鄧柏旺，朱彬彬，周佳楠，沈 達(dá)

（1.上海市水利工程集團(tuán)有限公司，上海201612；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

0 引 言

魚(yú)礁結(jié)構(gòu)是一種棲息地改善結(jié)構(gòu)，對(duì)水生生物的繁殖和生長(zhǎng)有重要意義。生物環(huán)境方面，魚(yú)礁能增大水域的生物量；非生物環(huán)境方面，不同內(nèi)外部形狀的魚(yú)礁直接影響周圍及內(nèi)部的流速流態(tài)，進(jìn)而影響魚(yú)類。魚(yú)礁一般被廣泛應(yīng)用于海洋中，在內(nèi)陸護(hù)岸工程中應(yīng)用較少。利用魚(yú)礁塊體作為新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，可為山區(qū)河流較高流速下的護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

針對(duì)魚(yú)礁結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究已取得豐富的成果。陳勇［1］等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析了人工魚(yú)礁的環(huán)境功能和集魚(yú)效果。林軍［2］等人從物理環(huán)境、魚(yú)礁材料等角度研究了人工魚(yú)礁的物理穩(wěn)定性。劉舜斌［3］等人對(duì)嵊泗人工魚(yú)礁一期工程建成之后的4個(gè)季度的漁業(yè)資源進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)魚(yú)礁投放后，魚(yú)礁區(qū)生產(chǎn)力得到了提高，群落結(jié)構(gòu)得到了明顯改善。丁玲［4］等人通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了魚(yú)礁最大靜摩擦系數(shù)與海洋底質(zhì)泥沙粒徑、含水率等因素的關(guān)系。近年來(lái)魚(yú)礁結(jié)構(gòu)也被應(yīng)用于內(nèi)陸護(hù)岸工程中。重慶交通大學(xué)路鼎［5］提出了兩種魚(yú)礁護(hù)岸結(jié)構(gòu)（螺母魚(yú)礁塊體和菱形魚(yú)礁塊體），著重研究了魚(yú)礁護(hù)岸結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，豐富了河道護(hù)岸形式。韓林峰［6］等人利用水槽模型試驗(yàn)，對(duì)透空六面體人工魚(yú)礁周圍的水力特性進(jìn)行研究，得到了魚(yú)礁護(hù)岸的魚(yú)類產(chǎn)卵場(chǎng)水力因子。

本文根據(jù)長(zhǎng)江河道魚(yú)類習(xí)性，結(jié)合內(nèi)陸山區(qū)河道護(hù)岸工程（重慶市跳墩河流域）對(duì)魚(yú)礁護(hù)岸塊體的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用有限元軟件對(duì)魚(yú)礁周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析魚(yú)礁以及魚(yú)礁場(chǎng)的流場(chǎng)效應(yīng)，確定魚(yú)礁塊體的布置間距，研究不同布置方式下的魚(yú)礁場(chǎng)流場(chǎng)效應(yīng)并確定魚(yú)礁在岸坡上的布置方式。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

跳墩河流域位于重慶市，屬嘉陵江水系左岸一級(jí)支流，位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和、四季分明、雨量充沛，流域面積11.7 km2，主河道長(zhǎng)10.5 km，天然落差達(dá)275 m，平均比降為1.03%。河道部分河段采用混凝土護(hù)坡和護(hù)底（圖1），河道硬質(zhì)化，無(wú)法滿足生態(tài)要求，亦減少河道自凈化能力，與生態(tài)、和諧目標(biāo)相違背。該段河道地處山區(qū)，水流較為湍急，水流通常能達(dá)到1～3 m/s，本文針對(duì)該段河道，利用魚(yú)礁結(jié)構(gòu)進(jìn)行硬質(zhì)護(hù)岸改造，使之能滿足山區(qū)河流較高流速下的生態(tài)要求。

圖1 原始河道Fig.1 The original river

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 河道簡(jiǎn)化

為方便進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，觀察近岸的水力特性，根據(jù)重慶市跳墩河流域河道特點(diǎn)，將原始河道簡(jiǎn)化成底寬10 m，邊坡坡度為1∶1.5，長(zhǎng)度為50 m的梯形河道（圖2）。不同魚(yú)類對(duì)水深有著特定的要求，但可通過(guò)豎向布設(shè)多個(gè)魚(yú)礁的方式以滿足不同魚(yú)類的習(xí)性。因此，本文暫不考慮河道水位變化，主要研究河道不同流速下的魚(yú)類棲息地效應(yīng)。以河底高程0 m為基準(zhǔn)高程，計(jì)算水位按照硬質(zhì)護(hù)岸滿流工況定為4.0 m。

