［挪威］ R.福里希 等

1 概述

對(duì)洄游性魚類來(lái)說(shuō)，不論是上溯還是下行，過(guò)魚通道的暢通是非常重要的，因?yàn)檫@些魚類產(chǎn)卵時(shí)需在淡水和海水水域間穿梭洄游。隨著流域的開(kāi)發(fā)，魚類的上溯洄游常受到人為障礙物的阻隔，尤其是壩堰和涵洞。過(guò)去人們只是關(guān)注具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的大型洄游性魚類，而現(xiàn)在已意識(shí)到，保證更多的魚種、不同大小的魚體，以及其他水生動(dòng)物自由遷徙也同樣重要。遷徙障礙引發(fā)的問(wèn)題在全世界普遍存在，目前大多數(shù)研究關(guān)注的是優(yōu)先改造障礙物以改善魚類的通行條件，或設(shè)計(jì)一種方便魚類通過(guò)障礙物的魚道。遺憾的是，在眾多的溪流交叉處，工程師們?cè)O(shè)計(jì)新涵洞時(shí)，仍主要關(guān)注結(jié)構(gòu)的水力效率最大化和造價(jià)的最低，而忽視了魚類及無(wú)脊椎動(dòng)物對(duì)棲息地和自由遷徙的需求。一條涵洞是否會(huì)成為魚類遷徙的障礙，取決于眾多因素，包括洞內(nèi)的水流流速和魚類的游動(dòng)能力。同時(shí)，在高速水流環(huán)境中，是否存在供魚類休息的低流速區(qū)域也是涵洞設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。因此，幫助魚類在內(nèi)河障礙物附近順利上溯洄游的設(shè)計(jì)方案，必須根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和可能通過(guò)的魚種或種群進(jìn)行優(yōu)化。

魚類在以較低游速(持續(xù)游速)游動(dòng)時(shí)，可以毫不停歇地游動(dòng)很長(zhǎng)一段距離，但通常情況下，隨著水流流速增大，魚類能夠連續(xù)游動(dòng)的最遠(yuǎn)距離會(huì)逐漸減小，尤其是當(dāng)它們突發(fā)性地加速游動(dòng)時(shí)。學(xué)者米切爾曾做過(guò)試驗(yàn)，測(cè)試了經(jīng)常在澳大利亞和新西蘭出現(xiàn)的各種小型淡水魚種的游動(dòng)能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些魚類的持續(xù)游速均在0.2～0.3 m/s之間。突發(fā)性地加速主要與魚體的長(zhǎng)度和游動(dòng)時(shí)間相關(guān)，利用學(xué)者波比等人提出的關(guān)系式，可以計(jì)算出70 mm長(zhǎng)的大斑南乳魚可以0.87 m/s的速度連續(xù)游動(dòng)5 s。

多數(shù)情況下，建造一座與天然河流同寬和具有河床特征的理想涵洞是不可能的，所以也不可能像天然河流那樣為魚類洄游提供低流速水流區(qū)域和(或)充足的休息區(qū)域(圖1(a))。雖然在修建涵洞時(shí)，通常可避開(kāi)魚類明顯無(wú)法通過(guò)的懸垂式出口的涵洞(圖1(b))，但較之原河道，涵洞的糙率更小，坡度更陡，而且過(guò)水?dāng)嗝娓M窄，這樣的建筑物中，如果水流流速和需要通行的距離超出目標(biāo)魚類的游泳能力，而且沒(méi)有可供魚類休息的場(chǎng)所，魚類將無(wú)法越過(guò)障礙物上溯。

研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)具有圓筒特征的圓形涵洞，以使諸如大斑南乳魚這樣的小型魚類的上溯洄游率最大化。大斑南乳魚生活在南半球，具有和許多小型洄游性魚類相似的游動(dòng)性。

圖1 涵洞設(shè)計(jì)

