丹尼爾式魚道隔板形式變化對水力特性的影響研究

朱澄浩，李衛明，郭澤云，粟一帆，彭 湃

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

0 引 言

魚道是一種重要的魚類保護措施，對于幫助魚類在河流中自由洄游具有重要的意義。從水力學的角度來講，魚道是一種消減能量、降低流速的裝置，而丹尼爾式魚道則是消能效果最佳的魚道類型之一[1]。標準丹尼爾式魚道利用隔板阻擋水流，使水流與后續來流發生碰撞，從而達到消能和降低流速的目的。標準丹尼爾式魚道過水斷面是矩形和三角形的組合，由于三角形斷面的水力半徑小于矩形斷面(面積相同的情況下)，減少三角形斷面過流，池室水位壅高，進而為喜好在表層水域活動的魚類創造更適宜的水深環境[2]，但這種設計使喜歡在底層水域活動的魚類(特別是體形較大的魚)從三角形斷面通過時易被刮傷。

Mallen-Cooper等[3]通過放魚試驗對3種不同坡度8.3%(1∶12)、14.3%(1∶7)和20%(1∶5)的丹尼爾式魚道供不同體長魚類通過的潛能進行了調查，發現當魚道的坡度為8.3%時可供所有體長范圍(體長范圍為45～350 mm)的魚通過，上溯成功率高達88%，這一結果表明丹尼爾式魚道也適合體形較小和游泳能力弱的魚類上溯通過，并認為通過控制魚道的設計參數(如坡度、長度、寬度和深寬比等)可以極大地擴展丹尼爾式魚道的應用范圍。隨著研究地不斷深入，國內外學者對魚道設計參數對水力特性的影響研究取得了較大的進展。Katopodis等[4]通過試驗較早地發現丹尼爾式魚道中心剖面處的流速從魚道底部至水面呈現由小增大的趨勢，并分別就B/b與a/b(其中，B為槽身凈寬；b為隔板過水斷面凈寬；a為隔板間距)的變化對魚道水力特性的影響進行了評價。Rajaratnam等[5]通過物理模型試驗對丹尼爾式魚道180°轉彎段內的水力特性進行了研究，指出在轉彎段可以讓水流順利偏轉。Katopodis等[6]通過物理模型試驗對不同幾何結構的丹尼爾式魚道進行了研究，結果表明，從豎直方向上來看，丹尼爾式魚道底板附近的流速較低，可讓游泳能力較差的魚通過，而自由水面附近的流速則較大，適合游泳能力較強的魚使用。佟雪豐等[7]對丹尼爾式魚道內的紊流特性進行試驗研究，主要對兩種水深平面上的流速分布、紊動能、紊動強度和雷諾切應力進行了分析。胡健[8]利用數值模擬的方法探討了魚道坡度(8%、10%、12%和14%)、隔板形式(拱形隔板與平面隔板)以及增設圓柱形障礙物分別對丹尼爾式魚道內水力特性的影響。

綜上所述，丹尼爾式魚道隔板形式變化改變了池室內水力特性，適當改變魚道設計結構尺寸或形式，魚道內的水流流態更適合魚類上溯。研究表明，影響魚道過魚效果的水力因素不僅包含流態和流速，紊流特性對魚類上溯也有重要影響，而目前的許多研究僅用了流態和流速來表征魚道的水力特性。基于此，本文用物理試驗驗證數值模擬方法的可行性，并運用數值模擬的方法對丹尼爾式魚道隔板形式變化對魚道內流速流態、紊動能的影響著重分析，為魚道設計提供一定的參考。

1 研究方法

1.1 物理模型試驗

依據NB/T 35054—2015《水電工程過魚設施設計規范》建立了比尺為1∶1的丹尼爾式局部試驗模型，見圖1。魚道模型全長18.8 m，槽身寬1 m，底坡坡度8.3%，相鄰兩隔板之間間距1.28 m，魚道內設12個池室，隔板垂直于魚道底板，隔板詳細設計尺寸見圖2。

試驗魚道上游端與穩水池相連，下游端設有可調節開度的尾門。在試驗過程中，水流經過矩形薄壁堰后進入穩水池再流入魚道，通過尾門控制下游水深，實際入流流量由矩形量水堰測得。為便于觀察魚道內的水流情況，該試驗魚道兩側的邊墻采用有機玻璃制成。試驗采用聲學多普勒測速儀對魚道內測點的流速進行測量，試驗工況為進口流量0.2 m3/s，上游水深0.6 m，下游水深0.7 m。

圖1 丹尼爾式魚道水工模型

圖2 隔板尺寸(單位：cm)

