祝 龍，胡喬一，王 程，王曉剛

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；3.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430000）

0 引 言

引江濟(jì)淮工程地跨皖豫兩省，涉及江淮兩大水系，是國(guó)務(wù)院要求加快推進(jìn)建設(shè)的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。然而閘壩等水利工程的建設(shè)在給人們帶來(lái)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也破壞了河湖的連通性，阻礙了魚類在河湖中的自由通行，破壞了原有區(qū)域的生態(tài)平衡，為此需要修建過(guò)魚設(shè)施［1-4］。引江濟(jì)淮工程樅陽(yáng)引江樞紐過(guò)魚設(shè)施的建設(shè)，便是為了恢復(fù)長(zhǎng)江干流與菜子湖之間的魚類洄游通道，滿足江湖洄游魚類的入湖和出湖需求，起到江湖魚類資源互補(bǔ)，促進(jìn)魚類增殖和恢復(fù)魚類種質(zhì)資源的作用?？紤]長(zhǎng)河樅陽(yáng)老閘段在引江樞紐建成后將廢棄，因此工程擬利用此部分廢棄河道改造為仿自然通道，利用原始邊坡進(jìn)行布置，由仿自然通道段、工程魚道段及調(diào)節(jié)池組成，從而形成魚類的上溯洄游通道。

仿自然魚道是一類重要的過(guò)魚設(shè)施，與傳統(tǒng)工程魚道不同的是，仿自然魚道的斷面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其大多利用工程現(xiàn)場(chǎng)材料（地形特征、渠道底部物質(zhì)及石塊）來(lái)設(shè)計(jì)和建造，更加注重與生態(tài)環(huán)境的整體協(xié)調(diào)性，其目的在于盡可能滿足不同魚類的上溯要求，保護(hù)水生生物多樣性，同時(shí)還可以形成景觀廊道［5，6］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于以豎縫式魚道為主的工程魚道研究較多。李秀萍等［7］論證了豎縫寬度對(duì)雙側(cè)豎縫式魚道水力特性的影響。王曉剛等［8］分析了豎縫位置、池室長(zhǎng)度、增設(shè)輔助隔板等對(duì)豎縫式魚道直段休息池、轉(zhuǎn)彎段休息池水動(dòng)力特性的影響。董志勇等［9］則剖析了溢流堰和豎縫組合式魚道水池內(nèi)時(shí)均流速、紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力、相關(guān)函數(shù)、紊動(dòng)尺度等紊流結(jié)構(gòu)。GAO等［10］采用一種歐拉-拉格朗日方法模擬了魚道中虛擬魚的運(yùn)動(dòng)軌跡。BALLU 等［11］研究了豎縫魚道池室底部存在宏觀粗糙度（混凝土圓柱體）對(duì)水流流動(dòng)的影響。仿自然魚道傳承了隔墻豎縫的基本型式，對(duì)魚道建筑材料和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行仿自然優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)型式更趨于多樣化。馬衛(wèi)忠等［12］對(duì)比了仿自然魚道豎縫式和豎縫-表孔組合式兩種不同結(jié)構(gòu)型式的魚道池室水力特性。李廣寧等［13］定量分析了透水性卵石墻對(duì)魚道水力特性的改善效果。王智娟等［14］對(duì)窄深型仿自然魚道的收縮卡口布置和內(nèi)部消能措施進(jìn)行了一定研究。徐進(jìn)超等［15］則建立了仿自然魚道整體物理模型，論證了魚道池室水流條件和深潭補(bǔ)水方案。由于其斷面型式的多樣化，邊底材質(zhì)粗糙，存在較多不確定性等原因，目前對(duì)于仿自然魚道尚無(wú)完善的研究方法，因此設(shè)計(jì)難度較大。本文針對(duì)樅陽(yáng)仿自然魚道，采用概化模型的方式開(kāi)展三維紊流數(shù)值模擬研究，初步判斷魚道內(nèi)的水力特性，優(yōu)化魚道內(nèi)部斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得相對(duì)較為合理的仿自然魚道池室結(jié)構(gòu)布置，為相關(guān)部門確定最終方案提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證

