陳 磊，譚均軍，石小濤，柯森繁，譚紅林，李 鴻

(1.三峽大學 湖北省魚類過壩技術國際科技合作基地，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

大壩、堰等水利設施的修建中斷了河流的連續(xù)性，阻隔了魚類的洄游通道，改變了魚類棲息地環(huán)境，甚至導致某些溯河洄游魚類種群的滅絕[1]。魚道作為給魚類提供洄游通道的過魚設施，在維系河流連通性與魚類種群交流方面具有重要的作用[2]。

隔板式魚道主要由進口、池室和出口組成。其設計原理是利用隔板將水槽分成許多梯級池室，在池室中利用水墊、水流對沖、水流擴散進行消能，以達到改善水流流態(tài)、降低池室流速的目的，并能通過調整隔板的結構構造適應不同魚類的需要。按隔板的位置和形狀可分為溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式和組合式魚道[3]。溢流堰式魚道水位變化范圍很小，過流平穩(wěn)，水流通過開敞式溢流孔流動，利用隔板間水墊削減能量和減緩流速；其適用于對水位變化適應能力差、喜歡在水流表層活動和有跳躍習性的魚類[4]。淹沒孔口式魚道孔口大小因過魚對象體形大小不同而異，孔口通常布置在中底層；其適用于生活在需要一定水深的中、大型魚類[5-6],江蘇團結河閘魚道、洋口北閘魚道等均采用淹沒孔口式魚道。豎縫式魚道結構簡單，水流消能主要集中在豎縫處，消能效果較堰式和淹沒孔口式更充分，且能適應上下游水位變化，魚類受水位變化的影響較小[7]，豎縫的束窄作用使魚道內流速過大，一般適用于大、中型魚類[6]；加拿大弗雷塞(Fraser)河上的鬼門峽(Hell’s Gate)魚道、江蘇斗龍港閘、吉林老龍口水利樞紐等均采用豎縫式。組合式魚道能夠較好地綜合各種形式(堰式、淹沒孔口式及豎縫式)魚道水力特性的優(yōu)勢，創(chuàng)造出不同種魚類所需的水流條件，滿足多種不同溯游習性魚類的要求，為洄游魚類提供適宜的上溯通道。

魚道的水力特性是影響魚類能否順利通過的重要因素[8]，國內外許多學者利用流體力學軟件對其進行了相關的數值模擬研究。Fujihara等[9]采用三維紊流模型及VOF自由水面處理方法分析溢流堰-潛孔組合式魚道水力特性，結果表明三維VOF模型能較好地模擬魚道內三維水力特性；高東紅等[10]采用Fluent對三維魚道的水力特性及魚體行進能力進行數值模擬研究，結果表明模擬結果與以往物理模型試驗所觀察的現象一致；Cea等[11]應用混合長度模型、k-ε模型和代數應力模型對豎縫式魚道的水力特性進行分析研究，并將計算數據與水工模型試驗結果進行了比較，發(fā)現兩者吻合較好。鑒于此，本研究采用豎縫和溢流組合式魚道，以黑水河某魚道工程為例，運用Flow-3D進行三維全流場數值模擬，研究該組合式魚道的三維水力特性，分析其水面線、流速、流態(tài)等水力參數的分布規(guī)律，并對魚道的上游出口段、下游轉彎段及進口段進行重點分析，以期為魚道的設計及運行提供技術參考。

2 工程概況

2.1 概 況

金沙江黑水河某水電站為引水式電站，攔河閘壩無調節(jié)功能，工程的開發(fā)任務為發(fā)電。水庫正常蓄水位1 069.67 m，正常蓄水位下庫容28.4萬m3，電站多年平均流量51.6 m3/s,裝機容量為20 MW，壩高5.30 m。在攔河引水樞紐上結合生態(tài)電站布置魚道，魚道設置一個進口和一個出口，下游進口布置在攔河壩消力池后，魚道槽身緊挨左岸岸邊布置，上游出口布置在攔河壩上游約70 m處?？紤]該工程特點及洄游性魚類對水流、濺水聲等的敏感性及趨近性，研究采用豎縫與溢流組合式魚道。結構布置如圖1所示。

圖1 魚道設計Fig.1 Fishway design

2.2 過魚對象及其游泳能力

根據工程河段魚類資源調查結果，本工程過魚對象以短須裂腹魚(Schizothorax Wangchiachii Fang)、齊口裂腹魚(Schizothorax Prenant)等裂腹魚類及鰍類為主，并適當兼顧其他各種可能魚類，其主要過魚季節(jié)為4—7月份。根據相關文獻[12-17]資料、魚道工程特點及過魚對象游泳能力(表1)知：目標魚類感應流速<0.244 1 m/s，臨界游泳速度為0.65～1.39 m/s，爆發(fā)游泳速度為0.85～2.49 m/s；為確保主要過魚對象能夠通過魚道上溯，魚道設計流速應依據過魚對象游泳能力并結合《水電工程過魚設施設計規(guī)范》(NB/T 35054—2015)規(guī)定，為此，確定魚道設計流速為0.75 m/s。

