竖缝堵塞对竖缝式鱼道运行的影响研究

李 烈，吴攀高，李明泉，覃曼丽，贾 荣，苏冠维

（1.广西水利电力职业技术学院，南宁 530023；2.广西壮族自治区水利科学研究院，广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023；3.中国水利水电第一工程局有限公司，长春 130033）

0 引言

鱼道是供鱼类洄游的通道，连通闸、坝或天然障碍物的过鱼建筑[1-2]。鱼道具有诸多优点，例如良好的消能效果，适应不同种类的鱼类和上下游水位的变化，同时能够持续地保持上下游的连通性[3-5]。因此，鱼道被认为是一种高效且可持续的过鱼设施，为鱼类提供了重要的迁徙通道，在水利工程建设中得到了广泛应用。

进入21 世纪以后，鱼道在国内迎来了二次发展，鱼道的建设也早已超过了100座，相关研究也在2000年以后逐年增多，对鱼道的研究大部分集中于鱼道的进出口布置[6-8]、结构型式[9-12]、水力特性[13-19]和过鱼效果[20-25]等方面。竖缝式鱼道应用较为广泛，竖缝式鱼道在实际运行中，特别是洪水来临时，上游河道垃圾往往会越过拦污栅进入鱼道，造成竖缝堵塞。竖缝堵塞会使竖缝式鱼道出现壅水情况，堵塞处竖缝的流速等都会随之改变，堵塞的程度会直接影响鱼道的过鱼效果。这在鱼道运行中是常见的现象，然而相关的研究却比较少。本文通过数值模拟的方法，以老口航运枢纽鱼道工程为例，建立数学模型，研究竖缝式鱼道单个竖缝不同堵塞程度对鱼道水力特性的影响，可为鱼道的设计和运行提供建议和技术支持。

1 材料与方法

1.1 物理模型

物理模型根据老口航运枢纽鱼道工程的实际尺寸，采用三维建模软件绘制。为了完整地展现出竖缝堵塞后水力特性的变化，减少转弯段、休息室等的影响，选择直线段20个池室建立物理模型。物理模型整体长71.77 m、宽5 m、高3 m，底板厚0.5 m、边墙厚1 m，每个池室长3.6 m、宽3 m，不考虑底坡。模型和具体参数如图1（a）所示，横隔板及导板尺寸如图1（b）所示，竖缝堵塞处选择15 号和16 号池室之间的竖缝[26]，如图1（c）所示。

图1 模型布置图

1.2 数学模型

把水流看成不可压缩流体，根据实际情况，采用RNGk-ε湍流模型，控制方程如下[27]：

连续性方程：

动量方程：

紊动能k方程：

1.3 工况选择

根据老口航运枢纽鱼道工程在实际运行过程中的出现堵塞情况，选取6个工况（见表1），在设计运行水深h=2 m 时，选择竖缝堵塞程度为0、0.2h、0.4h、0.6h、0.8h和1.0h，其中1.0h为完全堵塞，0为竖缝不堵塞的工况，并作为对比工况。

表1 模拟工况

1.4 网格划分

物理模型导入模拟软件后，新建网格块将模型的整个流体区域覆盖，每个网格单元的尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m。网格划分后可以查看网格划分后的物理模型，外形有缺陷的部分需要进行局部加密。网格划分结果如图2所示。

图2 网格划分结果

1.5 边界条件

物理模型Xmin为水流进口、Xmax为水流出口，均设置为压力边界，压力为静水压力，根据老口航运枢纽鱼道设计运行水深，物理模型进口水位设置为2 m，出口水位设置为1.6 m。Ymin及Ymax为鱼道边墙，Zmin为鱼道底板，均设置为墙边界。Zmax为鱼道上方空气，设置为压力边界，压力为静水压力，为空气时流体分数设置为0。模型计算总时间设置为300 s，最大时间步长设置为0.001，最小步长设置为1×10-10。边界条件设置结果如图3所示。

