郭維東，孟 文，2，熊守純，賴 倩 ，王 心，張海良，王緒剛，姚慶宇

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽 110866；2.莊河市水庫移民后期扶持工作辦公室，遼寧 莊河 116400；3.葫蘆島市凌河保護區(qū)管理局，遼寧 葫蘆島 125000；4.廣東珠榮工程設(shè)計有限公司，廣州 510610；5.白石水庫管理局，遼寧 朝陽 122000；6.錦凌水庫管理局，遼寧 錦州 121000;7.撫順市水利勘測設(shè)計院，遼寧 撫順 113000;8. 綏化市水務(wù)局, 黑龍江 綏化 152000)

同側(cè)豎縫式魚道結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

郭維東1，孟 文1，2，熊守純3，賴 倩4，王 心5，張海良6，王緒剛7，姚慶宇8

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽 110866；2.莊河市水庫移民后期扶持工作辦公室，遼寧 莊河 116400；3.葫蘆島市凌河保護區(qū)管理局，遼寧 葫蘆島 125000；4.廣東珠榮工程設(shè)計有限公司，廣州 510610；5.白石水庫管理局，遼寧 朝陽 122000；6.錦凌水庫管理局，遼寧 錦州 121000;7.撫順市水利勘測設(shè)計院，遼寧 撫順 113000;8. 綏化市水務(wù)局, 黑龍江 綏化 152000)

魚道是保證魚類能順利洄游的過魚設(shè)施。通過豎縫相對寬度分別為0.05，0.10，0.15，0.30，底坡為10%的魚道模型進行數(shù)值計算。采用可視化顯示及數(shù)據(jù)分析的方法分析不同豎縫相對寬度、底坡條件下的同側(cè)豎縫式魚道的水流結(jié)構(gòu)特征。通過模型模擬，分析水流沿水深方向的流速分布情況、主流區(qū)最大流速沿程分布及沿程衰減情況，以及在不同豎縫相對寬度和(或)不同流速情況下的紊動能分布情況。綜合各物理量的分析，得出豎縫相對寬度b0/B=0.15、底坡為10%時，水流在池室內(nèi)能形成較好的適合魚類洄游的流態(tài)：主流區(qū)水流橫向擴散范圍適中，主流區(qū)最大流速沿程均勻衰減，回流區(qū)面積較為對稱，流速較小。

三維數(shù)值模擬；同側(cè)豎縫式魚道；流速分布；雷諾應(yīng)力模型；豎縫相對寬度

1 研究背景

為了保障魚類生命活動的正常進行，世界上很多國家在部分已建的閘、壩等水工建筑物上修建了魚道，研究資料表明：在現(xiàn)有的魚道中，魚類順利通行率不足50%，這一結(jié)論值得全世界予以重視[1]。因此，研究魚道的相關(guān)特性對保護魚類物種，改善和修復(fù)流域生態(tài)系統(tǒng)的完整性具有重要的指導(dǎo)意義。

魚類在洄游的過程中能夠得到充分的休息時間，但據(jù)統(tǒng)計，大部分的學(xué)者更多地集中在研究魚類的持續(xù)游泳能力，而在魚道設(shè)計方面，通常將耐久游泳能力速度用于魚道的設(shè)計和評估過程中?？傊?，研究的內(nèi)容雖然不同，但最終的目的都是為了讓魚道能夠獲得更好的水流流態(tài)，使得魚道能夠發(fā)揮最大的作用[2]。Lupandin研究了水流紊動對河鱸的游動速度影響，指出紊動可能減慢魚類的反應(yīng)，對中小魚類洄游的影響更加明顯[3](Barton A F，2003)。故對豎縫式魚道的水力特性進行系統(tǒng)的研究，使魚道設(shè)計更加優(yōu)化。

