竖缝式鱼道桩柱结构过鱼效果探究

柳松涛 李广宁 石凯 孙双科 石小涛

摘要：为优化鱼道池室结构，提升鱼类洄游效果，以常规竖缝式鱼道为原型，以齐口裂腹鱼（Schizothorax prenanti）为试验对象，通过数值模拟和对照性过鱼试验，比较分析了4种池室内部增加与未增加桩柱的水流结构。结果表明，在鱼道主流中间增设桩柱结构，可以有效减小回流区面积，减幅达49%，并可减小竖缝处的紊动能，最大减少18%；增加鱼类上溯路线分布，提高了池室空间利用率。2种结构的上溯轨迹分析发现，齐口裂腹鱼多选择回流区外侧上溯，避免进入回流区中心，即选择较高的水力应变与紊动能区域作为上溯方向，且上溯路线中偏好较低水力因子区域，上溯偏好流速为0.01～0.09 m/s，紊动能为0.001～0.008 m2/s2，水力应变为0.2～3.0/s。体型Ⅱ鱼道通过在主流位置增加桩柱结构，形成了多股水流，有效减小回流区的占比，提高了鱼道池室空间利用率，为鱼类的上溯路径提供了更多选择。

关键词：竖缝式鱼道；桩柱结构；数值模拟；水力学特性

中图分类号：S956        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2024）02-00148-11

受大坝和水库修建的影响，鱼类的洄游通道受到阻隔，作为缓解措施的鱼道得到广泛运用（董哲仁，2006；陈凯麒等，2012）；其中，竖缝式鱼道（Vertical Slot Fishway，VSF）因其消能效果充分，能适应较大水位变幅受到广泛关注（刘志雄等，2010；Mao，2018）。然而，我國竖缝式鱼道实际运行效果并不理想，主要体现在鱼类通过时间较长且通过率较低。为此，有必要以提高鱼道通过效率为目标，对常规池室结构开展进一步探索研究。

国内外对VSF结构开展了许多研究，Rajaratnam等（1986）最早提出竖缝式鱼道设计结构，在对18种不同体型池室研究后发现，10：8为最佳池室长宽比，池室内回流区流速与湍流强度适中，可为鱼类提供休息区（徐体兵和孙双科，2009；Rajaratnam et al，2010）。对比不同鱼道坡度的流场分布发现，当坡度<5%，流场呈现二维分布（Wu，1999）。对竖缝宽度（b）、池室宽度（B）、导板长度（P）等参数研究发现，当0.1≤b/B≤0.2、0.2

本文提出了4种增设桩柱结构的鱼道池室体型方案，并开展数值模拟计算和过鱼试验，从而优选流态较好、过鱼效率较高的池室体型。对优选池室进行齐口裂腹鱼（Schizothorax prenanti）对比性过鱼试验，分析其上溯行为规律，进而识别鱼类行为与水力因子间的响应关系，以期为优化鱼道结构及提升过鱼效率提供理论依据。

1   研究方法

1.1   试验设计

1.1.1   模型设计   鱼道模型以常规竖缝式鱼道为原型，按重力相似准则设计，模型比尺为1：4。试验水槽长10.2 m、宽0.6 m，底坡坡度J=1%，设置11级试验池室。鱼道池室长L=0.75 m，宽 B=0.6 m，导板长P=0.15 m，竖缝宽b=0.075 m，导向角θ=45°，导板厚d和隔板厚b均为0.075 m。导板迎水面和隔板背水面坡度均为1：1，隔板迎水面和导板背水面坡度均为1：3（Li et al，2021）。设计4种池室，分别为体型I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其差异为桩柱数量及位置不同，桩柱直径为竖缝宽度b=0.075 m，桩柱布置及相关参数见图1。

试验模型用水采用自循环闭合系统，模型下游设回水池，试验时采用水泵供水，进水池中设置消能栅，鱼道池室运行水深H0=0.3 m。模型下游末端池室为放鱼池，内部上下游各安装一道拦鱼栅，上游侧拦鱼栅可防止试验鱼提前进入试验段，下游侧拦鱼栅可防止试验鱼进入回水池。

