豎縫堵塞對豎縫式魚道運行的影響研究

李 烈，吳攀高，李明泉，覃曼麗，賈 榮，蘇冠維

（1.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023；2.廣西壯族自治區水利科學研究院，廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023；3.中國水利水電第一工程局有限公司，長春 130033）

0 引言

魚道是供魚類洄游的通道，連通閘、壩或天然障礙物的過魚建筑[1-2]。魚道具有諸多優點，例如良好的消能效果，適應不同種類的魚類和上下游水位的變化，同時能夠持續地保持上下游的連通性[3-5]。因此，魚道被認為是一種高效且可持續的過魚設施，為魚類提供了重要的遷徙通道，在水利工程建設中得到了廣泛應用。

進入21 世紀以后，魚道在國內迎來了二次發展，魚道的建設也早已超過了100座，相關研究也在2000年以后逐年增多，對魚道的研究大部分集中于魚道的進出口布置[6-8]、結構型式[9-12]、水力特性[13-19]和過魚效果[20-25]等方面。豎縫式魚道應用較為廣泛，豎縫式魚道在實際運行中，特別是洪水來臨時，上游河道垃圾往往會越過攔污柵進入魚道，造成豎縫堵塞。豎縫堵塞會使豎縫式魚道出現壅水情況，堵塞處豎縫的流速等都會隨之改變，堵塞的程度會直接影響魚道的過魚效果。這在魚道運行中是常見的現象，然而相關的研究卻比較少。本文通過數值模擬的方法，以老口航運樞紐魚道工程為例，建立數學模型，研究豎縫式魚道單個豎縫不同堵塞程度對魚道水力特性的影響，可為魚道的設計和運行提供建議和技術支持。

1 材料與方法

1.1 物理模型

物理模型根據老口航運樞紐魚道工程的實際尺寸，采用三維建模軟件繪制。為了完整地展現出豎縫堵塞后水力特性的變化，減少轉彎段、休息室等的影響，選擇直線段20個池室建立物理模型。物理模型整體長71.77 m、寬5 m、高3 m，底板厚0.5 m、邊墻厚1 m，每個池室長3.6 m、寬3 m，不考慮底坡。模型和具體參數如圖1（a）所示，橫隔板及導板尺寸如圖1（b）所示，豎縫堵塞處選擇15 號和16 號池室之間的豎縫[26]，如圖1（c）所示。

圖1 模型布置圖

1.2 數學模型

把水流看成不可壓縮流體，根據實際情況，采用RNGk-ε湍流模型，控制方程如下[27]：

連續性方程：

動量方程：

紊動能k方程：

1.3 工況選擇

根據老口航運樞紐魚道工程在實際運行過程中的出現堵塞情況，選取6個工況（見表1），在設計運行水深h=2 m 時，選擇豎縫堵塞程度為0、0.2h、0.4h、0.6h、0.8h和1.0h，其中1.0h為完全堵塞，0為豎縫不堵塞的工況，并作為對比工況。

表1 模擬工況

1.4 網格劃分

物理模型導入模擬軟件后，新建網格塊將模型的整個流體區域覆蓋，每個網格單元的尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。網格劃分后可以查看網格劃分后的物理模型，外形有缺陷的部分需要進行局部加密。網格劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

1.5 邊界條件

物理模型Xmin為水流進口、Xmax為水流出口，均設置為壓力邊界，壓力為靜水壓力，根據老口航運樞紐魚道設計運行水深，物理模型進口水位設置為2 m，出口水位設置為1.6 m。Ymin及Ymax為魚道邊墻，Zmin為魚道底板，均設置為墻邊界。Zmax為魚道上方空氣，設置為壓力邊界，壓力為靜水壓力，為空氣時流體分數設置為0。模型計算總時間設置為300 s，最大時間步長設置為0.001，最小步長設置為1×10-10。邊界條件設置結果如圖3所示。

