戎貴文,楊緒婷,薄 飛,郭魯楠,賀 甜

(1.安徽理工大學地球與環(huán)境學院,安徽 淮南 232001;2.安徽省引江濟淮集團有限公司淮南建管處,安徽 淮南 232001)

水電開發(fā)在促進社會發(fā)展的同時也對水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響,河流筑壩導致河流縱向連通性降低,魚類洄游受阻引發(fā)洄游性魚類的數(shù)量減少,甚至種群滅絕[1]。為減輕水利水電工程建設(shè)對魚類洄游的不利影響,通常在河流上修建過魚設(shè)施,輔助魚類完成生命周期。過魚設(shè)施對于有效恢復水生生物多樣性以及推進生態(tài)文明建設(shè)具有現(xiàn)實意義。

魚道是一種供魚類洄游的過魚設(shè)施,豎縫式魚道因其能夠更好適應水位變化、符合多類型魚的上溯需求,在國內(nèi)外被廣泛應用。魚道流速是影響魚類通過效率的主要水力學指標,通過對豎縫式魚道結(jié)構(gòu)體型的研究,可以優(yōu)化魚道內(nèi)部的流速場分布。許多學者對豎縫式魚道作了大量研究,通過觀察魚道水流,發(fā)現(xiàn)過魚效率較高的魚道都具有滿足魚類輕松上溯的流態(tài)特征[2],而且主流位于中心位置、回流區(qū)面積接近的魚道水流對魚類洄游更為友好,使得魚類上溯消耗能量較少[3];魚道池室長寬比為1.25時,魚道池室具有較為穩(wěn)定的流態(tài)和可供魚類休息的回流區(qū)[4];魚道低坡度條件下,池室寬度與豎縫寬度之比為7時,魚道池室會出現(xiàn)主流撞壁的不利流態(tài)現(xiàn)象[5];魚道內(nèi)出現(xiàn)回流區(qū)過于靠近下游豎縫的流態(tài),將會增加魚類被沖刷至下游的風險[6]。豎縫式魚道隔板型式對魚道水力特性影響十分顯著,在魚道池室水位差較大的情況下,能夠通過調(diào)整魚道隔板改變流速[7];豎縫式魚道池室采用流線型墩頭能夠減小主流偏轉(zhuǎn)角度,有利于主流流速沿程衰減[8];豎縫式魚道中的豎縫寬度明顯影響池室場,豎縫寬度與池室寬度的比值在0.15～0.20范圍內(nèi),魚道內(nèi)縱向流速更加均勻且橫向流速值較小、流速條件較好[9]。水流的湍流特性對魚類上溯影響較大,過大的湍流動能(Turbulent Kinetic Energy,TKE)會增加上溯阻力,影響魚類洄游的成功率[10-11]。豎縫寬度及位置變化對魚道流場和湍流動能影響顯著,對魚道水力特性(流態(tài)、流速、紊動能等)的影響機理仍有待進一步研究。本文以江濟淮某工程魚道為研究對象,研究豎縫位置變化對魚道湍流動能、流場和回流區(qū)的影響,探討池室水流結(jié)構(gòu)最佳時的魚道豎縫相對位置,以期為同類型魚道工程設(shè)計提供參考。

1 數(shù)學模型

1.1 控制方程

RNGk-ε雙方程紊流模型應用于魚道水流模擬已經(jīng)較為成熟,該模型既能提供水流的時均特性,又能更好地模擬彎曲流線和高應變率的流動。本文采用RNGk-ε雙方程紊流模型研究魚道水力特性,采用VOF(Volume of fluid)方法捕捉自由液面,控制方程如下:

連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

k方程

(3)

?方程

(4)

對自由表面的捕捉采用VOF方法

(5)

式中,ui為各方向速度分量,m·s-1;F為水或空氣所占體積百分比。若F=1,表示水充滿了整個計算區(qū)域;若F=0,表示計算區(qū)域內(nèi)是空氣,水與空氣各自所占百分比的總和為1;函數(shù)F是空間和時間的函數(shù),即F=F(x,y,z,t)。

