异侧缝-孔组合式鱼道水力特性试验研究

董志勇，严泽阳，黄 洲，余俊鹏，童建莉

(浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023)

生态环境是当今社会的热词。随着经济社会的快速发展，工程建设对生态环境的影响问题越来越引起人们的关注[1-2]。作为基础设施的水利工程，为经济社会的发展提供了必需的可再生能源，并具有防洪排涝、城镇供水、农田灌溉和航运等功能，必将得到进一步的发展。我国沿海、沿江鱼类资源丰富，洄游性鱼类众多，按生活环境可分为生活在海洋中的溯河洄游性鱼类和生活在淡水中的降河洄游性鱼类。此外，还有在河流与湖泊、干流与支流的半洄游性鱼类。为了保证鱼类能够顺利洄游，通常在挡潮闸、排水闸、分洪闸和大坝等水利枢纽中设置鱼道，以达到水利工程与生态环境的和谐发展。已有研究表明：在全球已建成的鱼道中，鱼类能够溯游通过的鱼道尚不足一半[3]！因此，进一步研究鱼道水力特性，具有重要的现实意义。

鱼道可分为单一式鱼道(竖缝、孔口、溢流堰)和组合式鱼道。竖缝式鱼道最早应用于加拿大弗雷泽河上鬼门闸鱼道中，其优点是鱼类可以在任意水深穿游各池室。Rajaratnam等[4]较早地对竖缝式鱼道的均匀流和非均匀流特性进行了试验研究，得出无量纲流量与相对水深的关系；Wu等[5]则认为通过竖缝的流动可看作平面射流。Guiny等[6-7]对竖缝式鱼道的时均流特性和生物特性进行过较为系统的试验研究和数值模拟；孙双科等[8]对北京市上庄新闸竖缝式鱼道的时均流特性进行过模型试验研究；董志勇等[9-10]在大比尺鱼道模型中对同侧和异侧竖缝式鱼道的时均流特性进行了较为系统的试验研究，分析了竖缝式鱼道的主流轨迹、主流速度的沿程变化规律、水池横断面流速分布的特征及其随流量的变化情况，并做了放鱼试验。孔口式分为中孔、底孔，其流动特性表现为三维自由射流或三维壁面射流，并且形成三维水跃。鱼类在孔口式鱼道中溯游时，必须通过受限空间才能到达上游池室，适宜于喜欢在中、下层洄游的大、中型鱼类。大多数鱼道的水力设计只考虑平均流速，忽略了鱼道内的紊流结构。已有研究表明：鱼类可用内耳、侧线和神经丘来察觉紊动[11]。一些关于紊流对鱼类习性、能量和分布影响的研究表明：在一些紊流形态中，鱼类可从中受益，如Liao等[12]在《Science》期刊上发表文章，阐述了成年彩虹鲑在障碍物形成的稳定脱落旋涡中游动时可从这些旋涡能量中受益。类似的观测结果表明：成年红大马哈鱼在溯河产卵洄游途中利用旋涡区以使其能量支出减到最小[13-14]；Herskin等[15]的研究认为：鱼类成群溯游时，可从领头鱼产生的旋涡中受益。若鱼道中水流能形成这种生态友好型流动结构，则大大有利于鱼类溯游。迄今，人们对单一式鱼道研究较多，而对于组合式鱼道则仅有些数值模拟研究。王琲等[16]采用RNG k-ε紊流模型对竖缝与溢流堰组合式鱼道进行了数值模拟，分析了池室内流速和紊动能变化情况；刘鹄等[17]基于紊流模型和VOF自由表面处理技术，对竖缝与孔口组合式鱼道的流场特性进行了数值模拟研究；Masayuki等[18]采用三维紊流模型及VOF分析了溢流堰与孔口组合式鱼道的水力特性。然而，对于组合式鱼道的试验研究，迄今鲜有文献报导。由于沿海、沿江洄游性鱼类众多，其溯游习性各异，传统的单一式鱼道难以满足不同鱼类的溯游习性，这也是大多数鱼道运行效果不佳的原因之一。笔者在孔口与竖缝组合式鱼道水槽中，用声学多普勒测速仪(ADV)量测孔口和竖缝组合式鱼道的三维瞬时流速，分析时均流速分布、紊动强度分布、雷诺应力分布，为孔口和竖缝组合式鱼道的设计和优化提供参考。

1 试验设备与量测技术

鱼道水槽长20 m，宽60 cm，深100 cm，可分为入流段、工作段和出流段，如图1所示。工作段两侧为钢化玻璃，分为4 个阶梯式水池，水池底板高度沿程依次为20，15，10，5 cm，由5 块鱼道隔板分隔，每块隔板在底板上高度均为65 cm，孔口与竖缝组合式隔板如图2所示。试验流量为41 L/s，试验水深为0.545 m，水池断面平均流速为0.125 m/s。

图1 鱼道水槽示意图

图2 缝-孔组合式鱼道隔板(单位：mm)

坐标系原点位于水池上游隔板、水池右侧和底板的交点处，沿水流方向设为x轴，铅垂方向设为z轴，横向设为y轴。采用声学多普勒测速仪(ADV)量测水池内各测点的三维瞬时流速，水位由自动水位测量系统测读，流量由水槽为尾部的矩形堰量测。隔板上竖缝在水池内为异侧布置。取不同深度水平面(z=10，20，30，35，45 cm)，沿每一水平面布设15 条横线(x=5，10，15，20，25，30，40，60，80，100，120，140，160，170，175 cm)，沿每条横线布设17 个测点(y=2，6，10，14，18，22，26，30，33，36，39，42，45，48，51，54，57 cm)。

