數(shù)值模擬在過魚保護領域中的應用

摘 要：隨著計算機技術的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬技術大大增強了解決各種復雜問題的能力，并被廣泛應用于各個領域。文章首先介紹數(shù)值模擬基本原理及目前主流的一些數(shù)值模擬軟件。其次，基于目前研究較熱的過魚保護領域（如過魚設施魚道的優(yōu)化設計、大壩泄流產生的氣體過飽預測模型等）中的數(shù)值模擬技術應用進行詳細地介紹。最后，針對目前領域的研究進展，指出在今后過魚保護研究領域中，數(shù)值模擬技術可望發(fā)展成為一種更快速、更經濟、強有效的研究工具，以期實現(xiàn)過魚保護領域研究的突破。

關鍵詞：數(shù)值模擬；過魚保護；魚道；氣體過飽和；模型；應用

前言

未來的水利工程是既能夠實現(xiàn)人們期望的開發(fā)利用水的功能價值，又能兼顧建造一個健全的河流湖泊生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)水的可持續(xù)利用。水利工程結合生態(tài)建設，是一個發(fā)展的必然趨勢。生態(tài)水力學是水力學與生態(tài)學融合形成的一門新興學科。董哲仁提出的生態(tài)水工理論框架，為生態(tài)水力研究奠定了理論基礎。同時，明確指出了生態(tài)水力學科內涵、研究進展和學科發(fā)展趨勢。生態(tài)水力學是把生物生活的特征和水力學條件在一定的尺度上建立相應的關系，主要研究的是針對水力學條件變化做出的生態(tài)響應，以此來預測其演變趨勢，并提出了相應的對策來改善和加強棲息地的流場。

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬技術得到了長足發(fā)展，極大增強了解決各種復雜問題的能力，其中具有代表性的有Fluent、MIKE、CE-QUAL-W2等。數(shù)值模擬相對于模型試驗具有費用低廉、計算高效、結果準確等諸多優(yōu)點。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，其優(yōu)點愈發(fā)明顯。文章主要以數(shù)值模擬在過魚保護技術領域的研究應用出發(fā)，簡要介紹了數(shù)值模擬技術的應用進展，以期為魚類洄游領域研究的方法提供參考。

1 數(shù)值模擬技術

近年來，計算機技術得到飛速的發(fā)展，推動了數(shù)值模擬的發(fā)展，使數(shù)值模擬在生態(tài)水利研究中得到廣泛的應用，計算流體動力學也逐漸成為被研究的熱門內容，隨著其日益成熟，逐漸形成了一個計算軟件CFD，其中具有代表性的有Fluent、MIKE、CE-QUAL-W2等。數(shù)值求解技術實際上是一種離散近似的計算方法，CE-QUAL-W2為立面二維水動力與水質模型。在生態(tài)水力學中數(shù)值模擬的模型有兩種，分別是生態(tài)水力學模型和水生物棲息地模型。我國的棲息地數(shù)值模擬起步比較晚，目前主要是對中等棲息地和微觀棲息地進行研究。對數(shù)值模擬的應用也主要是借鑒國外現(xiàn)有的經驗，通過對一些水生物棲息地的模擬，得出了一些有價值的結論。水動力、水質、生物和生態(tài)之間存在一個動力學機制，生態(tài)水力學模型就是以這個機制為基礎，使數(shù)學模型盡可能的表現(xiàn)出生物和生態(tài)系統(tǒng)實際的特征。把實際的模型在計算機上被模擬出來，隨著數(shù)值模擬的發(fā)展，生態(tài)水力學模型將會逐漸精細化、客觀化及多元化。

