式魚道的紊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水池中射流主流區(qū)域內(nèi)的雷諾剪切應(yīng)力沿水流流向逐漸減小，且在回流區(qū)域內(nèi)雷諾剪切應(yīng)力較小;隨著射流沿水池下行，縱向和橫向紊流強(qiáng)度逐漸降低，但在回流區(qū)縱向和橫向紊流強(qiáng)度基本保持不變;平行于水槽底板的平面內(nèi)，垂向紊流強(qiáng)度分布接近于均勻分布［13］。Bermudez等(2010)指出，豎縫式魚道中，紊動(dòng)能隨水池長(zhǎng)度的增加而增大，其空間分布取決于水流流態(tài)［5］。當(dāng)水池較短時(shí)(長(zhǎng)寬比 L/B=0.63)，射流直接從上一級(jí)豎縫進(jìn)入下一級(jí)豎縫，在長(zhǎng)擋板之間產(chǎn)生較大的回流漩渦區(qū)，在主流右側(cè)，短擋板之間產(chǎn)生順時(shí)針方向的小漩渦區(qū)，主流左側(cè)區(qū)域紊動(dòng)能非常低;當(dāng)水池較長(zhǎng)時(shí)(長(zhǎng)寬比L/B=3.75)，射流通過豎縫后，直接沖撞對(duì)岸邊墻，主流左側(cè)回流漩渦區(qū)減小并向上游偏移，主流右側(cè)漩渦區(qū)面積擴(kuò)大并占據(jù)射流曲線凸側(cè)區(qū)域，紊動(dòng)能影響波及至對(duì)岸邊墻，在主流右側(cè)紊動(dòng)能衰減較為明顯。

曹慶磊等(2010)通過對(duì)異側(cè)豎縫式魚道的水力特性試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，池室中水流的紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力在豎縫出口附近最大，在兩側(cè)回流區(qū)較小，其中較大的回流區(qū)是魚類休息的良好場(chǎng)所;隨著水深或流量的增加，紊動(dòng)能和雷諾剪切應(yīng)力有增大的趨勢(shì)［14］。

1.5 消能率

Rajaratnam等(1992)為研發(fā)出簡(jiǎn)單、有效的豎縫式魚道，對(duì)18種魚道設(shè)計(jì)形式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并分析了魚道的水力特性與水池長(zhǎng)度和寬度的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，豎縫式魚道的水池長(zhǎng)度是豎縫寬度的10倍，水池寬度是豎縫寬度的8倍時(shí)，水池的消能效果較為理想，且存在足夠的低流速回流區(qū)供魚類休息［3］。Wu等(1999)提出，相比池堰式魚道，豎縫式魚道的消能效果較好［15］。

Bermudez等(2010)提出，豎縫式魚道消能率ε計(jì)算公式［5］為

均勻流條件下，豎縫式魚道消能率ε可以表示為

式中:Cq為流量系數(shù)，其數(shù)值與擋板形狀有關(guān);其他符號(hào)含義同上。可見，豎縫式魚道的消能率取決于魚道的坡度和擋板形狀，與流量無關(guān)。此外，豎縫式魚道的消能率隨水池長(zhǎng)度的增加而增大，其空間分布取決于水流流態(tài)。當(dāng)水池較短時(shí)(長(zhǎng)寬比L/B=0.63)，主流左側(cè)區(qū)域消能率非常低;當(dāng)水池較長(zhǎng)時(shí)(長(zhǎng)寬比L/B=3.75)，消能率影響波及至對(duì)岸邊墻，在主流右側(cè)消能率衰減較明顯。

劉東等(2010)通過對(duì)異側(cè)豎縫式魚道進(jìn)行物模和數(shù)模試驗(yàn)得出:當(dāng)流量和水深相同時(shí)，豎縫寬度越小，上下池室水頭損失越大，消能越充分;相同豎縫形式、相同下泄流量時(shí)，水深越小，沿程水頭損失越大，消能越充分［9］。

2 池堰式魚道水力特性研究進(jìn)展

池堰式魚道是人類建造的最早的魚道形式，出現(xiàn)在17世紀(jì)的歐洲。該種魚道水池內(nèi)水位穩(wěn)定，在堰墻底板附近開鑿的底孔對(duì)于保持水位穩(wěn)定也有所幫助［16］。池堰式魚道適用于游泳能力較強(qiáng)的魚類，如鮭魚、虹鱒魚和香魚等。本文從水流流態(tài)、流速場(chǎng)、流量與水深關(guān)系、紊流場(chǎng)和消能率等方面對(duì)池堰式魚道的水力特性研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