2 初始實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為降低涵洞內(nèi)水流流速，并為魚類洄游提供休息場(chǎng)所，研究人員提出了幾種設(shè)計(jì)方案(圖2)。為更好地了解這些設(shè)計(jì)的水力特征，并確定哪種方案對(duì)降低水流流速效果最佳，筆者對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了回顧。結(jié)果表明，單純考慮水力學(xué)，堰式和槽堰式擋板系統(tǒng)在減小水流流速和增大涵洞內(nèi)水深方面最為有效。但如何讓魚類順暢洄游的不同擋板布置方式，幾乎還沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)研究和試驗(yàn)，為此，作者對(duì)最受推崇的設(shè)計(jì)進(jìn)行了室內(nèi)外初步試驗(yàn)。

圖2 涵洞過(guò)魚不同擋板布置

最初試驗(yàn)是在長(zhǎng)7 m、直徑0.48 m、坡度3%的開(kāi)放鋼管底部釋放長(zhǎng)50～70 mm的大斑南乳魚，并進(jìn)行觀察和視頻記錄。鋼管按照?qǐng)D2所描述的4種擋板設(shè)計(jì)依次進(jìn)行了裝配。觀察發(fā)現(xiàn)，單純考慮建筑物的水力特性并不能解決魚類通行問(wèn)題，而且能減小水流流速的最佳方案也不一定能最好地解決過(guò)魚問(wèn)題。例如，魚類嘗試通過(guò)裝有阿爾伯塔堰式擋板的涵洞時(shí)，視頻清晰地顯示，魚因布置有擋板而迷失了方向，不愿意輕易越過(guò)這些堰式擋板。大多數(shù)試驗(yàn)情況下，可以觀察到魚類在前兩個(gè)堰板之間變得不知所措，只能是來(lái)回游動(dòng)。偶然可以見(jiàn)到的情形是，在經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)來(lái)回游動(dòng)的某個(gè)時(shí)間段后，魚類才能通過(guò)第2級(jí)堰板上溯，而到了下一級(jí)堰板后又不知所措了。在布置有堰式擋板和槽堰式擋板的涵洞中，也觀察到了類似的情形。

相反，對(duì)布置有擾流式擋板的涵洞，試驗(yàn)表明，魚類通過(guò)這種涵洞時(shí)，上溯洄游過(guò)程似乎非常容易。采用這種擋板布置，魚類能很快地游向上游，并且毫不費(fèi)力地通過(guò)整個(gè)涵洞。

接下來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是將擾流板粘附在一座中型(直徑1.35 m)涵洞底部，試驗(yàn)表明，這些擋板造就了足夠的低流速區(qū)和休息區(qū)，方便體長(zhǎng)50～70mm的魚通行。擾流板除了對(duì)魚類上溯洄游有積極的作用外，還有易于安裝的特點(diǎn)，可以將單個(gè)的木塊固定在混凝土壁上，或把數(shù)個(gè)先預(yù)制好的塑料板塊整體附著在管壁內(nèi)。

3 數(shù)值模擬模型

在證實(shí)了擾流板為環(huán)境友好型，并能幫助魚類上溯洄游的最有效的方法后，深入研究了擾流板對(duì)涵洞內(nèi)流場(chǎng)的影響。為確定擾流板設(shè)計(jì)的幾何尺寸，采用流體科學(xué)有限公司研發(fā)的具有商業(yè)用途的三維數(shù)值分析軟件Flow－3D進(jìn)行分析。該軟件不僅能夠計(jì)算三維流場(chǎng)，還能非常準(zhǔn)確地確定水面高程。該方法利用有限差分法(控制體積法)求解雷諾平均Navier－Stokes(RANS)方程(包括連續(xù)性方程(1)和動(dòng)量方程(2))。

式中，Ui為i方向時(shí)間t內(nèi)的平均流速，x為空間幾何比尺，Ai為各個(gè)網(wǎng)格中垂直于水流方向的截面面積，VF為各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的流體部分，ρ為水的密度，P為壓力，Gi為重力，fi為雷諾應(yīng)力加上雷諾平均。

采用重正化群k－ε紊流模型求解fi，采用式(3)計(jì)算紊流渦流黏度。

式中，k為紊動(dòng)能，ε為紊動(dòng)能耗散速率，其遷移方程表達(dá)如下:

