紊流特性對魚道結構的影響

摘 要：魚道結構的差異導致其內部結構出現不同的紊流特性，這種現象對于魚類能否順利上溯洄游至關重要。為了進一步了解魚道內的紊流特性，本文主要闡述了幾種不同的魚道結構，通過紊流流速、紊流強度、雷諾剪切應力、紊動能等特性進行展開分析，使魚道的過魚效果達到最佳。

關鍵詞：魚道;紊流特性;丹尼爾式;豎縫式

隨著社會經濟的發展，人類對于水資源的需求越來越大，各種各樣的水工建筑物出現在江河湖泊上。這些建筑物給社會帶來效益的同時，也導致了魚類棲息地問題嚴重加劇，生物多樣性降低明顯。因此我們在修建水利設施時，要合理利用資源，充分考慮到維持水生態的平衡問題。魚道是一種保護水生物種資源的工程措施，能明顯改善河流的連續性和保護物種的多樣性[1]，在閘壩的下游，魚類常依靠水流的吸引進入魚道，魚類在魚道中靠自身力量克服流速溯游至上游。

1 紊流特性

常見的紊流特性包括流速、紊流強度、紊動能、雷諾切應力等。將水流的瞬時流速看成兩個部分組成，即時均值和脈動值：

再把紊流的運動要素進行時間平均后，紊流運動就簡化為沒有脈動的時均流動，這樣就可以對時均流動與脈動分別加以研究。對于脈動量，常用它的均方根值作為它的統計特征值，若為各向同性紊流：

為y方向紊流的脈動值;為z方向紊流的脈動值。

用單位質量流體的紊動平均動能來表示紊動能的大小：

常用紊流強度N來表示紊流的程度：

對方程進行時間平均后，得到紊流時均運動的運動方程即雷諾方程。

近些年很多學者通過試驗研究分析，得到魚道中的紊流特性和魚類的生活習性有著密切關系。Lacey等[2]研究發現，魚道中的魚類的上溯洄游能力和紊流強度有關。Crowder等[3]在文章中指出紊流特性中的紊動能對魚類的影響很大。Pavolov等[4]研究發現，紊流強度的變化對魚類游泳速度以及能力有著明顯的影響。同時Smith等[5]認為紊流可能是魚類游泳路徑影響最大的因素。

2 傳統式魚道

2.1 丹尼爾式魚道

丹尼爾式魚道是最早出現的魚道形式，早期有學者對其流量、水深及流速分布進行了研究。它由比利時的丹尼爾在槽式魚道的槽壁槽底設置相距很密的阻板和底坎，來消能減速，故稱為丹尼爾式魚道。其中佟雪豐和李衛明等[6]發表的文章中提到通過相似比為1：1的魚槽模型進行試驗，分析了其紊流特性，結果如下：1）池室中出現主流區和回流區兩個區域。2）在不同的水深斷面，u、v、w各向紊動強度沿水深逐漸減小，且u、w方向紊動強度遞減趨勢明顯高于v方向。3）在不同水深斷面，雷諾切應力隨水深的增加而不斷減小。

丹尼爾式魚道在其底板附近處的流速較小，這個環境下有利于游泳能力弱的魚類進行洄游，同時游泳能力強的魚類可以在接近表面處洄游，它們具有了不同的洄游區域。但由于魚道內的流速會隨水深增加而增大，因此限制了魚道的高度。

2.2 豎縫式魚道

豎縫式魚道是用平板在魚道槽中形成從上到下的一條豎縫，水流從豎縫中下泄，根據豎縫的布置分為單縫和雙縫兩種。由于豎縫式魚道消能效果比較好，能夠適應較大的水位變化，同時適應棲息于表層和底層的魚類洄游要求，因此被廣泛應用。最早的豎縫式魚道是1943年在加拿大英屬哥倫比亞菲沙河的赫爾斯門魚道中首先應用的[7]。早在以前Sanagiotto等[8]通過模型試驗，對紊流特性進行研究分析，認為一個適合魚類生物的流態紊動標準是可能存在的。近幾年國內，陸續出現了關于豎縫式魚道的研究成果，曹慶磊等[9]利用三維數值模擬方法豎縫式魚道內的流場、雷諾剪切應力等紊流特性進行研究，并且通過試驗驗證了標準和雷諾切應力方程2種紊流模型的結果。研究結果表明：池室中的流速、紊動能以及雷諾剪切應力在豎縫出口處較大，在回流區較小，魚類洄游時在上層受到流速的影響要稍大于下層，而所受紊動能與雷諾切應力的影響則與之相反。

綜上可以看出，國內外對于豎縫式魚道紊流特性的研究方法主要還是通過物理模型試驗和數值模擬方法。它們的研究內容主要為紊流流速、紊流強度及紊動能的分布規律，結果表明：同側豎縫式魚道內主流速先增大后減小，而異側豎縫式魚道則與之相反;在豎縫處和出口處區域內的紊流強度較大，但是位于入口處的紊動能卻較大，這些結果都會對魚類的通過產生較大的影響，所以，合理的改善相應地方的設計尺寸和結構形式，過魚效果肯定會得到一定的提高。

3 結語

魚道是水利工程建設中的重要組成部分，它是魚類上溯洄游的重要保障，同時對于水生態環境的保護起著重要作用。魚道水利設計的結果就直接影響著魚類能否順利通過大壩。目前國內外對魚道紊流特性的研究主要是采用數值模擬作為物理模型試驗的手段，通過調節各種邊界條件來進行分析，已經取得了較大的進展。現在陸續出現了各式各樣的魚道，未來的方向注重是生態環保方向，今后的重心依舊是研究魚道內的紊流特性，另外不同形式魚道內水力條件對魚類通行的影響及改善措施亦將成為未來研究熱點之一。

參考文獻

[1]Li W，Chen Q，Cai D，et al. Determination of an Appropriate Ecological Hydrograph for a Rare Fish Species Using an Improved Fish Habitat Suitability Model Introducing Landscape Ecology Index[J].Ecological Modelling，2015，311：31-38.

[2]Lacey R W，Neary V S，et al.The IPOS Framework： Linking Fish Swimming Performance in Alterd Flows from Laboratory Experiments to Rivers[J].2012，28（4）：429-443.

[3]Crowder D W， et al. Vorticity and Circulation： Spatial Metrics for Evaluating Flow Complexity in Stream Habitats[J]，2002，59（4）：633-645

[4]PAVLOV D， LUPANDIN A，et al.The effects of flow turbulence on the Behavior and distribution of fish[J].Journal of Ichthyology，2000，20（1）

[5]SMITH D L，et al.Relating turbulence and fish habital：a new approach For management and research[J].Reviews in Fisheries Science，2014，22

[6]佟雪豐，李衛明，劉德富，等.丹尼爾式魚道內水流紊動特性試驗 研究[J].水電能源科學，2016，34（2）：94-97，128.

[7]CLAY C H. Design of? Fishways and Other Fish Facilities[M].Ottawa：Department of Fisheries of Canada，1995.

[8]SANAGIOTTO D G，COLETTI J Z，MARQUES M G. Velocity and Hydraulic Turbulence on a Vertical Fishway[C] // HYDROCHINA.? Proceedings of Hydropower 2006 International Conference. Kunming， China， October23-25，2006：105-106.

[9]曹慶磊，楊文俊，陳輝.同側豎縫式魚道水力特性的數值模擬[J].長江科學院院報，2010，27（7）：26-30.

作者簡介

劉俊（1994-），男，漢族，安徽池州市人，碩士研究生，重慶交通大學，研究方向：生態水工結構。