竖缝式鱼道梯形断面池室水动力学特性研究

蔡玉鹏 刘火箭 刘志雄 徐成剑 黄晓敏

摘要：

水利工程建设一定程度上破坏了河流的纵向连接，改变了河流的生态系统，鱼道成为鱼类逆流而上的关键洄游通道。采用三维紊流模型对常规的竖缝式矩形池室鱼道及新设计的竖缝式梯形池室鱼道分别开展了数值模拟计算，分析了相同流量及水位条件下两种池室的水流结构、流速及紊动能分布规律。对比发现：梯形池室回流区范围较大，回流区流速较小，且竖缝处的流速分布较为均匀，最大流速及紊动能均较矩形池室小;矩形池室流速及紊动能沿水深方向呈典型二元分布，梯形池室竖缝处流速沿水深向上逐渐减小，紊动能逐渐增大。竖缝式梯形池室鱼道作为一种非常规的鱼道型式，水力特性基本满足鱼类的洄游，且部分指标较矩形鱼道更优，相关成果可为优化鱼道设计提供参考。

关 键 词：

竖缝式鱼道; 梯形断面; 流速; 紊动能

中图法分类号： TV131

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.034

0 引 言

水利工程在防洪、灌溉、发电、航运、供水等方面发挥了巨大作用，但是对鱼类的负面影响也是多方面的，如阻断了洄游通道、造成栖息地生境破碎、改变了上下游生存环境等，特别对洄游性鱼类的产卵造成了灾难性影响，导致河流鱼类丰富度和生物多样性下降。为了将人为分割的河流纵向连通性恢复到可接受水平，修建有效的鱼道是一种较佳的解决方案。

鱼道是一种通过其内部结构（如隔板、孔、缝等）来改善水流流态、减小水流流速，使鱼类能顺利上溯的过鱼设施。竖缝式鱼道是一个带有横隔板和导板的倾斜通道，每个横隔板之间都有一个垂直的竖缝来分隔上下游水位差。根据竖缝的位置和数量可将竖缝式鱼道分为同侧竖缝式鱼道、异侧竖缝式鱼道和双侧竖缝式鱼道。竖缝处水流的收缩扩散、池室内的回流和延长主流路径都是竖缝式鱼道的消能方式，消能效果也较为良好。竖缝式鱼道内水流特性呈明显的二元特性[1-3]，即便上下游水位变幅（上下游水位同步）较大，流速和湍流仍可以维持在比较稳定的水平，可满足喜好不同水深的鱼类上溯，目前在中国的水环境修复中应用最为广泛。