2.1 水流流態(tài)

隨著流量的增加，池堰式魚道的水流流態(tài)從躍動(dòng)流轉(zhuǎn)變?yōu)橄?。Rajaratnam等(1988)提出了預(yù)測(cè)水流從躍動(dòng)流過渡到溪流的判別標(biāo)準(zhǔn)［17］。此后，Kim(2001)對(duì)3種不同池堰式魚道進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出同時(shí)具有槽口和底孔的矩形堰，是魚類上溯洄游的最理想形式［18］。Ead等(2004)發(fā)現(xiàn)過渡性水流流態(tài)中還包括幾個(gè)子流態(tài)［19］，其中包括躍動(dòng)過渡流態(tài)(plunging-transitional flows)、過渡性流態(tài)(transitional flow regime)、過渡性擋板流態(tài)(transitional baffle flow)、擋板流態(tài)(baffle flow)和過渡性溪流流態(tài)(transitional streaming flow)。

2.2 流速場(chǎng)

O.Yagci(2009)在試驗(yàn)過程中，保持池堰式魚道的底孔尺寸不變，改變槽口尺寸，并利用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀對(duì)整個(gè)魚道內(nèi)的流速進(jìn)行測(cè)定，推求出池堰式魚道水平面的合成流速公式［20］

式中:Uν是水平面內(nèi)的合成流速(m/s);Um和νm分別是縱向和橫向的時(shí)均平均流速(m/s)。

2.3 流量與水深關(guān)系

Clay(1995)通過試驗(yàn)研究了池堰式魚道內(nèi)流量與水深的相對(duì)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)通過底孔的流量與水頭的平方成比例，而堰頂流量與水頭的1.5次方成比例［1］。

O.Yagci(2009)通過試驗(yàn)得到池堰式魚道內(nèi)流量與水池中平均水深的關(guān)系函數(shù)［20］

可見，給定一個(gè)水池中的平均水深，即可計(jì)算出總流量，反之亦然。式中:Qt是水槽中的總流量(m3/s);y0表示水池中的平均水深(m);g表示重力加速度(m/s2);S0是坡度(%)其中:b0是底孔寬度(m);bn是槽口的寬度(m)。此外，該研究還推導(dǎo)出池堰式魚道中無量綱流量Q*的表達(dá)式:，其中符號(hào)含義同上。

2.4 紊流場(chǎng)

2.4.1 紊動(dòng)能

O.Yagci(2009)給出單位質(zhì)量紊動(dòng)能k的計(jì)算公式［20］

式中:u'，ν'和w'分別表示縱向、橫向和垂向脈動(dòng)流速(m/s)。因?yàn)轸~類在巡游時(shí)通常會(huì)避開高紊流區(qū)域，所以單位質(zhì)量紊動(dòng)能k較小時(shí)有助于魚類通行［21］。

2.4.2 紊流強(qiáng)度

O.Yagci(2009)把紊流強(qiáng)度 u'定義［20］為

式中:ui表示瞬時(shí)縱向流速;Ns為流速采集點(diǎn)的數(shù)目，其他符號(hào)含義同前。研究表明，池堰式魚道中存在的小范圍高紊流強(qiáng)度區(qū)域?qū)τ隰~類通行很有幫助。

Silva等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試的各項(xiàng)水力學(xué)參數(shù)中，雷諾剪應(yīng)力的水平分量對(duì)魚的運(yùn)動(dòng)影響最大，尤其是體型較小的魚類物種，通常會(huì)選擇避開高紊流區(qū)域［22］。

2.5 消能率

單位體積平均消能率 ε的表達(dá)式(O.Yagci，2009)［20］為

式中:ρ表示水的密度(kg/m3);Δh表示連續(xù)水池間的水頭差(m);L和B分別為水池的長(zhǎng)度和寬度(m);其他符號(hào)含義同前。該研究還給出了單位體積平均消能率ε與總流量Qt的線性關(guān)系，ε=1.833Qt-1.838?？梢?，在池堰式魚道中，單位體積平均消能率ε與總流量成正比。

