董志勇，嚴(yán)澤陽，黃 洲，余俊鵬，童建莉

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

生態(tài)環(huán)境是當(dāng)今社會的熱詞。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響問題越來越引起人們的關(guān)注[1-2]。作為基礎(chǔ)設(shè)施的水利工程，為經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展提供了必需的可再生能源，并具有防洪排澇、城鎮(zhèn)供水、農(nóng)田灌溉和航運(yùn)等功能，必將得到進(jìn)一步的發(fā)展。我國沿海、沿江魚類資源豐富，洄游性魚類眾多，按生活環(huán)境可分為生活在海洋中的溯河洄游性魚類和生活在淡水中的降河洄游性魚類。此外，還有在河流與湖泊、干流與支流的半洄游性魚類。為了保證魚類能夠順利洄游，通常在擋潮閘、排水閘、分洪閘和大壩等水利樞紐中設(shè)置魚道，以達(dá)到水利工程與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。已有研究表明：在全球已建成的魚道中，魚類能夠溯游通過的魚道尚不足一半[3]！因此，進(jìn)一步研究魚道水力特性，具有重要的現(xiàn)實意義。

魚道可分為單一式魚道(豎縫、孔口、溢流堰)和組合式魚道。豎縫式魚道最早應(yīng)用于加拿大弗雷澤河上鬼門閘魚道中，其優(yōu)點(diǎn)是魚類可以在任意水深穿游各池室。Rajaratnam等[4]較早地對豎縫式魚道的均勻流和非均勻流特性進(jìn)行了試驗研究，得出無量綱流量與相對水深的關(guān)系；Wu等[5]則認(rèn)為通過豎縫的流動可看作平面射流。Guiny等[6-7]對豎縫式魚道的時均流特性和生物特性進(jìn)行過較為系統(tǒng)的試驗研究和數(shù)值模擬；孫雙科等[8]對北京市上莊新閘豎縫式魚道的時均流特性進(jìn)行過模型試驗研究；董志勇等[9-10]在大比尺魚道模型中對同側(cè)和異側(cè)豎縫式魚道的時均流特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗研究，分析了豎縫式魚道的主流軌跡、主流速度的沿程變化規(guī)律、水池橫斷面流速分布的特征及其隨流量的變化情況，并做了放魚試驗?？卓谑椒譃橹锌?、底孔，其流動特性表現(xiàn)為三維自由射流或三維壁面射流，并且形成三維水躍。魚類在孔口式魚道中溯游時，必須通過受限空間才能到達(dá)上游池室，適宜于喜歡在中、下層洄游的大、中型魚類。大多數(shù)魚道的水力設(shè)計只考慮平均流速，忽略了魚道內(nèi)的紊流結(jié)構(gòu)。已有研究表明：魚類可用內(nèi)耳、側(cè)線和神經(jīng)丘來察覺紊動[11]。一些關(guān)于紊流對魚類習(xí)性、能量和分布影響的研究表明：在一些紊流形態(tài)中，魚類可從中受益，如Liao等[12]在《Science》期刊上發(fā)表文章，闡述了成年彩虹鮭在障礙物形成的穩(wěn)定脫落旋渦中游動時可從這些旋渦能量中受益。類似的觀測結(jié)果表明：成年紅大馬哈魚在溯河產(chǎn)卵洄游途中利用旋渦區(qū)以使其能量支出減到最小[13-14]；Herskin等[15]的研究認(rèn)為：魚類成群溯游時，可從領(lǐng)頭魚產(chǎn)生的旋渦中受益。若魚道中水流能形成這種生態(tài)友好型流動結(jié)構(gòu)，則大大有利于魚類溯游。迄今，人們對單一式魚道研究較多，而對于組合式魚道則僅有些數(shù)值模擬研究。王琲等[16]采用RNG k-ε紊流模型對豎縫與溢流堰組合式魚道進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了池室內(nèi)流速和紊動能變化情況；劉鵠等[17]基于紊流模型和VOF自由表面處理技術(shù)，對豎縫與孔口組合式魚道的流場特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；Masayuki等[18]采用三維紊流模型及VOF分析了溢流堰與孔口組合式魚道的水力特性。然而，對于組合式魚道的試驗研究，迄今鮮有文獻(xiàn)報導(dǎo)。由于沿海、沿江洄游性魚類眾多，其溯游習(xí)性各異，傳統(tǒng)的單一式魚道難以滿足不同魚類的溯游習(xí)性，這也是大多數(shù)魚道運(yùn)行效果不佳的原因之一。筆者在孔口與豎縫組合式魚道水槽中，用聲學(xué)多普勒測速儀(ADV)量測孔口和豎縫組合式魚道的三維瞬時流速，分析時均流速分布、紊動強(qiáng)度分布、雷諾應(yīng)力分布，為孔口和豎縫組合式魚道的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 試驗設(shè)備與量測技術(shù)