國內(nèi)外對魚道物理模型的研究頗有成果。英國Glasgow大學(xué)的Guiny對豎縫式魚道的水力特性和生物特性進行過較為系統(tǒng)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)豎縫式魚道因其能夠通過控制其水位的變化而控制池室內(nèi)的流態(tài)，因此該種形式的魚道能夠適應(yīng)更多種類的魚類洄游[4]。Larinier團隊對同側(cè)豎縫式魚道的紊流特性進行研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)池室的長度達到一定的程度時，池室內(nèi)的水流基本上是屬于明渠流動[5]。孫雙科等學(xué)者以北京市上莊新閘魚道為原型進行了物理模型試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)增設(shè)導(dǎo)板時可以明顯改善魚道內(nèi)的水流流態(tài)[6]。浙江工業(yè)大學(xué)董志勇等人對同側(cè)豎縫式魚道、異側(cè)豎縫式魚道均做了系統(tǒng)的物理模型試驗研究，并且都做了過魚試驗。在對魚道內(nèi)的水流特征進行了分析研究后又給出鯽魚、河鰻2種魚類在不同流速區(qū)域內(nèi)的溯游特性[7]。

在魚道數(shù)值模擬研究方面，國外大部分研究是對底坡較大(5%至20%之間)的魚道進行數(shù)值模擬，而國內(nèi)對于底坡大于10%的豎縫式魚道的數(shù)值模擬研究不夠深入。故本文選擇采用三維數(shù)值模型對豎縫式魚道水流在較大底坡情況下進行模擬，對豎縫式魚道水力特性進行系統(tǒng)地研究。本研究的意義總結(jié)為如下3點：①為研究豎縫式魚道水力結(jié)構(gòu)特征提供理論依據(jù)；②探索用數(shù)值模擬的方法研究豎縫式魚道水流結(jié)構(gòu)特征；③對豎縫式魚道進行三維數(shù)值模擬，重點研究底坡較大情況下豎縫處軸向流速對魚類洄游的影響。

圖2 不同豎縫相對寬度工況下的水流流線Fig.2 Streamlines in the presence of different relative width of vertical slot

2 豎縫式魚道情況簡介

豎縫式魚道的過魚孔是在水表至水底修建一條豎縫，利用兩側(cè)隔板擋住水流，促使水流從豎縫徑直下泄，該形式魚道對魚類自身的洄游狀態(tài)要求較高，僅適應(yīng)那些自身力量較大，能應(yīng)對復(fù)雜流態(tài)的魚類，常用于工程修筑工期及河道的天然障礙處。1992年，N.Rajaratnam等人使用與設(shè)計丹尼爾魚道相同的研究方法對豎縫式魚道結(jié)構(gòu)形式與理論分析進行了深入的研究，得出豎縫式魚道的無綱量流表達式[8]為

Q*=α·y0/b0±γ。

(1)

式中：α和γ是魚道幾何尺寸的常數(shù);y0表示魚道池內(nèi)水深;b0表示兩隔板之間豎縫相對寬度?？梢园?1)式計算水流條件較為簡單的豎縫式魚道的過流量。

豎縫的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、水流條件不穩(wěn)定，水深較大則可以按照以下公式計算魚道過流量：

Q*=3.77y0/b0-1.11，y0/b0≤10 ；

(2)

Q*=2.84y0/b0-1.62，y0/b0>10 。

(3)

3 模擬方案的制定

各工況下建立的數(shù)值模擬，均采用雷諾應(yīng)力模型。上游進口斷面采用速度進口邊界(velocity-inlet)條件，下游出口邊界采用壓力出口(Pressure-Outlet)邊界條件，頂面大氣進口采用大氣壓力進口(Pressure-inlet)邊界條件，邊壁面采用無滑移邊界條件，為了防止迭代過程中數(shù)值的發(fā)散和不穩(wěn)定狀況,對標量輸運方程、動量方程采用了欠松弛技術(shù), 壓力與速度耦合采用半隱式方法SIMPLE算法，時間步長0.001s。

取4種豎縫相對寬度(b0/B),分別為b0/B=0.05，0.1，0.15，0.3，按照不同的豎縫相對寬度建立幾何模型，劃分計算網(wǎng)格，對豎縫處的網(wǎng)格進行加密處理。數(shù)值模擬魚道模型池內(nèi)尺寸如圖1所示。

