新型竖缝式双池室鱼道设计及其水力特性分析

谢美铃，付成华，吴一杰

(西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039)

鱼道可以沟通鱼类洄游路线、恢复鱼类洄游生活，让鱼类进行生殖或索饵洄游，对于保护水产资源、发展渔业生产有一定的积极作用。鱼道是通过修建坡度较缓的水槽并在其中设置卡口将水位差分解成多个较小落差，利用消能减速以及控制水流流量和缩短鱼道长度等措施来创造适合于鱼类上溯的流态，从而帮助鱼类洄游通过的工程结构[1]。中国早期鱼道建设主要依靠国外的经验公式进行设计，鱼道在运行时不能完全满足国内主要洄游鱼类的上溯要求[2]。在人与自然和谐共处的大背景下，鱼道优化设计研究日益受到重视，可以激励水利事业良性进步并促进生态资源可持续发展。

国内外工程上常用的鱼道主要有丹尼尔式、竖缝式、溢流堰式仿自然式等[3]。竖缝式鱼道是一种池室鱼道，其具有流态稳定、对上下游水位变化适应力强、过鱼效率高等技术优势，因而在国内外广泛应用[4]。传统的竖缝式鱼道只有一条洄游通道，洄游通道中的竖缝处是鱼道流速最大的部位，必须要控制竖缝处流速小于鱼类的极限游泳速度，否则鱼类难以完成洄游[5]。传统竖缝式鱼道竖缝式鱼道的水池长宽比、竖缝断面导向角等因素对鱼道的水流结构影响较大，尤其是对鱼道池室内的回流区[6]。目前国内多位水利学者致力于改进传统竖缝式鱼道的缺点，提出不同新型竖缝式鱼道并验证其水力特性，为水利事业与生态环境和谐共处贡献智慧。王新雷等[7]根据竖缝式鱼道应用于高水头枢纽将占用很大平面面积这一问题，结合螺旋原理设计了一种新型螺旋式鱼道。蔡玉鹏等[8]基于竖缝式鱼道研究了一种竖缝式梯形鱼道，其水力特性基本满足鱼类的洄游，且部分指标优于传统竖缝式鱼道。阮天鹏等[9]对一种新型的竖缝式鱼道箱式鱼道进行水力特性研究，为箱式鱼道的建设及应用提供一定技术与理论依据。

在前人研究基础上，基于生态可持续发展理念，本文设计了一种竖缝式双池室鱼道[10]，通过对鱼道池室内水流流态进行数值计算分析，其水力特性较易满足鱼类洄游条件，具有洄游通道数量多、鱼类回流区稳定性等特点，相关成果可为鱼道工程设计提供参考，对促进河流生态可持续发展具有非常重要的现实意义。

1 鱼道设计

1.1 设计原理

鱼道的工作过程遵循液体连续性原理和液体运动能量方程，通过增大过水断面、沿程水头损失和局部水头损失可以减小速度水头，从而减小鱼类在鱼道竖缝处受到的阻力，使鱼类更容易完成洄游。

水流连续性方程为：

A1V1=A2V2

(1)

式中A——过水断面，m2；V——流速，m/s。

水流能量方程为：

(2)

式中z——位置水头，m；p/(ρg)——压强水头，m；u2/(2g)——流速水头，m；α——动能校正系数；hw——水头损失，m。

竖缝式双池室鱼道结构设计有3条洄游通道，不仅增加了鱼道竖缝处过鱼、过水断面尺寸，同时使水流得到充分掺混，增大了水头损失。根据鱼道工作原理，其结构设计可以实现鱼道结构优化目的。

1.2 结构设计

竖缝式双池室鱼道单元由多阶新型U型隔板、底板和边墙构成。鱼道运行时，每阶U型隔板与边墙之间设有边竖缝，各阶U型隔板之间设有中间竖缝。各阶U型隔板将鱼道分为多个单元池室，每个单元池室分为消能池室A和休息池室B(图1)。

图1 竖缝式双池室鱼道结构示意

2 数值模型

2.1 控制方程

采用Fluent软件中的RNGκ-ε模型和速度-压力耦合SIMPLE算法进行鱼道数值模拟计算。在采用RNGκ-ε模型求解流场时主要有连续方程、动量方程、κ方程和ε方程，各方程表达式如下：

连续性方程为：

(3)

动量方程为：

(4)

κ方程为：

(5)

ε方程为：

(6)

2.2 网格划分和边界条件

已有研究表明，竖缝式鱼道的池内水流具有明显的二元特征，垂直方向上的水流流速可忽略不计[11-13]。本文设计的新型竖缝式鱼道与传统竖缝式鱼道结构相似，因此本研究选用平面二维数学模型进行计算。竖缝式双池室鱼道二维模型见图2，图中箭头方向为水流方向，初步拟定鱼道总长度L=25.54 m，鱼道池室宽度B=3.00 m。由2个U型隔板组成的单元长度l=3.60 m，共拟设10阶U型隔板，入口边界距第1阶U型隔板3.60 m，第10阶U型隔板距离出口边界3.60 m。U型隔板厚度为0.20 m，隔板弯头处为90°，外缘为圆弧形。鱼道边竖缝b1=b2=0.20 m，中间竖缝b3=0.40 m。初步拟定的结构尺寸仅为研究竖缝式双池室鱼道水力特性，具体实际工程中则需根据实际工程情况、洄游鱼类的体型和游泳能力等因素综合进行设计。