3 涵洞式魚道水力特性研究進(jìn)展

涵洞式魚道一般適用于小溪或小河流。自上世紀(jì)80年代至今，國(guó)外已將涵洞式魚道廣泛應(yīng)用于道路、鐵路、堤壩中輸水。本文著重對(duì)涵洞式魚道內(nèi)的水流流態(tài)、流速場(chǎng)及紊流場(chǎng)等研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

3.1 水流流態(tài)

Abbs等(2007)和Magura等(2007)對(duì)環(huán)形波紋鋼管涵洞的研究表明，涵洞內(nèi)水流結(jié)構(gòu)關(guān)于中心線是高度對(duì)稱的［23-24］。Richmond等(2007)利用超聲多普勒測(cè)速儀對(duì)螺旋形波紋鋼管涵洞內(nèi)的三維平均流速和紊流特性進(jìn)行了測(cè)量和觀察。研究發(fā)現(xiàn)，螺旋流模式貫通涵洞始終［25］;流量較大時(shí)，在螺旋波紋管涵洞內(nèi)出現(xiàn)近似均勻流區(qū)域，并且均勻流發(fā)展長(zhǎng)度與Ead等［26］(2000)有關(guān)環(huán)形波紋管涵洞的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。在均勻流區(qū)域，涵洞中心線流速分布曲線與紊流充分發(fā)展區(qū)保持一致;摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)，摩擦系數(shù)接近于Schilichting(1979)的理論分析結(jié)果［27］。

3.2 流速場(chǎng)

在加拿大，涵洞式魚道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則通常是基于獲得設(shè)計(jì)條件下涵洞內(nèi)特定的平均流速，且該流速不得超過當(dāng)?shù)佤~類物種的游泳能力［28］。Barber和Downs(1996)研究指出，波紋鋼管涵洞過水?dāng)嗝娴拇蟛糠謪^(qū)域水流流速低于平均流速，可能適合魚類通行［29］。Ead等(2000)等進(jìn)行了環(huán)形波紋鋼管涵洞開敞式紊流流速場(chǎng)的試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)，波紋鋼管涵洞中波紋的粗糙度可以在邊界附近產(chǎn)生足夠低的流速，即使涵洞內(nèi)的平均流速超出了魚類的游泳能力，魚類仍然可以由此游向上游［26］。嵌入式涵洞(將涵洞進(jìn)口內(nèi)底置于正常河床高程以下)和淹沒式涵洞(涵洞在回水條件下運(yùn)行)可以大大降低涵洞內(nèi)的水流流速，顯著增加涵洞內(nèi)低于平均流速的過水?dāng)嗝婷娣e，改善過魚條件(Abbs等，2007)［23］。Richmond 等(2007)對(duì)螺旋形波紋鋼管涵洞進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)從涵洞下游向上游觀察時(shí)，涵洞左側(cè)及中線的平均流速和均方根流速要高于涵洞右側(cè)。在各種流量下，涵洞最右側(cè)水流流速值約為涵洞中心區(qū)域流速值的36%。這是由于螺旋波紋傾向于主流軸線，在涵洞內(nèi)形成的二次環(huán)流造成的。涵洞右上角區(qū)域流速較小，紊流強(qiáng)度較低，為魚類通行提供了便利條件［25］。Feurich等(2012)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型模擬環(huán)形涵洞，使諸如星系斑魚這些小型魚類的上溯通過率達(dá)到最大。研究證實(shí)，在涵洞中放置擾流板可以減小水流流速。擾流板的幾何形狀和排列方式取決于所通行魚類的尺寸、游泳能力及對(duì)休息區(qū)的要求等。對(duì)于小型魚類(體長(zhǎng)小于100 mm的)，標(biāo)準(zhǔn)擾流板尺寸(長(zhǎng)度0.25 m，寬度0.12 m，高度0.12 m)和分布(橫向距離0.12 m，縱向距離0.2 m)適用于不同直徑的涵洞。因而，不必隨涵洞直徑的增大而增加擾流板的尺寸［30］。此外，通過數(shù)值分析得出無量綱流量Q*與涵洞直徑D和坡度S0的關(guān)系式(12)以及無量綱流量與相對(duì)水深y0/D的關(guān)系式(13)［31］:

式中:α，β為系數(shù)，隨h/D的變化而調(diào)整;h為擋板高度;y0為平均水深;Q為流量。該結(jié)果與Ead等(2002)的試驗(yàn)結(jié)論完全吻合，從而為量化涵管粗糙度對(duì)流量的影響提供了有效途徑。利用上述關(guān)系式可得到不同直徑和坡度的涵洞，但當(dāng)涵管粗糙度變化時(shí)(h/D＜0.1時(shí))，修正系數(shù)α和β很必要的。

