朱澄浩，李衛(wèi)明，郭澤云，粟一帆，彭 湃

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

0 引 言

魚(yú)道是一種重要的魚(yú)類保護(hù)措施，對(duì)于幫助魚(yú)類在河流中自由洄游具有重要的意義。從水力學(xué)的角度來(lái)講，魚(yú)道是一種消減能量、降低流速的裝置，而丹尼爾式魚(yú)道則是消能效果最佳的魚(yú)道類型之一[1]。標(biāo)準(zhǔn)丹尼爾式魚(yú)道利用隔板阻擋水流，使水流與后續(xù)來(lái)流發(fā)生碰撞，從而達(dá)到消能和降低流速的目的。標(biāo)準(zhǔn)丹尼爾式魚(yú)道過(guò)水?dāng)嗝媸蔷匦魏腿切蔚慕M合，由于三角形斷面的水力半徑小于矩形斷面(面積相同的情況下)，減少三角形斷面過(guò)流，池室水位壅高，進(jìn)而為喜好在表層水域活動(dòng)的魚(yú)類創(chuàng)造更適宜的水深環(huán)境[2]，但這種設(shè)計(jì)使喜歡在底層水域活動(dòng)的魚(yú)類(特別是體形較大的魚(yú))從三角形斷面通過(guò)時(shí)易被刮傷。

Mallen-Cooper等[3]通過(guò)放魚(yú)試驗(yàn)對(duì)3種不同坡度8.3%(1∶12)、14.3%(1∶7)和20%(1∶5)的丹尼爾式魚(yú)道供不同體長(zhǎng)魚(yú)類通過(guò)的潛能進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)魚(yú)道的坡度為8.3%時(shí)可供所有體長(zhǎng)范圍(體長(zhǎng)范圍為45～350 mm)的魚(yú)通過(guò)，上溯成功率高達(dá)88%，這一結(jié)果表明丹尼爾式魚(yú)道也適合體形較小和游泳能力弱的魚(yú)類上溯通過(guò)，并認(rèn)為通過(guò)控制魚(yú)道的設(shè)計(jì)參數(shù)(如坡度、長(zhǎng)度、寬度和深寬比等)可以極大地?cái)U(kuò)展丹尼爾式魚(yú)道的應(yīng)用范圍。隨著研究地不斷深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚(yú)道設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)水力特性的影響研究取得了較大的進(jìn)展。Katopodis等[4]通過(guò)試驗(yàn)較早地發(fā)現(xiàn)丹尼爾式魚(yú)道中心剖面處的流速?gòu)聂~(yú)道底部至水面呈現(xiàn)由小增大的趨勢(shì)，并分別就B/b與a/b(其中，B為槽身凈寬；b為隔板過(guò)水?dāng)嗝鎯魧?；a為隔板間距)的變化對(duì)魚(yú)道水力特性的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Rajaratnam等[5]通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)丹尼爾式魚(yú)道180°轉(zhuǎn)彎段內(nèi)的水力特性進(jìn)行了研究，指出在轉(zhuǎn)彎段可以讓水流順利偏轉(zhuǎn)。Katopodis等[6]通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)不同幾何結(jié)構(gòu)的丹尼爾式魚(yú)道進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，從豎直方向上來(lái)看，丹尼爾式魚(yú)道底板附近的流速較低，可讓游泳能力較差的魚(yú)通過(guò)，而自由水面附近的流速則較大，適合游泳能力較強(qiáng)的魚(yú)使用。佟雪豐等[7]對(duì)丹尼爾式魚(yú)道內(nèi)的紊流特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要對(duì)兩種水深平面上的流速分布、紊動(dòng)能、紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾切應(yīng)力進(jìn)行了分析。胡健[8]利用數(shù)值模擬的方法探討了魚(yú)道坡度(8%、10%、12%和14%)、隔板形式(拱形隔板與平面隔板)以及增設(shè)圓柱形障礙物分別對(duì)丹尼爾式魚(yú)道內(nèi)水力特性的影響。

