同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究

郭维东，孟 文，2，熊守纯，赖 倩 ，王 心，张海良，王绪刚，姚庆宇

(1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳 110866；2.庄河市水库移民后期扶持工作办公室，辽宁 庄河 116400；3.葫芦岛市凌河保护区管理局，辽宁 葫芦岛 125000；4.广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610；5.白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000；6.锦凌水库管理局，辽宁 锦州 121000;7.抚顺市水利勘测设计院，辽宁 抚顺 113000;8. 绥化市水务局, 黑龙江 绥化 152000)

同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究

郭维东1，孟 文1，2，熊守纯3，赖 倩4，王 心5，张海良6，王绪刚7，姚庆宇8

(1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳 110866；2.庄河市水库移民后期扶持工作办公室，辽宁 庄河 116400；3.葫芦岛市凌河保护区管理局，辽宁 葫芦岛 125000；4.广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610；5.白石水库管理局，辽宁 朝阳 122000；6.锦凌水库管理局，辽宁 锦州 121000;7.抚顺市水利勘测设计院，辽宁 抚顺 113000;8. 绥化市水务局, 黑龙江 绥化 152000)

鱼道是保证鱼类能顺利洄游的过鱼设施。通过竖缝相对宽度分别为0.05，0.10，0.15，0.30，底坡为10%的鱼道模型进行数值计算。采用可视化显示及数据分析的方法分析不同竖缝相对宽度、底坡条件下的同侧竖缝式鱼道的水流结构特征。通过模型模拟，分析水流沿水深方向的流速分布情况、主流区最大流速沿程分布及沿程衰减情况，以及在不同竖缝相对宽度和(或)不同流速情况下的紊动能分布情况。综合各物理量的分析，得出竖缝相对宽度b0/B=0.15、底坡为10%时，水流在池室内能形成较好的适合鱼类洄游的流态：主流区水流横向扩散范围适中，主流区最大流速沿程均匀衰减，回流区面积较为对称，流速较小。

三维数值模拟；同侧竖缝式鱼道；流速分布；雷诺应力模型；竖缝相对宽度

1 研究背景

为了保障鱼类生命活动的正常进行，世界上很多国家在部分已建的闸、坝等水工建筑物上修建了鱼道，研究资料表明：在现有的鱼道中，鱼类顺利通行率不足50%，这一结论值得全世界予以重视[1]。因此，研究鱼道的相关特性对保护鱼类物种，改善和修复流域生态系统的完整性具有重要的指导意义。

鱼类在洄游的过程中能够得到充分的休息时间，但据统计，大部分的学者更多地集中在研究鱼类的持续游泳能力，而在鱼道设计方面，通常将耐久游泳能力速度用于鱼道的设计和评估过程中。总之，研究的内容虽然不同，但最终的目的都是为了让鱼道能够获得更好的水流流态，使得鱼道能够发挥最大的作用[2]。Lupandin研究了水流紊动对河鲈的游动速度影响，指出紊动可能减慢鱼类的反应，对中小鱼类洄游的影响更加明显[3](Barton A F，2003)。故对竖缝式鱼道的水力特性进行系统的研究，使鱼道设计更加优化。

国内外对鱼道物理模型的研究颇有成果。英国Glasgow大学的Guiny对竖缝式鱼道的水力特性和生物特性进行过较为系统的试验研究，发现竖缝式鱼道因其能够通过控制其水位的变化而控制池室内的流态，因此该种形式的鱼道能够适应更多种类的鱼类洄游[4]。Larinier团队对同侧竖缝式鱼道的紊流特性进行研究后发现，当池室的长度达到一定的程度时，池室内的水流基本上是属于明渠流动[5]。孙双科等学者以北京市上庄新闸鱼道为原型进行了物理模型试验，发现当增设导板时可以明显改善鱼道内的水流流态[6]。浙江工业大学董志勇等人对同侧竖缝式鱼道、异侧竖缝式鱼道均做了系统的物理模型试验研究，并且都做了过鱼试验。在对鱼道内的水流特征进行了分析研究后又给出鲫鱼、河鳗2种鱼类在不同流速区域内的溯游特性[7]。

在鱼道数值模拟研究方面，国外大部分研究是对底坡较大(5%至20%之间)的鱼道进行数值模拟，而国内对于底坡大于10%的竖缝式鱼道的数值模拟研究不够深入。故本文选择采用三维数值模型对竖缝式鱼道水流在较大底坡情况下进行模拟，对竖缝式鱼道水力特性进行系统地研究。本研究的意义总结为如下3点：①为研究竖缝式鱼道水力结构特征提供理论依据；②探索用数值模拟的方法研究竖缝式鱼道水流结构特征；③对竖缝式鱼道进行三维数值模拟，重点研究底坡较大情况下竖缝处轴向流速对鱼类洄游的影响。