3.3 紊流場(chǎng)

魚類經(jīng)過池室時(shí)，如果水流紊動(dòng)過大，將會(huì)使其迷失方向，體能消耗過快，從而無法順利上溯［32］。通常利用紊動(dòng)能、紊流強(qiáng)度和紊流結(jié)構(gòu)來描述紊流。

3.3.1 紊動(dòng)能

紊動(dòng)能反映了脈動(dòng)流速振幅的特性。水流的紊動(dòng)能(Turbulent Kinetic Energy，簡(jiǎn)稱TKE)可采用式(14)［33］進(jìn)行計(jì)算

式中:u'i表示沿水流橫向和垂向的脈動(dòng)流速(m/s)，上橫線代表時(shí)均值(Mathieu和Scott，2000)。

Smith等(2006)指出，紊動(dòng)能可用來預(yù)測(cè)某一棲息地魚的密度，而基于平均流速進(jìn)行預(yù)測(cè)是不可能的［34］。Morrison等(2009)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):受相對(duì)粗糙度和包括弗汝德數(shù)在內(nèi)的其它水力特性影響，紊動(dòng)能值變化范圍較大;放置斜堰式擋板和槽堰式擋板的2種涵洞中，中線垂向平均紊動(dòng)能值非常接近;2種涵洞內(nèi)紊動(dòng)能側(cè)向分布形式差別不大［35］。Hunt等(2010)分析了環(huán)形波紋鋼管涵洞內(nèi)的二次環(huán)流及紊動(dòng)能分布。研究發(fā)現(xiàn)，沿涵洞出現(xiàn)了各種不同強(qiáng)度和構(gòu)造的二次環(huán)流模式。橫斷面內(nèi)最大紊動(dòng)能位置與順?biāo)飨虻土魉賲^(qū)域的位置關(guān)系緊密;涵洞進(jìn)口附近紊動(dòng)能顯著大于流場(chǎng)充分發(fā)展區(qū)域的紊動(dòng)能［36］。

3.3.2 紊流強(qiáng)度

紊流強(qiáng)度表示某一方向流速平均脈動(dòng)情況，紊流強(qiáng)度越大，表示紊流越激烈。Morrison(2009)提出涵洞內(nèi)水流各向紊流強(qiáng)度TIi可由式(15)［35］計(jì)算

Enders等(2003)發(fā)現(xiàn)紊流強(qiáng)度會(huì)影響魚類游泳的消耗［37］。Enders等［38］(2005)為研究紊流環(huán)境中脈動(dòng)流速對(duì)太平洋幼鮭的影響，建立了太平洋幼鮭游泳消耗模型。試驗(yàn)表明，紊流強(qiáng)度的影響約占幼鮭游泳總消耗的14%;隨著水溫、魚體質(zhì)量、平均流速和流速標(biāo)準(zhǔn)差的增加，幼鮭游泳總消耗量也在增加。

Smith等(2005)利用幼年的虹鱒魚進(jìn)行試驗(yàn)研究，以查明紊流對(duì)魚類棲息地選擇的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在一定平均流速范圍內(nèi)，魚類樂于聚集在低紊流區(qū)域;魚類常避開紊流強(qiáng)度較高的低流速區(qū)域;只有出現(xiàn)過大的平均流速時(shí)，魚類才會(huì)占據(jù)高紊流區(qū)［39］。

Abbs等(2007)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，涵洞邊界附近紊流強(qiáng)度較高，而水流中心區(qū)域紊流強(qiáng)度較低［23］。Richmond等(2007)對(duì)螺旋形波紋鋼管涵洞的試驗(yàn)研究表明，涵洞一側(cè)有一區(qū)域流速低、紊流強(qiáng)度也低，可能適合魚類通行［25］。Morrison等(2009)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放置斜堰式擋板和槽堰式擋板的2種涵洞中，紊流強(qiáng)度橫向分布基本相同［35］。Garner等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，最大紊流強(qiáng)度出現(xiàn)在涵洞進(jìn)口過水?dāng)嗝娴纳辖瞧掠翁?盡管這些區(qū)域的局部紊流強(qiáng)度值很高，當(dāng)水流加速流入涵洞時(shí)，仍有一個(gè)很大的低紊流強(qiáng)度的中央核心區(qū)域;涵洞內(nèi)底嵌入河床不會(huì)降低涵洞進(jìn)口處的紊流強(qiáng)度峰值，但是在距離進(jìn)口約一倍洞徑以外，紊流強(qiáng)度有所減?。?0］。