1.2 數學模型

數學模型建立：參照水工試驗模型建立同尺寸的丹尼爾式魚道數值模型，將順水流方向定為x軸正方向，魚道左岸方向為y軸正方向，重力反方向為z軸正方向確定坐標系，在模型中設置魚道上游水體在x方向的范圍為1.5 m，下游水體在x方向的范圍為2.3 m，以基座底邊和魚道邊墻最高點作為網格塊輪廓線在z方向的上、下限，進行全流場精細模擬。

網格劃分：模型性質設為固體，單位為SI制，模型設一個網格塊，自動劃分網格，設定合適網格總數使網格單元在各方向上的尺寸保持在0.02 m左右。

邊界條件與初始條件：模型進出口邊界條件設為壓力邊界，根據水工模型試驗條件設置相應進口水深為0.6 m，出口水深為0.7 m。魚道兩側的邊墻及魚道底部選擇固壁邊界，魚道頂部設壓力邊界，流體分數設為0。初始條件設置限定魚道上下游水體的范圍，根據計算區域可確定上下游水體在x、y方向的范圍，上下游水體的深度根據魚道進出口壓力邊界條件確定，分別為0.6 m和0.7 m。

表1 不同隔板型式模擬方案

1.3 模型驗證

(1)流速驗證。進出口水流由于受到穩流池和尾門的影響，極不穩定，為了降低試驗誤差和減小池室兩邊擋板的影響，選取試驗模型6號水池中央斷面表層12個測點進行流速校核，相鄰測點的間距為10 cm。6號水池中央斷面表層流速的計算值與實測值結果對比如圖3所示。由圖3可知，測點流速值大于0.6 m/s，此流速范圍是魚類上溯主要集中的區域，因此某一處測點流速略有偏差不影響模型的結果。

(2)水深驗證。魚道1～12號水池內平均水深的計算值與實測值如圖4所示。由圖4可知，6號水池的水深測量斷面水深對比分析滿足要求，因此此數值模擬方法可以采用。

圖3 6號池室表層流速計算值與實測值

圖4 魚道內水深計算值與實測值

1.4 不同隔板形式數值模擬

模型試驗結果證明了數值模型方法是可行的。為了研究不同隔板形式對水力特性的影響，模擬了4組不同隔板形式的丹尼爾魚道模型，魚道內部設5個池室，底坡坡度為1∶10，隔板與魚道底板夾角為45°，不同隔板形式的相關參數見表1，隔板細部構造如圖5所示。

圖5 不同隔板細部(單位：m)

2 結果與分析

2.1 隔板形式對流速分布的影響

以3號池室為例，對魚道內的水力特性進行研究；選取0.25h、0.5h、0.75h3個水深層對水池內的水力特性進行分析。對丹尼爾式魚道水力特性及魚類行為研究表明，丹尼爾式魚道內主流區的水流流速要大于魚類感應流速，要使魚類順利上溯，魚道設計流速(隔板過水斷面上的最大流速值)應小于目標魚類的突進游泳速度，水池中(不含隔板過水斷面)的水流流速小于目標魚類的臨界游泳速度[9- 10]。研究不同隔板形式對池室流速分布的影響，為評價魚類上溯有效性提供參考。

方案1流速數值模擬結果見圖6，由方案1流速圖可以看出，表層平均流速為1.31 m/s，大部分區域為高流速區，但過水斷面處流速較小；中層平均流速為1.34 m/s，絕大部分區域為高流速區，約占該層的92%；底層水體平均流速為0.85 m/s，水流流速變化明顯，最小的流速接近0。由于過水斷面由矩形變為三角形，隔板附近流速均大于1.40 m/s，最大流速達到了2.28 m/s。

表層水流流經三角形過水斷面后，靠近兩側擋板的水流向擋板兩側擴散，擴散至池室中間時受兩側邊墻約束而向中間偏轉，而過水斷面中間水流呈“波浪紋形”向前，這主要是因為在隔板過水斷面處生成的跌流擾亂了池室中間部位水流的平順性；在中層水流流經隔板后向兩側擴散現象減弱，過水斷面中間水流以更明顯“波浪紋形”流向下一隔板，較表層水流流態更復雜；底層水流受隔板阻擋部分水體不再流動，但兩側的水流由于慣性與隔板發生碰撞，并在隔板與邊墻所組成的直角三角形區域里形成回流區，回流區的流速大小在0.40～1.30 m/s之間。與方案1相比，方案2將隔板的過水斷面由三角形斷面改為半圓形斷面，其底層流態特征與方案1中底層的水流形態相似，但相比于方案1，方案2中3號水池表、中、底層上的平均流速均增大，其中底層上低流速(小于1.00 m/s)區的相對面積較方案1減小了近15%，這主要是因為在相同面積情況下，半圓形的水力半徑要大于三角形，而導致過流能力增大。