重正化群 k－ε 紊流模型中常量 Cμ=0.085，Cε1=1.42，Cε2基于 k，ε 和重正化群模型的剪切率計(jì)算得出，σk=0.72，σε=0.72。

在Flow－3D中，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由一個(gè)六面體組成，而該六面體又由細(xì)化的許多不同大小的六面體構(gòu)成。為解釋這個(gè)復(fù)雜的幾何體，建立了由幾個(gè)相鄰塊組成的多塊網(wǎng)格。在該網(wǎng)格中可以插入幾何實(shí)體，分別是:圓柱、球體和方體等簡(jiǎn)單元素;三維數(shù)據(jù)、比如地形圖數(shù)據(jù);對(duì)更為復(fù)雜的幾何體，可以從CAD軟件中導(dǎo)出三維文件格式。

立體光刻(STL)文件，實(shí)體表面近似成三角形，在目前工作中被用于導(dǎo)入涵洞的幾何圖形。

Flow－3D采用流體體積法(VOF)追蹤自由表面。一個(gè)網(wǎng)格單元的自由橫斷面由一附加標(biāo)量信息(F)表示，表明存在于那個(gè)特定單元內(nèi)的水的百分比。當(dāng)單元內(nèi)充滿空氣時(shí)，標(biāo)量為0，當(dāng)單元內(nèi)充滿水時(shí)，標(biāo)量為1。

在0＜F＜1時(shí)，一個(gè)網(wǎng)格的自由橫斷面的確切位置由網(wǎng)格本身及其相鄰網(wǎng)格的標(biāo)量信息所決定。同樣，該平面的法向量也能夠確定。對(duì)于F，必須求解一個(gè)額外的遷移方程。

標(biāo)量信息用來(lái)滿足連續(xù)性和保證動(dòng)量守恒。運(yùn)用部分區(qū)域?qū)嶓w體積法(FAVOR)，以表示Flow－3D中的復(fù)雜幾何體，其原理與流體體積法(VOF)相同，唯一不同的是它代表的是實(shí)體，而非流體。在運(yùn)用FAVOR法時(shí)，要選擇合適的網(wǎng)格分辨率，以便正確地描述數(shù)值模型內(nèi)擾流板的幾何形狀。一旦水位不再有明顯變化，并且進(jìn)出口水流流量相等，數(shù)值模擬便宣告結(jié)束。

現(xiàn)用一條布置有擾流板的涵洞(直徑1.32 m，坡度0.76%)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。該涵洞位于澳大利亞墨爾本卡迪尼亞(Cardinia)溪流的托馬斯路跌水建筑物上。流量量測(cè)采用電磁流量計(jì)，并與涵洞進(jìn)口下游17.65 m處的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較(圖3)。與此同時(shí)，進(jìn)行過(guò)魚試驗(yàn)，觀察在設(shè)有擾流板的情況下魚類上溯洄游的可能性，并在擾流板后提供休息區(qū)。研究證實(shí)，所用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)則可用于研究不同尺寸的涵洞內(nèi)擾流板的布置，而且洞內(nèi)裝有擾流板，有助于洞內(nèi)的魚上溯洄游。

圖3 在流量Q=0.211 m3/s時(shí)，卡迪尼亞溪流涵洞進(jìn)口下游17.65 m處數(shù)值模擬流速值(上圖)與實(shí)測(cè)流速值(下圖)的比較

4 擾流板的幾何形狀與布置方式

為驗(yàn)證卡迪尼亞溪流涵洞內(nèi)擾流板設(shè)計(jì)的有效性，測(cè)試了幾種不同的擾流板幾何形狀和布置方式。在卡迪尼亞溪流涵洞內(nèi)采用的擾流板尺寸(長(zhǎng)0.25 m，寬0.12 m，高0.12 m)和板間距離(橫向0.12 m，縱向0.2 m)，在該研究中被稱為標(biāo)準(zhǔn)擾流板布置形式。按照擾流板至少覆蓋涵洞底部1/3區(qū)域的原則，確定了洞內(nèi)擾流板的數(shù)量。這樣做主要是為了在平均流量和低流量時(shí)，能保持涵洞的邊緣存在休息區(qū)域。因?yàn)樵谳^高流量情況下，魚類上溯洄游會(huì)受到限制，所以涵洞內(nèi)的最大水流流量控制在洞內(nèi)過(guò)水能力的30%。