1.1 基本方程

數(shù)學(xué)模型采用RNGk-ε雙方程模型模擬魚道內(nèi)復(fù)雜的紊流結(jié)構(gòu)，其控制方程為：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

k方程：

ε方程：

式中：ui和uj為速度分量，m/s；xi和xj為坐標(biāo)分量，m；t為時(shí)間，s；ρ為流體密度，kg/m3；p為修正壓力，Pa；ν為分子黏性系數(shù)，m2/s；νt為紊流黏性系數(shù)，m2/s，計(jì)算公式為νt=Cμk2/ε；gi為重力體積力，m/s2；k為紊動(dòng)能，m2/s2；ε為紊動(dòng)能耗散率，m2/s3；Gk為平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，m2/s3；方程中的其他參數(shù)：

方程中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Cμ=0.084 5，αk=αε=1.39，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η0=4.38，β=0.012。

采用VOF 方法捕捉水氣兩相流自由液面，求解如下輸運(yùn)方程：

式中：αw表示液體的體積分?jǐn)?shù)；αa表示氣體的體積分?jǐn)?shù)。

魚道上下游計(jì)算邊界設(shè)定為相同水深1.5 m，上表面邊界為空氣邊界，其余邊界為無(wú)滑移壁面，采用PISO 算法求解魚道內(nèi)瞬態(tài)水力特性直至計(jì)算穩(wěn)定。

1.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

根據(jù)設(shè)計(jì)型式，仿自然魚道采用梯形斷面，渠底寬2 m，邊坡為1∶2，底坡為1∶242，正常運(yùn)行水深取1.5 m，每間隔10 m 布置一道隔墻，隔墻采用漿砌塊石結(jié)構(gòu)，隔墻厚度取0.8 m，隔墻過(guò)水?dāng)嗝鏋樨Q縫結(jié)構(gòu)，豎縫寬1.0 m，豎縫中心偏離池室中心線距離（簡(jiǎn)稱豎縫偏心距）為0，魚道整體為連續(xù)彎道布置，以“三彎道一直道”布置分布。過(guò)魚設(shè)施的設(shè)計(jì)流速是關(guān)系到魚類是否可以通過(guò)的重要參數(shù)，通常是由過(guò)魚對(duì)象的克流能力及魚道的長(zhǎng)度決定。根據(jù)相關(guān)部門提供的資料，本工程的過(guò)魚對(duì)象較多，主要有四大家魚、鳡魚、長(zhǎng)頜鱭、日本鰻鱺等，同時(shí)既有成魚也有幼魚，根據(jù)主要對(duì)象的克流能力，魚道的設(shè)計(jì)流速指標(biāo)取為0.7～0.9 m/s。

數(shù)值仿真概化模型計(jì)算區(qū)域包括17個(gè)普通池室以及上、下游各15 m 的平段，長(zhǎng)度約200 m，魚道數(shù)學(xué)模型如圖1所示。因仿自然魚道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)計(jì)算區(qū)域采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)魚道豎縫處進(jìn)行局部加密，模型約136 萬(wàn)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。魚道豎縫流速為過(guò)魚設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為了分析魚道沿程縮窄斷面的流速，選取圖1中1號(hào)～12號(hào)豎縫及豎縫附近區(qū)域統(tǒng)計(jì)縮窄斷面最大流速。本文開(kāi)展的多組魚道池室結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算工況如表1所示，其中工況1 為原設(shè)計(jì)方案，針對(duì)魚道內(nèi)的水流條件，工況2～6 分別對(duì)魚道池室長(zhǎng)度、池室底寬、豎縫寬度以及豎縫偏心距進(jìn)行優(yōu)化（本文中魚道池室邊坡均取1∶2）。

表1 魚道數(shù)學(xué)模型計(jì)算工況Tab.1 Calculation conditions of fishway mathematical model

圖1 魚道數(shù)學(xué)模型Fig.1 Numerical model of fishway

圖2 魚道數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Simulation mesh of fishway

1.3 模型驗(yàn)證

樅陽(yáng)仿自然魚道物理模型包含約30 m長(zhǎng)的工程魚道段、整個(gè)過(guò)渡調(diào)節(jié)池和249 m 長(zhǎng)的仿自然通道段，模型幾何比尺為5。其中，仿自然通道段基本尺寸按照數(shù)學(xué)模型工況6 推薦的魚道布置尺寸建立，即池室長(zhǎng)度8 m，池室底寬3 m，豎縫寬度0.8 m，豎縫偏心距1.1 m（豎縫貼坡布置），試驗(yàn)中控制仿自然通道段中的原型水深為1.5 m。對(duì)魚道設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的縮窄斷面最大流速進(jìn)行驗(yàn)證，因物理模型中的彎道布置與數(shù)學(xué)模型存在差異，所以僅對(duì)物理模型和數(shù)學(xué)模型各縮窄斷面最大流速的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行驗(yàn)證，物理模型實(shí)測(cè)各縮窄斷面最大流速最大值、最小值和平均值分別為1.03、0.72 和0.86 m/s，數(shù)學(xué)模型計(jì)算各縮窄斷面最大流速最大值、最小值和平均值分別為1.04、0.71和0.89 m/s，兩者差別不大，可見(jiàn)數(shù)學(xué)模型計(jì)算參數(shù)選取合理，可用于工程實(shí)際研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 原方案魚道池室水流條件