圖3 邊界條件

2 結果與分析

2.1 沿程流速分析

魚道沿程流速是指在魚道內部不同位置處的水流速度分布，這種分布通常是不均勻的，了解魚道沿程流速的變化對確保魚類能夠成功通過魚道非常重要。以模型左下角為0 點建立二維坐標系（見圖4），沿程流速分布見圖5。

圖4 二維坐標系

圖5 不同堵塞程度下沿程流速分布圖

從圖5可以看出，通過各線段的位置，豎縫堵塞時，影響上游5～6個池室的流速及下游3～4個池室；當豎縫堵塞0.8h以上時，流速減小；當豎縫堵塞0.8h以下時，流速增大，堵塞程度為0.4h時流速最大，為1.77 m/s。對于老口魚道的主要過魚目標中“四大家魚”（青魚、草魚、鰱魚和鳙魚）來說，體長0.18～0.2 m的草魚極限流速為0.80 m/s，體長0.23～0.25 m的鰱魚極限流速為0.90 m/s，當豎縫處堵塞0.4h要及時清理和修復，以保證魚道的正常運行。

2.2 水流流態分析

水流流態描述水在流動過程中的狀態和形態，是水力學中的重要特性之一。水流流態的轉變可以受到多種因素的影響，如流速、魚道的幾何形狀、表面粗糙度、流體黏性等。了解魚道水流的流態有助于魚道的設計和優化，并提供有效的水力控制和管理。

本次分析水流流態選擇工況5，在單個豎縫堵塞0.8h時，對模擬的水流流態結果提取平行于池底的剖面，分別提取距離池底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，如圖6所示。

圖6 流態分布圖

由圖6 可以看出，豎縫堵塞0.8h時，對上游1個、下游2個池室的水流流態產生較大影響；相同池室不同水深的水流流態基本一致；豎縫堵塞處后一個池室（16號池室）主流區不明顯，水流方向比較混亂，會對魚類尋找到洄游路線產生較大阻礙。

2.3 紊動能分析

紊動能是水流中由于湍流運動而產生的能量，它與魚類洄游有著密切的關系。豎縫堵塞會引起水流的擾動和湍流現象，增加魚類游泳的能量消耗，遇到阻力較大的區域難以找到正確的洄游路徑，使其上溯更加困難。

紊動能分析同樣選擇工況5，在單個豎縫堵塞0.8h時，對模擬的紊動能結果提取平行于池底的剖面，分別提取距離池底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，如圖7所示。

圖7 紊動能分布圖

由圖7 可以看出，豎縫堵塞時僅對下游1 個池室產生較大影響，除16 號池室紊動能較大，其余池室紊動能基本在0.01 J/kg 以下，并有明顯的主流區和回流區；相同池室，不同水深的紊動能分布基本一致；豎縫堵塞處后一個池室（16號池室）主流區不明顯，紊動能方向比較混亂，紊動能混亂同樣會對魚類尋找洄游路線產生較大阻礙。

3 結語

根據老口魚道原型，對豎縫式魚道不同堵塞工況進行了水力特性模擬計算，分析了不同工況下的沿程流速，水流流態和紊動能，結果表明：豎縫堵塞時，影響上游5～6個池室的流速及下游3～4個池室；當豎縫堵塞0.8h以上時，流速減小；當豎縫堵塞0.8h以下時，流速增大，堵塞程度為0.4h時流速最大，為1.77 m/s。流速增大，超過了主要過魚目標中“四大家魚”（青魚、草魚、鰱魚和鳙魚）的極限流速，阻礙魚類洄游，因此，當豎縫處堵塞0.4h時要及時清理和修復，以保證魚道的正常運行。

此外，豎縫堵塞的位置和數量也會對水流分布和速度產生影響，下一步可以結合數值模擬和實地觀測，對豎縫堵塞的位置和數量開展水力特性研究，以獲取更準確的數據和信息。