图2 不同竖缝相对宽度工况下的水流流线Fig.2 Streamlines in the presence of different relative width of vertical slot

2 竖缝式鱼道情况简介

竖缝式鱼道的过鱼孔是在水表至水底修建一条竖缝，利用两侧隔板挡住水流，促使水流从竖缝径直下泄，该形式鱼道对鱼类自身的洄游状态要求较高，仅适应那些自身力量较大，能应对复杂流态的鱼类，常用于工程修筑工期及河道的天然障碍处。1992年，N.Rajaratnam等人使用与设计丹尼尔鱼道相同的研究方法对竖缝式鱼道结构形式与理论分析进行了深入的研究，得出竖缝式鱼道的无纲量流表达式[8]为

Q*=α·y0/b0±γ。

(1)

式中：α和γ是鱼道几何尺寸的常数;y0表示鱼道池内水深;b0表示两隔板之间竖缝相对宽度。可以按(1)式计算水流条件较为简单的竖缝式鱼道的过流量。

竖缝的结构较为复杂、水流条件不稳定，水深较大则可以按照以下公式计算鱼道过流量：

Q*=3.77y0/b0-1.11，y0/b0≤10 ；

(2)

Q*=2.84y0/b0-1.62，y0/b0>10 。

(3)

3 模拟方案的制定

各工况下建立的数值模拟，均采用雷诺应力模型。上游进口断面采用速度进口边界(velocity-inlet)条件，下游出口边界采用压力出口(Pressure-Outlet)边界条件，顶面大气进口采用大气压力进口(Pressure-inlet)边界条件，边壁面采用无滑移边界条件，为了防止迭代过程中数值的发散和不稳定状况,对标量输运方程、动量方程采用了欠松弛技术, 压力与速度耦合采用半隐式方法SIMPLE算法，时间步长0.001s。

取4种竖缝相对宽度(b0/B),分别为b0/B=0.05，0.1，0.15，0.3，按照不同的竖缝相对宽度建立几何模型，划分计算网格，对竖缝处的网格进行加密处理。数值模拟鱼道模型池内尺寸如图1所示。

图1 鱼道池室布置Fig.1 Sketch of fishway pool

4 同侧竖缝式鱼道三维数值模拟

4.1 水流形态分析

鱼道池内不同的竖缝相对宽度可导致竖缝处水流的射流形态有很大的差别，从而影响池室内的水流形态[9]。首先保持水池长宽比L/B=10∶8(L=50 cm，B=40 cm)、底坡i=10%、短导板B2=8 cm、导角θ不变的条件下，通过改变长导板B1的长度来改变竖缝相对宽度，使竖缝相对宽度b0/B=0.05，0.1，0.15，0.3，不同竖缝相对宽度的池室内水流形态数值模拟图如图2所示。

池内水流在长导板与短导板的作用下，通过竖缝从上游流向下游，主流形态和大小回流区面积存在较大的差别，池内水流的横向扩散度也不同。

观察不同鱼道水池竖缝相对宽度条件下的水流形态发现，随着竖缝相对宽度的增加，主流区通过竖缝流向下游池室时，偏转角度逐渐减小，主流线的曲率随着竖缝相对宽度的增加而减小。从主流曲线的偏转角适度程度和回流区面积大小情况来看，竖缝相对宽度b0/B=0.15时，主流曲线偏转适中，左右回流区面积较为对称，较适合鱼类洄游。

4.2 主流沿程最大流速分布线沿程衰减情况分析

图3给出了不同竖缝相对宽度主流区的最大流速沿程分布情况。

图3 各工况下主流区最大流速沿程分布Fig.3 Distribution of maximum flow velocity along the river in the mainstream area in different cases

由图3给出的各工况下主流区最大流速沿程分布观察得知，竖缝相对宽度的不同影响水流在池室内横向扩散，随着竖缝相对宽度的增加，主流区的最大流速沿程逐渐偏向水流中央，流线趋于平缓。竖缝处、池室内流线偏转幅度逐渐减弱。同时，随着竖缝相对宽度的增加，速度的纵向衰减程度减小，变化幅度减小。

4.3 紊动能分析

图4 不同工况下的紊动能等值线Fig.4 Isolines of turbulence kinetic energy in different working conditions

