鱼礁护岸结构设计与布置研究以及流场效应分析

邓柏旺，朱彬彬，周佳楠，沈 达

（1.上海市水利工程集团有限公司，上海201612；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225127）

0 引 言

鱼礁结构是一种栖息地改善结构，对水生生物的繁殖和生长有重要意义。生物环境方面，鱼礁能增大水域的生物量；非生物环境方面，不同内外部形状的鱼礁直接影响周围及内部的流速流态，进而影响鱼类。鱼礁一般被广泛应用于海洋中，在内陆护岸工程中应用较少。利用鱼礁块体作为新型生态护岸结构，可为山区河流较高流速下的护岸结构设计提供参考。

针对鱼礁结构的系统研究已取得丰富的成果。陈勇［1］等人通过实验研究，分析了人工鱼礁的环境功能和集鱼效果。林军［2］等人从物理环境、鱼礁材料等角度研究了人工鱼礁的物理稳定性。刘舜斌［3］等人对嵊泗人工鱼礁一期工程建成之后的4个季度的渔业资源进行调查研究，发现鱼礁投放后，鱼礁区生产力得到了提高，群落结构得到了明显改善。丁玲［4］等人通过试验研究，分析了鱼礁最大静摩擦系数与海洋底质泥沙粒径、含水率等因素的关系。近年来鱼礁结构也被应用于内陆护岸工程中。重庆交通大学路鼎［5］提出了两种鱼礁护岸结构（螺母鱼礁块体和菱形鱼礁块体），着重研究了鱼礁护岸结构的破坏机理，丰富了河道护岸形式。韩林峰［6］等人利用水槽模型试验，对透空六面体人工鱼礁周围的水力特性进行研究，得到了鱼礁护岸的鱼类产卵场水力因子。

本文根据长江河道鱼类习性，结合内陆山区河道护岸工程（重庆市跳墩河流域）对鱼礁护岸块体的结构尺寸进行设计，利用有限元软件对鱼礁周围流场进行数值模拟，分析鱼礁以及鱼礁场的流场效应，确定鱼礁块体的布置间距，研究不同布置方式下的鱼礁场流场效应并确定鱼礁在岸坡上的布置方式。

1 研究区域和数据

1.1 研究区域概况

跳墩河流域位于重庆市，属嘉陵江水系左岸一级支流，位于亚热带湿润季风气候区，气候温和、四季分明、雨量充沛，流域面积11.7 km2，主河道长10.5 km，天然落差达275 m，平均比降为1.03%。河道部分河段采用混凝土护坡和护底（图1），河道硬质化，无法满足生态要求，亦减少河道自净化能力，与生态、和谐目标相违背。该段河道地处山区，水流较为湍急，水流通常能达到1～3 m/s，本文针对该段河道，利用鱼礁结构进行硬质护岸改造，使之能满足山区河流较高流速下的生态要求。

图1 原始河道Fig.1 The original river

1.2 数据

1.2.1 河道简化

为方便进行数值模拟计算，观察近岸的水力特性，根据重庆市跳墩河流域河道特点，将原始河道简化成底宽10 m，边坡坡度为1∶1.5，长度为50 m的梯形河道（图2）。不同鱼类对水深有着特定的要求，但可通过竖向布设多个鱼礁的方式以满足不同鱼类的习性。因此，本文暂不考虑河道水位变化，主要研究河道不同流速下的鱼类栖息地效应。以河底高程0 m为基准高程，计算水位按照硬质护岸满流工况定为4.0 m。

图2 简化的河道计算断面Fig.2 Calculated section of the simplified channel

1.2.2 人工鱼礁结构

借鉴海洋鱼礁工程应用经验，设计鱼礁结构如图3所示，以适应河道护岸斜坡。为方便鱼礁块体的预制以及施工，鱼礁块体整体为中空矩形体，底部为中空结构，使得礁体内部与土壤直接相连。

图3 鱼礁结构示意图（单位：mm）Fig.3 Schematic diagram of the reef structure

根据不同鱼类大小在鱼礁外表面设置过鱼孔供各种鱼类自由穿梭。过鱼孔设置为3 种不同大小，分别为主流面上的400 mm×600 mm 过鱼孔，迎流面与背流面上的300 mm×300 mm过鱼孔和顶面上的300 mm×400 mm 过鱼孔。同时在顶面还设置有3个的植生孔，可在鱼礁内部种植水生植物，植物根部周围可以受到混凝土结构的保护，既能保证水生植物正常生长，又能防止水生植物过度生长，水生植物还为水生动物提供营养物质。