圖1 魚道池室布置Fig.1 Sketch of fishway pool

4 同側(cè)豎縫式魚道三維數(shù)值模擬

4.1 水流形態(tài)分析

魚道池內(nèi)不同的豎縫相對寬度可導(dǎo)致豎縫處水流的射流形態(tài)有很大的差別，從而影響池室內(nèi)的水流形態(tài)[9]。首先保持水池長寬比L/B=10∶8(L=50 cm，B=40 cm)、底坡i=10%、短導(dǎo)板B2=8 cm、導(dǎo)角θ不變的條件下，通過改變長導(dǎo)板B1的長度來改變豎縫相對寬度，使豎縫相對寬度b0/B=0.05，0.1，0.15，0.3，不同豎縫相對寬度的池室內(nèi)水流形態(tài)數(shù)值模擬圖如圖2所示。

池內(nèi)水流在長導(dǎo)板與短導(dǎo)板的作用下，通過豎縫從上游流向下游，主流形態(tài)和大小回流區(qū)面積存在較大的差別，池內(nèi)水流的橫向擴散度也不同。

觀察不同魚道水池豎縫相對寬度條件下的水流形態(tài)發(fā)現(xiàn)，隨著豎縫相對寬度的增加，主流區(qū)通過豎縫流向下游池室時，偏轉(zhuǎn)角度逐漸減小，主流線的曲率隨著豎縫相對寬度的增加而減小。從主流曲線的偏轉(zhuǎn)角適度程度和回流區(qū)面積大小情況來看，豎縫相對寬度b0/B=0.15時，主流曲線偏轉(zhuǎn)適中，左右回流區(qū)面積較為對稱，較適合魚類洄游。

4.2 主流沿程最大流速分布線沿程衰減情況分析

圖3給出了不同豎縫相對寬度主流區(qū)的最大流速沿程分布情況。

圖3 各工況下主流區(qū)最大流速沿程分布Fig.3 Distribution of maximum flow velocity along the river in the mainstream area in different cases

由圖3給出的各工況下主流區(qū)最大流速沿程分布觀察得知，豎縫相對寬度的不同影響水流在池室內(nèi)橫向擴散，隨著豎縫相對寬度的增加，主流區(qū)的最大流速沿程逐漸偏向水流中央，流線趨于平緩。豎縫處、池室內(nèi)流線偏轉(zhuǎn)幅度逐漸減弱。同時，隨著豎縫相對寬度的增加，速度的縱向衰減程度減小，變化幅度減小。

4.3 紊動能分析

圖4 不同工況下的紊動能等值線Fig.4 Isolines of turbulence kinetic energy in different working conditions

觀察圖4可知，當(dāng)豎縫相對寬度很小時，紊動能在長導(dǎo)板邊緣及前方變化幅度較大，偏向池室左側(cè)，之后紊動能較為快速地衰減。在導(dǎo)板邊緣，紊動變化幅度較大，不利于過魚。對于目標魚種，理想的水流紊動情況要求大部分區(qū)域紊動較小，以利于有充分的休息空間，也需要在適當(dāng)?shù)奈恢糜行〔糠值母呶蓜訁^(qū)，這有利于目標魚種感知水流方向，刺激其游泳潛能。豎縫很小，水流穿過豎縫后，集中在長導(dǎo)板前，故該處的水流紊動較大，不利于過魚。隨著豎縫相對寬度的增加，紊動能向池中心偏移和擴散。從圖4(b)和圖4(c)得知，主流區(qū)水流的紊動能與回流區(qū)紊動能銜接順暢，緩慢過渡，在主流區(qū)左側(cè)的小回流區(qū)內(nèi)存在一個紊動較高的區(qū)域，對于往上游洄游的魚種，有利于其在下一個豎縫之前感知水流動能的增大，以猝發(fā)其突進力量的產(chǎn)生；同時，相同豎縫相對寬度條件下，流速越大，水流的紊動能越大，紊動能的衰減速度也越快。當(dāng)豎縫相對寬度增加到0.30時，紊動能在移動到短導(dǎo)板前，回流區(qū)的紊動能幾乎為0，主流區(qū)內(nèi)紊動能也比較微弱，不利于目標魚洄游時感知游動方向。從紊動能大小和主流區(qū)與回流區(qū)的紊動能過渡銜接的角度考慮，豎縫寬b0/B=0.15工況對目標魚種的洄游更為有利。