1.1.2   试验方法   试验所用齐口裂腹鱼采购自四川某渔场，选择体长（10±2） cm的幼鱼，该体长下其临界游泳能力大于竖缝处最大流速0.39 m/s，确保不会因试验鱼游泳能力不足影响试验结果（Cai et al，2018）。试验前暂养于8 m3的方形水池中，采用深井水24 h循环供水，并进行曝气处理，溶解氧浓度保持在7 mg/L以上（Branco et al，2013）。试验期间暂养池水温（16±2）℃，pH值（7.3±2.0），光照为室内自然光。试验前2 d停止喂食（Mallen-Cooper，1994）。

试验分为2组，设置试验组Ⅰ筛选出较优的鱼道结构，分别在试验池室第3、5、7、9号布置体型Ⅰ～Ⅳ，根据各级池室通过时间，选择相对较优的池室结构布置体型。该试验未设置对照试验，作为初步筛选较优池室结构方案，有利于缩小试验周期，避免试验期间水温等环境因素变幅过大对过鱼试验结果的影响。试验组Ⅱ设置对照试验，以筛选的较优结构作为试验组，标准鱼道作为对照组，进一步分析桩柱结构对鱼类上溯行为的影响，试验布置见图2。相比于单一试验，对照试验能保证在相同条件下进行过鱼试验，降低水温、光照和声音等无关因素对试验结果的影响（郭子琪等，2021；黄婕等；2021；谭红林等，2021）。

试验前调整鱼道运行水深为0.3 m，测量并记录试验鱼道中的水温、含氧量、pH值等相关参数，确保试验中循环水含氧量大于6 mg/L，pH值在（7.75±2.5）（Branco et al，2013）。每天随机选取20尾鱼作为试验用鱼，每尾鱼仅用于1次试验，试验后将鱼放置于另一水池暂养。鱼道流态稳定后开始放鱼，关闭拦鱼栅，待试验鱼适应15 min后，撤去拦鱼栅。自试验鱼进入11号池室时开始计时，待其游出1号池室时停止计时，记录上溯时间和上溯视频。若试验鱼超过20 min未通过鱼道，则记为上溯失败。本试验共放鱼106尾，其中顺利通过11级池室67尾，作为数据分析对象，避免各体型池室通过率偏差对统计数据的影响。试验组Ⅱ中，将2组鱼同时放入下游放鱼池并开始试验，试验过程中分别记录2组鱼道的通过时间和上溯视频。试验完成后，随机选取另2尾鱼继续下一组对照试验。

1.2   数值模拟

1.2.1  数学模型   本研究使用Fluent軟件对4种桩柱结构进行数值模拟。采用标准k-ε湍流模型进行湍流计算，VOF模型追踪鱼道自由水面，结合压力-速度耦合SIMPLE算法进行求解计算（Li et al，2021）。计算域包括11级池室，如图3所示。采用结构性六面体网格，鱼道池室网格尺寸0.05 m，竖缝及桩柱处网格尺寸0.04 m，垂向网格0.025 m，计算区域高度1 m。鱼道进口及出口边界条件设置为压力进口，给定水深0.3 m；顶部边界条件设置为压力进口，相对压强设置为0；底面及边壁设置为无滑移壁面。迭代计算时间步长为0.01 s，每步迭代最大次数设置为30（Anastasios et al，2018; Fuentes-Pérez et al，2018）。

1.2.2   模型验证   数值模拟结果与物理模型试验进行对比，以验证模拟结果的可靠性。鱼道流场为典型的二维分布（Wu et al，1999），为此选取0.5H0横截面作为数据提取断面，以断面Ⅰ（X=15 cm）、断面Ⅱ（X=40 cm）和断面Ⅲ（X=60 cm）作为验证断面，对体型Ⅱ的模型进行验证。计算结果表明，各体型验证断面数值模拟与实测结果流速分布吻合程度较高，流速误差在0.03 m/s以内，数值模拟结果与物理模型试验结果基本一致（图4）。

2   结果与分析

2.1   池室水力特性

2.1.1   回流区尺度   按数值计算的流线图划分主流区及回流区，结果见图5。将回流区的分布图导入CAD，计算回流区面积a，与鱼道池室面积A相比进行无量纲化处理，得出回流区在鱼道中的占比a/A。统计5种结构的回流区相关数据如表1。