观察图4可知，当竖缝相对宽度很小时，紊动能在长导板边缘及前方变化幅度较大，偏向池室左侧，之后紊动能较为快速地衰减。在导板边缘，紊动变化幅度较大，不利于过鱼。对于目标鱼种，理想的水流紊动情况要求大部分区域紊动较小，以利于有充分的休息空间，也需要在适当的位置有小部分的高紊动区，这有利于目标鱼种感知水流方向，刺激其游泳潜能。竖缝很小，水流穿过竖缝后，集中在长导板前，故该处的水流紊动较大，不利于过鱼。随着竖缝相对宽度的增加，紊动能向池中心偏移和扩散。从图4(b)和图4(c)得知，主流区水流的紊动能与回流区紊动能衔接顺畅，缓慢过渡，在主流区左侧的小回流区内存在一个紊动较高的区域，对于往上游洄游的鱼种，有利于其在下一个竖缝之前感知水流动能的增大，以猝发其突进力量的产生；同时，相同竖缝相对宽度条件下，流速越大，水流的紊动能越大，紊动能的衰减速度也越快。当竖缝相对宽度增加到0.30时，紊动能在移动到短导板前，回流区的紊动能几乎为0，主流区内紊动能也比较微弱，不利于目标鱼洄游时感知游动方向。从紊动能大小和主流区与回流区的紊动能过渡衔接的角度考虑，竖缝宽b0/B=0.15工况对目标鱼种的洄游更为有利。

5 结 论

本文通过整理数值模拟所得计算数据，从水流形态、主流最大流速轨迹及其衰减情况、紊动能方面，详细探讨了同侧竖缝式鱼道的水力特性。

(1) 从水流形态来看，在底坡、长宽比相同的条件下，随着竖缝相对宽度的增加，主流曲线弯曲度减小，横向扩散程度增大，曲线中心向水池中部移动，曲率随竖缝相对宽度的增加而减小；同时，主流区两侧的回流区面积逐渐分布均匀。在竖缝相对宽度b0/B=0.15时，主流曲线偏转适中，左右回流区面积较为对称。竖缝相对宽度相同时，底坡对水流形态影响微弱。

(2) 从水流流速分布来看，最大流速出现在竖缝处，并随着水深的增加，竖缝处的流速逐渐减小。随着竖缝相对宽度的增加，池内水流的横向扩散减小，流速纵向衰减程度较小，主流最大流速沿程逐渐偏向池中央。

(3) 从紊动能来看，在相同底坡下，随着竖缝相对宽度的增大，主流区紊动能逐渐减小。竖缝相对宽度b0/B=0.15时，主流区紊动能与回流区的紊动能缓慢过渡，主流区的水流扩散范围较大，这有利于消除射流体的动能，从而有利于为目标鱼类提供更舒适的水流环境。

综合以上各物理量的分析，竖缝相对宽度b0/B=0.15，底坡为10%时，同侧竖缝式鱼道的水流形态、流速场、紊动能等水力特性更加有利于过鱼。

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(编辑：刘运飞)

Numerical Simulation to Optimize the Structure ofIpsilateral Vertical Slot Fishway

GUO Wei-dong1, MENG Wen1,2, XIONG Shou-chun3, LAI Qian4, WANG Xin5, ZHANG Hai-liang6,WANG Xu-gang7, YAO Qing-yu8

(1.College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2.Late-stage Support Office for Reservoir Immigrants in Zhuanghe City，Zhuanghe 116400, China; 3.Linghe River Reserve Administration in Huludao City, Huludao 125000, China；4.Guangdong Pearl Glory Engineering Design Co., Ltd., Guangdong 510610, China; 5.Administration of Baishi Reservoir, Chaoyang 122000，China; 6.Administration of Jinling Reservoir, Jinzhou 121000, China; 7.Fushun Hydropower Survey and Design Institute, Fushun 113000, China; 8.Suihua Water Affairs Bureau, Suihua 152000, China)

The flow structure in ipsilateral vertical slot fishway is researched by changing the relative width of vertical slot (0.05, 0.10, 0.15, 0.30) and bottom slope 10% in a fishway model. Visual display and data analysis are adopted in the research. Through the simulation, the flow velocity distribution along water depth, the frictional distribution and attenuation of maximum flow velocity in mainstream area, as well as the turbulence kinetic energy distribution in the presence of different relative slot width and different flow velocity are obtained. Results reveal that when vertical slot widthb0/B=0.15 and bottom slope is 10%, flow pattern favorable for fish migration could be formed in the pool: the range of transverse diffusion of flow in mainstream area is moderate, the maximum flow velocity in the mainstream area attenuates uniformly along the way, and the backflow area is symmetrical with small flow velocity.

there-dimensional numerical simulation; ipsilateral vertical slot fishway; flow velocity distribution; Reynolds stress model; relative width of vertical slot

2014-01-16；

2014-03-20

郭维东(1969-)，男，辽宁朝阳人，教授，博士,研究方向为水力学及河流动力学研究，(电话)13998216708(电子信箱)gwdly@126.com。

孟 文(1987-)，女，辽宁庄河人，助理工程师，硕士,研究方向为水力学及河流动力学研究，(电话)13555967090(电子信箱)mengwenhappy@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.011

TV131.2；S956.3

A

1001-5485(2015)02-0048-05

2015,32(02):48-52