郭澤云

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

河流上閘壩的修建雖然滿足了“興水利、除水害”的目標(biāo)和要求，但另一方面當(dāng)眾多的水壩修建在同一條河流上時(shí)，將嚴(yán)重破壞河流的連通性，阻礙河水順暢下泄，從而引發(fā)河流的生物多樣性危機(jī)，特別是對(duì)魚類的影響更加明顯[1-2]。為消除或減少這種不利影響，人們發(fā)明了魚道。但有關(guān)研究表明，大多數(shù)已建魚道的過魚效果是偏低的[3]。主要原因除了由于管理不善而導(dǎo)致較差的過魚效果外，其最大的影響因素是缺乏對(duì)魚道水力學(xué)問題和魚類生物學(xué)問題的深入了解。如果能夠充分掌握問題背后所蘊(yùn)含的機(jī)理，魚道的真正效用完全可以發(fā)揮出來，這一點(diǎn)已得到相關(guān)研究的驗(yàn)證[4-5]。為此，本文主要針對(duì)國(guó)內(nèi)外研究人員在探索魚道水力學(xué)問題時(shí)采用的方法和結(jié)論進(jìn)行評(píng)述與分析。

1 魚道的類型與特點(diǎn)

在我國(guó)現(xiàn)行的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，按結(jié)構(gòu)型式可將魚道劃分為仿生態(tài)式、隔板式、槽式和特殊結(jié)構(gòu)型式等，其中后3種類型的魚道可統(tǒng)稱為技術(shù)型魚道。本文的研究對(duì)象為兩種最常見的技術(shù)型魚道——隔板式魚道和槽式魚道。

1.1 隔板式魚道

隔板式魚道也稱池式魚道，其按隔板的型式及消能機(jī)理的差異可分為豎縫式、溢流堰式、淹沒孔口式和組合式。在隔板式魚道的4個(gè)子類中，目前應(yīng)用最廣泛的是豎縫式魚道，而應(yīng)用前景最為看好的要屬組合式魚道，下面將重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)子類的水力特性研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。另外，關(guān)于這4個(gè)子類的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用性可參考相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 槽式魚道

槽式魚道可分為加糙式魚道和簡(jiǎn)單槽式魚道兩種，由于簡(jiǎn)單槽式魚道極少被采用，故在此不作闡述。而加糙式魚道，最為典型的代表非丹尼爾式魚道莫屬。丹尼爾式魚道的最大優(yōu)點(diǎn)在于其相比其它類型的魚道可以建的更陡，因而在建設(shè)成本上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。但其缺點(diǎn)也很明顯，例如水流紊動(dòng)大等等。需要特別指出的是關(guān)于它的適用性問題，很多文獻(xiàn)在描述丹尼爾式魚道的適用性時(shí)喜歡給它貼上一個(gè)標(biāo)簽——僅適用于大中型或游泳能力強(qiáng)的魚類通過，這是因?yàn)闆]能透徹地理解丹尼爾式魚道的寬度、底坡坡度、寬深比以及水池長(zhǎng)度同這個(gè)標(biāo)簽之間的相互關(guān)系。有研究表明，當(dāng)?shù)つ釥柺紧~道的底坡坡度放緩至一定程度時(shí)，體型較小的魚也可以通過，并且上溯成功率高達(dá)88%[6]。

2 魚道的水力特性研究

2.1 豎縫式魚道

Bermúdez等[7]采用物理模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)16種不同幾何結(jié)構(gòu)的豎縫式魚道進(jìn)行了研究，通過對(duì)這16種設(shè)計(jì)的生物學(xué)效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)池室的長(zhǎng)度是影響豎縫式魚道內(nèi)水流特性的主要因素。Bombac等[8]系統(tǒng)地研究了豎縫式魚道大小隔板間的偏轉(zhuǎn)角問題，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化該偏轉(zhuǎn)角可在流量和最大流速不變的情況下讓魚道建的更陡，從而能夠明顯地節(jié)省魚道的建設(shè)成本。Quaranta等[9]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)兩種豎縫式魚道內(nèi)的紊流場(chǎng)進(jìn)行了比較，得出標(biāo)準(zhǔn)豎縫式魚道內(nèi)的水力條件比簡(jiǎn)化的豎縫式魚道更適合魚類上溯的結(jié)論。Tarradel等[10]針對(duì)豎縫式魚道池室較大情況下產(chǎn)生的大回流區(qū)讓體型較小的魚類陷入困境的問題，利用粒子圖像速度場(chǎng)儀對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式的豎縫式魚道中的紊流進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，池室中的流態(tài)取決于池室的長(zhǎng)寬比，并就針對(duì)的問題提出了一種可能有效的方法，即在水池中某一位置插入一根圓柱。在Tarradel的研究基礎(chǔ)上，Calluaud等[11]對(duì)豎縫式魚道中某一位置有無圓柱存在情況下的紊流特性與瞬時(shí)流動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比研究，進(jìn)一步證明了在水池中增添圓柱的積極作用。該研究發(fā)現(xiàn)，在池室中增加圓柱能大幅降低局部區(qū)域的流速振幅、渦量和紊動(dòng)能，從而能夠讓魚類在洄游途中的能量消耗降到最低。Marriner等[12]利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和數(shù)值模擬的方法對(duì)豎縫式魚道轉(zhuǎn)彎段內(nèi)水流的水力特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎處的池室中增加隔板可以減小水流中的旋渦尺寸，并認(rèn)為這可能會(huì)有助于提高過魚效率。