目前国内外学者对竖缝式鱼道的水力特性进行了较多的研究。高柱等分别采用模型试验或者数值模拟技术研究了竖缝隔板及墩头型式[4-5]、竖缝宽度[6-7]、池室长寬比[2，8-9]、导向角度[10]、鱼道坡度[11]等几何参数对水池内水流结构、湍动耗散、池室及竖缝处流速等水力特性指标的影响，并提出了一些设计准则或者给出了合理取值范围。如高柱、张超等[4-5]认为不同隔板型式池室内流态存在较大差异，流线型墩头型式会导致主流横向偏转程度减缓，横向扩散加大，有利于流速沿程衰减，因而需要采取其他措施增大阻力，以控制竖缝断面流速。张国强、郭维东等[6-7]通过研究指出：竖缝宽度对鱼道池室内的流态及水力特性分布均有较大影响，提出无量纲竖缝宽度的最佳取值范围为b/B=0.15～0.20，该竖缝宽度下池室内能形成适合鱼类洄游的流态，主流区水流横向扩散范围适中，回流区面积较为对称，流速较小。Rajaratnam、徐体兵等[2，9]通过大量试验及数值模拟研究发现当鱼道池室的长宽比L/B=8∶8～10.5∶8时可获得鱼类上溯的合适水流结构。刘本芹等[8]通过修改竖缝宽度、横向导板长度等参数，提出了长宽比小于1.0时的隔板布置及水力特性。罗小凤等[10]的研究结果表明：隔板导向角越大，竖缝射流的衰减速度越快，主流轨迹的弯曲程度也越大。毛熹等[11]通过试验发现放缓坡度一半（从5.2%放缓到2.6%）时，竖缝处平均流速会降低约20%以上，可见坡度对鱼道的水力特性影响较大。边永欢等[12-15]研究了鱼道流量对池室水流结构的影响，结果表明：鱼道均匀流条件下，池室中流速等水力指标基本沿水深方向呈明显的二元特性。非均匀流条件下，池室中相同部位的流速、紊动能和雷诺剪切应力随着流量的增加而增加。蒋永强等[16-21]研究了目标鱼类在竖缝式鱼道上溯过程中的运动特性、水力偏好以及鱼类运动轨迹与特定水力因子的关联程度，提出了一些适宜鱼类上溯的水力学指标。蒋永强等[16]认为鱼类上溯过程中，湍流动能的影响最为显著，鱼类的上溯轨迹基本集中在紊动能为0.3 J/kg等值线附近。傅菁菁等[17]认为齐口裂腹鱼适应的鱼道坡度应为2.6%。颜鹏东等[18]提出视频跟踪法对竖缝式鱼道中目标鱼的运动轨迹进行实时跟踪，有助于为竖缝式鱼道设计提供重要基础数据。谭均军等[19]通过试验研究发现鳙鱼和草鱼喜好在紊动能为0.020～0.035 m2/s2，流速为0.16～0.40 m/s的范围内运动。

已有关于竖缝式鱼道的研究多以矩形断面池室为主，而近年来梯型断面的仿生态鱼道逐渐成为研究热点[22-24]，认为卵石墙结构的仿生态鱼道池室流态丰富、线路内流速差异较大，不足之处主要是耗水量较大。针对上述特点，本文提出了一种竖缝结合梯型断面的竖缝式仿生态鱼道，该鱼道布置型式既满足了竖缝式鱼道的集中消能要求，又扩大了鱼道池室的休息区，改善了池室的水流结构。采用数值模拟技术对竖缝式仿生态鱼道的水力特性进行分析，并与常规竖缝式鱼道的水力进行对比分析，可为鱼道的设计及运行提供参考。

1 研究方法

1.1 模型控制方程

鱼道中的三维水流由连续性方程和动量方程控制，各方程表达式如下。

连续性方程：

式中：k为紊动能;ε为紊动能扩散率;μ为水的动力黏滞系数;μt为紊流黏性系数;Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gb为由浮力产生的湍流动能;σk，σε，C1ε，C2ε，C3ε为湍流模型中的常数项。

采用有限体积法对控制方程进行离散，使用有限体积法建立离散方程时，需将控制体积界面上的物理量及其导数通过节点物理量插值求出，插值方法采用二阶迎风格式，选择压力-速度耦合SIMPLE算法求解计算[25]。采用流体体积函数（VOF）方法处理自由水面问题[25]。在空间上定义函数F，全含水为1，不含水为0，当为自由水面时，0

1.2 池室设计及计算条件

1.2.1 池室设计

建立豎缝式矩形池室与梯型池室相结合的鱼道局部结构，鱼道池室平面及三维布置如图1～2所示。鱼道包含竖缝式矩形池室段、衔接休息池段及梯形池室段，其中矩形段及梯形段分别由5个池室组成，上、下游侧同时建立两个缓冲水池。矩形段池室宽3.00 m，长3.60 m，高3.00 m，隔板厚0.20 m，底坡1∶60，竖缝宽度0.40 m，竖缝法线与鱼道中心线的夹角为45°。内设同侧导竖式隔板，长隔板长1.90 m，池室侧带0.40 m宽度的竖向导板，短隔板长0.74 m，头部为90°的尖角。矩形池室与梯形池室间的衔接休息池段采用平坡，长度10.00 m。梯形池室段底宽3.00 m，池室长7.20 m，隔墩厚0.50 m，两侧边坡1∶2.5，底坡1∶120，头部尖角角度为120°，竖缝宽度0.40 m，在底宽3.00 m的槽底段，长隔板长1.80 m，短隔板长0.74 m。