1.2 數(shù)值方法及邊界條件

1)數(shù)值方法 采用有限體積法離散控制方程,空間離散采用基于單元體的最小二乘法,動量方程、湍流動能、湍流耗散率均采用二階迎風格式,速度-壓力耦合計算采用壓力隱式算子分割法(PISO算法)[12]。

2)邊界條件 模型進口和出口邊界條件分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口邊界,并給定水深條件,以模擬魚道池室水流。其他壁面設(shè)置為無滑移邊界條件,模型與空氣交界面均采用壓力入口邊界。

2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

本文以引江濟淮某工程魚道為研究對象,按照1∶1比例進行建模,模型共包含15個魚道普通池室、1個休息池。圖1為魚道池室平面圖,池室長L為3m、寬度B為2.5m,休息池長度是魚道池室長度的兩倍,豎縫寬度為0.4m,豎縫法線與魚道中心線的夾角為45°,魚道內(nèi)部設(shè)同側(cè)隔板,隔板厚0.3m、長隔板長1.7m、短隔板長P=0.65m。

圖1 魚道池室平面結(jié)構(gòu)圖(單位mm)

本文通過改變豎縫在池室中的相對位置,研究短隔板與魚道寬(P/B)之比為0.18、0.26、0.34、0.42、0.5和0.58的6種工況(見表1)不同豎縫位置對魚道池室水力特性的影響。

表1 研究工況

模型采用六面體網(wǎng)格進行劃分,網(wǎng)格數(shù)為692 090,節(jié)點為754 344,如圖2所示。模擬過程迭代計算的殘差值為10-5,時間步長為0.01s。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

3 模型驗證

利用物理模型試驗結(jié)果對本文的數(shù)學模型進行驗證。物理模型試驗中,在中間魚道池室內(nèi)選取7個橫斷面,每個橫斷面間隔為0.5m;每個斷面縱向設(shè)9個測點,測點間隔為0.25m。池室共布置測點63個,如圖3所示。

圖3 測點分布圖(單位mm)

選取主要斷面Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ的流速實測值與數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證(見圖4)。從圖4中可以看出,所有測點中實測值的最大流速為0.68m/s,最小流速為0.03m/s,模擬結(jié)果的最大流速為0.74m/s,最小流速為0.04m/s,表明數(shù)值模擬的流速值與試驗結(jié)果基本吻合。因此,本文所構(gòu)建的數(shù)學模型是合理的。

(a)斷面Ⅰ (b)斷面Ⅲ (c)斷面Ⅵ

4 討論

采用所建立的數(shù)學模擬對6種工況分別進行模擬計算,得到魚道池室的流場和湍流動能,對不同工況下池室內(nèi)的水力特性進行分析。

4.1 池室流場特性

豎縫位置的改變對魚道池室流場有直接影響[13]。圖5為6種工況水深h=0.8 m剖面流場。

(a)工況1 (b)工況2

從圖5可知,主流從豎縫以射流形式流入池室,射流沿斷面呈現(xiàn)先擴散后收縮的趨勢,流速也隨之先降低后增高,兩側(cè)都有流速較低的回流區(qū)。主流區(qū)的流速分布和衰減率與魚類在上游過程中的體能消耗、上溯時間和洄游成功率密切相關(guān)[14]。對比發(fā)現(xiàn),6種工況的主流距池室左壁面漸遠,橫向擴散趨勢更明顯,彎曲程度加大。其中,工況1主流較為順直,偏轉(zhuǎn)角度小,主流靠近池室左側(cè);工況2、3主流彎曲角度比工況1大,主流呈“S”形;工況4、5、6的主流經(jīng)過上一個豎縫后向右側(cè)偏轉(zhuǎn)的角度較大,橫向?qū)挾葦U大,到達下一豎縫處收縮,部分水流貼近池壁沖擊下一池室擋板,工況6水流貼壁現(xiàn)象更加明顯。由此可見,改變擋板的長度會對主流軌跡產(chǎn)生影響。這與文獻[15]洄游魚類通常沿著主流向上游游動相一致。工況3中主流位于池室中央,這種流態(tài)對于魚類上溯有利,而工況5、6出現(xiàn)主流貼壁現(xiàn)象,在魚類上溯過程中可能會對魚體造成損傷,降低魚類存活能力。

