两种主要技术型鱼道的水力特性研究进展

郭泽云

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

河流上闸坝的修建虽然满足了“兴水利、除水害”的目标和要求，但另一方面当众多的水坝修建在同一条河流上时，将严重破坏河流的连通性，阻碍河水顺畅下泄，从而引发河流的生物多样性危机，特别是对鱼类的影响更加明显[1-2]。为消除或减少这种不利影响，人们发明了鱼道。但有关研究表明，大多数已建鱼道的过鱼效果是偏低的[3]。主要原因除了由于管理不善而导致较差的过鱼效果外，其最大的影响因素是缺乏对鱼道水力学问题和鱼类生物学问题的深入了解。如果能够充分掌握问题背后所蕴含的机理，鱼道的真正效用完全可以发挥出来，这一点已得到相关研究的验证[4-5]。为此，本文主要针对国内外研究人员在探索鱼道水力学问题时采用的方法和结论进行评述与分析。

1 鱼道的类型与特点

在我国现行的水利行业标准中，按结构型式可将鱼道划分为仿生态式、隔板式、槽式和特殊结构型式等，其中后3种类型的鱼道可统称为技术型鱼道。本文的研究对象为两种最常见的技术型鱼道——隔板式鱼道和槽式鱼道。

1.1 隔板式鱼道

隔板式鱼道也称池式鱼道，其按隔板的型式及消能机理的差异可分为竖缝式、溢流堰式、淹没孔口式和组合式。在隔板式鱼道的4个子类中，目前应用最广泛的是竖缝式鱼道，而应用前景最为看好的要属组合式鱼道，下面将重点对这两个子类的水力特性研究进展进行阐述。另外，关于这4个子类的优缺点及其适用性可参考相关行业标准。

1.2 槽式鱼道

槽式鱼道可分为加糙式鱼道和简单槽式鱼道两种，由于简单槽式鱼道极少被采用，故在此不作阐述。而加糙式鱼道，最为典型的代表非丹尼尔式鱼道莫属。丹尼尔式鱼道的最大优点在于其相比其它类型的鱼道可以建的更陡，因而在建设成本上具有相当大的优势。但其缺点也很明显，例如水流紊动大等等。需要特别指出的是关于它的适用性问题，很多文献在描述丹尼尔式鱼道的适用性时喜欢给它贴上一个标签——仅适用于大中型或游泳能力强的鱼类通过，这是因为没能透彻地理解丹尼尔式鱼道的宽度、底坡坡度、宽深比以及水池长度同这个标签之间的相互关系。有研究表明，当丹尼尔式鱼道的底坡坡度放缓至一定程度时，体型较小的鱼也可以通过，并且上溯成功率高达88%[6]。

2 鱼道的水力特性研究

2.1 竖缝式鱼道

Bermúdez等[7]采用物理模型与数值模拟相结合的方法对16种不同几何结构的竖缝式鱼道进行了研究，通过对这16种设计的生物学效率进行评价，发现池室的长度是影响竖缝式鱼道内水流特性的主要因素。Bombac等[8]系统地研究了竖缝式鱼道大小隔板间的偏转角问题，发现通过优化该偏转角可在流量和最大流速不变的情况下让鱼道建的更陡，从而能够明显地节省鱼道的建设成本。Quaranta等[9]利用数值模拟的方法对两种竖缝式鱼道内的紊流场进行了比较，得出标准竖缝式鱼道内的水力条件比简化的竖缝式鱼道更适合鱼类上溯的结论。Tarradel等[10]针对竖缝式鱼道池室较大情况下产生的大回流区让体型较小的鱼类陷入困境的问题，利用粒子图像速度场仪对不同结构型式的竖缝式鱼道中的紊流进行了测量。试验结果表明，池室中的流态取决于池室的长宽比，并就针对的问题提出了一种可能有效的方法，即在水池中某一位置插入一根圆柱。在Tarradel的研究基础上，Calluaud等[11]对竖缝式鱼道中某一位置有无圆柱存在情况下的紊流特性与瞬时流动特性进行了对比研究，进一步证明了在水池中增添圆柱的积极作用。该研究发现，在池室中增加圆柱能大幅降低局部区域的流速振幅、涡量和紊动能，从而能够让鱼类在洄游途中的能量消耗降到最低。Marriner等[12]利用现场测量和数值模拟的方法对竖缝式鱼道转弯段内水流的水力特性进行了研究，发现在转弯处的池室中增加隔板可以减小水流中的旋涡尺寸，并认为这可能会有助于提高过鱼效率。