1.2.2 计算条件

模型上、下游侧均设定相同的水位边界，以模拟鱼道池室均匀流条件。池室底部和侧壁均采用无滑移边界。鱼道池室与空气接触的边界均采用压力入口边界。为了研究流量对池室水力特性的影响，分别计算了池室平均水深为2.5，2.0，1.5，1.0 m共4组工况。根据图1的结构尺寸构建计算模型，网格划分采用正六面体与四面体混合网格，通过对模型网格无关性分析验证，发现总网格数超过2 200 000后，网格数的增加对模拟结果几乎没有影响。

2 模型验证

利用长江科学院井冈山鱼道模型试验资料对该数学模型进行验证，试验模型几何比尺为Lr=10.0，流速采用旋浆式流速仪进行测量，模型照片如图3所示。试验在竖缝代表池室内选取9个断面，每个断面6个测点，测点平面布置如图4所示。其中Ⅲ号断面与短隔板上游侧重合，每个断面间隔为5 cm，1号和6号测点距两侧边墙为2.5 cm，中间测点间距均为5 cm，池室共计布置52个测点。鱼道池室平均试验水深2.5 m条件下，池室内典型断面的模型试验与计算流速对比如图5所示。对比物理模型试验与数值模拟计算的流速分布发现，物理模型试验流速大小与数值模拟结果较为吻合，除个别点外两者结果均较为接近。且竖缝处平均流速试验值为1.05 m/s，计算值为1.03 m/s，两者差值较为合理。

3 结果与分析

不同水位条件下，矩形及梯形池室的水流结构、流速及紊动能基本一致。池室平均水位在2.5，2.0，1.5，1.0 m时，鱼道池室流量分别为0.84，0.68，0.52，0.35 m3/s，流量基本与水位呈正相关关系。以下重点对上、下游水位均为2.5 m工况下的池室水动力学特性进行对比分析。

3.1 池室流态

竖缝式矩形鱼道池室水流流态如图6所示，池室主流以45°角从竖缝射向下一级池室的中间，到达池室中间靠右断面部位时水流又逐渐流向下一级竖缝，池室内主流呈“S”形。水池内形成2个回流区，回流区1位于右侧主流与长挡板之间，面积相对较小。回流区2位于左侧主流与侧壁之间，面积较大。竖缝式梯形鱼道池室水流流态如图7所示，池室主流以30°角从竖缝射向下一级池室的中间，到达池室中间靠右断面部位时水流又逐渐流向下一级竖缝，池室内主流呈“W”形。水池内形成2个回流区，分别位于主流两侧，回流区2的面积较回流区1略大。

3.2 池室流速

矩形池室流速如图8～9所示，竖缝处主流流速最大且沿竖缝断面分布不均匀，短隔板侧流速明显大于长隔板侧，最大流速值为1.05 m/s。主流在通过竖缝后向右侧运动，主流范围有所扩大，主流区的流速在0.40～0.70 m/s之间，两侧回流区内的流速在0.30 m/s以内，可为鱼类提供短暂的休息。池室流速沿纵向分布基本均匀，表明池室水流沿水深方向具有典型的二元特性。

梯形池室流速如图10～11所示，竖缝处主流流速最大且沿竖缝断面分布均匀性较矩形池室优，最大流速值为1.03 m/s。主流在通过竖缝后向右侧运动，主流范围有所扩大，主流区的流速范围在0.40～0.60 m/s之间，两侧回流区内的流速在0.30 m/s以内，可为鱼类提供短暂的休息。池室竖缝处流速沿纵向分布不均匀，受纵向池室宽度变化影响，流速从底部到表层逐渐减小，池室内部流速沿纵向均匀分布。