体型Ⅰ中，主流经过桩柱产生向池室左侧分支（顺水流方向左侧），主流范围更加广泛，增加可能的鱼类上溯路线，同时左侧大回流区被削减。体型Ⅱ中，主流由于中间桩柱作用主流范围有所扩大，偏向桩柱左侧。体型Ⅲ、Ⅳ在鱼道回流区增设桩柱，其中体型Ⅳ由于桩柱靠近池室左侧，减小了左侧回流区对主流的压缩，回流区范围更加广泛。

相较于标准鱼道，布置桩柱结构的池室回流区总面积占比都有一定程度减小，其中体型Ⅱ减小幅度最大，达49%。由于回流区面积减小，对主流的约束作用减弱，其分布范围更加广泛，体型Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ主流均有偏向左侧墙壁的趋势。4种结构中，回流区的变化主要集中在左侧，体型Ⅰ中左侧大回流区被分割为4个小回流区，体型Ⅲ、Ⅳ回流区也有所增加。体型Ⅱ中大回流区缩减为位于上游隔板侧的小回流区，减小为原来的26.1%，这也是其回流区占比减小明显的主要原因。

2.1.2   池室流场水力参数分布   使用Tecplot提取各体型池室数值模拟结果，选择Z=0.5H0平面作为数据分析断面，分别做流速、紊动能和总水力应变云图，观察不同体型池室各水力参数分布差异。

流速是影响鱼类上溯的主要水力要素，也是鱼道设计的重要判断标准（Hou et al，2019）。5种体型中，高流速区主要在主流附近区域，低流速区主要位于两侧回流区。主流区流速为 0.20～0.38 m/s，回流区流速较小，仅0～0.1 m/s，其最大流速均位于竖缝靠近隔板侧。除在体型Ⅰ中池室流速有明显增加外，其他3种体型鱼标准鱼道流速分布差异不大，各体型鱼道的流速场分布如图6-a。

紊动能TKE反应出水流流速脉动振幅，若在实际流场中鱼类所经过的区域水流紊动过大，则会导致鱼类上溯体能消耗加快，进一步影响其游泳能力（Enders et al，2003）。5种体型池室的紊动能如图6-b所示。紊动能较高区域都位于竖缝处，回流区紊动能低于0.006 m2/s2，竖缝及部分主流区域则在0.010～0.025 m2/s2。

对比5种体型池室的紊动能分布发现，体型Ⅱ最大紊动能0.018 m2/s2低于标准鱼道0.022 m2/s2，减小幅度为18%；体型Ⅰ竖缝处最大紊动能小于标准鱼道。5种鱼道中标准鱼道竖缝处紊动能为0.018～0.022 m2/s2的区域面积最大，主流区紊动能在0.006～0.008 m2/s2的面积更加广泛。体型Ⅲ、体型Ⅳ竖缝处紊动能有明显的增加，最大紊动能为0.024 m2/s2。总体来说，在主流区增设桩柱的方案可以有效减小鱼道内的紊动能，回流区增设桩柱结构会增加竖缝处的紊动能。

总水力应变用以反映流场区域内控制体变形情况，可以综合反映各方向流速变化的梯度（Nestler et al，2008；齐亮等，2012）。本研究5种鱼道池室中，总水力梯度相对较高的区域均位于主流区域，且各体型竖缝处总水力应变明显高于池室内部；其中，体型Ⅰ竖缝处水力梯度最高，达到18/s；体型Ⅲ、Ⅳ竖缝处水力梯度分布相似，导板端部较小部分存在水力梯度达到18/s；体型Ⅱ与标准鱼道竖缝处水力梯度相似，处于相对较低水平。各鱼道池室体型总水力应变如图6-c所示。

2.2   过鱼效果

2.2.1   通过时间   试验组Ⅰ过鱼试验于9月上、中旬進行，平均水温15.4℃，溶解氧为7.0 mg/L以上。试验共放鱼106尾，其中顺利通过11级池室共67尾，统计其通过时间中位数及平均数如图7-a所示。体型Ⅱ通过时间平均数相比其他体型时间更短，为 14 s，同时体型Ⅱ通过时间中位数与其他体型相比也有优势，通过时间为 9 s。为此，以齐口裂腹鱼为过鱼对象时推荐体型Ⅱ作为初步筛选的池室结构。试验组Ⅱ过鱼试验于10月中旬至11月中旬进行，平均水温15.6℃，溶解氧为7.0 mg/L以上。体型Ⅱ与标准鱼道通过时间中位数与平均数差异并不大。试验组Ⅱ各体型鱼道通过时间如图7-b所示。