鱼礁下方设置有固定支脚便于安插在护岸斜坡中，提高鱼礁块体的稳定性。在鱼礁块体与土层接触处分布有透水孔，可维持鱼礁内部水流与土壤进行物质交互。根据重庆跳墩河流域河道情况，将其安装在1∶1.5 的边坡上，露出尺寸为1 000 mm×900 mm×（300～800 mm），内部空间为800 mm×700 mm×（100～600 mm），适合体型半米及以下的鱼类，而普通河道内鱼类多为50～500 mm之间，根据表1中各类鱼类体型，满足跳墩河流域河道内鱼类栖息要求。

2 研究方法

2.1 基本控制方程

本研究中数值模拟通过求解时间平均的纳维埃－斯托克斯方程来模拟汇流口的三维水流，方程如下：

连续方程：

动量方程：

x方向：

y方向：

z方向：

式中：U，V和W为x，y和z三个方向上的时均流速；ρ为密度；P为压力；τ为剪切应力。

2.2 κ－ε湍流模型和自由水面处理

考虑到新型生态护岸结构较为复杂，且有鱼礁块体的存在，易产生分离流、二次流、旋流等复杂流动，本文采用Realiz‐ableκ-ε模型。

水利工程中对于自由水面处理目前常用的有刚盖假定［8］以及VOF 法［9］。在进行鱼礁结构周围水力特性研究时，主要观察其结构周围流场，而其水面起伏及水位变化对研究结果影响不大，考虑到计算资源以及计算时间，采用刚盖假定对其自由表面进行处理。

2.3 计算网格

因鱼礁结构较为复杂，采用非结构网格对鱼礁护岸进行网格划分。本研究主要关注鱼礁结构以及近岸周围流场水力特性，对鱼礁和近岸附近网格进行局部加密处理。建立疏密不同的网格尺寸，依据Biron［10］的方法进行网格独立性验证，确定最合适的网格全局尺寸。以最密网格（网格数量3 047 628）为基准进行计算，网格在879 452 时即已经达到了网格独立性要求，过密的网格对流场最高流速以及计算域水力损失的精确度没有明显的提高，但是考虑到本文需要描述水流交界面等原因，综合考虑计算时间及计算精度，采用网格总数为1 733 276时确定的全局网格尺寸（200 mm），本文网格全局尺寸都以此为基准。

表2 网格独立性验证Tab.2 Grid independence verification

2.4 边界条件设置

模型计算主要侧重较大流速条件下，鱼礁块体对流场的影响，故根据山区中小型河道流速情况，假设来流为均匀定常流，CFD 模型中进口流速选取1、1.5、2、2.5、3 m/s 5 个流速。边界条件设置如图4所示，进口边界采用速度进口，假设为均匀定常流，设置入流速度大小为1、1.5、2、2.5、3 m/s；出口边界采用压力出口；自由水面根据刚盖假定，设置为对称边界；河道中间也设置为对称边界；其余设置为壁面边界。

图4 边界条件设置Fig.4 Settings of boundary condition

2.5 模拟工况

治理河段常年水流速度为1～3 m/s，为总结河道不同水流流速下鱼礁流场效应的变化规律，本文选取进口流速1、1.5、2、2.5、3 m/s 5 种工况，对单个鱼礁附近流场进行模拟。经过试模拟，单个鱼礁的影响范围大致为3～7 m，本文设置不同流速、不同间距下共计25 个工况进行数值模拟，以确定最优间距，满足河道全年较长时间的鱼类栖息地效应。

表3 不同鱼礁布置间距工况Tab.3 Different reef arrangement spacing conditions

为探索不同布置方式对鱼礁场周围流场的影响，本文根据河道现状以及河道景观需求，提出两种布置方式：直线型布置方式和梅花型布置方式（图5），利用有限元软件对同一入流速度2 m/s 下的鱼礁场水流进行数值模拟，评价其流场效应，优选方案。

图5 鱼礁块体布置方式Fig.5 Arrangement of reef blocks

2.6 鱼礁流场评价指标

本文选取上升流、背涡流、鱼类游泳能力，能量损失4 个指标评价人工鱼礁流场效应。

2.6.1 上升流、背涡流

海洋鱼礁通常规定以竖直方向流速大于或等于0.1 倍来流速度的区域定义为上升流区域，以水流速度小于0.8 倍来流速度的区域定义为背涡流区域，即为多数鱼类栖息的低流速涡流区［11］。而在内陆河流特别为山区河流，流速随时间变化较大，在较高流速下规定0.8 倍来流速度以下区域为背涡流区域，不满足内陆河道规律。本文根据内陆河道大多数鱼类的习性［7］，规定鱼礁后流速小于等于0.8 m/s 的区域为背涡流区域。借鉴上述研究结论，将竖直方向流速大于等于0.1 倍来流速度的区域定义为上升流区域，将时均流速小于等于0.8 m/s的区域定义为背涡流区域。利用上升流高度、上升流面积、最大上升流流速3 个指标来反映上升流效应，利用背涡流面积来反映背涡流效应。

