樅陽仿自然魚道水流條件優化數值模擬研究

祝 龍，胡喬一，王 程，王曉剛

（1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，南京 210029；3.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430000）

0 引 言

引江濟淮工程地跨皖豫兩省，涉及江淮兩大水系，是國務院要求加快推進建設的172項節水供水重大水利工程之一。然而閘壩等水利工程的建設在給人們帶來社會效益和經濟效益的同時，也破壞了河湖的連通性，阻礙了魚類在河湖中的自由通行，破壞了原有區域的生態平衡，為此需要修建過魚設施［1-4］。引江濟淮工程樅陽引江樞紐過魚設施的建設，便是為了恢復長江干流與菜子湖之間的魚類洄游通道，滿足江湖洄游魚類的入湖和出湖需求，起到江湖魚類資源互補，促進魚類增殖和恢復魚類種質資源的作用?？紤]長河樅陽老閘段在引江樞紐建成后將廢棄，因此工程擬利用此部分廢棄河道改造為仿自然通道，利用原始邊坡進行布置，由仿自然通道段、工程魚道段及調節池組成，從而形成魚類的上溯洄游通道。

仿自然魚道是一類重要的過魚設施，與傳統工程魚道不同的是，仿自然魚道的斷面結構比較復雜，其大多利用工程現場材料（地形特征、渠道底部物質及石塊）來設計和建造，更加注重與生態環境的整體協調性，其目的在于盡可能滿足不同魚類的上溯要求，保護水生生物多樣性，同時還可以形成景觀廊道［5，6］。目前，國內外學者對于以豎縫式魚道為主的工程魚道研究較多。李秀萍等［7］論證了豎縫寬度對雙側豎縫式魚道水力特性的影響。王曉剛等［8］分析了豎縫位置、池室長度、增設輔助隔板等對豎縫式魚道直段休息池、轉彎段休息池水動力特性的影響。董志勇等［9］則剖析了溢流堰和豎縫組合式魚道水池內時均流速、紊動強度、雷諾應力、相關函數、紊動尺度等紊流結構。GAO等［10］采用一種歐拉-拉格朗日方法模擬了魚道中虛擬魚的運動軌跡。BALLU 等［11］研究了豎縫魚道池室底部存在宏觀粗糙度（混凝土圓柱體）對水流流動的影響。仿自然魚道傳承了隔墻豎縫的基本型式，對魚道建筑材料和結構形式進行仿自然優化，其結構型式更趨于多樣化。馬衛忠等［12］對比了仿自然魚道豎縫式和豎縫-表孔組合式兩種不同結構型式的魚道池室水力特性。李廣寧等［13］定量分析了透水性卵石墻對魚道水力特性的改善效果。王智娟等［14］對窄深型仿自然魚道的收縮卡口布置和內部消能措施進行了一定研究。徐進超等［15］則建立了仿自然魚道整體物理模型，論證了魚道池室水流條件和深潭補水方案。由于其斷面型式的多樣化，邊底材質粗糙，存在較多不確定性等原因，目前對于仿自然魚道尚無完善的研究方法，因此設計難度較大。本文針對樅陽仿自然魚道，采用概化模型的方式開展三維紊流數值模擬研究，初步判斷魚道內的水力特性，優化魚道內部斷面結構參數，獲得相對較為合理的仿自然魚道池室結構布置，為相關部門確定最終方案提供參考。

1 數學模型建立及驗證

1.1 基本方程

數學模型采用RNGk-ε雙方程模型模擬魚道內復雜的紊流結構，其控制方程為：

連續方程：

動量方程：

k方程：

ε方程：

式中：ui和uj為速度分量，m/s；xi和xj為坐標分量，m；t為時間，s；ρ為流體密度，kg/m3；p為修正壓力，Pa；ν為分子黏性系數，m2/s；νt為紊流黏性系數，m2/s，計算公式為νt=Cμk2/ε；gi為重力體積力，m/s2；k為紊動能，m2/s2；ε為紊動能耗散率，m2/s3；Gk為平均速度梯度引起的紊動能產生項，m2/s3；方程中的其他參數：

方程中的經驗常數Cμ=0.084 5，αk=αε=1.39，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η0=4.38，β=0.012。

