仿生態魚道出口銜接段管樁優化數值模擬

王鵬濤， 徐美， 陳申

(1.華北水利水電大學水利學院， 鄭州 450046； 2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司， 鄭州 450046)

水利工程的攔河筑壩，破壞了河道的連通性，隔斷了魚類的洄游通道，致使一些洄游性魚類滅絕[1]。魚道是幫助洄游性魚類跨越水工建筑物的過魚設施，在維持魚類生存交流中發揮重要作用[2-3]。魚道根據結構型式和水力特征可以分為槽式魚道、隔板式魚道和仿生態魚道，槽式魚道分為簡單槽式與丹尼爾式，隔板式魚道又分為堰流式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式[4]。其中仿生態魚道利用延長水流路徑和加糙坡道來進行消能，水流流態最接近天然河道，對魚類種類覆蓋面更廣，過魚效率更高[3，5]。Katopodis等[6]首次提出仿生態魚道，它主要利用舊河道建立魚類洄游的旁側通道。Acharya等[7]研究了球體、圓柱體等不同加糙塊對水流特性的影響，提出了加糙塊的間距在一定范圍內才能達到理想效果。王猛等[8]提出仿生態魚道在較大工作水頭的水利樞紐中布置時應合理安排電站的運行方式和魚道的進出口位置，進出口應設置攔魚及誘魚裝置。Tran等[9]運用二維方程計算了不同淹沒阻水設施下仿生態魚道內的水流條件，提出魚道的設計利用二維計算方法一樣可以提供精確結果。胡喬一等[10]建立了孔縫組合式仿生態魚道三維紊流數學模型，得到了仿生態魚道具有明顯的三維水流結構，其主流明確，流態良好，整體紊動能不大。周成海等[11]以貂皮嶺仿生態魚道工程實例，通過建立三維紊流模型，論證了魚道底坡和休息池尺度。隨著仿生態魚道的應用發展，在許多實際工程需要銜接段來承接上下兩種型式的魚道，銜接段在保持水面連續和控制水流流速方面起到重要作用，是魚道設計中重要一環，當前的魚道設計型式很少能夠滿足銜接段水力要求[4]。

大藤峽水利樞紐秉承“綠色魚道，生態魚道”的理念，在魚道出口建設生態景觀湖，仿生態魚道出口與景觀湖過渡銜接段內的水流流速過大不能滿足魚類上溯條件。現利用MIKE軟件建立三維數學模型對魚道出口銜接段內的水力特性進行研究分析，提出可以滿足魚類上溯條件的管樁結構型式，并在魚道出口銜接段形成具有賞魚景觀功能的親水區域。以期解決實際工程問題、豐富魚道設計研究內容，為今后在魚道設計的研究中提供新思路。

圖1 魚道整體模型平面布置圖Fig.1 Layout plan of overall fishway model

1 工程背景

大藤峽水利樞紐工程是珠江流域防洪樞紐工程。大藤峽水利樞紐的正常蓄水位為61.0 m，死水位為47.6 m，千年一遇的設計洪水位為61.0 m；總庫容為3.0×1010m3，防洪庫容為1.5×1010m3，調節庫容為1.5×1010m3。該魚道由工程魚道及下游仿生態魚道組成，如圖1所示。大藤峽水利樞紐的仿生態魚道在南木江副壩下游2 km的南木江河道內。南木江魚道布置在南木江副壩左岸及下游，由一號魚道、二號魚道以及下游仿生態魚道組成。一號魚道包含一號工程魚道段165 m，一號魚道過渡銜接段100 m，一號仿生態魚道段1 440 m，總長約1 705 m；二號魚道包含二號工程魚道段123 m，生態景觀湖190 m，二號魚道過渡銜接段44 m，二號仿生態魚道280 m，總長約637 m；二者匯合后的仿生態魚道約2 530 m，南木江魚道整體平面示意圖，如圖1所示。魚類上溯時先從仿生態魚道段進入南木江副壩下游，再經工程魚道段進入上游庫區內，完成上溯[12]。

2 數學模型

2.1 控制方程

DHI-MIKE水環境軟件是丹麥水利研究(Danish hydraulic institute，DHI)最新推出的水環境模擬綜合軟件產品,能為河流水動力及環境模擬提供強大的功能支持[13]。MIKE 3水動力模塊的基本方程是不可壓縮雷諾應力平均N-S方程，并基于Boussinesq假設和靜水壓力分布，三維數學模型控制方程主要包括連續方程和動量守恒方程[14]。

(1)連續方程。

(1)

(2)水平動量方程。

(2)

(3)

式中:x、y、z為笛卡爾坐標；t為時間；η為水流表面水位；u、v、w為x、y、z方向的流速分量；f為科氏力系數；g為重力加速度；ρ為水體密度；ρ0為空氣密度；Pa為大氣壓強；usS、vsS為點源流入周圍水體的加速度；Fu、Fv分別為水平應力量，可表示為