2.2.2   通过率   通过率是判断鱼道过鱼效果的重要判断指标。试验组Ⅰ中未详细统计各体型鱼道的通过率，参考样本为顺利通过11级池室的鱼类，各体型鱼道通过率一致，以避免各池室布置位置差异对过鱼效果的影响。试验组Ⅱ对照试验共放鱼168尾，标准鱼道成功上溯121尾，通过率PrⅠ=72%；体型Ⅱ成功上溯115尾，通过率PrⅡ=68%。试验组Ⅱ中标准鱼道中试验鱼通过率略高于体型Ⅱ。

2.2.3   生存曲线   采用生存分析方法，分析试验组Ⅱ中不同池室体型对齐口裂腹鱼通过效果的影响。生存分析不仅综合考虑了通过时间与通过率指标，还考虑到随通过时间递增通过率的变化。随后利用时序检验（log-rank test）的方法比较不同生存曲线分布区别是否显著。将试验组数据导入统计分析软件GraphPad Prism 7对生存曲线进行比较。结果表明，试验组Ⅱ中标准鱼道和体型Ⅱ过鱼效果无显著差异（P=0.361>0.05），各试验组生存曲线如图7-c所示。

2.3   上溯行为

2.3.1   上溯轨迹热点   为进一步深入分析2种结构对鱼类上溯的影响，对其上溯的轨迹进行统计分析。由摄像机记录鱼类在池室中的上溯视频，采用LoggerPro对鱼类上溯过程进行打点，通过多条上溯轨迹叠加绘制热点图8。

试验组Ⅱ中，体型Ⅱ鱼类上溯轨迹主要集中在桩柱上部，之后沿隔板侧通过竖缝，上溯轨迹明显，部分鱼类沿桩柱下端边墙贴壁上溯。标准鱼道中大部分鱼类选择沿下部分边墙上溯，在导板处转向通过竖缝，部分鱼类靠近池室右侧沿隔板侧通过竖缝，结果与Shi等（2022）的研究结论一致。其中桩柱结构中鱼道上溯轨迹分布更加丰富，而标准鱼道中鱼类上溯多集中于导板一侧，位于左侧大回流区少有鱼类通过，桩柱结构丰富了鱼类上溯路径的选择，有利于提高池室空间利用率。

观察体型Ⅱ鱼类主要上溯路径上的行为发现，鱼类多沿隔板侧通过竖缝，通过竖缝后存在明显的调整上溯方向行为，大多数鱼类调整方向朝向桩柱侧，之后沿该方向移动至桩柱左侧。在桩柱附近鱼类又一次调整方向垂向隔板侧，沿该方向行一段距离后，鱼类转向靠近隔板侧，贴近隔板行进至竖缝处后调整方向沿隔板背水面通过竖缝，完成单级池室的上溯，鱼类上溯过程如图9。

2.3.2   水力因子与上溯轨迹耦合   由上溯轨迹热点图8可以发现主要上溯路线差异明显，提取鱼类的主要上溯路线与水力因子、回流区分布耦合，分析鱼类在上溯轨迹上差异的成因，结果如图10。剔除轨迹线中规律不明显的其他轨迹，得出体型Ⅱ主要轨迹线占比为52%，次要轨迹占比30%，标准鱼道中主要轨迹线占比78%，次要轨迹占比12%。

鱼类上溯过程中都偏向由回流区域外侧通过，避免了进入回流区中中心，同时偏好于较小回流区侧通过，可能是鱼类偏好于流向单一的通道上溯，回流区中流向复杂不利于鱼类辨明上溯方向。从流速云图的耦合中可以发现，鱼类偏好避免通过竖缝下游段的高流速区域，行进路线中流速大多处于较低水平。