根據(jù)以往的研究,洄游魚類需要以爆發(fā)泳速連續(xù)通過魚道豎縫,因此會消耗大量體能,需要適當休息后繼續(xù)上溯[16]?；亓鲄^(qū)能夠為魚類提供低流速休息環(huán)境,因此魚道回流區(qū)面積分布對魚類持續(xù)上溯十分重要。工況1中池室右側(cè)回流區(qū)面積較大,約為左側(cè)回流區(qū)的3倍;工況2、3左側(cè)回流區(qū)面積增加,工況3主流兩側(cè)回流區(qū)面積接近,分布較合理;工況4、5、6屬于同類型流場,兩側(cè)的回流區(qū)分布與工況1相反,主流左側(cè)有大面積回流區(qū),且隨著豎縫位置右移,左側(cè)回流區(qū)面積依次增加,主流右側(cè)回流區(qū)面積被主流壓縮。由此可見,豎縫位置距池室邊壁的距離應該控制在一定范圍內(nèi),否則會導致兩邊回流區(qū)面積分布差異很大,魚類容易在大面積回流區(qū)中迷失方向,降低魚類的通過效率。因此,P/B的取值范圍控制在0.26～0.34之間時,池室流態(tài)分布更適宜。

4.2 池室流速云圖

流速是魚道水力特性的重要參數(shù)之一,若池室流速大于魚類的爆發(fā)游速,魚類難以成功上溯。圖6展示的是6種工況下h=0.8m剖面的流速等值線云圖,6種工況均有明顯的流速分區(qū)現(xiàn)象。水流呈現(xiàn)多樣性,但流速分布差異不大,中層流速范圍0.10～1.0m/s,受主流偏轉(zhuǎn)影響,最大流速都出現(xiàn)在豎縫處及隔板前后;最大流速為0.9～1.0m/s左右,其中工況2～4主流流速峰值區(qū)面積較其他工況小。一般情況下,魚類上溯過程中會優(yōu)先選擇低流速區(qū)域通過[17]。故工況2～4的流速分布符合魚類洄游偏好。

(a)工況1 (b)工況2

隨著豎縫位置變化,流速較大的面積呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢,表明豎縫位置改變對主流最大流速分布有一定影響,但影響較小。文獻[18]對豎縫魚道體型作了相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)豎縫位置對主流流速的衰減及豎縫處流速分布影響不大,與本文的研究結(jié)果一致。豎縫位置靠近池壁時,最大流速面積增大。同時6種工況的主流高流速區(qū)面積較小,僅占單個池室面積的1/4左右,低速區(qū)分布在主流區(qū)兩側(cè),與回流區(qū)重合,為魚類提供了一個休息空間。低流速區(qū)分布有所不同,工況1～3池室左側(cè)的低流速區(qū)最大值均為0.2m/s,主流右側(cè)回流區(qū)流速全部低于0.1m/s;工況4左側(cè)回流區(qū)最大流速為0.3m/s,且最大流速區(qū)域面積增加,右側(cè)回流區(qū)面積較小,最大流速為0.2m/s;工況5左側(cè)回流區(qū)最大流速為0.2m/s,右側(cè)回流區(qū)最大流速為0.1m/s,主流左側(cè)低流速區(qū)面積較大;工況6左側(cè)回流區(qū)最大流速為0.3m/s,右側(cè)回流區(qū)最大流速為0.2m/s。相比前3種工況,后3種工況回流區(qū)流速大于0.2m/s的區(qū)域增加。當P/B的取值范圍控制在0.26～0.34之間時,池室流速分布更有利于魚類上溯。對比不同工況下魚道池室內(nèi)的流速分布,發(fā)現(xiàn)存在友好流態(tài)時,池室內(nèi)最大流速出現(xiàn)一定程度的降低,流態(tài)與流速之間的變化關(guān)系對于魚道設(shè)計具有參考價值。

4.3 池室湍流動能(TKE)

研究表明,魚類在上溯中都偏好利用低湍流動能區(qū)作為休息區(qū),然后再嘗試穿越更高流速和湍流區(qū)域,研究魚道池室TKE分布對提高魚道過魚效率具有重要意義[19-20]。6種工況h=0.8m剖面的TKE等值線云圖如圖7所示。