采用VOF 方法捕捉水氣兩相流自由液面，求解如下輸運方程：

式中：αw表示液體的體積分數；αa表示氣體的體積分數。

魚道上下游計算邊界設定為相同水深1.5 m，上表面邊界為空氣邊界，其余邊界為無滑移壁面，采用PISO 算法求解魚道內瞬態水力特性直至計算穩定。

1.2 計算區域及網格劃分

根據設計型式，仿自然魚道采用梯形斷面，渠底寬2 m，邊坡為1∶2，底坡為1∶242，正常運行水深取1.5 m，每間隔10 m 布置一道隔墻，隔墻采用漿砌塊石結構，隔墻厚度取0.8 m，隔墻過水斷面為豎縫結構，豎縫寬1.0 m，豎縫中心偏離池室中心線距離（簡稱豎縫偏心距）為0，魚道整體為連續彎道布置，以“三彎道一直道”布置分布。過魚設施的設計流速是關系到魚類是否可以通過的重要參數，通常是由過魚對象的克流能力及魚道的長度決定。根據相關部門提供的資料，本工程的過魚對象較多，主要有四大家魚、鳡魚、長頜鱭、日本鰻鱺等，同時既有成魚也有幼魚，根據主要對象的克流能力，魚道的設計流速指標取為0.7～0.9 m/s。

數值仿真概化模型計算區域包括17個普通池室以及上、下游各15 m 的平段，長度約200 m，魚道數學模型如圖1所示。因仿自然魚道結構比較復雜，對計算區域采用四面體單元進行網格劃分，對魚道豎縫處進行局部加密，模型約136 萬網格單元，網格劃分情況如圖2所示。魚道豎縫流速為過魚設計的關鍵，為了分析魚道沿程縮窄斷面的流速，選取圖1中1號～12號豎縫及豎縫附近區域統計縮窄斷面最大流速。本文開展的多組魚道池室結構優化計算工況如表1所示，其中工況1 為原設計方案，針對魚道內的水流條件，工況2～6 分別對魚道池室長度、池室底寬、豎縫寬度以及豎縫偏心距進行優化（本文中魚道池室邊坡均取1∶2）。

表1 魚道數學模型計算工況Tab.1 Calculation conditions of fishway mathematical model

圖1 魚道數學模型Fig.1 Numerical model of fishway

圖2 魚道數學模型網格劃分Fig.2 Simulation mesh of fishway

1.3 模型驗證

樅陽仿自然魚道物理模型包含約30 m長的工程魚道段、整個過渡調節池和249 m 長的仿自然通道段，模型幾何比尺為5。其中，仿自然通道段基本尺寸按照數學模型工況6 推薦的魚道布置尺寸建立，即池室長度8 m，池室底寬3 m，豎縫寬度0.8 m，豎縫偏心距1.1 m（豎縫貼坡布置），試驗中控制仿自然通道段中的原型水深為1.5 m。對魚道設計中最為關鍵的縮窄斷面最大流速進行驗證，因物理模型中的彎道布置與數學模型存在差異，所以僅對物理模型和數學模型各縮窄斷面最大流速的統計值進行驗證，物理模型實測各縮窄斷面最大流速最大值、最小值和平均值分別為1.03、0.72 和0.86 m/s，數學模型計算各縮窄斷面最大流速最大值、最小值和平均值分別為1.04、0.71和0.89 m/s，兩者差別不大，可見數學模型計算參數選取合理，可用于工程實際研究。

2 結果與分析

2.1 原方案魚道池室水流條件

樅陽仿自然魚道原設計方案（工況1）魚道每級池室長10.0 m，底寬2.0 m，底坡1∶242，邊坡1∶2，豎縫寬度1.0 m，豎縫偏心距為0 m。在該布置型式下，魚道內整體流場分布如圖3所示，魚道池室局部不同水層流速分布如圖4～圖6所示，其中底層、中層、表層分別以0.2h、0.5h、0.8h進行劃分（h為魚道水深），本文圖中左側均為上游側，右側為下游側。由圖可知，由于底寬僅2.0 m，魚道水深為1.5 m，整體下窄上寬的梯形斷面構造使得魚道內三維水力特性較為明顯，因過水斷面由底層向表層逐漸擴大，魚道池室水流的擴散程度也依次上升，因此，魚道底層的流速水平較高，中層次之，表層流速水平相對較低，表層水流相較中底層更為紊亂；在彎道作用下，魚道沿程各池室流速存在一定的差異，彎道布置具有一定的消能作用，雖然豎縫偏心距為0，但池室內并未產生直沖射流，主流蜿蜒前進，在池室內繞行，各水層主流較為明確，在主流兩側存在不同范圍的回流，回流區流速較低，可作為魚類上溯的休息區域；水流在豎縫處存在一定的偏流集中效應，豎縫處流速分布不均，其最大流速主要位于豎縫附近偏下游側，豎縫附近大范圍流速在1.0 m/s 以上，整體流速較高，難以滿足設計流速指標要求，需要進行優化。