3.3.3 紊流結(jié)構(gòu)

涵洞內(nèi)斷面平均流速通常被看作是魚類通行的限定條件，但是最新研究表明，水流的紊流結(jié)構(gòu)對(duì)于魚類通行的影響要大于流速的影響［34］。紊流不僅會(huì)影響魚類對(duì)棲息地的選擇，還會(huì)影響魚類的運(yùn)動(dòng)和游泳能力。

Yan等(2011)對(duì)波紋鋼管涵洞內(nèi)水流的紊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究，指出隨著水流沿涵洞長(zhǎng)度方向推進(jìn)，紊流強(qiáng)度及漩渦尺寸不斷增大;較大的漩渦在涵洞進(jìn)口處分散在過水?dāng)嗝娴淖笊辖呛陀疑辖菂^(qū)域，到流場(chǎng)充分發(fā)展區(qū)域(涵洞中部)，漩渦逐漸集中于斷面中心偏低區(qū)域。從流場(chǎng)充分發(fā)展區(qū)(涵洞中部)到涵洞出口，漩渦尺寸和位置逐漸趨于穩(wěn)定［41］。

3.4 涵洞式魚道輔助設(shè)計(jì)

FishXing是一款用來幫助工程師、水文學(xué)家和魚類生物學(xué)家評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)涵洞式魚道的交互式軟件。該軟件能適應(yīng)涵洞復(fù)雜的水力特性和魚類行為的多樣性。通過漸變流方程計(jì)算出各種涵洞的水面線形狀、速度和相應(yīng)于目標(biāo)魚種游泳能力的跳躍條件。2001年，加利福尼亞交通和漁政部門利用FishXing設(shè)計(jì)，改建了Little French Creek魚道，其過魚效果良好［42］。

4 其它形式魚道水力特性研究進(jìn)展

4.1 丹尼爾式魚道

丹尼爾在1908年建成世界上第一座魚道，取名為丹尼爾式魚道。自20世紀(jì)80年代，廣大學(xué)者通過物理模型試驗(yàn)對(duì)丹尼爾式魚道的流量、水深、流速分布和紊流等進(jìn)行了全面的研究。研究表明，丹尼爾式魚道的垂向流速分布在魚道底板附近較低，可供游泳能力較弱的魚類使用;接近表面的流速較大，可供游泳能力較強(qiáng)的魚類洄游。但是，魚道內(nèi)垂向流速隨著水深的增加而增大，因而限制了丹尼爾式魚道的高度［43］。

4.2 組合式魚道

黃明海等(2009)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流數(shù)學(xué)模型對(duì)豎縫和潛孔組合式魚道進(jìn)魚口渠段紊動(dòng)水流進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計(jì)算分析了魚道池室、豎縫和潛孔等部位的流量、自由水面、流速、渦量以及紊動(dòng)能等水力學(xué)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明:各池室內(nèi)水面較為平緩，相鄰池室經(jīng)過導(dǎo)墻后水面變化較為明顯，豎縫處產(chǎn)生明顯跌水，各池室內(nèi)最低水位均出現(xiàn)在豎縫下游附近;組合魚道渠底平面流速分布較為均勻，接近水面水流彎曲較大;豎縫和潛孔流速較大，底部流速大于表面流速;豎縫和潛孔進(jìn)口轉(zhuǎn)角及兩側(cè)邊壁渦量較大;豎縫、潛孔斷面中部及其下游局部區(qū)域紊動(dòng)能較大［44］。

5 結(jié)語

縱觀國(guó)內(nèi)外魚道水力特性的研究現(xiàn)狀，學(xué)者們主要關(guān)注魚道內(nèi)流速、水深、流量、消能率、紊流強(qiáng)度及紊動(dòng)能等水力要素的研究。今后一段時(shí)間內(nèi)，魚道研究重心會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到魚道內(nèi)紊流特性及數(shù)值模擬研究，尤其是紊流結(jié)構(gòu)的研究。此外，不同形式魚道內(nèi)水力條件對(duì)魚類通行的影響及改善措施亦將成為未來研究熱點(diǎn)之一。

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