綜上所述，丹尼爾式魚(yú)道隔板形式變化改變了池室內(nèi)水力特性，適當(dāng)改變魚(yú)道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸或形式，魚(yú)道內(nèi)的水流流態(tài)更適合魚(yú)類上溯。研究表明，影響魚(yú)道過(guò)魚(yú)效果的水力因素不僅包含流態(tài)和流速，紊流特性對(duì)魚(yú)類上溯也有重要影響，而目前的許多研究?jī)H用了流態(tài)和流速來(lái)表征魚(yú)道的水力特性。基于此，本文用物理試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可行性，并運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)丹尼爾式魚(yú)道隔板形式變化對(duì)魚(yú)道內(nèi)流速流態(tài)、紊動(dòng)能的影響著重分析，為魚(yú)道設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 研究方法

1.1 物理模型試驗(yàn)

依據(jù)NB/T 35054—2015《水電工程過(guò)魚(yú)設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》建立了比尺為1∶1的丹尼爾式局部試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jiàn)圖1。魚(yú)道模型全長(zhǎng)18.8 m，槽身寬1 m，底坡坡度8.3%，相鄰兩隔板之間間距1.28 m，魚(yú)道內(nèi)設(shè)12個(gè)池室，隔板垂直于魚(yú)道底板，隔板詳細(xì)設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)魚(yú)道上游端與穩(wěn)水池相連，下游端設(shè)有可調(diào)節(jié)開(kāi)度的尾門。在試驗(yàn)過(guò)程中，水流經(jīng)過(guò)矩形薄壁堰后進(jìn)入穩(wěn)水池再流入魚(yú)道，通過(guò)尾門控制下游水深，實(shí)際入流流量由矩形量水堰測(cè)得。為便于觀察魚(yú)道內(nèi)的水流情況，該試驗(yàn)魚(yú)道兩側(cè)的邊墻采用有機(jī)玻璃制成。試驗(yàn)采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀對(duì)魚(yú)道內(nèi)測(cè)點(diǎn)的流速進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)工況為進(jìn)口流量0.2 m3/s，上游水深0.6 m，下游水深0.7 m。

圖1 丹尼爾式魚(yú)道水工模型

圖2 隔板尺寸(單位：cm)

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型建立：參照水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑼叽绲牡つ釥柺紧~(yú)道數(shù)值模型，將順?biāo)鞣较蚨閤軸正方向，魚(yú)道左岸方向?yàn)閥軸正方向，重力反方向?yàn)閦軸正方向確定坐標(biāo)系，在模型中設(shè)置魚(yú)道上游水體在x方向的范圍為1.5 m，下游水體在x方向的范圍為2.3 m，以基座底邊和魚(yú)道邊墻最高點(diǎn)作為網(wǎng)格塊輪廓線在z方向的上、下限，進(jìn)行全流場(chǎng)精細(xì)模擬。

網(wǎng)格劃分：模型性質(zhì)設(shè)為固體，單位為SI制，模型設(shè)一個(gè)網(wǎng)格塊，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，設(shè)定合適網(wǎng)格總數(shù)使網(wǎng)格單元在各方向上的尺寸保持在0.02 m左右。

邊界條件與初始條件：模型進(jìn)出口邊界條件設(shè)為壓力邊界，根據(jù)水工模型試驗(yàn)條件設(shè)置相應(yīng)進(jìn)口水深為0.6 m，出口水深為0.7 m。魚(yú)道兩側(cè)的邊墻及魚(yú)道底部選擇固壁邊界，魚(yú)道頂部設(shè)壓力邊界，流體分?jǐn)?shù)設(shè)為0。初始條件設(shè)置限定魚(yú)道上下游水體的范圍，根據(jù)計(jì)算區(qū)域可確定上下游水體在x、y方向的范圍，上下游水體的深度根據(jù)魚(yú)道進(jìn)出口壓力邊界條件確定，分別為0.6 m和0.7 m。