(4)

(5)

式(5)中：A為水平渦黏性系數。

總水深h可以通過沿垂直方向積分得到，即

(6)

2.2 模型概述及設計方案

基于大藤峽水利樞紐生態景觀湖和生態魚道為原型建模，模型范圍由上游生態補水渠和工程魚道連接生態景觀湖經S形平頂堰和順水流方向逐漸收縮的扇形銜接段到下游仿生態魚道段，如圖2所示。仿生態魚道的來水由兩部分組成分別為生態補水渠和工程魚道段。生態景觀湖利用S形平頂堰前緣與仿生態魚道進口自然銜接[12]。過平頂堰后，通過出口銜接段逐漸與下游生態魚道段銜接，下游仿生態魚道段坡降為1∶100。

設計方案要求在滿足魚類洄游的情況下，在仿生態魚道出口銜接段形成上溯魚群休整停留的景觀區域，因此在銜接段處布設橋墩型木樁，使得魚類在木樁后的低流速區短暫休憩再進入生態湖中。4種設計方案均布設11排共3組管樁，方案a～方案c三管樁型式為圓樁，方案d為方樁。每排管樁均以仿生態明渠進口斷面與中軸線交點為圓心的同心圓，排間距0.8 m左右，其中前五排在S形平頂堰上，順水流方向間隔布設，定義兩管樁中間過水區域與兩管樁中心間距的比為透水率。4種方案的管樁大小、形狀和透水率，如表1所示。從上游向下游對出口銜接段的管樁編號1～11，模型的高程與范圍以及管樁布置方案a為例，如圖2所示。

2.3 網格剖分及邊界條件

模型水平面上用非結構三角形網格、垂向上用四邊形網格進行剖分。剖分三角形網格面積最大不超過3.9 m2,最小角度不低于21°，在出口銜接段管樁周邊進行局部加密三角形網格面積最小面積為7 cm2。按照管樁大小及形狀不同的四種設計方案的網格剖分如表1所示，出口銜接段管樁區域剖分圖如圖3所示，網格細節剖分如圖4所示。

圖2 模型高程與模型范圍及方案a管樁分布示意圖Fig.2 Model elevation, model scope and schematic diagram of pipe pile distribution of plan a

表1 數學模型方案表

圖3 計算區域網格剖分Fig.3 Grid division of calculation area

圖4 4個方案出口銜接段局部網格剖分圖Fig.4 Local grid section diagram of connection section of the outlet of four schemes

模型的上邊界采用恒定的流量，生態補水渠流量為13.3 m3/s，工程魚道流量為3.6 m3/s，模型下邊界水位為43.026 m。CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)數小于1；干濕水深采用預設值；初始水位為43.279 m；根據物理模型試驗取河床糙率0.035～0.04；此外計算模型不考慮風壓力、潮汐力、科氏力等因素的影響。

2.4 模型驗證

采用水平比尺1∶12、垂直比尺1∶10的變態物理模型試驗結果進行模型驗證[12]，為方便對比計算結果選取了9個斷面作為研究斷面，斷面具體分布,如圖5所示。在16.9 m3/s流量下方案d流量下方案d的物理模型試驗與數值模擬結果，橫截面(cross section，CS)CS1、CS5～CS9模擬水位和試驗水位對比情況，如圖6(a)所示，各斷面水位的絕對誤差為-0.17～0.11 m，相對誤差在3.4%以內，從圖6中可看出這6個斷面水位模擬效果較好，模擬精度滿足計算要求。CS1和CS5在0.8h(h為水深)的模擬流速和試驗流速的對比情況，如圖6(b)、圖6(c)所示，CS1流速的絕對誤差為-0.05～0.1 m/s，相對誤差在8.1%以內，CS2流速的絕對誤差為-0.03～0.02 m/s，相對誤差在8.1%以內。CS1受主槽內設置管樁結構的影響主槽流速較低，數值模擬的主流位置和流速大小與物理模型試驗結果擬合較好。因此，采用所建模型對仿生態魚道過渡銜接段管樁優化進行模擬研究是可行的。

3 計算結果分析

3.1 流態分析

布設管樁后的仿生態魚道出口銜接段水流具有明顯的三維特性，選取流速最大的6～8號管樁段，自魚道底部向上劃分0.2h、0.5h、0.8h(h為魚道水深) 3個流層，分析魚道底層、中層和表層的水流特性。