2 過魚保護相關研究

2.1 魚道

魚道是在河流中溝通魚類洄游通道的設施，結構上以豎縫式魚道為主。近幾十年來，國內外廣泛運用CFD技術方法對魚道內水流的水力特性進行了研究，為魚道的結構優(yōu)化提供了科學依據，從而獲得更好的過魚效果。在21世紀初國內外很多研究者運用數(shù)值模擬的方法對魚道進行了詳細的研究。其研究者主要有Barton A.F、L.Ceal及徐體兵等，他們的研究結果大大的推進了魚道的發(fā)展。對于魚道的數(shù)值模擬可以選擇不同的模型，主要有RNG k-ε模型、混合長度模型、k-ε模型、代數(shù)應力模型、RSM模型等。通過數(shù)值模擬可以對魚道內水流的水力特性，流場及水流形態(tài)進行詳細的分析。

2.2 友好型水輪機

近年來越來越多的大壩在修建，我們不得不考慮大壩對魚類的影響，文章主要考慮水輪機對魚類的影響，很多研究者都在致力魚類友好型水輪機的研究，這種水輪機不僅可以給魚類提供一個良好的過流環(huán)境，而且還可以對水質進行改善。目前，數(shù)值模擬就是研究這種水輪機的主要方法之一。魚類友好型水輪機的設計主要考慮的因素是在魚類通過水輪機的時候可能受到的傷害，通過數(shù)值模擬旨在找出一個合適的水輪機，把魚類通過水輪機時受到的傷害降至最小，主要的研究指標是水輪機流道尺寸、內部部件形狀及運行參數(shù)。通過模擬計算來幫助理解特定魚個體傷害的機理、比較那些傷害成因之間的影響和減少前期試驗和失敗次數(shù)，有助于緩和影響。我們描述的這個過程正被應用于修改水輪機的尺寸以達到提高過魚生存率。美國能源部和水電行業(yè)已經在對這種水輪機進行研究。在這種水輪機的研究中，計算流體力學得到了廣泛的使用。通過數(shù)值模擬，得到了很多有價值的結論，為設計和制造出魚類友好型水輪機提供了重要的理論基礎。

CFD模型被用于評估安裝于華盛頓州加侖比亞河Wanapum大壩中卡普蘭水輪機（一種普通、可調節(jié)葉片、水輪機）內部的剪切力。通往Wanapum水輪機的整個水流流道被劃分成為三個部分作為CFD分析：（1）進水口區(qū)域（包含半螺旋蝸殼、固定導葉、座環(huán)間隙）；（2）轉子（輪轂和葉片）；（3）尾水管區(qū)域。通過將導葉和尾水管區(qū)域兩塊分開計算的水流結果來作為轉子邊界條件。類似地，轉子計算的結果作為提供尾水管的水流條件。每個區(qū)域的速度、壓力和湍流強度值通過3-D求解器、TASCflow、雷諾平均數(shù)N-S方程（RANS）和K-e湍流模型。蝸殼段的計算，包括固定導葉和座環(huán)間隙超過近1400000結點。一個簡單地葉片就接近450000個結點，尾水管近900000個結點。在所有三維體上，RANS方程是時均的，剪切壓力平均。速度的隨機波動利用k-epsilon湍流模型估測。后處理是用Ensight7.40軟件完成。每個區(qū)域的剪切應力是使用Ensight軟件算的最大的剪切應力。計算中可實現(xiàn)在計算域每個結點各方向上的最大剪切力。

2.3 氣體過飽和

近年來大壩下游總溶解氣體成為一門獨立的課題，被國內外大量的學者所研究，研究的重點主要集中在怎么對其濃度分布進行準確的預測，準確的預測結果對下游氣體溶解度含量及得到減輕魚類傷害的有效措施是至關重要的。隨著各種水利工程的修建，下游出現(xiàn)溶解度飽和的幾率增大。影響氣體飽和的因素主要有溫度、水深、壓力等。近年來國內外的研究越來越多，可見飽和氣體濃度對魚類的影響比較大。

3 結束語

過魚保護領域的諸多領域都涉及了數(shù)值模擬的方法和技術，它作為一種成熟的技術，現(xiàn)不斷被人們靈活應用在過魚保護的各個領域，推動了整個過魚保護的研究進程。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，其高效、準確的數(shù)值模擬技術在過魚保護中的應用越來越廣泛，正為魚保護技術的突破發(fā)揮出巨大的潛力。

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