樅陽(yáng)仿自然魚道原設(shè)計(jì)方案（工況1）魚道每級(jí)池室長(zhǎng)10.0 m，底寬2.0 m，底坡1∶242，邊坡1∶2，豎縫寬度1.0 m，豎縫偏心距為0 m。在該布置型式下，魚道內(nèi)整體流場(chǎng)分布如圖3所示，魚道池室局部不同水層流速分布如圖4～圖6所示，其中底層、中層、表層分別以0.2h、0.5h、0.8h進(jìn)行劃分（h為魚道水深），本文圖中左側(cè)均為上游側(cè)，右側(cè)為下游側(cè)。由圖可知，由于底寬僅2.0 m，魚道水深為1.5 m，整體下窄上寬的梯形斷面構(gòu)造使得魚道內(nèi)三維水力特性較為明顯，因過(guò)水?dāng)嗝嬗傻讓酉虮韺又饾u擴(kuò)大，魚道池室水流的擴(kuò)散程度也依次上升，因此，魚道底層的流速水平較高，中層次之，表層流速水平相對(duì)較低，表層水流相較中底層更為紊亂；在彎道作用下，魚道沿程各池室流速存在一定的差異，彎道布置具有一定的消能作用，雖然豎縫偏心距為0，但池室內(nèi)并未產(chǎn)生直沖射流，主流蜿蜒前進(jìn)，在池室內(nèi)繞行，各水層主流較為明確，在主流兩側(cè)存在不同范圍的回流，回流區(qū)流速較低，可作為魚類上溯的休息區(qū)域；水流在豎縫處存在一定的偏流集中效應(yīng)，豎縫處流速分布不均，其最大流速主要位于豎縫附近偏下游側(cè)，豎縫附近大范圍流速在1.0 m/s 以上，整體流速較高，難以滿足設(shè)計(jì)流速指標(biāo)要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 魚道池室整體流場(chǎng)分布Fig.3 Overall flow field distribution in fishway pools

圖4 魚道池室底層流場(chǎng)分布Fig.4 Flow field distribution in the bottom layer

圖5 魚道池室中層流場(chǎng)分布Fig.5 Flow field distribution in the middle layer

圖6 魚道池室表層流場(chǎng)分布Fig.6 Flow field distribution in the surface layer

2.2 優(yōu)化方案魚道池室水流條件

2.2.1 工況2～3魚道池室水流條件

為了降低魚道豎縫的流速，先從魚道隔墻結(jié)構(gòu)著手優(yōu)化，即保持魚道池室長(zhǎng)度和池室底寬不變，將豎縫貼坡設(shè)置，即豎縫偏心距為0.5 m（工況2），仍保持豎縫貼坡設(shè)置，降低豎縫寬度至0.8 m（工況3），以魚道池室中層為例，工況2～3魚道池室水流條件如圖7～圖8所示，統(tǒng)計(jì)工況1～3 魚道沿程各豎縫及附近區(qū)域最大流速如表2和圖9所示。為了對(duì)豎縫內(nèi)流速范圍進(jìn)行定量分析，選取2號(hào)、5號(hào)、8號(hào)、11號(hào)豎縫為典型斷面，取每個(gè)豎縫下游側(cè)邊緣為統(tǒng)計(jì)斷面，其位置示意如圖10所示，每個(gè)統(tǒng)計(jì)斷面上布置98 個(gè)測(cè)點(diǎn)，因魚道的設(shè)計(jì)流速指標(biāo)為0.7～0.9 m/s，定義流速超過(guò)0.7 m/s為大流速，以大流速點(diǎn)數(shù)占統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)的比例為大流速占比，以此近似估計(jì)豎縫內(nèi)的大流速范圍。

圖7 工況2魚道池室中層流場(chǎng)分布Fig.7 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 2

圖8 工況3魚道池室中層流場(chǎng)分布Fig.8 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 3

圖9 工況1～3沿程豎縫區(qū)域統(tǒng)計(jì)最大流速Fig.9 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 1～3

