仿自然鱼道的一般布置原则及数值模拟研究

姜 静，周 赤，刘志雄(长江科学院 水力学研究所， 湖北 武汉 430010)

仿自然鱼道的一般布置原则及数值模拟研究

姜 静，周 赤，刘志雄
(长江科学院 水力学研究所， 湖北 武汉 430010)

拟建的阁山水库会阻断鱼类的洄游通道，为解决鱼类上溯问题，将同时布置仿自然鱼道。基于仿自然鱼道的一般布置原则，建立了适合研究仿自然鱼道数值模拟的CFD模型，并通过物理模型试验研究成果进行了模型验证和率定。在此基础上对鱼道不同的障碍物布置尺寸和间距开展了优化比较,通过研究鱼道内的流速分布及流量等水力参数，确定了较合理的障碍物布置形式。研究表明，增大障碍物的尺寸和减小障碍物的间距均可以增强对水流的阻碍作用。综合分析后推荐本鱼道工程障碍物布置的较合理形式为：高2.0 m，长4.0 m，宽2.5 m，间距10 m。此布置形式在设计工况下，鱼道内的流速范围为0.3 m/s～1.2 m/s，主流明确，能够满足各种鱼类的上溯要求。

仿自然鱼道；数值模拟；流速分布；阁山水库

随着水利工程的发展，修建的大坝、水闸等水工建筑物阻断了鱼类的洄游通道，对洄游鱼类产生了巨大的影响,甚至导致一些洄游鱼类的灭绝[1]。因此，为维护生态平衡，过鱼设施的修建是十分必要的。

鱼道的典型形式有丹尼尔型鱼道、堰流式鱼道、竖缝式鱼道[2]。但传统的鱼道存在过鱼目标单一，运行维护管理不畅等缺点。在20世纪70年代，Katopodis C等[3]首次提出仿自然鱼道的概念。仿自然鱼道是模仿自然河道修建的一条坡度平缓的水路供鱼类洄游，有利于水能的耗散，其水流条件更加接近天然河道，因此过鱼率较高[4-5]，较多的运用于日本、瑞典、德国等国家的鱼道工程中。

仿自然鱼道近年来在国外的研究较多，Komura S等[6]通过改变漂石位置说明了其对于鱼道内水流流态的影响；Acharya M等[7]提出仿自然鱼道比传统鱼道更适合用于中低水头枢纽中；Khan L A[8]用STAR-CD方法对鱼道内水流进行三维数值模拟，Fujihara M等[9]用二维浅水模型进行鱼道水力特性计算。

在国内，毛熹等[10]对鱼道的池室结构进行了研究；高东红等[11]也进行了三维鱼道水力特性计算，并计算了成年粉红鲑鱼逆流上溯的阻力和能量损耗；李恒等[12]分析了不同过水断面面积比对水流流态的影响，许少华等[13]主要研究了鱼道流场的和适度问题。黎贤访[14]对金沙电站的鱼道水流流态进行了分析，表明鱼道结构布置合理。

本文以阁山水库鱼道为例对仿自然鱼道中的流速分布，流量等水力参数展开研究。

1 仿自然鱼道的一般布置原则

仿自然鱼道大致分为加糙坡道型鱼道和水池浅滩型鱼道2种不同型式[15-16]。

加糙坡道型鱼道布置形式简单，仅由一个长斜槽构成。考虑到鱼类的游泳能力有限，鱼道的坡度应适当平缓，长度也不宜过长，通常是在鱼道中每隔一段距离布置一个低流速的休息池，休息池的形成方式有两种：一种是人工弯曲的静水区，另一种是在斜槽内码放大型的天然漂石。漂石的码放方式可以是规则码放，也可以是松散码放，除此之外还可以采用交错布置的形式。若采用规则码放，则漂石结构会比较稳定，可以适当增加底坡的坡度；反之，若采用松散码放，则漂石的抗冲能力减弱，需适当减缓底坡的坡度，但这种码放方式的优点是水流流态较为接近天然河道；而最能良好模拟天然河道水流条件的漂石码放方式是交错布置。