圖2 簡(jiǎn)化的河道計(jì)算斷面Fig.2 Calculated section of the simplified channel

1.2.2 人工魚(yú)礁結(jié)構(gòu)

借鑒海洋魚(yú)礁工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)魚(yú)礁結(jié)構(gòu)如圖3所示，以適應(yīng)河道護(hù)岸斜坡。為方便魚(yú)礁塊體的預(yù)制以及施工，魚(yú)礁塊體整體為中空矩形體，底部為中空結(jié)構(gòu)，使得礁體內(nèi)部與土壤直接相連。

圖3 魚(yú)礁結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of the reef structure

根據(jù)不同魚(yú)類大小在魚(yú)礁外表面設(shè)置過(guò)魚(yú)孔供各種魚(yú)類自由穿梭。過(guò)魚(yú)孔設(shè)置為3 種不同大小，分別為主流面上的400 mm×600 mm 過(guò)魚(yú)孔，迎流面與背流面上的300 mm×300 mm過(guò)魚(yú)孔和頂面上的300 mm×400 mm 過(guò)魚(yú)孔。同時(shí)在頂面還設(shè)置有3個(gè)的植生孔，可在魚(yú)礁內(nèi)部種植水生植物，植物根部周圍可以受到混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)，既能保證水生植物正常生長(zhǎng)，又能防止水生植物過(guò)度生長(zhǎng)，水生植物還為水生動(dòng)物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

魚(yú)礁下方設(shè)置有固定支腳便于安插在護(hù)岸斜坡中，提高魚(yú)礁塊體的穩(wěn)定性。在魚(yú)礁塊體與土層接觸處分布有透水孔，可維持魚(yú)礁內(nèi)部水流與土壤進(jìn)行物質(zhì)交互。根據(jù)重慶跳墩河流域河道情況，將其安裝在1∶1.5 的邊坡上，露出尺寸為1 000 mm×900 mm×（300～800 mm），內(nèi)部空間為800 mm×700 mm×（100～600 mm），適合體型半米及以下的魚(yú)類，而普通河道內(nèi)魚(yú)類多為50～500 mm之間，根據(jù)表1中各類魚(yú)類體型，滿足跳墩河流域河道內(nèi)魚(yú)類棲息要求。

2 研究方法

2.1 基本控制方程

本研究中數(shù)值模擬通過(guò)求解時(shí)間平均的納維埃－斯托克斯方程來(lái)模擬匯流口的三維水流，方程如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

x方向：

y方向：

z方向：

式中：U，V和W為x，y和z三個(gè)方向上的時(shí)均流速；ρ為密度；P為壓力；τ為剪切應(yīng)力。

2.2 κ－ε湍流模型和自由水面處理

考慮到新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且有魚(yú)礁塊體的存在，易產(chǎn)生分離流、二次流、旋流等復(fù)雜流動(dòng)，本文采用Realiz‐ableκ-ε模型。

水利工程中對(duì)于自由水面處理目前常用的有剛蓋假定［8］以及VOF 法［9］。在進(jìn)行魚(yú)礁結(jié)構(gòu)周圍水力特性研究時(shí)，主要觀察其結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)，而其水面起伏及水位變化對(duì)研究結(jié)果影響不大，考慮到計(jì)算資源以及計(jì)算時(shí)間，采用剛蓋假定對(duì)其自由表面進(jìn)行處理。

2.3 計(jì)算網(wǎng)格

因魚(yú)礁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)魚(yú)礁護(hù)岸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本研究主要關(guān)注魚(yú)礁結(jié)構(gòu)以及近岸周圍流場(chǎng)水力特性，對(duì)魚(yú)礁和近岸附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。建立疏密不同的網(wǎng)格尺寸，依據(jù)Biron［10］的方法進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，確定最合適的網(wǎng)格全局尺寸。以最密網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)量3 047 628）為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格在879 452 時(shí)即已經(jīng)達(dá)到了網(wǎng)格獨(dú)立性要求，過(guò)密的網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)最高流速以及計(jì)算域水力損失的精確度沒(méi)有明顯的提高，但是考慮到本文需要描述水流交界面等原因，綜合考慮計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度，采用網(wǎng)格總數(shù)為1 733 276時(shí)確定的全局網(wǎng)格尺寸（200 mm），本文網(wǎng)格全局尺寸都以此為基準(zhǔn)。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence verification