邊永歡等[13、14]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)豎縫式魚道 90°和180°轉(zhuǎn)彎段的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)此類轉(zhuǎn)彎段內(nèi)存在容易導(dǎo)致魚類滯留的大尺度回流區(qū)，并針對(duì)這種不利流態(tài)進(jìn)行了改進(jìn)研究，得出增設(shè)整流導(dǎo)板可改善轉(zhuǎn)彎段水力條件的結(jié)論。王猛等[15]利用雷諾應(yīng)力(RSM)模型對(duì)在3種底坡坡度的同側(cè)豎縫魚道內(nèi)增設(shè)不同形狀障礙物后的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究表明，在正對(duì)豎縫下游的池室內(nèi)布置障礙物對(duì)豎縫處的最大流速影響不大，但能在一定程度上減小豎縫與障礙物之間的流速梯度。另外，在正對(duì)豎縫下游的池室內(nèi)布置圓柱型障礙物，能讓豎縫處的紊動(dòng)能和雷諾切應(yīng)力下降20%～30%左右。郭維東等[16]利用雷諾應(yīng)力模型分別對(duì)4種豎縫相對(duì)寬度的同側(cè)豎縫式魚道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)模擬的結(jié)果從水流形態(tài)、主流流速沿程衰減情況和紊動(dòng)能3個(gè)方面進(jìn)行了分析，得出豎縫相對(duì)寬度b0/B(b0為豎縫寬度，B為池室寬度)為0.15時(shí)的水流條件更有利于過魚的結(jié)論。呂強(qiáng)等[17]利用RNGk-ε紊流模型對(duì)池室長(zhǎng)寬比不同的9種雙側(cè)豎縫式魚道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，重點(diǎn)研究了上述9種池室長(zhǎng)寬比下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并據(jù)此將其大致分為了3類，初步指定適合魚類洄游的池室長(zhǎng)寬比區(qū)間。趙彬如等[18]為了研究豎縫位置對(duì)魚道內(nèi)水力學(xué)特性的影響，利用RNGk-ε紊流模型對(duì)7種工況下豎縫式魚道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，找到豎縫位置的合理布置范圍。張超等[19]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)3種墩頭型式的豎縫式魚道內(nèi)的水流流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并利用流線型墩頭魚道模型進(jìn)行了水力學(xué)試驗(yàn)。通過分析數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于折線型墩頭，流線型墩頭不會(huì)顯著改變池室內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)，但會(huì)導(dǎo)致豎縫處的流速偏大，因此將隔板與導(dǎo)板墩頭流線型化看作是一種改進(jìn)還需要進(jìn)一步的確定。

2.2 組合式魚道

Yagci[20]利用溢流堰與孔口組合式魚道進(jìn)行了水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)出關(guān)于該類魚道的單位水體功率耗散方程和關(guān)于隔板上的槽口與潛孔的流量系數(shù)表達(dá)式，并指出這一成果將有助于此類組合式魚道的設(shè)計(jì)。黃明海等[21]利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型對(duì)豎縫與潛孔組合式魚道進(jìn)口渠段內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要對(duì)魚道池室、潛孔和豎縫等部位的流態(tài)、流速、紊動(dòng)能和渦量進(jìn)行了計(jì)算分析，得出這些水力學(xué)因子在水池內(nèi)的大小分布規(guī)律。王琲等[22]利用RNGk-ε紊流模型對(duì)溢流堰與豎縫組合式魚道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)3種水深情況下池室內(nèi)的流速和紊動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算分析，并給出池室內(nèi)流速以及紊動(dòng)能情況隨水深增加的變化規(guī)律。劉鵠等[23]以長(zhǎng)洲魚道為研究對(duì)象，利用RNGk-ε紊流模型對(duì)豎縫與潛孔組合式魚道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分別就設(shè)計(jì)流量條件下的池室流速、紊動(dòng)能和魚道進(jìn)口流量變化對(duì)魚類洄游的影響進(jìn)行分析。

2.3 丹尼爾式魚道

Katopodis等[24]采用物理模型試驗(yàn)的方法，對(duì)不同幾何結(jié)構(gòu)的丹尼爾式魚道進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，從豎直方向上來看，丹尼爾式魚道底板附近的流速較低，可讓游泳能力較差的魚通過；而自由水面附近的流速則較大，僅適合游泳能力較強(qiáng)的魚使用。此外，通過分析沿主流方向的流速剖面圖發(fā)現(xiàn)，流速?gòu)某氐椎阶杂伤媸侵饾u增大的，這就意味著必須對(duì)丹尼爾式魚道內(nèi)的水深進(jìn)行合理控制，否則將無法獲得有效的水力條件。Rajaratnam等[25]通過物理模型試驗(yàn)對(duì)丹尼爾式魚道180°轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水力特性進(jìn)行了研究，指出在轉(zhuǎn)彎段可以讓水流實(shí)現(xiàn)順利偏轉(zhuǎn)。佟雪豐等[26]對(duì)不同流量條件下丹尼爾式魚道內(nèi)的紊流特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，但僅對(duì)其中一種工況的紊流特性進(jìn)行了研究，并且只選取兩種水深平面進(jìn)行分析，對(duì)水池內(nèi)紊流信息的挖掘不夠充分。

3 結(jié) 論

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚道水力學(xué)問題研究所采用的方法主要有兩種，即物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算，其中近年來對(duì)數(shù)值模擬的利用頻率明顯更高。在研究?jī)?nèi)容上，主要有以下3個(gè)方面：①調(diào)整池室內(nèi)各結(jié)構(gòu)部分的位置或尺寸；②增設(shè)額外障礙物；③改變來流條件。另外，對(duì)于魚道水力特性的研究，不再只限于流速和流態(tài)，對(duì)于描述紊流特點(diǎn)的物理量也越來越受到研究者的重視。