水池浅滩型鱼道采用的是梯级构造，是由浅滩和水池交错布置的一种鱼道形式。水池处水深较深，流速较小，而浅滩处的水深较浅，流速也相对较大。这种鱼道形式的布置要求是：浅滩处的流速不得大于鱼类上溯的极限流速，且水池处的流速要小于鱼类的最大持续速度。

加糙坡道型鱼道和水池浅滩型鱼道虽然是两种不同类型的布置形式，但它们也有一些相同的特点：(1) 就地取材，利用漂石等材料，使鱼道内的水流流态与天然河道较为相似，有利于鱼类上溯；(2) 适合各种鱼类自由上溯和降河，过鱼效率高，具有生态廊道功能；(3) 需有合适的地形条件且占地面积较大；(4) 需保持结构稳定，防止洪水破坏，所以虽然建造费用较低，但维护费用很高。

2 阁山水库及鱼道工程概况

阁山水库位于黑龙江省绥化市绥棱县境内呼兰河右岸支流诺敏河上游，距绥棱县城约36 km。工程任务以灌溉和城镇供水为主，兼顾防洪发电等综合利用。主体工程包括土坝、溢洪道、电站、灌溉洞等，总库容4.04亿m3，水库大坝为黏土均质坝，长度3 246 m，坝顶高234.20 m，最大坝高18.1 m。溢洪道位于大坝左侧。鱼道从老河道电站尾水渠起始，在溢洪道左侧顺溢洪道轴线方向布置50 m，经100 m半径的36°角转弯远离溢洪道的干扰，顺直210 m，经100 m半径的35°角转延近似平行大坝布置，在鱼道桩号1+300 m处再经100 m半径转弯向大坝下游偏离，鱼道桩号2+500 m处经300 m半径转弯折回上游，在大坝左端经50 m半径转弯入库。鱼道经过诺东输水洞的尾水渠，延尾水渠设一倒虹吸，使鱼道平顺通过，如图1所示。

图1 阁山水库工程枢纽总体布置图

阁山水库仿自然鱼道断面为梯形，底宽5.0 m、两侧边坡1∶1.5，池室深度取3.2 m，鱼道全长3.5 km，进出口落差14.4 m，坡降1∶200。槽身边墙部位每隔10 m设置障碍物，障碍物尺寸：高2.0 m，沿水流方向长4.0 m，垂直水流方向宽2.5 m，间距10 m。鱼道设计水深1.2 m，水流进口流速1 m/s。鱼道出口设置控制闸门，闸室处断面呈矩形，长度为6.0 m，净宽为5.0 m。

本鱼道过鱼保护对象主要是洄游鱼类鲑科中的哲罗鲑和细鳞鲑等冷水性鱼类。主要过鱼季节：每年的4月—7月。

3 数学模型

数学模型以鱼道出口段1 km范围为研究对象。为减小边界条件对计算结果的影响，故选择距进出口边界较远的中间段池室的数据作为研究对象分析流速特征。

3.1 控制方程组

FLUENT的湍流计算有三种不同形式的基本方程：标准κ-ε模型，RNGκ-ε模型，Realizableκ-ε模型。因RNG模型在ε方程中加了一个条件，它提供了一个考虑低雷诺数流动黏性的解析公式，因此RNGk-ε模型相比于标准k-ε模型具有更高的精度，故本文采用RNGκ-ε模型。

基于RNGκ-ε湍流方程建立阁山水库仿自然鱼道数学模型，控制方程组表示如下：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

3.2 边界条件

模型采用明渠计算方法，水流进口为速度进口，流速为1 m/s；水流出口为压力出口；顶部为压力进口，相对压强为零。壁面为无滑移壁面，考虑糙率影响，糙率取0.03。

3.3 网格划分

模型用有限体积法对控制方程离散，采用四面体的计算网格，如图2所示。

图2 鱼道网格划分

3.4 数值模拟方法

使用VOF计算方法模拟追踪自由水面。压力采用Body Force Weighted格式差值，动量差值格式为二阶迎风格式，体积分数采用Geo-reconstruct格式差值，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法。数值模拟计算时间步长取为0.5 s。计算历时延长至计算结果基本恒定。