2.4 邊界條件設(shè)置

模型計(jì)算主要側(cè)重較大流速條件下，魚(yú)礁塊體對(duì)流場(chǎng)的影響，故根據(jù)山區(qū)中小型河道流速情況，假設(shè)來(lái)流為均勻定常流，CFD 模型中進(jìn)口流速選取1、1.5、2、2.5、3 m/s 5 個(gè)流速。邊界條件設(shè)置如圖4所示，進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口，假設(shè)為均勻定常流，設(shè)置入流速度大小為1、1.5、2、2.5、3 m/s；出口邊界采用壓力出口；自由水面根據(jù)剛蓋假定，設(shè)置為對(duì)稱邊界；河道中間也設(shè)置為對(duì)稱邊界；其余設(shè)置為壁面邊界。

圖4 邊界條件設(shè)置Fig.4 Settings of boundary condition

2.5 模擬工況

治理河段常年水流速度為1～3 m/s，為總結(jié)河道不同水流流速下魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的變化規(guī)律，本文選取進(jìn)口流速1、1.5、2、2.5、3 m/s 5 種工況，對(duì)單個(gè)魚(yú)礁附近流場(chǎng)進(jìn)行模擬。經(jīng)過(guò)試模擬，單個(gè)魚(yú)礁的影響范圍大致為3～7 m，本文設(shè)置不同流速、不同間距下共計(jì)25 個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定最優(yōu)間距，滿足河道全年較長(zhǎng)時(shí)間的魚(yú)類棲息地效應(yīng)。

表3 不同魚(yú)礁布置間距工況Tab.3 Different reef arrangement spacing conditions

為探索不同布置方式對(duì)魚(yú)礁場(chǎng)周圍流場(chǎng)的影響，本文根據(jù)河道現(xiàn)狀以及河道景觀需求，提出兩種布置方式：直線型布置方式和梅花型布置方式（圖5），利用有限元軟件對(duì)同一入流速度2 m/s 下的魚(yú)礁場(chǎng)水流進(jìn)行數(shù)值模擬，評(píng)價(jià)其流場(chǎng)效應(yīng)，優(yōu)選方案。

圖5 魚(yú)礁塊體布置方式Fig.5 Arrangement of reef blocks

2.6 魚(yú)礁流場(chǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選取上升流、背渦流、魚(yú)類游泳能力，能量損失4 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)人工魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)。

2.6.1 上升流、背渦流

海洋魚(yú)礁通常規(guī)定以豎直方向流速大于或等于0.1 倍來(lái)流速度的區(qū)域定義為上升流區(qū)域，以水流速度小于0.8 倍來(lái)流速度的區(qū)域定義為背渦流區(qū)域，即為多數(shù)魚(yú)類棲息的低流速渦流區(qū)［11］。而在內(nèi)陸河流特別為山區(qū)河流，流速隨時(shí)間變化較大，在較高流速下規(guī)定0.8 倍來(lái)流速度以下區(qū)域?yàn)楸硿u流區(qū)域，不滿足內(nèi)陸河道規(guī)律。本文根據(jù)內(nèi)陸河道大多數(shù)魚(yú)類的習(xí)性［7］，規(guī)定魚(yú)礁后流速小于等于0.8 m/s 的區(qū)域?yàn)楸硿u流區(qū)域。借鑒上述研究結(jié)論，將豎直方向流速大于等于0.1 倍來(lái)流速度的區(qū)域定義為上升流區(qū)域，將時(shí)均流速小于等于0.8 m/s的區(qū)域定義為背渦流區(qū)域。利用上升流高度、上升流面積、最大上升流流速3 個(gè)指標(biāo)來(lái)反映上升流效應(yīng)，利用背渦流面積來(lái)反映背渦流效應(yīng)。