表1 不同隔板型式模擬方案

1.3 模型驗(yàn)證

(1)流速驗(yàn)證。進(jìn)出口水流由于受到穩(wěn)流池和尾門的影響，極不穩(wěn)定，為了降低試驗(yàn)誤差和減小池室兩邊擋板的影響，選取試驗(yàn)?zāi)Ｐ?號(hào)水池中央斷面表層12個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流速校核，相鄰測(cè)點(diǎn)的間距為10 cm。6號(hào)水池中央斷面表層流速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值結(jié)果對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，測(cè)點(diǎn)流速值大于0.6 m/s，此流速范圍是魚(yú)類上溯主要集中的區(qū)域，因此某一處測(cè)點(diǎn)流速略有偏差不影響模型的結(jié)果。

(2)水深驗(yàn)證。魚(yú)道1～12號(hào)水池內(nèi)平均水深的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如圖4所示。由圖4可知，6號(hào)水池的水深測(cè)量斷面水深對(duì)比分析滿足要求，因此此數(shù)值模擬方法可以采用。

圖3 6號(hào)池室表層流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

圖4 魚(yú)道內(nèi)水深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

1.4 不同隔板形式數(shù)值模擬

模型試驗(yàn)結(jié)果證明了數(shù)值模型方法是可行的。為了研究不同隔板形式對(duì)水力特性的影響，模擬了4組不同隔板形式的丹尼爾魚(yú)道模型，魚(yú)道內(nèi)部設(shè)5個(gè)池室，底坡坡度為1∶10，隔板與魚(yú)道底板夾角為45°，不同隔板形式的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，隔板細(xì)部構(gòu)造如圖5所示。

圖5 不同隔板細(xì)部(單位：m)

2 結(jié)果與分析

2.1 隔板形式對(duì)流速分布的影響

以3號(hào)池室為例，對(duì)魚(yú)道內(nèi)的水力特性進(jìn)行研究；選取0.25h、0.5h、0.75h3個(gè)水深層對(duì)水池內(nèi)的水力特性進(jìn)行分析。對(duì)丹尼爾式魚(yú)道水力特性及魚(yú)類行為研究表明，丹尼爾式魚(yú)道內(nèi)主流區(qū)的水流流速要大于魚(yú)類感應(yīng)流速，要使魚(yú)類順利上溯，魚(yú)道設(shè)計(jì)流速(隔板過(guò)水?dāng)嗝嫔系淖畲罅魉僦?應(yīng)小于目標(biāo)魚(yú)類的突進(jìn)游泳速度，水池中(不含隔板過(guò)水?dāng)嗝?的水流流速小于目標(biāo)魚(yú)類的臨界游泳速度[9- 10]。研究不同隔板形式對(duì)池室流速分布的影響，為評(píng)價(jià)魚(yú)類上溯有效性提供參考。

方案1流速數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖6，由方案1流速圖可以看出，表層平均流速為1.31 m/s，大部分區(qū)域?yàn)楦吡魉賲^(qū)，但過(guò)水?dāng)嗝嫣幜魉佥^小；中層平均流速為1.34 m/s，絕大部分區(qū)域?yàn)楦吡魉賲^(qū)，約占該層的92%；底層水體平均流速為0.85 m/s，水流流速變化明顯，最小的流速接近0。由于過(guò)水?dāng)嗝嬗删匦巫優(yōu)槿切?，隔板附近流速均大?.40 m/s，最大流速達(dá)到了2.28 m/s。