利用4種不同尺寸的擋板(圖4)，以4種不同的流量(0.110，0.220，0.275 m3/s和0.330 m3/s)進(jìn)行試驗(yàn)。按照一行布置3個(gè)，相鄰行布置4個(gè)的原則，在直徑1.3 m、坡度1.2%的洞內(nèi)交替布置擋板。表1示出了擋板間的不同橫向和縱向間距以及試驗(yàn)代碼。

圖44種不同尺寸的擋板

表1 擋板布置形式、尺寸及代碼

試驗(yàn)結(jié)果表明，即使在最大流量情況下，與無(wú)擾流板的涵洞相比，所有布置有擾流板的涵洞內(nèi)擾流板間的流速都明顯減小。此外，最大的擾流板(B型)在涵洞內(nèi)產(chǎn)生了較高的水位，因此該類型涵洞的輸水能力損耗最多。與較短的擋板相比，較長(zhǎng)擋板(D型)在橫向擋板間產(chǎn)生了更大范圍的高流速區(qū)，這種情況下將使小魚更難通過(guò)此建筑物完成上溯。

較短的擋板(C型)，適宜魚類洄游的水力條件較好，但這種結(jié)構(gòu)安裝量較大，因此造價(jià)比較昂貴。由此可以看出，標(biāo)準(zhǔn)式擋板設(shè)計(jì)對(duì)于降低流速、抬升洞內(nèi)水位和減少安裝費(fèi)用是最好的折衷方案。因此，后續(xù)的試驗(yàn)研究也主要集中在此種設(shè)計(jì)。

5 涵洞直徑的影響

迄今為止，在大多數(shù)研究中，擾流板的尺寸均與涵洞直徑有關(guān)，而與遷徙魚類的體長(zhǎng)無(wú)關(guān)。為了確定標(biāo)準(zhǔn)尺寸擋板是否適合于各種尺寸類型的涵洞，另外又進(jìn)行了模擬研究。在模擬試驗(yàn)中，將涵洞的坡度定為1.2%，設(shè)置4種不同的流量，涵洞直徑分別為2，3 m和4 m。由于涵洞尺寸不同，需要調(diào)節(jié)流量來(lái)獲得相同的水深與涵洞直徑比。

在高流量情況下對(duì)一條直徑為4 m的涵洞進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明，即使在大型涵洞內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的擾流板依然可以在涵洞的底部和邊緣附近產(chǎn)生足夠?qū)挼牡土魉賻?，能夠幫助小型魚類完成上溯洄游。但在直徑最大的涵洞內(nèi)，因?yàn)樗髁魉倏赡芙挡幌聛?lái)，魚類無(wú)法持續(xù)上溯游過(guò)整個(gè)涵洞。幸好在每個(gè)擾流板后面提供有足夠低流速的魚類休息區(qū)，所以上述情況基本不會(huì)發(fā)生。

雖然涵管內(nèi)設(shè)置擾流板對(duì)魚類頗有益處，但它確實(shí)增加了涵洞內(nèi)淤堵垃圾的風(fēng)險(xiǎn)，較小涵洞更是如此。根據(jù)涵洞內(nèi)洄游魚類的體形大小而非涵洞直徑來(lái)擬定擾流板的尺寸，則可顯著降低這種風(fēng)險(xiǎn)。

6 擾流板對(duì)涵洞輸水能力的影響

盡管涵洞內(nèi)設(shè)置擾流板的確改善了過(guò)魚條件，但由于增大了洞內(nèi)水深，因此洞內(nèi)的輸水能力降低。為了評(píng)估這種影響，對(duì)設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)擋板的不同尺寸的涵洞進(jìn)行了模型試驗(yàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)擋板覆蓋了大約涵洞直徑1/6的面積。結(jié)果表明，擾流板一旦被淹，則對(duì)涵洞過(guò)水能力的影響就不再有變。此外，隨著涵洞直徑的增大，由擋板導(dǎo)致的涵洞輸水能力的損失會(huì)有所減小(見(jiàn)表2)。