3.5 模拟结果分析

在设计水深1.2 m的工况下，表(z/h=0.8)、底(z/h=0.2)水层的水流流态如图3所示。

图3 鱼道平面内水流流态

根据模拟结果，鱼道水流呈现如下特征：(1) 表层水流最大流速为1.2 m/s，底层水流最大流速为0.8 m/s；(2) 因障碍物的阻碍作用，鱼道水流沿垂向呈现三维特性，主流明确且呈“S”型弯曲；(3) 随着水层的升高，水流流速逐渐增大，主流宽度逐渐增加。

计算结果表明：此障碍物布置形式在设计水深1.2 m的工况下，鱼道内水流流态良好，主流明确，有利于各种鱼类的上溯。

4 模型验证

为了验证结果的正确性，本研究同时开展了物理模型试验。

4.1 物理模型

物理模型根据重力相似准则设计，模型长度比尺为1∶20。鱼道主要模拟了鱼道进口段(从进口至第二个弯段后一定长度)，共长约500 m、出口段(出口前第二个弯段上游一定长度至出口)，共长约900 m。模型模拟鱼道长度约1 400 m。

4.2 模型验证

物理试验工况同数学模型试验，控制进口水深1.2 m，流速1 m/s。取鱼道顺直段的同一部位作为研究对象，物理模型试验及数值模拟得到的流速分布图如图4所示。由图4可以看出，物理模型试验和数值模拟所得的流速分布基本一致，表明了其结果的正确性。

图4 鱼道内同一部位流速分布图

5 障碍物布置的比较与优化

为研究不同的障碍物布置形式对鱼道内水流流态分布的影响，对障碍物尺寸及布置间距进行对比分析。

5.1 优化方案

优化比较的方案见表1，方案1为基本方案，方案2～方案5分别改变了障碍物的宽、长、高、间距。其中长为沿水流方向，宽为垂直水流方向。

表1 障碍物布置方案特征值表 单位：m

5.2 流速分布

数值计算的边界条件，网格划分，数值方法同前。计算结果取表层(z/h=0.8)水流流态进行分析，如图5所示。五种工况下鱼道研究段的流量，水深，比降见表2。

对模拟结果分析可以看出：(1) 障碍物尺寸的增大和间距的减小对水流的阻碍作用均增强，可以使鱼道内的流量减小，但对水深和比降的影响很小。(2) 方案1时，鱼道内水流流态良好，主流明显，呈S型弯曲，最大流速为1.2 m/s，小于鱼类上溯的极限流速，能满足各种鱼类的上溯要求。(3) 方案2表明，障碍物宽度增大，可以略微降低鱼道内的最大流速，但主流不如方案1明显，其流速分布不利于鱼类上溯。(4) 方案3和方案4表明，障碍物长度和高度增大，使水流集中，流速分布不好，不建议采用。(5) 障碍物间距减小，鱼道内流速明显减小，最大流速不超过1 m/s，但障碍物间距的减小将导致工程量明显增加，不经济。(6) 通过以上分析，推荐较合适的方案1的参数为本工程障碍物的布置形式，即：长4.0 m，宽2.5 m，高2.0 m，间距10 m。

图5 鱼道流速分布图

6 结 语

建立适合仿自然鱼道模拟的CFD模型，对鱼道池室内的水流流态进行数值模拟分析，通过物理模型试验验证了数值模拟计算结果的正确性。并分别改变障碍物的长、宽、高及间距，分析其对水流流态及流量等的影响，推荐出适合本工程的障碍物布置形式。此布置形式较好的解决了本鱼道工程的过鱼问题，可为其他鱼道工程提供借鉴。

[1] 刘志雄，周 赤，黄明海.鱼道应用现状和研究发展[J].长江科学院院报，2010,27(4)：28-35.

[2] 孙双科，张国强.环境友好的近自然型鱼道[J].中国水利水电科学研究院学报，2012，10(1):41-47.