图3 边界条件

2 结果与分析

2.1 沿程流速分析

鱼道沿程流速是指在鱼道内部不同位置处的水流速度分布，这种分布通常是不均匀的，了解鱼道沿程流速的变化对确保鱼类能够成功通过鱼道非常重要。以模型左下角为0 点建立二维坐标系（见图4），沿程流速分布见图5。

图4 二维坐标系

图5 不同堵塞程度下沿程流速分布图

从图5可以看出，通过各线段的位置，竖缝堵塞时，影响上游5～6个池室的流速及下游3～4个池室；当竖缝堵塞0.8h以上时，流速减小；当竖缝堵塞0.8h以下时，流速增大，堵塞程度为0.4h时流速最大，为1.77 m/s。对于老口鱼道的主要过鱼目标中“四大家鱼”（青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼）来说，体长0.18～0.2 m的草鱼极限流速为0.80 m/s，体长0.23～0.25 m的鲢鱼极限流速为0.90 m/s，当竖缝处堵塞0.4h要及时清理和修复，以保证鱼道的正常运行。

2.2 水流流态分析

水流流态描述水在流动过程中的状态和形态，是水力学中的重要特性之一。水流流态的转变可以受到多种因素的影响，如流速、鱼道的几何形状、表面粗糙度、流体黏性等。了解鱼道水流的流态有助于鱼道的设计和优化，并提供有效的水力控制和管理。

本次分析水流流态选择工况5，在单个竖缝堵塞0.8h时，对模拟的水流流态结果提取平行于池底的剖面，分别提取距离池底0.2×0.8h=0.32 m、0.5×0.8h=0.80 m和0.8×0.8h=1.28 m的切片，如图6所示。

图6 流态分布图

由图6 可以看出，竖缝堵塞0.8h时，对上游1个、下游2个池室的水流流态产生较大影响；相同池室不同水深的水流流态基本一致；竖缝堵塞处后一个池室（16号池室）主流区不明显，水流方向比较混乱，会对鱼类寻找到洄游路线产生较大阻碍。

2.3 紊动能分析

紊动能是水流中由于湍流运动而产生的能量，它与鱼类洄游有着密切的关系。竖缝堵塞会引起水流的扰动和湍流现象，增加鱼类游泳的能量消耗，遇到阻力较大的区域难以找到正确的洄游路径，使其上溯更加困难。

紊动能分析同样选择工况5，在单个竖缝堵塞0.8h时，对模拟的紊动能结果提取平行于池底的剖面，分别提取距离池底0.2×0.8h=0.32 m、0.5×0.8h=0.80 m和0.8×0.8h=1.28 m的切片，如图7所示。

图7 紊动能分布图

由图7 可以看出，竖缝堵塞时仅对下游1 个池室产生较大影响，除16 号池室紊动能较大，其余池室紊动能基本在0.01 J/kg 以下，并有明显的主流区和回流区；相同池室，不同水深的紊动能分布基本一致；竖缝堵塞处后一个池室（16号池室）主流区不明显，紊动能方向比较混乱，紊动能混乱同样会对鱼类寻找洄游路线产生较大阻碍。

3 结语

根据老口鱼道原型，对竖缝式鱼道不同堵塞工况进行了水力特性模拟计算，分析了不同工况下的沿程流速，水流流态和紊动能，结果表明：竖缝堵塞时，影响上游5～6个池室的流速及下游3～4个池室；当竖缝堵塞0.8h以上时，流速减小；当竖缝堵塞0.8h以下时，流速增大，堵塞程度为0.4h时流速最大，为1.77 m/s。流速增大，超过了主要过鱼目标中“四大家鱼”（青鱼、草鱼、鲢鱼和鳙鱼）的极限流速，阻碍鱼类洄游，因此，当竖缝处堵塞0.4h时要及时清理和修复，以保证鱼道的正常运行。

此外，竖缝堵塞的位置和数量也会对水流分布和速度产生影响，下一步可以结合数值模拟和实地观测，对竖缝堵塞的位置和数量开展水力特性研究，以获取更准确的数据和信息。