表1 過魚對象游泳能力Table 1 Swimming ability of target fish

2.3 魚道主要尺寸

根據《水電工程過魚設施設計規(guī)范》(NB/T 35054—2015)，魚道由進口段、轉彎段、魚道出口段組成，魚道總長352.60 m，底坡為1.8%。單個池室長2.0 m，寬1.60 m，豎縫寬度為0.30 m，隔板厚度0.20 m，魚道池室水位級差Δh為0.04 m；每隔15個池室設置一個休息室，休息室為平坡，長度為魚道池室的2倍，魚道下游轉彎段布置為休息室。魚道單個池室及剖面尺寸見圖2。魚道正常運行工況下流量為0.56 m3/s，保持運行水深為1.80 m。上游水位高程為1 069.67 m，魚道上游底板高程為1 067.87 m，下游水位高程為1 063.87 m，魚道下游底板高程為1 062.07 m，上下游水位差為5.80 m。

圖2 魚道單個池室及剖面尺寸示意圖Fig.2 Fishway profile and single chamber dimensions

3 數值方法

3.1 數學模型

本研究魚道模型為典型的自由液面模型，根據魚道設計體型布置的平面布置圖和魚道剖面圖，在Space-Claim按原型1∶1建立魚道幾何整體模型，利用Tru-VOF方法追蹤自由液面，基于有限差分法將模擬控制方程離散為代數方程組進行求解計算，采用標準六面體結構化網格進行網格劃分，模型網格數約為2 900萬，固體模型網格約為290萬，其中最大網格15 cm，最小網格6 cm。魚道中間采用溢流式隔板和豎縫式隔板，兩側邊界設置為墻體，均不過流，自由表面的邊界條件設定為壓力邊界條件P,其大氣壓強為1.01×105Pa，流體分數F=0(充滿空氣)，采用流量進口邊界條件，下游采用壓力出口邊界條件，壁面采用無滑移壁面條件，壁面糙率為0.013[18]；初始條件上、下游水深為設計上、下游水位高程減去該魚道底板高程；采用具有較好收斂性的SIMPLEC算法。

3.2 控制方程

本研究的模型屬于不可壓縮流體的湍流流動，采用RNGk-ε紊流模型，其主要控制方程如下[19]：

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

k方程

(3)

ε方程

采用Tru-VOF方法追蹤自由水面流動，采用流體容積分數αω描述水和氣自由表面的各種變化,求解水氣兩相體積分數連續(xù)方程確定自由水面位置。其方程為[7]

(5)

式中：ui為各向的速度分量;αω為水的體積分數。當αω=0時，計算單元內全為氣相;當αω=1時，計算單元內全為水相;當0<αω<1時，計算單元內同時包含水相和氣相。

4 結果分析

4.1 池室自由水面

魚道池室水面線如圖3所示。水流從上游魚道出口進入魚道池室水深為1.80 m，水流在各個池室內水面較為平緩，池室內最低水位均出現在豎縫與堰口下游附近，豎縫與堰口處有明顯水面跌落現象。

圖3 魚道水面線示意圖Fig.3 Simulations results of water surface

4.2 不同水深斷面流場分析

圖4為魚道池室流線分布與豎縫斷面流速分布。從圖4可知在魚道池室存在多股主流區(qū)，水流經過溢流孔后偏向豎縫處邊壁，主流呈彎曲狀，在另一側邊壁出現較大回流區(qū)，水流經過豎縫后貼近邊壁，與溢流孔出流間存在一個小回流區(qū)，主流存在明顯的貼壁現象。圖5為池室水深分別為1.1 m和0.5 m的平面流速分布。在水深1.1 m平面的水平方向上，溢流孔與豎縫處流速較大，主流經過溢流孔后彎向豎縫側，在池室另一側出現低流速區(qū)；垂直方向上，接近水面水流彎曲較大，距離底部越近，該平面流速分布較為均勻，豎縫中部與底部流速較大，最大為0.94 m/s，溢流孔口最大流速為1.08～1.12 m/s，且水面流速低于底部流速。水深0.50 m時，水深低于溢流孔口高度，魚道為異側豎縫式魚道，水流經過豎縫后貼壁流動，在池室中間出現低流速區(qū)。過魚對象裂腹魚類在均勻水流中臨界流速為0.75～1.24 m/s(見表1)。整體上，池室流速分布在過魚對象的克流能力范圍之內，魚道池室內存在低流速區(qū)域，能為魚類提供休憩空間使其恢復能量，但池室內存在明顯的主流貼壁現象。

圖4 池室流態(tài)及流速分布Fig.4 Streamlines of flow pattern and distribution of flow velocity in fishway pool

圖5 不同斷面水深流速分布Fig.5 Distribution of flow velocity in the presence of different water depths