魚道水槽長20 m，寬60 cm，深100 cm，可分為入流段、工作段和出流段，如圖1所示。工作段兩側(cè)為鋼化玻璃，分為4 個階梯式水池，水池底板高度沿程依次為20，15，10，5 cm，由5 塊魚道隔板分隔，每塊隔板在底板上高度均為65 cm，孔口與豎縫組合式隔板如圖2所示。試驗流量為41 L/s，試驗水深為0.545 m，水池斷面平均流速為0.125 m/s。

圖1 魚道水槽示意圖

圖2 縫-孔組合式魚道隔板(單位：mm)

坐標(biāo)系原點(diǎn)位于水池上游隔板、水池右側(cè)和底板的交點(diǎn)處，沿水流方向設(shè)為x軸，鉛垂方向設(shè)為z軸，橫向設(shè)為y軸。采用聲學(xué)多普勒測速儀(ADV)量測水池內(nèi)各測點(diǎn)的三維瞬時流速，水位由自動水位測量系統(tǒng)測讀，流量由水槽為尾部的矩形堰量測。隔板上豎縫在水池內(nèi)為異側(cè)布置。取不同深度水平面(z=10，20，30，35，45 cm)，沿每一水平面布設(shè)15 條橫線(x=5，10，15，20，25，30，40，60，80，100，120，140，160，170，175 cm)，沿每條橫線布設(shè)17 個測點(diǎn)(y=2，6，10，14，18，22，26，30，33，36，39，42，45，48，51，54，57 cm)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 流動特征

過孔口中心水平面上的流速矢量如圖3所示。由圖3可見：異側(cè)布置情形孔口射流偏向豎縫壁面射流方向，與之合并后使主流斷面沿程擴(kuò)大，并在水池內(nèi)形成一個順時針方向的大旋渦。由于豎縫異側(cè)布置，豎縫壁面射流由左側(cè)轉(zhuǎn)向右側(cè)，致使孔口射流與豎縫壁面射流匯聚。

圖3 水平面上流速矢量

取水池典型橫斷面，x/L=0.2，x/L=0.6，分析其流速矢量分布，如圖4所示。從圖4可以看出：孔口射流與豎縫壁面射流在匯聚區(qū)橫斷面上的流動特征顯然與合并區(qū)不同，匯聚區(qū)主要呈水平向流動，合并區(qū)則為垂向流動。

圖4 橫斷面上流速矢量

分別位于孔口、豎縫縱剖面上的流速矢量如圖5所示。由圖5可見：兩者流動特征相似，水池內(nèi)水流主要呈縱向流動，垂向流速很小。但在下游隔板附近，由于豎縫異側(cè)布置使縱向流動轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向流動。

圖5 縱剖面上流速矢量

2.2 時均流速

2.2.1 最大縱向流速沿程變化

取位于孔口、豎縫的縱剖面，分析其最大縱向流速沿程變化情況，如圖6所示。由圖6可見：位于孔口縱剖面上的最大縱向流速沿程衰減較快，靠近上游隔板處，x/L=0.1左右達(dá)到最大，在靠近下游孔口處又逐漸增大；位于豎縫縱剖面上的最大縱向流速由于孔口射流的并入而衰減較慢，在水池下游隔板附近則急劇衰減，這是由于下游豎縫異側(cè)出流導(dǎo)致水流橫向流動的緣故。