5 結(jié) 論

本文通過整理數(shù)值模擬所得計算數(shù)據(jù)，從水流形態(tài)、主流最大流速軌跡及其衰減情況、紊動能方面，詳細探討了同側(cè)豎縫式魚道的水力特性。

(1) 從水流形態(tài)來看，在底坡、長寬比相同的條件下，隨著豎縫相對寬度的增加，主流曲線彎曲度減小，橫向擴散程度增大，曲線中心向水池中部移動，曲率隨豎縫相對寬度的增加而減??；同時，主流區(qū)兩側(cè)的回流區(qū)面積逐漸分布均勻。在豎縫相對寬度b0/B=0.15時，主流曲線偏轉(zhuǎn)適中，左右回流區(qū)面積較為對稱。豎縫相對寬度相同時，底坡對水流形態(tài)影響微弱。

(2) 從水流流速分布來看，最大流速出現(xiàn)在豎縫處，并隨著水深的增加，豎縫處的流速逐漸減小。隨著豎縫相對寬度的增加，池內(nèi)水流的橫向擴散減小，流速縱向衰減程度較小，主流最大流速沿程逐漸偏向池中央。

(3) 從紊動能來看，在相同底坡下，隨著豎縫相對寬度的增大，主流區(qū)紊動能逐漸減小。豎縫相對寬度b0/B=0.15時，主流區(qū)紊動能與回流區(qū)的紊動能緩慢過渡，主流區(qū)的水流擴散范圍較大，這有利于消除射流體的動能，從而有利于為目標魚類提供更舒適的水流環(huán)境。

綜合以上各物理量的分析，豎縫相對寬度b0/B=0.15，底坡為10%時，同側(cè)豎縫式魚道的水流形態(tài)、流速場、紊動能等水力特性更加有利于過魚。

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(編輯：劉運飛)

Numerical Simulation to Optimize the Structure ofIpsilateral Vertical Slot Fishway

GUO Wei-dong1, MENG Wen1,2, XIONG Shou-chun3, LAI Qian4, WANG Xin5, ZHANG Hai-liang6,WANG Xu-gang7, YAO Qing-yu8

(1.College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2.Late-stage Support Office for Reservoir Immigrants in Zhuanghe City，Zhuanghe 116400, China; 3.Linghe River Reserve Administration in Huludao City, Huludao 125000, China；4.Guangdong Pearl Glory Engineering Design Co., Ltd., Guangdong 510610, China; 5.Administration of Baishi Reservoir, Chaoyang 122000，China; 6.Administration of Jinling Reservoir, Jinzhou 121000, China; 7.Fushun Hydropower Survey and Design Institute, Fushun 113000, China; 8.Suihua Water Affairs Bureau, Suihua 152000, China)

The flow structure in ipsilateral vertical slot fishway is researched by changing the relative width of vertical slot (0.05, 0.10, 0.15, 0.30) and bottom slope 10% in a fishway model. Visual display and data analysis are adopted in the research. Through the simulation, the flow velocity distribution along water depth, the frictional distribution and attenuation of maximum flow velocity in mainstream area, as well as the turbulence kinetic energy distribution in the presence of different relative slot width and different flow velocity are obtained. Results reveal that when vertical slot widthb0/B=0.15 and bottom slope is 10%, flow pattern favorable for fish migration could be formed in the pool: the range of transverse diffusion of flow in mainstream area is moderate, the maximum flow velocity in the mainstream area attenuates uniformly along the way, and the backflow area is symmetrical with small flow velocity.

there-dimensional numerical simulation; ipsilateral vertical slot fishway; flow velocity distribution; Reynolds stress model; relative width of vertical slot

2014-01-16；

2014-03-20

郭維東(1969-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士,研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)研究，(電話)13998216708(電子信箱)gwdly@126.com。

孟 文(1987-)，女，遼寧莊河人，助理工程師，碩士,研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)研究，(電話)13555967090(電子信箱)mengwenhappy@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.011

TV131.2；S956.3

A

1001-5485(2015)02-0048-05

2015,32(02):48-52