2.6.2 鱼类游泳能力

鱼类的游泳能力一般用鱼在一定时段内可以克服某种水流的流速大小表示，分为感应流速、临界游泳速度和突进游泳速度。感应速度是指水体从静止到流动时，鱼类开始感应并趋流前进的水流速度。突进游泳速度是鱼类所能达到的最大游泳速度，也称极限速度，通常指持续时间小于20 s的游泳速度。

对于鱼礁布置间距参考因素目前并没有标量化的阐述，应用在海洋中的鱼礁结构的布置间距大多也是凭经验布置，或者通过实验取流场最优化布置方式［12］，并没有标量化的数据进行约束。本文结合鱼类克服流速能力的实验数据［7］，分析鱼礁布置间距。因治理河段地处山区，水流流速较高，鱼礁设计的目的主要为了降低流速，为河道鱼类提供栖息地条件，该治理河段鱼类群落构建工程主要利用乌鳢、鳜鱼、鲤鱼、鲫鱼、鲢鱼、鳙鱼进行鱼类群落修复，从表1看出以上鱼类临界游泳速度在0.3～0.8 m/s 之间，突进游泳速度为0.8 m/s 左右，本文选取大部分鱼类的突进游泳速度0.8 m/s作为流速上限，并根据0.8 m/s以内的流速空间来确定鱼礁体结构的布置间距。

2.6.3 能量损失

李建［13］等通过研究发现四大家鱼的产卵环境多为水流流态较为复杂、能量损失较大的河段，重庆市跳墩河流域作为内陆河道适宜产卵区，同时为了研究鱼礁场在河道高水流流速下的减速效果，更好的分析鱼礁周围的流场变化，采用能量损失进行分析。

3 结果分析

3.1 单个鱼礁的流场效应

流场模拟结果显示，如图6（a），单个鱼礁在流速为2 m/s时，在垂直方向，鱼礁的上方形成了明显的上升流，在礁体后方也形成了明显的背涡流。主要因为水流流经鱼礁时大部分水流进入迎流面鱼孔，少部分水流因为混凝土结构的阻碍作用呈现上挑趋势，有助于营养物质竖向传递。水流进入鱼礁内部后因前挡板混凝土作用，在上部鱼孔上方形成小范围负压区域［图6（b）］，小部分水流从迎流面鱼孔进入后从上部鱼孔流出，水流经鱼礁的减速作用在鱼礁后方形成低流速区，形成适合鱼类栖息的背涡流区域。在水平方向［图6（c）］，水流经鱼礁作用，部分水流在鱼礁结构护壁的切割下，逐渐远离近岸，并在鱼礁后方偏主流区形成高流速区，同时因护岸与鱼礁的联合作用，鱼礁后方靠护岸一侧形成小范围回流区，在回流区后形成低流速背涡区。

图6 单个鱼礁在流速2 m/s下的流场模拟结果Fig.6 Simulation results of flow field of a single reef at a flow rate of 2 m/s

单个鱼礁在5 个不同流速下各指标的变化情况见图7，从图7中可以看出其变化规律与放置在海洋中的人工鱼礁相似。最大上升流流速随来流速度的增加呈线性上升趋势；上升流高度受来流速度的影响，整体表现为缓慢上升趋势，上升流高度受来流速度的影响较小，增长值仅为毫米级；上升流面积随来流速度的增加逐渐增大，增长值较小；背涡流面积随来流速度的增大而急剧减少，在高流速下鱼类的栖息空间受到限制。由此可以看出，随着河道水流流速增加，有助于上升流的产生，促进鱼礁周围的水体交换和河道底泥内营养物质的传递，增加了浮游生物，形成饵料场，吸引鱼类觅食。但随着河道水流流速的增大，背涡流的面积急剧减少，在高流速水流下，供鱼类生存的空间大范围减少，虽然促进了水体内营养物质的交换，但并没有足够的栖息空间供鱼类觅食、生活，背涡流区域成为鱼礁流场效应的主要控制因素。

图7 单个鱼礁各工况流场效应随来流速度的变化情况Fig.7 The flow field effect of a single reef under various conditions with the change of incoming flow velocity

3.2 鱼礁块体布置间距选取

对进口流速2 m/s 工况下模拟出的三维流场利用UDF 提取背涡流区域得到图8，计算各个工况背涡流体积得到图9所示曲线。

由图8可发现当间距较小时，上游鱼礁块体产生的低流速背涡流与下游鱼礁块体影响的上游低流速区相互影响叠加，导致背涡流体积较小的现象，随着间距的增大，背涡流区域影响长度逐渐增大，但宽度逐渐减小，在间距5～6 m 处呈现断裂趋势，在间距7 m时完全断裂。由此形成（图9）在不同进口流速下随着布置间距的增加，背涡流体积呈现先增大后平稳再下降的变化趋势。根据变化的顶峰值即背涡流体积最大时工况，可确定鱼礁最优布置间距。如图9所示，在进口流速1.5 m/s 时，背涡流体积最大出现在间距6 m 的工况；当进口流速增大到2.0、2.5、3.0 m/s 时，出现在间距5 m 的工况。考虑到治理河道地处山区，水流湍急，全年大部分时间水流流速都在1～3 m/s，综合考虑工程造价及较高流速下的生态效应，鱼礁块体间距建议取5 m较为合适。