2.6.2 魚(yú)類游泳能力

魚(yú)類的游泳能力一般用魚(yú)在一定時(shí)段內(nèi)可以克服某種水流的流速大小表示，分為感應(yīng)流速、臨界游泳速度和突進(jìn)游泳速度。感應(yīng)速度是指水體從靜止到流動(dòng)時(shí)，魚(yú)類開(kāi)始感應(yīng)并趨流前進(jìn)的水流速度。突進(jìn)游泳速度是魚(yú)類所能達(dá)到的最大游泳速度，也稱極限速度，通常指持續(xù)時(shí)間小于20 s的游泳速度。

對(duì)于魚(yú)礁布置間距參考因素目前并沒(méi)有標(biāo)量化的闡述，應(yīng)用在海洋中的魚(yú)礁結(jié)構(gòu)的布置間距大多也是憑經(jīng)驗(yàn)布置，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)取流場(chǎng)最優(yōu)化布置方式［12］，并沒(méi)有標(biāo)量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行約束。本文結(jié)合魚(yú)類克服流速能力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［7］，分析魚(yú)礁布置間距。因治理河段地處山區(qū)，水流流速較高，魚(yú)礁設(shè)計(jì)的目的主要為了降低流速，為河道魚(yú)類提供棲息地條件，該治理河段魚(yú)類群落構(gòu)建工程主要利用烏鱧、鱖魚(yú)、鯉魚(yú)、鯽魚(yú)、鰱魚(yú)、鳙魚(yú)進(jìn)行魚(yú)類群落修復(fù)，從表1看出以上魚(yú)類臨界游泳速度在0.3～0.8 m/s 之間，突進(jìn)游泳速度為0.8 m/s 左右，本文選取大部分魚(yú)類的突進(jìn)游泳速度0.8 m/s作為流速上限，并根據(jù)0.8 m/s以內(nèi)的流速空間來(lái)確定魚(yú)礁體結(jié)構(gòu)的布置間距。

2.6.3 能量損失

李建［13］等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)四大家魚(yú)的產(chǎn)卵環(huán)境多為水流流態(tài)較為復(fù)雜、能量損失較大的河段，重慶市跳墩河流域作為內(nèi)陸河道適宜產(chǎn)卵區(qū)，同時(shí)為了研究魚(yú)礁場(chǎng)在河道高水流流速下的減速效果，更好的分析魚(yú)礁周圍的流場(chǎng)變化，采用能量損失進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 單個(gè)魚(yú)礁的流場(chǎng)效應(yīng)

流場(chǎng)模擬結(jié)果顯示，如圖6（a），單個(gè)魚(yú)礁在流速為2 m/s時(shí)，在垂直方向，魚(yú)礁的上方形成了明顯的上升流，在礁體后方也形成了明顯的背渦流。主要因?yàn)樗髁鹘?jīng)魚(yú)礁時(shí)大部分水流進(jìn)入迎流面魚(yú)孔，少部分水流因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)的阻礙作用呈現(xiàn)上挑趨勢(shì)，有助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豎向傳遞。水流進(jìn)入魚(yú)礁內(nèi)部后因前擋板混凝土作用，在上部魚(yú)孔上方形成小范圍負(fù)壓區(qū)域［圖6（b）］，小部分水流從迎流面魚(yú)孔進(jìn)入后從上部魚(yú)孔流出，水流經(jīng)魚(yú)礁的減速作用在魚(yú)礁后方形成低流速區(qū)，形成適合魚(yú)類棲息的背渦流區(qū)域。在水平方向［圖6（c）］，水流經(jīng)魚(yú)礁作用，部分水流在魚(yú)礁結(jié)構(gòu)護(hù)壁的切割下，逐漸遠(yuǎn)離近岸，并在魚(yú)礁后方偏主流區(qū)形成高流速區(qū)，同時(shí)因護(hù)岸與魚(yú)礁的聯(lián)合作用，魚(yú)礁后方靠護(hù)岸一側(cè)形成小范圍回流區(qū)，在回流區(qū)后形成低流速背渦區(qū)。

圖6 單個(gè)魚(yú)礁在流速2 m/s下的流場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of flow field of a single reef at a flow rate of 2 m/s