圖6 縱剖面上最大縱向流速沿程變化

2.2.2 縱向流速沿橫向分布

取x/L=0.2，x/L=0.6，x/L=0.9，過孔口中心橫線上縱向流速分布如圖7所示。由圖7可以看出：在靠近上游隔板附近，由于孔口射流與豎縫壁面射流匯聚，縱向流速沿橫向分布存在兩個峰值區(qū)，一個位于豎縫區(qū)，另一個位于孔口區(qū)，兩者之間存在回流區(qū)，即圖7中的下凹曲線。沿程其他橫線上的縱向流速則由于孔口射流與豎縫壁面射流的合并呈沿橫向逐漸增大的趨勢，并且由于水平向旋渦橫向流動的作用使水池后部縱向流速比水池中部小。

圖7 縱向流速橫向分布

2.3 紊動強(qiáng)度

紊動強(qiáng)度是反映水流中流速脈動強(qiáng)弱程度的一個特征值，可表示成

(1)

式中：Tx為縱向紊動強(qiáng)度；Ty為橫向紊動強(qiáng)度；Tz為垂向紊動強(qiáng)度。

2.3.1 紊動強(qiáng)度沿橫向分布

過孔口中心水平面上沿程紊動強(qiáng)度沿橫向分布，如圖8所示。從圖8中可以看出：無論在射流匯聚區(qū)還是射流合并區(qū)，縱向流速明顯比橫向流速和垂向流速大。

圖8 紊動強(qiáng)度沿橫向分布

2.3.2 縱剖面上最大縱向紊動強(qiáng)度沿程變化

過孔口中心的縱剖面上最大縱向紊動強(qiáng)度Tx max沿程變化，如圖9所示。由圖9可見：孔口區(qū)最大縱向紊動強(qiáng)度呈先增大后減小的變化趨勢，這是由于孔口射流向豎縫壁面射流區(qū)匯聚所致。顯然，在射流合并區(qū)，兩者變化趨勢相同。

圖9 縱剖面上最大紊動強(qiáng)度沿程變化

2.4 雷諾應(yīng)力

雷諾應(yīng)力是分析紊流對魚類影響的重要指標(biāo)，可表示為

(2)

2.4.1 雷諾應(yīng)力沿橫向分布

雷諾應(yīng)力沿橫向分布如圖10所示。由圖10可以看出:η1在射流剪切層存在峰值區(qū)，并呈正向變化，其余區(qū)域的η1,η2,η3則呈負(fù)向變化。

圖10 雷諾應(yīng)力沿橫向分布

2.4.2 縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程變化

過孔口中心縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程變化如圖11所示。由圖11可見：孔口區(qū)縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程在水池前部逐漸減小，在水池中部趨于平緩，而在水池后部又逐漸增大；豎縫區(qū)縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程逐漸增大。

圖11 縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程變化

3 結(jié) 論

通過對異側(cè)豎縫與中孔組合式魚道水力特性的試驗研究，得出：1) 水平面上流動特征呈孔口射流與豎縫壁面射流匯聚，并在水池內(nèi)形成一個順時針方向的大旋渦；縱剖面上流動特征呈縱向流動，垂向流速很小。2) 位于孔口縱剖面上的最大縱向流速沿程衰減較快，而位于豎縫縱剖面上的最大縱向流速則由于孔口射流的并入衰減較慢；縱向流速沿橫向分布存在兩個峰值區(qū)，一個位于豎縫區(qū)，另一個位于孔口區(qū)。3) 無論在射流匯聚區(qū)還是射流合并區(qū)，縱向流速明顯比橫向流速和垂向流速大。4) 孔口區(qū)縱剖面上最大雷諾應(yīng)力沿程逐漸減小，而在豎縫區(qū)則沿程逐漸增大。