(a)工況1 (b)工況2

由7圖可知,整個池室的TKE的范圍在0～0.05m2/s2,隔板導角周圍的TKE值最大,并且沿射流方向衰減。主流區(qū)兩側(cè)的回流區(qū)TKE較小,回流區(qū)TKE范圍在0～0.02m2/s2的面積區(qū)域較大,流速與湍流動能成正相關(guān),意味著在低速區(qū)域也應提供低TKE值,主流流態(tài)的分布也存在很強的關(guān)聯(lián)。

隨著豎縫位置向池室中央靠近,湍流動能大于0.02m2/s2的范圍縮小。其中,工況1、2的湍流動能分布相似,靠近左側(cè)隔板的水流出現(xiàn)TKE的最大值0.05m2/s2,工況1中TKE≥0.02m2/s2區(qū)域的面積更大,沿豎縫前后延伸,兩種工況中TKE≥0.02m2/s2的面積占整個池室的1/4左右;工況3中湍流動能最大值為0.03m2/s2,對比前兩種工況,TKE最大值下降約40%,除了擋板兩側(cè)分布有大于0.02m2/s2的區(qū)域,池室中其他區(qū)域TKE值均在0.01m2/s2左右;工況4的TKE整體低于0.02m2/s2,TKE是所有工況中最小的,其TKE極值區(qū)靠池室右側(cè)分布,可能是由于主流與右側(cè)池壁和擋板產(chǎn)生摩擦;工況5、6的TKE最大值為0.05m2/s2,相比前兩種工況有所增加,湍流動能最大值位置出現(xiàn)在短擋板導角處,與工況1、2最大值出現(xiàn)位置基本一致,工況6的TKE變化更加劇烈。出現(xiàn)這種狀況是由于豎縫位置改變導致主流偏轉(zhuǎn)角增加,部分水流碰撞短擋板后導致紊流增大。綜上所述,豎縫位置改變對魚道池室TKE影響顯著,不僅改變了TKE分布的面積和位置,還影響其大小,豎縫位置位于池室偏中央處,TKE呈下降趨勢;當P/B取值范圍為0.34～0.42時,擋板對池室TKE減弱效果更好。我國魚類大部分游泳能力較弱,會避開魚道高流速和紊動能的區(qū)域,對鳙魚和草魚的上溯行為研究發(fā)現(xiàn),它們偏好的TKE范圍為0.02～0.043m2/s2[21],而幼年草魚在上溯時會避開TKE大于0.012m2/s2的區(qū)域[22]。本文研究認為,P/B取值范圍為0.34～0.42時能夠減弱魚道內(nèi)湍流動能,將魚道內(nèi)TKE最大值減小至0.02m2/s2,該結(jié)論對于魚道擋板設(shè)計有一定借鑒意義。

5 結(jié)論與展望

(1)豎縫相對位置改變對主流有明顯影響,P/B越大,主流彎曲程度越大。當P/B≥0.42時,主流出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象,左側(cè)的回流區(qū)面積過大,不適宜魚類上溯;當P/B在0.26～0.34范圍時,池室內(nèi)流態(tài)分布較好。

(2)豎縫位置變化導致魚道池室的湍流動能、回流區(qū)流速分布產(chǎn)生顯著變化,改變了魚道池室湍流的分布位置和區(qū)域;當0.34≤P/B≤0.42時,湍流動能相對較小,能夠減少魚類上溯阻力。從湍流動能、流速場分布綜合來看,當P/B為0.34時,池室內(nèi)的水流流態(tài)更有利于魚類洄游,能夠為魚道優(yōu)化設(shè)計和修復魚類生境提供參考。

(3)在魚道的寬度和長度確定的情況下,改變P/B比值是調(diào)節(jié)魚道主要水力學參數(shù)的一種最經(jīng)濟有效的方法,營造適宜的水流環(huán)境對提高豎縫式魚道的運行效果和生態(tài)效益非常重要。

對魚道水力特性造成影響的因素有很多,本研究立足豎縫相對位置變化對水力特性的影響,而實際天然水流環(huán)境更加復雜,流量的變化對魚道流場和湍流強度影響更大,未來可通過原型長期觀察試驗進一步揭示魚道水力特性的影響機理。