表層水流流經(jīng)三角形過(guò)水?dāng)嗝婧?，靠近兩?cè)擋板的水流向擋板兩側(cè)擴(kuò)散，擴(kuò)散至池室中間時(shí)受兩側(cè)邊墻約束而向中間偏轉(zhuǎn)，而過(guò)水?dāng)嗝嬷虚g水流呈“波浪紋形”向前，這主要是因?yàn)樵诟舭暹^(guò)水?dāng)嗝嫣幧傻牡鲾_亂了池室中間部位水流的平順性；在中層水流流經(jīng)隔板后向兩側(cè)擴(kuò)散現(xiàn)象減弱，過(guò)水?dāng)嗝嬷虚g水流以更明顯“波浪紋形”流向下一隔板，較表層水流流態(tài)更復(fù)雜；底層水流受隔板阻擋部分水體不再流動(dòng)，但兩側(cè)的水流由于慣性與隔板發(fā)生碰撞，并在隔板與邊墻所組成的直角三角形區(qū)域里形成回流區(qū)，回流區(qū)的流速大小在0.40～1.30 m/s之間。與方案1相比，方案2將隔板的過(guò)水?dāng)嗝嬗扇切螖嗝娓臑榘雸A形斷面，其底層流態(tài)特征與方案1中底層的水流形態(tài)相似，但相比于方案1，方案2中3號(hào)水池表、中、底層上的平均流速均增大，其中底層上低流速(小于1.00 m/s)區(qū)的相對(duì)面積較方案1減小了近15%，這主要是因?yàn)樵谙嗤娣e情況下，半圓形的水力半徑要大于三角形，而導(dǎo)致過(guò)流能力增大。

對(duì)比方案1、3中3號(hào)水池內(nèi)不同水深層的流速分布，在隔板一側(cè)設(shè)孔口，方案1、3的表層水流平均流速大小相差不大，但方案3流態(tài)明顯好于方案1；方案3中層水流平均流速比方案1水流平均流速小0.34 m/s，底層水流平均流速較方案1小0.09 m/s，過(guò)水?dāng)嗝嫔系牧魉購(gòu)谋韺又恋讓又饘訙p小，這說(shuō)明方案3的布孔方式對(duì)隔板過(guò)水?dāng)嗝嫔狭魉俚闹匦路植计鸬搅朔e極作用。與方案1相比，方案3中流速分布更加合理。因此，在隔板一側(cè)增設(shè)孔口改善了池室和過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉俜植肌?/p>

對(duì)比方案3、4中3號(hào)水池內(nèi)不同水深層的流速分布，方案4的兩側(cè)交錯(cuò)布孔對(duì)過(guò)水?dāng)嗝媪魉俚闹匦路植家财鸬搅朔e極作用，布孔方式的變化對(duì)隔板過(guò)水?dāng)嗝嫔系钠骄魉贈(zèng)]有影響，但與方案3相比，方案4底層上回流區(qū)的面積比方案3大。

圖6 方案1不同分析層流速云圖

2.2 隔板形式對(duì)紊動(dòng)能影響

紊流對(duì)魚(yú)類游泳能力或行為的影響方面，國(guó)外研究人員作了較多的研究。Enders等[11]指出紊流可能會(huì)導(dǎo)致大西洋鮭(Salmo Salar)幼魚(yú)在游泳時(shí)的體能消耗增大。Silva[12]等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雷諾切應(yīng)力是影響伊比利亞鲃(Luciobarbusbocagei)上溯的最關(guān)鍵因素之一。此外還發(fā)現(xiàn)魚(yú)類在上溯過(guò)程中更喜歡經(jīng)過(guò)紊動(dòng)能低的區(qū)域，并將紊動(dòng)能高、低的臨界點(diǎn)確定為0.05 J /kg 。Alexandre[13]等利用肌動(dòng)電流圖遙測(cè)技術(shù)對(duì)伊比利亞鲃在淹沒(méi)孔口式魚(yú)道內(nèi)的游泳行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雷諾應(yīng)力的水平分量與其游泳速度有著最為緊密的聯(lián)系。Delavan等[14]對(duì)銀側(cè)美洲鱥(Notropisatherinoides)上溯途經(jīng)水域的水力特性進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)這片水域的水流流速介于銀側(cè)美洲鱥的臨界游泳速度和爆發(fā)游泳速度之間并伴隨有復(fù)雜的紊流時(shí)，銀側(cè)美洲鱥無(wú)法通過(guò)該水流障礙。由此可知，在復(fù)雜紊亂的水流中，由于魚(yú)類受力的復(fù)雜性及運(yùn)動(dòng)阻力的增大，魚(yú)類克服流速的能力將會(huì)減弱。譚均軍等[15]發(fā)現(xiàn)鳙魚(yú)和草魚(yú)在上溯過(guò)程中會(huì)主動(dòng)避開(kāi)高紊動(dòng)能區(qū)。因此，水流的紊動(dòng)特性與魚(yú)類的游泳能力及游泳行為密切相關(guān)，即水流的紊動(dòng)程度越大，對(duì)魚(yú)類游泳能力的抑制則越明顯。