2 试验结果与讨论

2.1 流动特征

过孔口中心水平面上的流速矢量如图3所示。由图3可见：异侧布置情形孔口射流偏向竖缝壁面射流方向，与之合并后使主流断面沿程扩大，并在水池内形成一个顺时针方向的大旋涡。由于竖缝异侧布置，竖缝壁面射流由左侧转向右侧，致使孔口射流与竖缝壁面射流汇聚。

图3 水平面上流速矢量

取水池典型横断面，x/L=0.2，x/L=0.6，分析其流速矢量分布，如图4所示。从图4可以看出：孔口射流与竖缝壁面射流在汇聚区横断面上的流动特征显然与合并区不同，汇聚区主要呈水平向流动，合并区则为垂向流动。

图4 横断面上流速矢量

分别位于孔口、竖缝纵剖面上的流速矢量如图5所示。由图5可见：两者流动特征相似，水池内水流主要呈纵向流动，垂向流速很小。但在下游隔板附近，由于竖缝异侧布置使纵向流动转变为横向流动。

图5 纵剖面上流速矢量

2.2 时均流速

2.2.1 最大纵向流速沿程变化

取位于孔口、竖缝的纵剖面，分析其最大纵向流速沿程变化情况，如图6所示。由图6可见：位于孔口纵剖面上的最大纵向流速沿程衰减较快，靠近上游隔板处，x/L=0.1左右达到最大，在靠近下游孔口处又逐渐增大；位于竖缝纵剖面上的最大纵向流速由于孔口射流的并入而衰减较慢，在水池下游隔板附近则急剧衰减，这是由于下游竖缝异侧出流导致水流横向流动的缘故。

图6 纵剖面上最大纵向流速沿程变化

2.2.2 纵向流速沿横向分布

取x/L=0.2，x/L=0.6，x/L=0.9，过孔口中心横线上纵向流速分布如图7所示。由图7可以看出：在靠近上游隔板附近，由于孔口射流与竖缝壁面射流汇聚，纵向流速沿横向分布存在两个峰值区，一个位于竖缝区，另一个位于孔口区，两者之间存在回流区，即图7中的下凹曲线。沿程其他横线上的纵向流速则由于孔口射流与竖缝壁面射流的合并呈沿横向逐渐增大的趋势，并且由于水平向旋涡横向流动的作用使水池后部纵向流速比水池中部小。

图7 纵向流速横向分布

2.3 紊动强度

紊动强度是反映水流中流速脉动强弱程度的一个特征值，可表示成

(1)

式中：Tx为纵向紊动强度；Ty为横向紊动强度；Tz为垂向紊动强度。

2.3.1 紊动强度沿横向分布

过孔口中心水平面上沿程紊动强度沿横向分布，如图8所示。从图8中可以看出：无论在射流汇聚区还是射流合并区，纵向流速明显比横向流速和垂向流速大。

图8 紊动强度沿横向分布

2.3.2 纵剖面上最大纵向紊动强度沿程变化

过孔口中心的纵剖面上最大纵向紊动强度Tx max沿程变化，如图9所示。由图9可见：孔口区最大纵向紊动强度呈先增大后减小的变化趋势，这是由于孔口射流向竖缝壁面射流区汇聚所致。显然，在射流合并区，两者变化趋势相同。

图9 纵剖面上最大紊动强度沿程变化

2.4 雷诺应力

雷诺应力是分析紊流对鱼类影响的重要指标，可表示为

(2)

2.4.1 雷诺应力沿横向分布

雷诺应力沿横向分布如图10所示。由图10可以看出:η1在射流剪切层存在峰值区，并呈正向变化，其余区域的η1,η2,η3则呈负向变化。

图10 雷诺应力沿横向分布

2.4.2 纵剖面上最大雷诺应力沿程变化

过孔口中心纵剖面上最大雷诺应力沿程变化如图11所示。由图11可见：孔口区纵剖面上最大雷诺应力沿程在水池前部逐渐减小，在水池中部趋于平缓，而在水池后部又逐渐增大；竖缝区纵剖面上最大雷诺应力沿程逐渐增大。

图11 纵剖面上最大雷诺应力沿程变化

3 结 论

通过对异侧竖缝与中孔组合式鱼道水力特性的试验研究，得出：1) 水平面上流动特征呈孔口射流与竖缝壁面射流汇聚，并在水池内形成一个顺时针方向的大旋涡；纵剖面上流动特征呈纵向流动，垂向流速很小。2) 位于孔口纵剖面上的最大纵向流速沿程衰减较快，而位于竖缝纵剖面上的最大纵向流速则由于孔口射流的并入衰减较慢；纵向流速沿横向分布存在两个峰值区，一个位于竖缝区，另一个位于孔口区。3) 无论在射流汇聚区还是射流合并区，纵向流速明显比横向流速和垂向流速大。4) 孔口区纵剖面上最大雷诺应力沿程逐渐减小，而在竖缝区则沿程逐渐增大。