边永欢等[13、14]采用数值模拟的方法对竖缝式鱼道 90°和180°转弯段的流场进行了研究，发现此类转弯段内存在容易导致鱼类滞留的大尺度回流区，并针对这种不利流态进行了改进研究，得出增设整流导板可改善转弯段水力条件的结论。王猛等[15]利用雷诺应力(RSM)模型对在3种底坡坡度的同侧竖缝鱼道内增设不同形状障碍物后的流场进行了数值模拟研究，研究表明，在正对竖缝下游的池室内布置障碍物对竖缝处的最大流速影响不大，但能在一定程度上减小竖缝与障碍物之间的流速梯度。另外，在正对竖缝下游的池室内布置圆柱型障碍物，能让竖缝处的紊动能和雷诺切应力下降20%～30%左右。郭维东等[16]利用雷诺应力模型分别对4种竖缝相对宽度的同侧竖缝式鱼道内的流场进行了数值模拟计算，对模拟的结果从水流形态、主流流速沿程衰减情况和紊动能3个方面进行了分析，得出竖缝相对宽度b0/B(b0为竖缝宽度，B为池室宽度)为0.15时的水流条件更有利于过鱼的结论。吕强等[17]利用RNGk-ε紊流模型对池室长宽比不同的9种双侧竖缝式鱼道内的流场进行了数值模拟计算，重点研究了上述9种池室长宽比下的流场结构特点，并据此将其大致分为了3类，初步指定适合鱼类洄游的池室长宽比区间。赵彬如等[18]为了研究竖缝位置对鱼道内水力学特性的影响，利用RNGk-ε紊流模型对7种工况下竖缝式鱼道内的流场进行了数值模拟计算。通过对模拟结果的分析，找到竖缝位置的合理布置范围。张超等[19]采用数值模拟的方法对3种墩头型式的竖缝式鱼道内的水流流场进行了计算，并利用流线型墩头鱼道模型进行了水力学试验。通过分析数值模拟和物理模型试验结果发现，相对于折线型墩头，流线型墩头不会显著改变池室内的水流结构，但会导致竖缝处的流速偏大，因此将隔板与导板墩头流线型化看作是一种改进还需要进一步的确定。

2.2 组合式鱼道

Yagci[20]利用溢流堰与孔口组合式鱼道进行了水力学实验，推导出关于该类鱼道的单位水体功率耗散方程和关于隔板上的槽口与潜孔的流量系数表达式，并指出这一成果将有助于此类组合式鱼道的设计。黄明海等[21]利用标准k-ε紊流模型对竖缝与潜孔组合式鱼道进口渠段内的流场进行了数值模拟，主要对鱼道池室、潜孔和竖缝等部位的流态、流速、紊动能和涡量进行了计算分析，得出这些水力学因子在水池内的大小分布规律。王琲等[22]利用RNGk-ε紊流模型对溢流堰与竖缝组合式鱼道内的流场进行了数值模拟，对3种水深情况下池室内的流速和紊动能进行计算分析，并给出池室内流速以及紊动能情况随水深增加的变化规律。刘鹄等[23]以长洲鱼道为研究对象，利用RNGk-ε紊流模型对竖缝与潜孔组合式鱼道内的流场进行了数值模拟计算，分别就设计流量条件下的池室流速、紊动能和鱼道进口流量变化对鱼类洄游的影响进行分析。

2.3 丹尼尔式鱼道

Katopodis等[24]采用物理模型试验的方法，对不同几何结构的丹尼尔式鱼道进行了研究。试验结果表明，从竖直方向上来看，丹尼尔式鱼道底板附近的流速较低，可让游泳能力较差的鱼通过；而自由水面附近的流速则较大，仅适合游泳能力较强的鱼使用。此外，通过分析沿主流方向的流速剖面图发现，流速从池底到自由水面是逐渐增大的，这就意味着必须对丹尼尔式鱼道内的水深进行合理控制，否则将无法获得有效的水力条件。Rajaratnam等[25]通过物理模型试验对丹尼尔式鱼道180°转弯段内的水力特性进行了研究，指出在转弯段可以让水流实现顺利偏转。佟雪丰等[26]对不同流量条件下丹尼尔式鱼道内的紊流特性进行试验研究，但仅对其中一种工况的紊流特性进行了研究，并且只选取两种水深平面进行分析，对水池内紊流信息的挖掘不够充分。

3 结 论

综上所述，国内外学者对鱼道水力学问题研究所采用的方法主要有两种，即物理模型试验与数值模拟计算，其中近年来对数值模拟的利用频率明显更高。在研究内容上，主要有以下3个方面：①调整池室内各结构部分的位置或尺寸；②增设额外障碍物；③改变来流条件。另外，对于鱼道水力特性的研究，不再只限于流速和流态，对于描述紊流特点的物理量也越来越受到研究者的重视。