图8 进口流速2 m/s时不同鱼礁布置间距背涡流区域分布图Fig.8 Distribution diagram of backswirl region with different reef arrangement spacing at inlet flow rate of 2 m/s

图9 各进口流速下不同鱼礁布置间距背涡流体积变化规律Fig.9 The variation rule of backvortex volume at different reef arrangement spacing under each inlet velocity

3.3 鱼礁块体的布置方式选取

根据以上研究成果确定鱼礁布设间距，即顺水流同一直线方向任意两个鱼礁之间的间距都为4 m，即每5 m设置一个鱼礁块体，对两种布置方式进行流场模拟。

3.3.1 布置方式对鱼礁场周围流场的影响

（1）流场效应分析。比较两种布置方式的上升流和背涡流，上升流和背涡流分布位置如图10和图11，计算结果如表4。

图10 不同布置方式在水流流速为2 m/s时上升流区域分布图Fig.10 The distribution diagram of the upwelling area at the current velocity of 2 m/s in different arrangements

图11 不同布置方式在水流流速为2 m/s时背涡流区域分布图Fig.11 The distribution diagram of the dorsal eddy region at the current velocity of 2 m/s in different arrangements

表4 不同鱼礁布置方式在流速为2 m/s条件下的流场效应Tab.4 Flow field effect of different reef arrangements at a flow velocity of 2 m/s

分析发现两种布置方式的上升流产生位置都为靠近上游的第一排的位置，因前方鱼礁结构对水流的影响，后排的鱼礁结构几乎不产生上升流。直线型布置方式产生的上升流体积较梅花型布置方式大，更有利于营养物质的垂向传递。两种布置方式都在鱼礁结构后方产生一定大小的背涡流区域，其中直线型布置方式产生的背涡流体积较梅花型布置方式大的多，体积为梅花型布置方式5 倍多，主要因为直线型布置方式同排鱼礁阻水具有叠加效应，产生的背涡流区域相互叠加扩大，而梅花型布置方式布置鱼礁只控制自身的背涡流区域，各个鱼礁结构之间几乎不干扰。因此直角型布置方式较梅花型布置方式鱼礁之间的相互协同叠加作用更为明显，产生更大的上升流和背涡流区域，为鱼类提供更多的营养物质和栖息空间。

（2）能量损失分析。利用有限元计算进出口的总压差值，即可得到减速结构所消耗的能量即减速结构的水力损失。总水头损失计算见表5。

由表5可知，直线型布置方式较梅花型布置方式的能量损失大，水流更为紊乱，为鱼类提供产卵的环境，同时直线型布置方式有更强的减速效果，能够降低近岸流速，减弱水流对岸坡的冲刷，特别是在山区河道流速较大时，通过设置直线型布置方式更能消耗一定的水动能，降低下游的防洪压力。

表5 不同鱼礁布置方式在流速为2 m/s条件下的能量损失Tab.5 The energy loss of different reef arrangements at a flow rate of 2 m/s

3.3.2 布置方式的选定

比较两种布置方式下的上升流、背涡流的空间分布和体积大小，以及两种布置方式能量损失值发现：①采取直线型布置方式，礁体之间的相互协同作用更好，上升流与背涡流体积较梅花型布置方式大；②直线型布置方式较梅花型布置方式能量损失值大，阻水效果更好。因此，护岸鱼礁结构的布置方式宜采用直线型布置方式。

4 结论和讨论

随着河道水流流速的增大，单个鱼礁周围上升流区域缓慢增长，背涡流区域急剧减少，在高流速水流下，供鱼类生存的空间大范围减少，虽然上升流促进了水体内营养物质的交换，但并没有足够的栖息空间供鱼类觅食、生活，背涡流区域成为鱼礁流场效应的主要控制因素。

模拟分析不同流速下各鱼礁布置间距的背涡流区域分布及大小，综合考虑工程造价及较高流速下的生态效应，鱼礁块体间距建议取5 m较为合适。

对两种布置方式的流场进行模拟分析发现，直线型布置方式较梅花型布置方式，礁体之间的相互协同作用更好，上升流与背涡流体积更大，能量损失更多，阻水效果更好，工程中宜采用直线型布置方式。 □