图2 竖缝式双池室鱼道模型尺寸

2.2.1网格划分

使用ICEM CFD对所建模型进行网格划分，鱼道模拟区域采用三角形网格，网格单元数15 965，节点数7 936，划分后鱼道网格模型见图3。

图3 竖缝式双池室鱼道网格模型

2.2.2边界条件

根据边永欢等[4]研究，竖缝式鱼道的竖缝处断面平均流速值在0.8～2.0 m/s内时，其流速大小对鱼道池室内各水力参数无显著影响。本文参考竖缝式鱼道的特性对竖缝式双池室鱼道进行研究，不失代表性地设置入口边界流速为0.3 m/s，将竖缝式双池室鱼道的竖缝断面处流速控制在0.8～2.0 m/s范围内。竖缝式双池室鱼道出口边界设置为自由出流，边墙和隔板均设置为无滑移速度边界条件。

3 计算结果分析

3.1 池室内水流流态

池室内流态结构是鱼道水力学研究的重点，竖缝式双池室鱼道池室流线见图4。

图4 竖缝式双池室鱼道池室流线(m/s)

竖缝式双池室鱼道池室内流态结构主要分为中间主流区、两侧边主流区和各阶休息池室的回流区，共3条洄游通道。洄游鱼类沿着较高流速的主流区洄游上溯，同时也可以在稳定的回流区休息以恢复体能。

水流受到U型隔板的阻碍后在中间竖缝处横向收缩，再进入消能池室充分掺混扩散并发生了一定横向偏转，有效地利用鱼道进行了消能，然后进入下一阶中间竖缝从而形成了一条经过各阶中间竖缝的连续平滑稳定的中间主流区。水流受到U型隔板和边墙的阻碍后发生横向收缩在各阶边竖缝处形成两侧边主流区，两侧边主流沿着粗糙的边墙连续流动。水流在各阶休息池室中形成了非常稳定且被U型隔板保护起来的低流速回流区。

3.2 池室内水流流速

竖缝式双池室鱼道池室内速度分布见图5。

图5 竖缝式双池室鱼道池室流速云图(m/s)

为降低边界条件对鱼道池室水力特性的影响，本文重点对第5和第6阶池室水流流速进行数值分析。最大流速Vmax=1.35 m/s出现在竖缝式双池室鱼道边竖缝处，中间主流区流速为0.51～1.23 m/s，两侧边竖缝主流区流速为0.62～1.35 m/s。休息池室中的回流区流态稳定且流速较小，流速为0～0.30 m/s，能为鱼类创造良好的休息条件以恢复体能[14-16]。

竖缝式双池室鱼道竖缝处流速有着明显的两侧小中间大的现象，具有丰富的流场信息，能够给不同鱼类提供上溯信息供其洄游。同时，中间竖缝处流速小于边竖缝处流速，可供幼鱼等游泳能力较差的鱼类或幼鱼通过，提高了鱼道的适用范围。如第5阶中间竖缝处水流平均流速为 1.01 m/s，第5阶中间竖缝对应的两侧边竖缝处水流平均流速为1.24 m/s。

3.3 池室水流紊动能

竖缝式双池室鱼道池室紊动能分布见图6。

图6 竖缝式双池室鱼道池室紊动能分布云图(m2/s2)

紊动能可以反映水流的紊动状态，鱼道池室内紊动能超过鱼类可承受范围则不利于鱼类洄游，如伤害鱼类眼睛和鱼鳍、破坏鱼类平衡能力、耗尽鱼类体能和使鱼类迷失上溯方向等。根据已有研究表明，鱼道池室紊动能越小，则池室内水流越稳定，鱼道的过鱼效率越高[17]。

本文选取第5、6阶池室开展鱼道紊动能数值研究，竖缝式双池室鱼道中第5阶消能池室的紊动能平均值为1.69×10-2m2/s2，第6阶消能池室紊动能值小于第5阶，为1.57×10-2m2/s2。休息池室中回流区的紊动能较小且稳定，两阶池室的紊动能平均值均为0.18×10-2m2/s2，水流接近静水状态，满足鱼类休息条件[18]。鱼道消能池室中的紊动能显著大于休息池室，水流可以充分地在鱼道消能池室中进行掺混扩散实现有效消能，局部最大值为0.06 m2/s2。

4 结语

通过RNGκ-ε模型和速度-压力耦合SIMPLE算法对新设计的竖缝式双池室鱼道进行二维数值模拟分析计算，主要结论如下。

a)竖缝式双池室鱼道具有3条主流区作为洄游通道，具有非常稳定且被U型隔板保护起来的低流速回流区。

b)竖缝式双池室鱼道池室内水流具有丰富的流速信息，能够给不同鱼类提供上溯信息供其洄游。

c)竖缝式双池室鱼道休息池室中回流区的紊动能较小且稳定，消能池室中的紊动能明显大于休息池室。

竖缝式双池室鱼道作为一种新型鱼道，其水力特性较易满足鱼类洄游条件，符合可持续建设理念，相关成果可为鱼道工程设计提供参考。