對比方案1、3中3號水池內不同水深層的流速分布，在隔板一側設孔口，方案1、3的表層水流平均流速大小相差不大，但方案3流態明顯好于方案1；方案3中層水流平均流速比方案1水流平均流速小0.34 m/s，底層水流平均流速較方案1小0.09 m/s，過水斷面上的流速從表層至底層逐層減小，這說明方案3的布孔方式對隔板過水斷面上流速的重新分布起到了積極作用。與方案1相比，方案3中流速分布更加合理。因此，在隔板一側增設孔口改善了池室和過水斷面的流速分布。

對比方案3、4中3號水池內不同水深層的流速分布，方案4的兩側交錯布孔對過水斷面流速的重新分布也起到了積極作用，布孔方式的變化對隔板過水斷面上的平均流速沒有影響，但與方案3相比，方案4底層上回流區的面積比方案3大。

圖6 方案1不同分析層流速云圖

2.2 隔板形式對紊動能影響

紊流對魚類游泳能力或行為的影響方面，國外研究人員作了較多的研究。Enders等[11]指出紊流可能會導致大西洋鮭(Salmo Salar)幼魚在游泳時的體能消耗增大。Silva[12]等通過試驗發現雷諾切應力是影響伊比利亞鲃(Luciobarbusbocagei)上溯的最關鍵因素之一。此外還發現魚類在上溯過程中更喜歡經過紊動能低的區域，并將紊動能高、低的臨界點確定為0.05 J /kg 。Alexandre[13]等利用肌動電流圖遙測技術對伊比利亞鲃在淹沒孔口式魚道內的游泳行為進行研究，發現雷諾應力的水平分量與其游泳速度有著最為緊密的聯系。Delavan等[14]對銀側美洲鱥(Notropisatherinoides)上溯途經水域的水力特性進行實地測量，發現當這片水域的水流流速介于銀側美洲鱥的臨界游泳速度和爆發游泳速度之間并伴隨有復雜的紊流時，銀側美洲鱥無法通過該水流障礙。由此可知，在復雜紊亂的水流中，由于魚類受力的復雜性及運動阻力的增大，魚類克服流速的能力將會減弱。譚均軍等[15]發現鳙魚和草魚在上溯過程中會主動避開高紊動能區。因此，水流的紊動特性與魚類的游泳能力及游泳行為密切相關，即水流的紊動程度越大，對魚類游泳能力的抑制則越明顯。

由數值模擬結果得，3號水池內方案1的表、中、底層的紊動能平均值分別為0.06、0.05、0.03 J/kg，沿水深方向逐漸減小，各水深層大部分區域的紊動能小于平均值，高紊動能區域分布范圍很小，且基本在隔板附近和貼近邊墻，其中底層紊動能最大值達到0.58 J/kg。與方案1相比，方案2表、中、底層上紊動能的平均值基本相同，紊動能大小范圍均為0.02～0.06 J/kg，且分布位置也大致相同。因此，將隔板底部的三角形斷面改為半圓形斷面對水池內紊動能的影響較小。與方案1相比，方案3表層紊動能分布位置有所改變，池室內不同水深層紊動能平均值比方案1均偏大，中、底層紊動能分布區域大致相同，而表層有所不同，這說明增加的布孔重新改變了表層水流流向和流速，使水流流態更復雜，紊動能隨之變大。對比方案3、4中3號水池內不同水深層紊動能可知，方案4紊動能分布情況與方案3大致相同，說明將孔口布置在隔板左側還是右側對紊動能分布無影響。

3 結 論

本文通過改變丹尼爾式隔板形式，分析了不同隔板形式對魚道內水力特性的影響，得出如下結論：

(1)將隔板中三角形斷面改為半圓形斷面后，水池內的各水深層流態基本不變，但表層和底層的平均流速則分別增大9%和15%，且底層上小于1.00 m/s流速的區域的相對面積減小近15%，這對喜好在上層和底層生活的洄游魚類是不利的，尤其是底棲型洄游魚類；但半圓形過水斷面隔板形式能有效降低魚類上溯過程中可能遭受的物理傷害，滿足魚類上溯流速條件時也可考慮采用。

(2)在隔板同側增設5個方形孔后，改善了水池表層和中層的流態，對底層流態影響不大，同時中層和底層的平均流速均有所減小，分別減小25%和11%；中層上小于1.00 m/s流速的區域相對面積增大約37%，這表明在隔板同側增設孔口改善了池室水力特性。而在丹尼爾式魚道隔板兩側交錯布置方形孔與在隔板同側布置方形孔池室水力特性基本相同，對紊動能的分布也影響不大，但底層回流區面積增大，有可能使魚迷失方向。