3.3 湍流特性

湍流特征包括湍流水平、强度、应变和长度尺度，被认为是鱼类迁徙最重要的特征。

图12为矩形池室的紊动能分布图，池室的最大紊动能位于竖缝处，最大值为0.14 m2/s2。竖缝水流通过收缩断面后紊动能逐渐减小，紊动区域扩大，主流紊动能在0.02～0.10 m2/s2之间，两侧回流区紊动能均在0.02 m2/s2以内。紊动能沿水深方向分布较为均匀，具有典型的二元特性。

图13为梯形池室的紊动能分布图，池室的最大紊动能位于竖缝处，最大值为0.10 m2/s2，竖缝水流通过收缩断面后紊动能逐渐减小，紊动区域略有扩大，主流紊动能在0.02～0.08 m2/s2之间，两侧回流区紊动能均在0.01 m2/s2以内。紊动能沿水深方向分布不均匀，紊动能从底部到表层逐渐增大，池室内部紊动能分布较为均匀。

4 结 论

采用RNG k-ε湍流模型和VOF方法对竖缝式矩形池室及梯形池室鱼道的水力特性进行了三维数值计算，验证了该模型的正确性，主要结论如下。

（1） 矩形池室及梯形池室鱼道均有面积较大的回流区，回流区的流速在0.3 m/s以内，适合鱼类短暂休息，梯形池室回流区范围较矩形池室大。

（2） 矩形池室流速沿水深方向呈典型二元分布，竖缝处流速最大，沿孔口分布不均匀;梯形池室竖缝处流速沿水深向上逐渐减小，竖缝处最大流速较矩形池室小，沿孔口方向流速分布较均匀。

（3） 矩形池室紊动能沿水深方向呈典型二元分布，竖缝处紊动能最大，沿孔口分布不均匀，沿池室水流方向存在一条强紊动带;梯形池室竖缝处紊动能沿水深向上逐渐增大，竖缝处最大紊动能较矩形池室小0.04 m2/s2，沿孔口方向流速分布较均匀，平面上紊动范围较矩形池室小。

竖缝式梯形池室鱼道作为一种非常规的鱼道型式，水力特性基本满足鱼类的洄游，且部分指标较矩形鱼道优，相关成果可为优化鱼道设计提供一定的参考。

参考文献：

[1] PUERTAS J，PENA L，TEIJEIRO T.Experimental approach to the hydraulics of vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering，2004，130（1）：10-23.

[2] RAJARATNAM N，VAN DER VINNE G，KATOPODIS C.Hydraulics of vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering，1986，112（10）：909-927.

[3] WU S，RAJARATNAM N，KATOPODIS C.Structure of flow in vertical slot fishway[J].Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（4）：351-360.

[4] 高柱，戴會超，郭卓敏，等.隔板型式对竖缝式鱼道水力特性的影响研究[J].水利水电技术，2014，45（10）：37-41.

[5] 张超，孙双科，李广宁.竖缝式鱼道细部结构改进研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2017，15（5）：389-396.

[6] 张国强，孙双科.竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响[J].水力发电学报，2012，31（1）：151-156.

[7] 郭维东，孟文，熊守纯，等.同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究[J].长江科学院院报，2015，32（2）：48-52.

[8] 刘本芹，黄岳，宣国祥.小长宽比鱼道池室水力学试验研究[J].水利水运工程学报，2015（6）：101-106.

[9] 徐体兵，孙双科.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟[J].水利学报，2009，40（11）：1386-1391.

[10] 罗小凤，李嘉.竖缝式鱼道结构及水力特性研究[J].长江科学院院报，2010，27（10）：50-54.

[11] 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.

[12] 边永欢，孙双科.竖缝式鱼道的水力特性研究[J].水利学报，2013，44（12）：1462-1467.

[13] 郭维东，孙磊，高宇，等.同侧竖缝式鱼道流速特性研究[J].水力发电学报，2013，32（2）：155-158.