两者轨迹线的差异主要集中在鱼类通过竖缝后上溯方向的选择，标准鱼道中大部分鱼类通过竖缝后由于惯性作用继续沿当前方向行进至边墙，而体型Ⅱ中鱼类大多选择沿隔板侧直行，之后调整方向朝向桩柱侧行进，在隔板侧存在主动选择上溯方向的行为，可能是鱼类偏向高紊动能、高水力应变区域上溯。标准鱼道中，竖缝上游端突出存在较高水力应变与高紊动能区域，其与鱼类的主要上溯路线存在较高的吻合度；而体型Ⅱ中高水力应变高紊动能区集中在隔板侧，且其范围较窄导向性并强烈，为此鱼类的主要上溯路线偏向隔板侧，且主要轨迹占比没有标准鱼道高。在体型Ⅱ中桩柱左侧，竖缝下游段存在较高的水力应变与紊动能区域，鱼类的主要上溯轨迹中在该区域都有方向调整的倾向，表明鱼类偏好于高水力应变高紊动能区域进行方向调整。

2.3.3   水力因子上溯偏好范围   对鱼类轨迹分布与池室水力因子分布进行定量分析，将池室按照热点图中网格划分，提取每个网格内水力参数的平均值，结合鱼类在该网格分布数量绘制直方图11。对鱼类在各网格中的数量分布与水力因子进行相关性分析发现，无论标准鱼道还是体型Ⅱ鱼道，鱼类数量的分布与流速、紊动能、水力应变具有显著的相关性，大部分P<0.01（表2）。虽然2种体型过鱼轨迹存在明显的差异，但鱼类偏好的水力因子范围存在一致性，都偏向于较低水力因子区域上溯，裂腹鱼在上溯过程中偏好水力应变0.2～3.0/s，偏好流速为0.01～0.09 m/s，偏好紊动能为0.001～0.008 m2/s2。本研究与谭均军等（2017）研究得出草鱼、鲢等幼鱼偏好水力因子范围有所不同，可能是不同种类不同体长鱼类偏好水力因子范围存在差异。与本研究团队在裂腹鱼的其他试验研究中结论一致，都偏好在低流速、低紊动能区域上溯（Li et al，2021） 。

本试验表明，体型Ⅱ鱼道与标准鱼道从通过时间及通过率的角度看来，两者效果相当。体型Ⅱ鱼道通过在主流位置增加桩柱结构，形成了多股水流，有效减小了回流区的占比，提高了鱼道池室空间利用率，为鱼类的上溯路径提供了更多选择。鉴于本文仅开展了齐口裂腹鱼的相关试验研究，尚未能证实体型Ⅱ鱼道的过鱼优势，后续拟进一步开展其他鱼种的过鱼试验，以进一步论证体型Ⅱ鱼道的合理性。

3   结论

在竖缝式鱼道池室内部增设桩柱结构，并采用数值模拟和放鱼试验方法验证4种桩柱结构的可靠性，评价桩柱结构实际过鱼效果，得出如下结论：

（1）体型Ⅱ鱼道在主流中间处布置桩柱结构可以有效的减小回流区的占比，有利于减小池室内紊动能，同时相较于本文其他结构，齐口裂腹鱼的通过时间较短。

（2）体型Ⅱ鱼道与标准鱼道过鱼效果相当，但具有更高的空间利用率，形成了具有流速梯度的多股水流，为鱼类的上溯路径提供了更多选择。

（3）齐口裂腹鱼在上溯过程中偏好于回流区外侧通过，都选择避免竖缝下游段的高流速区域，偏好于高水力应变高紊动能区域进行方向调整。

（4）鱼类上溯轨迹偏好与流速、紊动能、水力应变显著相关（P≤0.01），偏好流速0.01～0.09 m/s，偏好紊动能0.001～0.008 m2/s2，偏好水力应变0.2～3.0/s。

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（責任编辑   万月华）

收稿日期：2022-07-14      修回日期：2022-11-14

基金项目：国家自然科学基金（51679261）；流域水循环模拟与调控国家重点试验室自主研究课题（SKL2020TS04）。

作者简介：柳松涛，1997年生，男，硕士研究生，研究方向为鱼道水力学。E-mail：202008150021032@ctgu.edu.cn

通信作者：李广宁，1993年生，男，高级工程师，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：lgnchina@163.com