由數(shù)值模擬結(jié)果得，3號(hào)水池內(nèi)方案1的表、中、底層的紊動(dòng)能平均值分別為0.06、0.05、0.03 J/kg，沿水深方向逐漸減小，各水深層大部分區(qū)域的紊動(dòng)能小于平均值，高紊動(dòng)能區(qū)域分布范圍很小，且基本在隔板附近和貼近邊墻，其中底層紊動(dòng)能最大值達(dá)到0.58 J/kg。與方案1相比，方案2表、中、底層上紊動(dòng)能的平均值基本相同，紊動(dòng)能大小范圍均為0.02～0.06 J/kg，且分布位置也大致相同。因此，將隔板底部的三角形斷面改為半圓形斷面對(duì)水池內(nèi)紊動(dòng)能的影響較小。與方案1相比，方案3表層紊動(dòng)能分布位置有所改變，池室內(nèi)不同水深層紊動(dòng)能平均值比方案1均偏大，中、底層紊動(dòng)能分布區(qū)域大致相同，而表層有所不同，這說(shuō)明增加的布孔重新改變了表層水流流向和流速，使水流流態(tài)更復(fù)雜，紊動(dòng)能隨之變大。對(duì)比方案3、4中3號(hào)水池內(nèi)不同水深層紊動(dòng)能可知，方案4紊動(dòng)能分布情況與方案3大致相同，說(shuō)明將孔口布置在隔板左側(cè)還是右側(cè)對(duì)紊動(dòng)能分布無(wú)影響。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)改變丹尼爾式隔板形式，分析了不同隔板形式對(duì)魚(yú)道內(nèi)水力特性的影響，得出如下結(jié)論：

(1)將隔板中三角形斷面改為半圓形斷面后，水池內(nèi)的各水深層流態(tài)基本不變，但表層和底層的平均流速則分別增大9%和15%，且底層上小于1.00 m/s流速的區(qū)域的相對(duì)面積減小近15%，這對(duì)喜好在上層和底層生活的洄游魚(yú)類是不利的，尤其是底棲型洄游魚(yú)類；但半圓形過(guò)水?dāng)嗝娓舭逍问侥苡行Ы档汪~(yú)類上溯過(guò)程中可能遭受的物理傷害，滿足魚(yú)類上溯流速條件時(shí)也可考慮采用。

(2)在隔板同側(cè)增設(shè)5個(gè)方形孔后，改善了水池表層和中層的流態(tài)，對(duì)底層流態(tài)影響不大，同時(shí)中層和底層的平均流速均有所減小，分別減小25%和11%；中層上小于1.00 m/s流速的區(qū)域相對(duì)面積增大約37%，這表明在隔板同側(cè)增設(shè)孔口改善了池室水力特性。而在丹尼爾式魚(yú)道隔板兩側(cè)交錯(cuò)布置方形孔與在隔板同側(cè)布置方形孔池室水力特性基本相同，對(duì)紊動(dòng)能的分布也影響不大，但底層回流區(qū)面積增大，有可能使魚(yú)迷失方向。