[3] Katopodis C, Kells J A, Acharya M. Nature-like and conventional fishways: alternative concepts？[J]. Canadian Water Resources Journal, 2001,26(2):211-232.

[4] 李盛青，丁晓文，刘道明.仿自然过鱼通道综述[J].人民长江，2014,45(21):70-73.

[5] 王桂华，夏自强，吴 瑶，等.鱼道规划设计与建设的生态学方法研究[J].水利与建筑工程学报，2007,5(4):7-12.

[6] Komura S, Kazusa S, Hara T. Naturally shaped fishway of the nagara river estuary bar-rage[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Habitat Hydraulics, Quebec, Can-ada. June 1-5, 1996:B855-B860.

[7] Acharya M, Kells J A, Katopodis C. Some hydraulic design aspects of nature-like fishways[C]//Proceeding of the Joint Conference on Water Resource Engineering and Water Resource Planning and Management, Minneapolis, Minnesota, United States. July 30-August 2，2000:1-10.

[8] Khan L A. A Three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) model analysis of free sur-face hydrodynamics and fish passage energetics in a vertical-slot fishway[J]. North American Journal of Fishwaies Management, 2011,26(2):255-267.

[9] Fujihara M, Yamanaka S, Izumi T, et al. Numerical investigation of flow in various types of vertical slot fishways and the function of baffles[J]. 水产工学，2012,49(2):85-92.

[10] 毛 熹，脱友才，安瑞冬，等.结构变化对鱼道水力学特性的影响[J]．四川大学学报(工程科学版)，2012,44(3):13-18.

[11] 高东红，刘亚坤，高梦露，等.三维鱼道水力特性及鱼体行进能力数值模拟研究[J].水利与建筑工程学报，2015,13(2):103-109.

[12] 李 恒，宣国祥，王晓刚，等.梯形横断面鱼道内水流特性分析[J].水利与建筑工程学报，2015,13(4):45-49.

[13] 许少华，刘建荣，等.以FLUENT三维模拟检核马鞍灞鱼道本体流场的和适度[J]．中华水土保持学报，2010,41(4):343-351.

[14] 黎贤访.金沙水电站鱼道水力特性数值模拟[J].水力发电，2015,41(11):51-54.

[15] 王 猛，岳汉生，史德亮，等.仿自然型鱼道进出口布置试验研究[J].长江科学院院报，2014,31(1):42-52.

[16] 王 猛.仿生态型鱼道水力特性初步研究[D].武汉：长江科学院，2014.

General Layout Principles and Numerical Simulation of Nature Simulating Fishway

JIANG Jing， ZHOU Chi， LIU Zhixiong

(InstituteofHydraulics,ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,Wuhan,Hubei430010,China)

The planned Geshan reservoir will block the migration route of fish, in order to solve the problem of fish migration, fishway will be designed at the same time which use nature-simulating arrangement. Based on the general layout principles, the flow in fishway is numerically simulated by CFD model, which is reasonable for nature-simulating fishway, the model was calibrated and validated by physical experiments. Different sizes and spacing of obstacles within the fishway were further compared and analyed, after which the more reasonable arrangement of the obstacles was determined by study the velocity distribution and the rate of flow in the fishway. The results show that increasing the size and minimizing the spacing of obstacles can enhance the block effort to water. After comprehensive analysis, this research recommends a reasonable arrangement of the obstacles in the fishway which is two meters high, four meters long, two point five meters wide, ten meters spacing. The velocity in the fishway under this design ranges from 0.3 m/s to 1.2 m/s and mainstream is obvious which is suitable for fish migration.

nature simulating fishway; numerical simulation; velocity distribution; Geshan reservoir

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.017

2016-07-21

姜 静(1990—)，女，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学。 E-mail: 719583965@qq.com

周 赤(1963—)，男，湖南岳阳人，教授级高级工程师，主要从事水工水力学高速水流方面的研究。E-mail: zhouchi@mail.crsri.cn

S956.3

A

1672—1144(2016)06—0081—05