圖3 魚道池室整體流場分布Fig.3 Overall flow field distribution in fishway pools

圖4 魚道池室底層流場分布Fig.4 Flow field distribution in the bottom layer

圖5 魚道池室中層流場分布Fig.5 Flow field distribution in the middle layer

圖6 魚道池室表層流場分布Fig.6 Flow field distribution in the surface layer

2.2 優化方案魚道池室水流條件

2.2.1 工況2～3魚道池室水流條件

為了降低魚道豎縫的流速，先從魚道隔墻結構著手優化，即保持魚道池室長度和池室底寬不變，將豎縫貼坡設置，即豎縫偏心距為0.5 m（工況2），仍保持豎縫貼坡設置，降低豎縫寬度至0.8 m（工況3），以魚道池室中層為例，工況2～3魚道池室水流條件如圖7～圖8所示，統計工況1～3 魚道沿程各豎縫及附近區域最大流速如表2和圖9所示。為了對豎縫內流速范圍進行定量分析，選取2號、5號、8號、11號豎縫為典型斷面，取每個豎縫下游側邊緣為統計斷面，其位置示意如圖10所示，每個統計斷面上布置98 個測點，因魚道的設計流速指標為0.7～0.9 m/s，定義流速超過0.7 m/s為大流速，以大流速點數占統計點數的比例為大流速占比，以此近似估計豎縫內的大流速范圍。

圖7 工況2魚道池室中層流場分布Fig.7 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 2

圖8 工況3魚道池室中層流場分布Fig.8 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 3

圖9 工況1～3沿程豎縫區域統計最大流速Fig.9 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 1～3

圖10 豎縫下游側邊緣測量位置示意Fig.10 Measuring position of downstream edge of vertical slot

表2 工況1～3魚道沿程豎縫區域統計最大流速 m/sTab.2 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 1～3

由圖表可知，工況2 魚道內流速分布與原布置方案基本類似，在底寬為2.0 m 的情況下，增大豎縫偏心距對豎縫處流速影響不明顯，工況1 和工況2 豎縫附近區域的最大流速分別達到了1.136 和1.128 m/s，最大平均流速分別達到了1.056 和1.052 m/s，豎縫最大流速遠超設計流速0.7～0.9 m/s 的要求，豎縫處流速分布不均，根據統計結果，超過0.7 m/s 的大流速范圍基本占全斷面50%左右。究其原因，是由于豎縫寬度達到1.0 m，寬度過大，導致水流通路過大，消能不夠充分，所以需考慮減小豎縫寬度。減小豎縫寬度后的工況3 豎縫處流速有所降低，豎縫附近統計最大流速和平均流速分別為1.065 和1.000 m/s，設計流速指標仍不滿足要求，大流速范圍仍占50%左右，需要進一步優化。

2.2.2 工況4～6魚道池室水流條件

由于目前魚道底寬較小，即使已將豎縫貼坡布置，實際上相鄰池室豎縫之間的間距并不大，水流在池室內部偏轉有限，致使豎縫處消能仍顯不足，無法滿足設計流速條件，特別是在直道池室，豎縫流速較高，仍有形成類似直沖射流的隱患?？紤]到魚道設計流速僅為0.7～0.9 m/s，與目前工況計算流速仍有較大差距，工況4 進一步將豎縫寬度減小至0.6 m，并將底寬拓寬至3.0 m，豎縫仍然貼坡布置（豎縫偏心距1.2 m），其計算結果如圖11所示。由圖中可知，該工況豎縫處流速得到了明顯改善，但仍有一定范圍的流速超標，豎縫偏心距較大，局部主流顯得較為扭曲，但由于池室內流速并不高，回流并不劇烈，魚類能夠比較容易地找到主流完成上溯。綜合考慮，該工況仍不能很好地滿足設計要求，還需進一步對魚道池室結構進行優化。

圖11 工況4魚道池室中層流場分布Fig.11 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 4

為此，在上一個工況的基礎上將魚道池室長度縮短至8.0 m，其余保持不變（工況5）。計算結果如圖12所示。由圖中可知，隨著池室長度的縮短，單位池室消耗的水頭減小，魚道豎縫處的流速得到了進一步改善，目前魚道豎縫處最大流速基本在0.9 m/s 以下，存在較大范圍可上溯的流速通道，局部流速雖略有超標，但超標范圍不大，能夠滿足設計流速要求。在彎道以及豎縫異側貼坡布置等影響下，魚道池室內水體較為紊亂，各池室流速和流態存在較為明顯的差異，部分池室主流趨于池室中央，部分池室水流偏轉比較明顯，總體上各池室能夠形成較為明確的主流，使魚類能夠尋其方向完成上溯，在主流兩側存在不同程度的回流，大部分回流流速在魚類感應流速以下，基本不會對過魚產生太大影響，即魚道池室內形成了相應的“大流速區”和“小流速區”，可以滿足魚類上溯的基本要求。