4.3 魚道出口段水力特性分析

魚道出口附近池室是衡量魚類能否從魚道上溯成功的典型池室，豎縫處流速分布為0.76～0.89 m/s，豎縫處平均流速為0.83 m/s，回流區(qū)流速分布范圍為0.09～0.25 m/s(圖6(a))。根據相關魚類游泳能力測試結果，該數值模擬結果在豎縫處流速范圍低于長薄鰍(0.95 ～1.87 m/s)和短須裂腹魚(0.75±0.076 m/s)臨界游泳速度，池室中局部流速最大值在爆發(fā)流速范圍之內，滿足過魚要求。

4.4 下游轉彎段水力特性分析

邊永歡等[20]對豎縫式魚道180°轉彎段的水流流場進行研究，發(fā)現彎道內水流流向改變一般會對魚類上溯洄游產生阻礙。由模擬結果可知，轉彎段主流沿著彎段外側邊壁流動，其分布范圍為0.50～0.66 m/s，平均流速為0.58 m/s(圖6(b))；內側為低流速區(qū)，流速范圍為0.09～0.42 m/s。轉彎段流速在目標魚類上溯克流范圍內，但存在主流貼壁現象，需對其結構開展設計優(yōu)化。

4.5 下游進口段水力特性分析

魚能夠感受到水流流速的細微變化，喜歡利用對其上溯有利的水流，魚道下游進口段附近的水力條件直接影響魚類通過魚道上溯的效果。由圖6(c)可知，靠近魚道進口處各池室水深基本保持不變，池室主流靠近下游側邊墻，該處流速為0.50 m/s，出口處斷面平均流速為0.30 m/s，該流速大于目標魚類感應流速0.13 m/s，小于臨界流速，滿足目標魚類流速需求。

圖6 魚道池室流場模擬結果Fig.6 Simulation results of flow field in fishway pool

5 優(yōu)化方案

根據上述運行工況中數值模擬計算結果分析可知，組合隔板式魚道在進口、出口、轉彎處的流速在目標魚類的克流能力范圍內，但在靠近豎縫隔板處，轉彎段存在明顯的主流貼壁現象，且貼壁主流所包圍范圍內存在一個區(qū)域較大的回流區(qū)，見圖5(b)，顯然該流態(tài)不利于魚類上溯。為克服原設計中水流流態(tài)上的不足，采用在豎縫另一側不遠處邊墻增設導板的導豎式豎縫布置型式開展優(yōu)化設計，通過改變水流在豎縫處的水流流向，進而達到充分擴散主流橫向的目的。

在優(yōu)化設計研究中，結合現有的豎縫式魚道研究成果[6-9]，對魚道隔板進行了調整，保持池室長度與寬度不變，將豎縫寬度由0.30 m調整為0.41 m(圖7)；對魚道設計而言，由于豎縫寬度的改變，其過流能力也會發(fā)生相應的變化，應依照過魚設施規(guī)范中豎縫式魚道過流能力計算公式計算過流流量。即

圖7 優(yōu)化方案池室平面尺寸Fig.7 Plane dimensions of the optimized pool

(6)

式中：Q為過流流量(m3/s);Cd為流量系數，本工程取0.85；B為豎縫寬度(m)；H為豎縫斷面水深(m)；Δh為池室隔板水位的每級級差(m)；g為重力加速度，通常取g=9.81 m/s2。經計算得到優(yōu)化后魚道運行工況過流流量為0.70 m3/s。

優(yōu)化方案下沿程池室及轉彎段流速分布結果見圖8。結果表明，與原設計方案相比，優(yōu)化后池室內水流流態(tài)得到了明顯改善，上游來流經過池室隔板后沿橫向擴散，主流流向在導板作用下偏向池室中央，在主流區(qū)兩側形成兩個回流區(qū)。

圖8 優(yōu)化方案不同斷面水深和轉彎段流速分布Fig.8 Distribution of flow velocity in sections with varied water depth and in turning section of optimization scheme

6 結 論

本文結合國內外研究成果和已建魚道工程的實踐經驗，采用Flow-3D計算流體力學軟件對某水電站組合隔板式魚道的布置方式進行了三維數值模擬，分析了水面線、魚道進出口和轉彎段池室不同斷面水流的流態(tài)、流速分布。得到以下結論：

(1)自由水面整體呈現均勻下降特性，各個池室水面較為平緩，池室內最低水位均出現在豎縫與堰口下游附近，相鄰池室經過隔板后水面變化較為明顯，在豎縫與堰口處有明顯水面跌落現象。

(2)魚道池室豎縫處流速分布范圍為0.76～0.89 m/s，平均流速為0.83 m/s；池室休息區(qū)流速為0.09～0.42 m/s；在下游轉彎段，其流速分布為0.50～0.66 m/s；魚道進口處最大流速為0.50 m/s，出口斷面平均流速為0.30 m/s。

(3)組合隔板式魚道在豎縫處會產生兩股射流使池室流場分布較為紊亂，在靠近豎縫隔板處存在明顯主流貼壁現象。為此開展優(yōu)化設計，優(yōu)化設計后主流偏向于池室中央，水流流速沿程衰減，利于魚類通過，主流兩側回流區(qū)域可為魚類提供較好的休息場所。因此，優(yōu)化后的魚道池室流態(tài)滿足魚類上溯要求。