仿生態魚道出口銜接段內左右相鄰管樁之間的流速是影響過魚效果的重要因素，要求左右相鄰兩管樁之間的流速小于魚類上溯的極限流速，魚類才可以完成上溯。如圖7所示，表、中、底層水流流態較為平順，水流流經管樁時與圓墩繞流情況相似，斷面突然變窄，一部分水流受管樁的阻擋在管樁前出現壅水，另一部分則流向管樁兩側導致兩側流速急劇增大；水流在管樁后方存在較大的回流漩渦，但回流強度并不劇烈且水流流速大部分在0.30 m/s以下，形成一個較大范圍的低流速區可供魚類上溯時短暫休整。

圖6 數學模擬與物理試驗水位與流速對比圖Fig.6 Comparison of water level and velocity between mathematical simulation and physical test

圖5 研究斷面分布圖Fig.5 Distribution of cross sections

圖7 4種方案下管樁間隙的水流流態Fig.7 Flow pattern of pipe pile clearance under four schemes

4種方案管樁間過水區域的水流流速如表2所示，方案a的水流流速在0.8～1.3 m/s，方案d的水流流速最小在0.5～0.8 m/s，方案b與方案c在中層相鄰兩管樁之間的流速約為1.35 m/s，流速偏高不適宜一些小型魚類上溯洄游；方案a與方案d管樁間過水區域的主要流速在魚類安全上溯的范圍內，滿足設計要求。

對比方案a、方案b和方案c在不同透水率下透水率越高即相鄰管樁之間過水區域與管樁直徑的比值越高管樁間過水區域的主要流速越低越適合魚類上溯；比較方案a和方案d在相同透水率下方形管樁間的水流流速遠小于圓形管樁間的水流流速，且方形管樁的水流流速從上到下逐漸減小，表層最大流速約為0.75 m/s，底層最大流速約為0.56 m/s，逐級分層的水流流速有助于不同水層的目標魚類上溯。故而就對比水流流速來說，在仿生態魚道出口銜接段布置管樁結構后透水率越高，管樁間流速越低越適合魚類上溯更適合魚類上溯、方形管樁結構比圓形管樁結構更適合魚類上溯。

表2 4種方案管樁間隙水流流速

3.2 橫截面流速分布圖

為分析3組11排管樁群對魚道出口銜接段流速的影響，選取CS3斷面的剖面流速分布圖進行分析，如圖8所示，CS2、CS3與CS4斷面流速，如表3所示。4種方案水流結構相似，河道橫截面流速分層明顯，河流表面和底面水流流速接近0 m/s，出口銜接段主槽內流速明顯低于左右兩側灘地流速，管樁群對降低主槽內水流流速效果顯著。方案a和方案b出口銜接段主槽內的主要流速在0.55 m/s左右，左右兩側灘地的主要流速在1.0～2.0 m/s，且方案b的流速小于方案a的流速，方案d銜接段主槽內的流速在0.4 m/s左右，左右兩側灘地的主要流速在1.0～1.9 m/s，以上3種方案主槽內的流速均在魚類喜好流速范圍內。依據《水利水電工程魚道設計導則》[15]過魚對象的喜好流速在0.2～0.8 m/s),在魚類從下游仿生態魚道上溯至此時可節省魚類上溯體力使其安全平穩的經過出口銜接段到達生態景觀湖內；方案c中CS2、CS3和CS4橫斷面主槽在0.6h以下的水流流速小于0.15 m/s達不到本工程段過魚對象的感應流速0.2 m/s，可能致使部分魚類迷失方向從而影響整體的過魚效率。

圖8 4種方案下CS3橫截面流速分布圖Fig.8 Velocity distribution of CS3 section of the four schemes

表3 4種方案下CS2、CS3與CS4橫斷面的流速

綜上，在銜接段設置管樁結構時，透水率越小，管樁群的阻水效果更加明顯，在管樁群后方形成的低流速區范圍更大，在一定范圍內透水率小的管樁結構使出口銜接段內水流流速更適宜魚類上溯，但透水率過小的管樁結構使出口銜接段內的流速小于過魚對象的感應流速反而不利于魚類上溯。對比方案a和方案d，兩種方案的水流結構相似，主槽和灘地的流速相差不大，說明管樁結構的形狀不是影響出口銜接段內管樁群下游水流流速的主要因素。

4 結論

分析了仿生態魚道出口銜接段中不同管樁結構對水流流速的影響，得出如下結論。

(1)圓形管樁中方案a管樁直徑為0.25 m，透水率為0.34，銜接段水流流速是圓形樁方中流速最小的方案，主槽流速為0.8～1.3 m/s，適宜魚類上溯。

(2)相同管徑和透水率下，方形管樁間的流速低于圓形管樁間的流速，方形管樁方案d主槽內流速在0.2～0.8 m/s，在魚類上溯的喜好游泳速度范圍內，魚類可輕松上溯。

(3)兩種形狀的管樁結構方案主槽內水流均在管樁后出現低流速區，魚群上溯時在管樁后的低速區休憩逗留時供人們欣賞，賦予其新的觀賞價值,可為建設魚道時提供新思路。