圖12 工況5魚道池室中層流場分布Fig.12 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 5

考慮到工況5部分池室水流偏轉較大，水流流態略為紊亂，本文補充了工況6 的計算，即在工況5 的基礎上，加寬豎縫寬度為0.8 m，結果如圖13所示。從中可以看出，魚道池室內水流流態較前述工況有所改善，水流更為平順，堅縫處有局部區域最大水流流速超過了0.7～0.9 m/s 的設計流速指標，但豎縫處水流本身流速分布不均，在豎縫加寬至0.8 m 后，控制斷面大部分區域流速仍在0.9 m/s 以內，分析認為，該工況亦能夠基本滿足設計要求。

圖13 工況6魚道池室中層流場分布Fig.13 Flow field distribution in the middle layer of fishway in condition 6

以上優化工況（工況4～工況6）魚道沿程豎縫附近區域最大流速統計如表3和圖14所示。從圖表中可以看出，當豎縫寬度為0.6 m，底寬3.0 m，豎縫貼坡設置時，魚道沿程豎縫區域最大流速和最大平均流速分別達到了1.035 和0.946 m/s，較之前工況有了較大的改善，但仍然在設計流速標準以上，根據統計結果，典型豎縫斷面大流速范圍（0.7 m/s 以上）占比仍在50%左右，當進一步縮短池室長度至8.0 m 時，流速降低比較明顯，其最大流速和最大平均流速分別降低至0.945 和0.849 m/s，豎縫區域最大流速基本能控制在0.7～0.9 m/s 之間，滿足設計流速指標，典型豎縫斷面大流速范圍占比最大為38%，存在較大范圍可供上溯的流速通道；在此基礎上，將豎縫加寬至0.8 m，沿程豎縫區域最大流速和最大平均流速分別為1.039 和0.886 m/s，流速指標雖有所上升，但最大平均流速仍能夠控制在0.9 m/s 以下，典型豎縫斷面大流速范圍也比較小，綜合前述分析結果，可以認為該工況基本滿足設計流速指標。

表3 工況4～6魚道沿程豎縫區域統計最大流速 m/sTab.3 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 4～6

圖14 工況4～6沿程豎縫區域統計最大流速（單位：m/s）Fig.14 Statistical maximum velocity along vertical slot area of fishway in condition 4～6

綜合上述計算結果，推薦樅陽仿自然魚道池室結構布置參數為：豎縫寬度0.6～0.8 m，底寬3.0 m，豎縫貼坡設置，即豎縫偏心距1.1～1.2 m，池室長度8.0 m。

3 結 語

仿自然魚道比傳統工程魚道更能滿足生物多樣性的要求，在實際工程中越來越受到人們的重視，限于仿自然魚道斷面結構的復雜性，目前尚缺乏完善的研究手段。本文以樅陽樞紐仿自然魚道為例，對“連續彎道布置”的魚道池室建立三維概化紊流數學模型，優化池室內水流條件，獲得的主要成果如下。

（1）提出了仿自然魚道水流條件的優化思路：通過增大豎縫偏心距，延長主流繞流路徑，減小豎縫寬度，增大局部阻力，縮短池長，增大池室級數，增大阻力等措施可降低池室流速，滿足魚類上溯需求；

（2）仿自然魚道水流流態受到彎道、豎縫寬度、豎縫偏心距、池室底寬、池室長度等綜合影響，流態復雜，在利用各種措施消能降低流速時，應控制主流彎曲度，避免上下池室豎縫中心線偏離過大，引起流態紊亂；

（3）對于仿自然魚道，由于豎縫寬度較寬，即使豎縫區域最大流速超標，依然有可以上溯的流速通道；

（4）經過5種方案的逐步優化，推薦了樅陽仿自然魚道隔墻布置方案，該方案下，魚道池室水流條件良好，沿程豎縫區域最大流速基本能夠控制在0.7～0.9 m/s，池室內主流明確，能夠形成明顯的“大流速區”和“小流速區”，滿足過魚基本要求，相關研究策略能夠為類似工程提供參考。