圖10 豎縫下游側(cè)邊緣測(cè)量位置示意Fig.10 Measuring position of downstream edge of vertical slot

表2 工況1～3魚道沿程豎縫區(qū)域統(tǒng)計(jì)最大流速 m/sTab.2 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 1～3

由圖表可知，工況2 魚道內(nèi)流速分布與原布置方案基本類似，在底寬為2.0 m 的情況下，增大豎縫偏心距對(duì)豎縫處流速影響不明顯，工況1 和工況2 豎縫附近區(qū)域的最大流速分別達(dá)到了1.136 和1.128 m/s，最大平均流速分別達(dá)到了1.056 和1.052 m/s，豎縫最大流速遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)流速0.7～0.9 m/s 的要求，豎縫處流速分布不均，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，超過(guò)0.7 m/s 的大流速范圍基本占全斷面50%左右。究其原因，是由于豎縫寬度達(dá)到1.0 m，寬度過(guò)大，導(dǎo)致水流通路過(guò)大，消能不夠充分，所以需考慮減小豎縫寬度。減小豎縫寬度后的工況3 豎縫處流速有所降低，豎縫附近統(tǒng)計(jì)最大流速和平均流速分別為1.065 和1.000 m/s，設(shè)計(jì)流速指標(biāo)仍不滿足要求，大流速范圍仍占50%左右，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2.2 工況4～6魚道池室水流條件

由于目前魚道底寬較小，即使已將豎縫貼坡布置，實(shí)際上相鄰池室豎縫之間的間距并不大，水流在池室內(nèi)部偏轉(zhuǎn)有限，致使豎縫處消能仍顯不足，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)流速條件，特別是在直道池室，豎縫流速較高，仍有形成類似直沖射流的隱患?？紤]到魚道設(shè)計(jì)流速僅為0.7～0.9 m/s，與目前工況計(jì)算流速仍有較大差距，工況4 進(jìn)一步將豎縫寬度減小至0.6 m，并將底寬拓寬至3.0 m，豎縫仍然貼坡布置（豎縫偏心距1.2 m），其計(jì)算結(jié)果如圖11所示。由圖中可知，該工況豎縫處流速得到了明顯改善，但仍有一定范圍的流速超標(biāo)，豎縫偏心距較大，局部主流顯得較為扭曲，但由于池室內(nèi)流速并不高，回流并不劇烈，魚類能夠比較容易地找到主流完成上溯。綜合考慮，該工況仍不能很好地滿足設(shè)計(jì)要求，還需進(jìn)一步對(duì)魚道池室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖11 工況4魚道池室中層流場(chǎng)分布Fig.11 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 4

為此，在上一個(gè)工況的基礎(chǔ)上將魚道池室長(zhǎng)度縮短至8.0 m，其余保持不變（工況5）。計(jì)算結(jié)果如圖12所示。由圖中可知，隨著池室長(zhǎng)度的縮短，單位池室消耗的水頭減小，魚道豎縫處的流速得到了進(jìn)一步改善，目前魚道豎縫處最大流速基本在0.9 m/s 以下，存在較大范圍可上溯的流速通道，局部流速雖略有超標(biāo)，但超標(biāo)范圍不大，能夠滿足設(shè)計(jì)流速要求。在彎道以及豎縫異側(cè)貼坡布置等影響下，魚道池室內(nèi)水體較為紊亂，各池室流速和流態(tài)存在較為明顯的差異，部分池室主流趨于池室中央，部分池室水流偏轉(zhuǎn)比較明顯，總體上各池室能夠形成較為明確的主流，使魚類能夠?qū)て浞较蛲瓿缮纤?，在主流兩?cè)存在不同程度的回流，大部分回流流速在魚類感應(yīng)流速以下，基本不會(huì)對(duì)過(guò)魚產(chǎn)生太大影響，即魚道池室內(nèi)形成了相應(yīng)的“大流速區(qū)”和“小流速區(qū)”，可以滿足魚類上溯的基本要求。

圖12 工況5魚道池室中層流場(chǎng)分布Fig.12 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 5