[14] 董志勇，冯玉平，ERVINE A.同侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J].水力发电学报，2008，27（6）：121-125.

[15] 曹庆磊，杨文俊，陈辉.异侧竖缝式鱼道水力特性试验研究[J].河海大学学报（自然科学版），2010，38（6）：698-703.

[16] 蒋永强，杨忠勇，石小涛，等.基于多重水力学因子的竖缝式鱼道中鱼类上溯轨迹模拟[J].生态学杂志，2018，37（4）：1282-1290.

[17] 傅菁菁，李嘉，安瑞冬，等.基于齐口裂腹鱼游泳能力的竖缝式鱼道流态塑造研究[J].四川大学学报（工程科学版），2013，45（3）：12-17.

[18] 颜鹏东，谭均军，高柱，等.基于视频跟踪的竖缝式鱼道内鱼类运动行为分析[J].水生生物学报，2018，42（2）：250-254.

[19] 谭均军，高柱，戴会超，等.竖缝式鱼道水力特性与鱼类运动特性相关性分析[J].水利学报，2017，48（8）：924-932.

[20] 江录兵.竖缝式鱼道湍流结构及放鱼试验研究[D].杭州：浙江工业大学，2019.

[21] 董志勇，冯玉平，ERVINE A.异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J].水力发电学报，2008，27（6）：126-130.

[22] 李广宁，孙双科，郭子琪，等.仿自然鱼道水力及过鱼性能物理模型试验[J].农业工程学报，2019，35（9）：147-154.

[23] 徐进超，王晓刚，宣国祥，等.仿自然鱼道整体物理模型试验研究[J].水科学进展，2017，28（6）：879-887.

[24] 李广宁，孙双科，柳海涛，等.仿自然鱼道中卵石墙对池室水力特性改善效果[J].农业工程学报，2017，33（15）：184-189.

[25] 刘鹄，程文，任杰辉，等.竖缝与孔口组合式鱼道流动特性模拟研究[J].水力发电学报，2017，36（6）：38-46.

[26] 汪红波，王从锋，刘德富，等.横隔板式鱼道水力特性数值模拟研究[J].水电能源科学，2012，30（5）：65-68.

（编辑：胡旭东）

引用本文：

蔡玉鹏，刘火箭，刘志雄，等.竖缝式鱼道梯形断面池室水动力学特性研究

[J].人民长江，2021，52（7）：204-209，230.

Study on hydrodynamic characteristics of vertical slot fishway with trapezoidal section pool

CAI Yupeng1，LIU Huojian2，LIU Zhixiong2，XU Chengjian1，HUANG Xiaomin1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China; 2.Department of Hydraulics，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The construction of water conservancy projects has destroyed the longitudinal connection of rivers and changed the ecosystem.Fishway has become the key migration channel for fish going up rivers.3D turbulence model was used to numerically simulate the conventional vertical slot fishway with rectangular section pools and the newly designed vertical slot fishway with trapezoidal section pools，respectively.The flow structure，velocity and turbulent kinetic energy distribution of the two kinds of pools under the same flow and water level were analyzed.It found that for the trapezoidal pool，the recirculation zone was large with small flow velocity in it，the flow velocity distribution at the vertical slot was uniform，and the maximum flow velocity and turbulent kinetic energy were smaller than those in the rectangular pool.The flow velocity and turbulent kinetic energy in rectangular pool showed typical binary characteristics along the water depth direction.The flow velocity at the vertical joint of trapezoidal pool decreased gradually along the water depth direction，and the turbulent kinetic energy increased gradually.As an unconventional fishway type，the hydraulic characteristics of the vertical slot fishway with trapezoidal section pool basically met the migration of fish，and some indicators were better than the rectangular fishway.The relevant results can provide some references for design optimization of fishways.

Key words：

vertical slot fishway;trapezoid section;flow velocity;turbulent kinetic energy