單個(gè)魚(yú)礁在5 個(gè)不同流速下各指標(biāo)的變化情況見(jiàn)圖7，從圖7中可以看出其變化規(guī)律與放置在海洋中的人工魚(yú)礁相似。最大上升流流速隨來(lái)流速度的增加呈線性上升趨勢(shì)；上升流高度受來(lái)流速度的影響，整體表現(xiàn)為緩慢上升趨勢(shì)，上升流高度受來(lái)流速度的影響較小，增長(zhǎng)值僅為毫米級(jí)；上升流面積隨來(lái)流速度的增加逐漸增大，增長(zhǎng)值較??；背渦流面積隨來(lái)流速度的增大而急劇減少，在高流速下魚(yú)類的棲息空間受到限制。由此可以看出，隨著河道水流流速增加，有助于上升流的產(chǎn)生，促進(jìn)魚(yú)礁周圍的水體交換和河道底泥內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞，增加了浮游生物，形成餌料場(chǎng)，吸引魚(yú)類覓食。但隨著河道水流流速的增大，背渦流的面積急劇減少，在高流速水流下，供魚(yú)類生存的空間大范圍減少，雖然促進(jìn)了水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，但并沒(méi)有足夠的棲息空間供魚(yú)類覓食、生活，背渦流區(qū)域成為魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的主要控制因素。

圖7 單個(gè)魚(yú)礁各工況流場(chǎng)效應(yīng)隨來(lái)流速度的變化情況Fig.7 The flow field effect of a single reef under various conditions with the change of incoming flow velocity

3.2 魚(yú)礁塊體布置間距選取

對(duì)進(jìn)口流速2 m/s 工況下模擬出的三維流場(chǎng)利用UDF 提取背渦流區(qū)域得到圖8，計(jì)算各個(gè)工況背渦流體積得到圖9所示曲線。

由圖8可發(fā)現(xiàn)當(dāng)間距較小時(shí)，上游魚(yú)礁塊體產(chǎn)生的低流速背渦流與下游魚(yú)礁塊體影響的上游低流速區(qū)相互影響疊加，導(dǎo)致背渦流體積較小的現(xiàn)象，隨著間距的增大，背渦流區(qū)域影響長(zhǎng)度逐漸增大，但寬度逐漸減小，在間距5～6 m 處呈現(xiàn)斷裂趨勢(shì)，在間距7 m時(shí)完全斷裂。由此形成（圖9）在不同進(jìn)口流速下隨著布置間距的增加，背渦流體積呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)再下降的變化趨勢(shì)。根據(jù)變化的頂峰值即背渦流體積最大時(shí)工況，可確定魚(yú)礁最優(yōu)布置間距。如圖9所示，在進(jìn)口流速1.5 m/s 時(shí)，背渦流體積最大出現(xiàn)在間距6 m 的工況；當(dāng)進(jìn)口流速增大到2.0、2.5、3.0 m/s 時(shí)，出現(xiàn)在間距5 m 的工況?？紤]到治理河道地處山區(qū)，水流湍急，全年大部分時(shí)間水流流速都在1～3 m/s，綜合考慮工程造價(jià)及較高流速下的生態(tài)效應(yīng)，魚(yú)礁塊體間距建議取5 m較為合適。

圖8 進(jìn)口流速2 m/s時(shí)不同魚(yú)礁布置間距背渦流區(qū)域分布圖Fig.8 Distribution diagram of backswirl region with different reef arrangement spacing at inlet flow rate of 2 m/s

圖9 各進(jìn)口流速下不同魚(yú)礁布置間距背渦流體積變化規(guī)律Fig.9 The variation rule of backvortex volume at different reef arrangement spacing under each inlet velocity

3.3 魚(yú)礁塊體的布置方式選取

根據(jù)以上研究成果確定魚(yú)礁布設(shè)間距，即順?biāo)魍恢本€方向任意兩個(gè)魚(yú)礁之間的間距都為4 m，即每5 m設(shè)置一個(gè)魚(yú)礁塊體，對(duì)兩種布置方式進(jìn)行流場(chǎng)模擬。

3.3.1 布置方式對(duì)魚(yú)礁場(chǎng)周圍流場(chǎng)的影響

（1）流場(chǎng)效應(yīng)分析。比較兩種布置方式的上升流和背渦流，上升流和背渦流分布位置如圖10和圖11，計(jì)算結(jié)果如表4。

圖10 不同布置方式在水流流速為2 m/s時(shí)上升流區(qū)域分布圖Fig.10 The distribution diagram of the upwelling area at the current velocity of 2 m/s in different arrangements