考慮到工況5部分池室水流偏轉(zhuǎn)較大，水流流態(tài)略為紊亂，本文補(bǔ)充了工況6 的計(jì)算，即在工況5 的基礎(chǔ)上，加寬豎縫寬度為0.8 m，結(jié)果如圖13所示。從中可以看出，魚道池室內(nèi)水流流態(tài)較前述工況有所改善，水流更為平順，堅(jiān)縫處有局部區(qū)域最大水流流速超過(guò)了0.7～0.9 m/s 的設(shè)計(jì)流速指標(biāo)，但豎縫處水流本身流速分布不均，在豎縫加寬至0.8 m 后，控制斷面大部分區(qū)域流速仍在0.9 m/s 以內(nèi)，分析認(rèn)為，該工況亦能夠基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 工況6魚道池室中層流場(chǎng)分布Fig.13 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 6

以上優(yōu)化工況（工況4～工況6）魚道沿程豎縫附近區(qū)域最大流速統(tǒng)計(jì)如表3和圖14所示。從圖表中可以看出，當(dāng)豎縫寬度為0.6 m，底寬3.0 m，豎縫貼坡設(shè)置時(shí)，魚道沿程豎縫區(qū)域最大流速和最大平均流速分別達(dá)到了1.035 和0.946 m/s，較之前工況有了較大的改善，但仍然在設(shè)計(jì)流速標(biāo)準(zhǔn)以上，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，典型豎縫斷面大流速范圍（0.7 m/s 以上）占比仍在50%左右，當(dāng)進(jìn)一步縮短池室長(zhǎng)度至8.0 m 時(shí)，流速降低比較明顯，其最大流速和最大平均流速分別降低至0.945 和0.849 m/s，豎縫區(qū)域最大流速基本能控制在0.7～0.9 m/s 之間，滿足設(shè)計(jì)流速指標(biāo)，典型豎縫斷面大流速范圍占比最大為38%，存在較大范圍可供上溯的流速通道；在此基礎(chǔ)上，將豎縫加寬至0.8 m，沿程豎縫區(qū)域最大流速和最大平均流速分別為1.039 和0.886 m/s，流速指標(biāo)雖有所上升，但最大平均流速仍能夠控制在0.9 m/s 以下，典型豎縫斷面大流速范圍也比較小，綜合前述分析結(jié)果，可以認(rèn)為該工況基本滿足設(shè)計(jì)流速指標(biāo)。

表3 工況4～6魚道沿程豎縫區(qū)域統(tǒng)計(jì)最大流速 m/sTab.3 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 4～6

圖14 工況4～6沿程豎縫區(qū)域統(tǒng)計(jì)最大流速（單位：m/s）Fig.14 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 4～6

綜合上述計(jì)算結(jié)果，推薦樅陽(yáng)仿自然魚道池室結(jié)構(gòu)布置參數(shù)為：豎縫寬度0.6～0.8 m，底寬3.0 m，豎縫貼坡設(shè)置，即豎縫偏心距1.1～1.2 m，池室長(zhǎng)度8.0 m。

3 結(jié) 語(yǔ)

仿自然魚道比傳統(tǒng)工程魚道更能滿足生物多樣性的要求，在實(shí)際工程中越來(lái)越受到人們的重視，限于仿自然魚道斷面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前尚缺乏完善的研究手段。本文以樅陽(yáng)樞紐仿自然魚道為例，對(duì)“連續(xù)彎道布置”的魚道池室建立三維概化紊流數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化池室內(nèi)水流條件，獲得的主要成果如下。

（1）提出了仿自然魚道水流條件的優(yōu)化思路：通過(guò)增大豎縫偏心距，延長(zhǎng)主流繞流路徑，減小豎縫寬度，增大局部阻力，縮短池長(zhǎng)，增大池室級(jí)數(shù)，增大阻力等措施可降低池室流速，滿足魚類上溯需求；

（2）仿自然魚道水流流態(tài)受到彎道、豎縫寬度、豎縫偏心距、池室底寬、池室長(zhǎng)度等綜合影響，流態(tài)復(fù)雜，在利用各種措施消能降低流速時(shí)，應(yīng)控制主流彎曲度，避免上下池室豎縫中心線偏離過(guò)大，引起流態(tài)紊亂；

（3）對(duì)于仿自然魚道，由于豎縫寬度較寬，即使豎縫區(qū)域最大流速超標(biāo)，依然有可以上溯的流速通道；

（4）經(jīng)過(guò)5種方案的逐步優(yōu)化，推薦了樅陽(yáng)仿自然魚道隔墻布置方案，該方案下，魚道池室水流條件良好，沿程豎縫區(qū)域最大流速基本能夠控制在0.7～0.9 m/s，池室內(nèi)主流明確，能夠形成明顯的“大流速區(qū)”和“小流速區(qū)”，滿足過(guò)魚基本要求，相關(guān)研究策略能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>