表2 設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)擾流板的不同直徑的涵洞輸水能力損失

為了進(jìn)一步核實(shí)擋板對(duì)涵洞輸水能力的影響，確保所用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型得出合理的結(jié)論，對(duì)涵洞直徑、坡度及表面粗糙度對(duì)涵洞過(guò)水能力的影響進(jìn)行了更為詳盡的研究。

伊德(Ead)等學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出無(wú)量綱流量Q*、坡度和涵洞直徑之間的關(guān)系式如下:

式中，Q為流量，g為重力加速度，S0為涵洞坡度，D為涵洞直徑。

作者還推導(dǎo)出無(wú)量綱流量和相對(duì)水深y0/D(y0為平均水深)之間的關(guān)系式:

式中，α和β為系數(shù)，其值隨h/D的變化而調(diào)整，h為擋板高度。

式中，l和s為式(8)和式(9)中的無(wú)量綱流量;n為對(duì)應(yīng)一種h/D情況下的無(wú)量綱流量的總數(shù)。α，β和的取值見(jiàn)表3。

表3 對(duì)應(yīng)不同h/D的α，β和R2t的取值

利用得到的α和β值，計(jì)算出不同的直徑、流量和坡度，以及全部裝有標(biāo)準(zhǔn)尺寸擾流板的涵洞內(nèi)無(wú)量綱流量與相對(duì)水深之間的關(guān)系式。然后將該結(jié)果與伊德等學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較(圖5)。

圖5 不同擋板和涵洞尺寸時(shí)，無(wú)量綱流量Q*與相對(duì)水深y0/D之間的回歸曲線

總體而言，現(xiàn)有分析結(jié)果與伊德等學(xué)者的研究結(jié)果能較好吻合。但在光面管壁的涵管中，卻發(fā)現(xiàn)有很大的區(qū)別(圖5)。這主要是因?yàn)槟M試驗(yàn)是在光滑的圓形混凝土管內(nèi)進(jìn)行的，等效砂粒粗糙性為0.007 m，而伊德等學(xué)者在試驗(yàn)中采用的是一座更為光滑的涵管。

結(jié)果表明，隨著h/D值增加，無(wú)量綱流量Q*和y0/D之間的關(guān)系曲線向右偏移(圖5)。這種變化是由擾流板引起的附加粗糙度造成的。當(dāng)h/D值較大時(shí)，由擾流板引起的附加粗糙度的影響在涵管粗糙度整體影響中占主導(dǎo)地位。對(duì)于光面涵管，原來(lái)的 α和 β值必須調(diào)整30%左右，但當(dāng)h/D=0.092時(shí)，則僅需調(diào)整約10%。

7 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)行研究表明，擾流板可用于減小涵洞內(nèi)的水流流速。但擋板的幾何形狀和布置需要考慮魚類的需求(例如，魚類體形尺寸、游泳能力和對(duì)休息區(qū)域的需求，轉(zhuǎn)而也取決于涵洞長(zhǎng)度和水流流速)。對(duì)于小體形魚類(體長(zhǎng)小于100 mm)，該研究中采用的標(biāo)準(zhǔn)擾流板尺寸和布置方式對(duì)不同直徑的涵洞均為較好的解決方案。因此，不必隨涵洞直徑加大而增加擋板尺寸。由于擋板對(duì)表面粗糙度的影響，隨著涵洞直徑增大，洞內(nèi)水位降低，輸水能力減小，所以這一點(diǎn)對(duì)大型涵洞來(lái)說(shuō)尤為重要。

由伊德等學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)得到的擋板高度和涵洞直徑的比值與無(wú)量綱流量之間的關(guān)系，可由現(xiàn)行的數(shù)值模擬分析軟件成功再現(xiàn)，這不僅表明了所用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)，也為量化涵洞粗糙度對(duì)流量的影響提供了方法。因此，所得到的關(guān)系式可用于評(píng)估不同直徑和坡度的涵洞，但對(duì)粗糙度不同的涵管，當(dāng)h/D小于0.1時(shí)，必須對(duì) α和 β進(jìn)行修正。