圖11 不同布置方式在水流流速為2 m/s時(shí)背渦流區(qū)域分布圖Fig.11 The distribution diagram of the dorsal eddy region at the current velocity of 2 m/s in different arrangements

表4 不同魚(yú)礁布置方式在流速為2 m/s條件下的流場(chǎng)效應(yīng)Tab.4 Flow field effect of different reef arrangements at a flow velocity of 2 m/s

分析發(fā)現(xiàn)兩種布置方式的上升流產(chǎn)生位置都為靠近上游的第一排的位置，因前方魚(yú)礁結(jié)構(gòu)對(duì)水流的影響，后排的魚(yú)礁結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生上升流。直線型布置方式產(chǎn)生的上升流體積較梅花型布置方式大，更有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的垂向傳遞。兩種布置方式都在魚(yú)礁結(jié)構(gòu)后方產(chǎn)生一定大小的背渦流區(qū)域，其中直線型布置方式產(chǎn)生的背渦流體積較梅花型布置方式大的多，體積為梅花型布置方式5 倍多，主要因?yàn)橹本€型布置方式同排魚(yú)礁阻水具有疊加效應(yīng)，產(chǎn)生的背渦流區(qū)域相互疊加擴(kuò)大，而梅花型布置方式布置魚(yú)礁只控制自身的背渦流區(qū)域，各個(gè)魚(yú)礁結(jié)構(gòu)之間幾乎不干擾。因此直角型布置方式較梅花型布置方式魚(yú)礁之間的相互協(xié)同疊加作用更為明顯，產(chǎn)生更大的上升流和背渦流區(qū)域，為魚(yú)類提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和棲息空間。

（2）能量損失分析。利用有限元計(jì)算進(jìn)出口的總壓差值，即可得到減速結(jié)構(gòu)所消耗的能量即減速結(jié)構(gòu)的水力損失?？偹^損失計(jì)算見(jiàn)表5。

由表5可知，直線型布置方式較梅花型布置方式的能量損失大，水流更為紊亂，為魚(yú)類提供產(chǎn)卵的環(huán)境，同時(shí)直線型布置方式有更強(qiáng)的減速效果，能夠降低近岸流速，減弱水流對(duì)岸坡的沖刷，特別是在山區(qū)河道流速較大時(shí)，通過(guò)設(shè)置直線型布置方式更能消耗一定的水動(dòng)能，降低下游的防洪壓力。

表5 不同魚(yú)礁布置方式在流速為2 m/s條件下的能量損失Tab.5 The energy loss of different reef arrangements at a flow rate of 2 m/s

3.3.2 布置方式的選定

比較兩種布置方式下的上升流、背渦流的空間分布和體積大小，以及兩種布置方式能量損失值發(fā)現(xiàn)：①采取直線型布置方式，礁體之間的相互協(xié)同作用更好，上升流與背渦流體積較梅花型布置方式大；②直線型布置方式較梅花型布置方式能量損失值大，阻水效果更好。因此，護(hù)岸魚(yú)礁結(jié)構(gòu)的布置方式宜采用直線型布置方式。

4 結(jié)論和討論

隨著河道水流流速的增大，單個(gè)魚(yú)礁周圍上升流區(qū)域緩慢增長(zhǎng)，背渦流區(qū)域急劇減少，在高流速水流下，供魚(yú)類生存的空間大范圍減少，雖然上升流促進(jìn)了水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，但并沒(méi)有足夠的棲息空間供魚(yú)類覓食、生活，背渦流區(qū)域成為魚(yú)礁流場(chǎng)效應(yīng)的主要控制因素。

模擬分析不同流速下各魚(yú)礁布置間距的背渦流區(qū)域分布及大小，綜合考慮工程造價(jià)及較高流速下的生態(tài)效應(yīng)，魚(yú)礁塊體間距建議取5 m較為合適。

對(duì)兩種布置方式的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，直線型布置方式較梅花型布置方式，礁體之間的相互協(xié)同作用更好，上升流與背渦流體積更大，能量損失更多，阻水效果更好，工程中宜采用直線型布置方式。 □