紊流特性对鱼道结构的影响

摘 要：鱼道结构的差异导致其内部结构出现不同的紊流特性，这种现象对于鱼类能否顺利上溯洄游至关重要。为了进一步了解鱼道内的紊流特性，本文主要阐述了几种不同的鱼道结构，通过紊流流速、紊流强度、雷诺剪切应力、紊动能等特性进行展开分析，使鱼道的过鱼效果达到最佳。

关键词：鱼道;紊流特性;丹尼尔式;竖缝式

随着社会经济的发展，人类对于水资源的需求越来越大，各种各样的水工建筑物出现在江河湖泊上。这些建筑物给社会带来效益的同时，也导致了鱼类栖息地问题严重加剧，生物多样性降低明显。因此我们在修建水利设施时，要合理利用资源，充分考虑到维持水生态的平衡问题。鱼道是一种保护水生物种资源的工程措施，能明显改善河流的连续性和保护物种的多样性[1]，在闸坝的下游，鱼类常依靠水流的吸引进入鱼道，鱼类在鱼道中靠自身力量克服流速溯游至上游。

1 紊流特性

常见的紊流特性包括流速、紊流强度、紊动能、雷诺切应力等。将水流的瞬时流速看成两个部分组成，即时均值和脉动值：

再把紊流的运动要素进行时间平均后，紊流运动就简化为没有脉动的时均流动，这样就可以对时均流动与脉动分别加以研究。对于脉动量，常用它的均方根值作为它的统计特征值，若为各向同性紊流：

为y方向紊流的脉动值;为z方向紊流的脉动值。

用单位质量流体的紊动平均动能来表示紊动能的大小：

常用紊流强度N来表示紊流的程度：

对方程进行时间平均后，得到紊流时均运动的运动方程即雷诺方程。

近些年很多学者通过试验研究分析，得到鱼道中的紊流特性和鱼类的生活习性有着密切关系。Lacey等[2]研究发现，鱼道中的鱼类的上溯洄游能力和紊流强度有关。Crowder等[3]在文章中指出紊流特性中的紊动能对鱼类的影响很大。Pavolov等[4]研究发现，紊流强度的变化对鱼类游泳速度以及能力有着明显的影响。同时Smith等[5]认为紊流可能是鱼类游泳路径影响最大的因素。

2 传统式鱼道

2.1 丹尼尔式鱼道

丹尼爾式鱼道是最早出现的鱼道形式，早期有学者对其流量、水深及流速分布进行了研究。它由比利时的丹尼尔在槽式鱼道的槽壁槽底设置相距很密的阻板和底坎，来消能减速，故称为丹尼尔式鱼道。其中佟雪丰和李卫明等[6]发表的文章中提到通过相似比为1：1的鱼槽模型进行试验，分析了其紊流特性，结果如下：1）池室中出现主流区和回流区两个区域。2）在不同的水深断面，u、v、w各向紊动强度沿水深逐渐减小，且u、w方向紊动强度递减趋势明显高于v方向。3）在不同水深断面，雷诺切应力随水深的增加而不断减小。

丹尼尔式鱼道在其底板附近处的流速较小，这个环境下有利于游泳能力弱的鱼类进行洄游，同时游泳能力强的鱼类可以在接近表面处洄游，它们具有了不同的洄游区域。但由于鱼道内的流速会随水深增加而增大，因此限制了鱼道的高度。

2.2 竖缝式鱼道

竖缝式鱼道是用平板在鱼道槽中形成从上到下的一条竖缝，水流从竖缝中下泄，根据竖缝的布置分为单缝和双缝两种。由于竖缝式鱼道消能效果比较好，能够适应较大的水位变化，同时适应栖息于表层和底层的鱼类洄游要求，因此被广泛应用。最早的竖缝式鱼道是1943年在加拿大英属哥伦比亚菲沙河的赫尔斯门鱼道中首先应用的[7]。早在以前Sanagiotto等[8]通过模型试验，对紊流特性进行研究分析，认为一个适合鱼类生物的流态紊动标准是可能存在的。近几年国内，陆续出现了关于竖缝式鱼道的研究成果，曹庆磊等[9]利用三维数值模拟方法竖缝式鱼道内的流场、雷诺剪切应力等紊流特性进行研究，并且通过试验验证了标准和雷诺切应力方程2种紊流模型的结果。研究结果表明：池室中的流速、紊动能以及雷诺剪切应力在竖缝出口处较大，在回流区较小，鱼类洄游时在上层受到流速的影响要稍大于下层，而所受紊动能与雷诺切应力的影响则与之相反。

综上可以看出，国内外对于竖缝式鱼道紊流特性的研究方法主要还是通过物理模型试验和数值模拟方法。它们的研究内容主要为紊流流速、紊流强度及紊动能的分布规律，结果表明：同侧竖缝式鱼道内主流速先增大后减小，而异侧竖缝式鱼道则与之相反;在竖缝处和出口处区域内的紊流强度较大，但是位于入口处的紊动能却较大，这些结果都会对鱼类的通过产生较大的影响，所以，合理的改善相应地方的设计尺寸和结构形式，过鱼效果肯定会得到一定的提高。

3 结语

鱼道是水利工程建设中的重要组成部分，它是鱼类上溯洄游的重要保障，同时对于水生态环境的保护起着重要作用。鱼道水利设计的结果就直接影响着鱼类能否顺利通过大坝。目前国内外对鱼道紊流特性的研究主要是采用数值模拟作为物理模型试验的手段，通过调节各种边界条件来进行分析，已经取得了较大的进展。现在陆续出现了各式各样的鱼道，未来的方向注重是生态环保方向，今后的重心依旧是研究鱼道内的紊流特性，另外不同形式鱼道内水力条件对鱼类通行的影响及改善措施亦将成为未来研究热点之一。

参考文献

[1]Li W，Chen Q，Cai D，et al. Determination of an Appropriate Ecological Hydrograph for a Rare Fish Species Using an Improved Fish Habitat Suitability Model Introducing Landscape Ecology Index[J].Ecological Modelling，2015，311：31-38.

[2]Lacey R W，Neary V S，et al.The IPOS Framework： Linking Fish Swimming Performance in Alterd Flows from Laboratory Experiments to Rivers[J].2012，28（4）：429-443.

[3]Crowder D W， et al. Vorticity and Circulation： Spatial Metrics for Evaluating Flow Complexity in Stream Habitats[J]，2002，59（4）：633-645

[4]PAVLOV D， LUPANDIN A，et al.The effects of flow turbulence on the Behavior and distribution of fish[J].Journal of Ichthyology，2000，20（1）

[5]SMITH D L，et al.Relating turbulence and fish habital：a new approach For management and research[J].Reviews in Fisheries Science，2014，22

[6]佟雪丰，李卫明，刘德富，等.丹尼尔式鱼道内水流紊动特性试验 研究[J].水电能源科学，2016，34（2）：94-97，128.

[7]CLAY C H. Design of  Fishways and Other Fish Facilities[M].Ottawa：Department of Fisheries of Canada，1995.

[8]SANAGIOTTO D G，COLETTI J Z，MARQUES M G. Velocity and Hydraulic Turbulence on a Vertical Fishway[C] // HYDROCHINA.  Proceedings of Hydropower 2006 International Conference. Kunming， China， October23-25，2006：105-106.

[9]曹慶磊，杨文俊，陈辉.同侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟[J].长江科学院院报，2010，27（7）：26-30.

作者简介

刘俊（1994-），男，汉族，安徽池州市人，硕士研究生，重庆交通大学，研究方向：生态水工结构。