魚道水沙特性的數(shù)值模擬

薛海, 許國

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

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魚道水沙特性的數(shù)值模擬

薛海, 許國

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

魚道是一種重要的生態(tài)補償工程,以往研究的重點主要集中在水力學要素對魚類通過效果及魚類適應(yīng)度的影響方面。針對泥沙在池室中可能造成的水流含沙量增高及淤積面積擴大進而影響過魚效率和魚道運行壽命這一關(guān)鍵問題,通過數(shù)值模擬方法,對不同泥沙粒徑和來流流量組合情況下的池室水流含沙量變化及池底泥沙淤積分布進行了模擬計算,并在此基礎(chǔ)上給出了解決上述問題的途徑。可為在具有一定含沙特征的河流上建設(shè)更為長效的魚道設(shè)施提供數(shù)據(jù)支撐。

魚道;泥沙;淤積;數(shù)值模擬

自從世界上第一個魚道——“丹尼爾魚道”問世之后,世界各國紛紛將魚道作為水利工程重要的組成部分，并應(yīng)用于規(guī)模較大的壩工工程以及水利樞紐建設(shè)中。實踐證明，魚道能夠有效地補償大壩對河流形成的阻斷效應(yīng),提高河流連通性,一定程度上可恢復(fù)魚類的自然洄游通道,是一種行之有效的生態(tài)補償工程。然而，魚道與其他水利工程相比又有其特殊性:魚道的作用對象是魚類,魚類的生物學特征對魚道的設(shè)計提出了更高的要求。例如魚道的流速場和水流紊動特性對于誘魚效果、魚的體能消耗以及對魚體的傷害(水流剪切力)等至關(guān)重要,而渦量的尺度和強度與魚類正確的方向感密切相關(guān)。一些學者通過模型試驗對魚道的水力學問題進行了試驗研究[1-3]。在一些高含沙量河流中所建的魚道,其含沙的水流以及可能產(chǎn)生的局部泥沙淤積,不僅會對魚類洄游過程造成不利影響,而且還可能導(dǎo)致魚道淤廢。湖南洋塘魚道自1987年至今一直淤塞停運就是一個典型案例[4]。然而，關(guān)于含沙水流對魚道效果的影響卻研究較少：Kyong等[5]對韓國漢江含沙情況下的引導(dǎo)魚道入口的最佳位置選取進行了研究；Chang等[6]在大渦紊流模型基礎(chǔ)上建立了魚道三維水沙兩相流模型。本研究運用數(shù)值模擬的方法,對魚道的有關(guān)水力學要素,特別是泥沙對魚道工程的潛在影響進行模擬及分析,以期為設(shè)計更加科學長效的魚道提供基本數(shù)據(jù)支持和規(guī)律性參考。

1 計算模型

1.1 控制方程

本研究包含魚道的水力學要素模擬和泥沙輸運模擬兩方面,控制方程也包括了水流及泥沙輸移兩部分。

1)水流連續(xù)方程(將水流視為不可壓縮流體)，即：

div(ρv)=0。

(1)

式中：ρ為流體密度；kg/m3；v為流速矢量，m/s。

2)水流動量方程:

(2)

3)泥沙輸運方程：

(3)

式中:C為泥沙濃度,kg/m3;vs為泥沙沉速,m/s;kv、kh分別為泥沙在垂向及水平方向的輸運擴散系數(shù)。

對于泥沙模型而言,在水面應(yīng)滿足零通量邊界條件,同時在床面應(yīng)滿足泥沙交換邊界條件[7-8]:

(4)

(5)

式中:α為恢復(fù)飽和系數(shù);Cb為近底泥沙濃度, kg/m3;Sb*為近底附近的水流挾沙力,kg/m3;ρ′為泥沙顆粒的水下密度，kg/m3;zb為床面高程，m;δ一般取2D50,m。

此外,式(5)第一個等號構(gòu)成床面附近泥沙交換邊界條件,第二個等號則構(gòu)成與之對應(yīng)的床面變形方程。

4)紊流模型：在豎縫式魚道中,水流流經(jīng)豎縫過程中流線會發(fā)生較為顯著的彎曲;水流過縫后又將在隔板間突然擴大的水池空間內(nèi)產(chǎn)生較強的擴散作用。因此，在對現(xiàn)有各類紊流模型進行對比分析的基礎(chǔ)上,選擇對流體運動各向異性適應(yīng)較好(特別是流線曲率較大的情形)的RNG (Renormalization Group)κ-ε紊流模型。限于篇幅,有關(guān)模型方程及系數(shù)采用文獻[11]中所給出的公式及經(jīng)驗值。

1.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格

本研究以其他研究者[12]所進行的異側(cè)豎縫式魚道物理模型試驗為參照,著重對幾種不同工況下的流速場泥沙輸運與沖淤進行模擬分析。魚道計算區(qū)域如圖1所示。

圖1 魚道計算區(qū)域

魚道計算區(qū)域分為入口段、魚道段及出口段3部分,魚道段又分為5個魚道池室,相鄰隔板呈長、短，短、長交錯布置,各段長度標識如圖1所示。參照文獻[10]中的有關(guān)尺寸值可知,Lin=1.50 m,Lslot=3.75 m,Lout=1.95 m,B=0.6 m,Blong=0.405 m,Bshort=0.125 m。此外，隔板的高度取0.6 m,底坡坡降i取0.025。由于魚道計算區(qū)域較為平直,因此計算采用正交矩形網(wǎng)格,網(wǎng)格以小于隔板寬度的尺度為基準。模擬時間間隔在計算時根據(jù)柯朗條件進行實時調(diào)整。

1.3 邊界條件

本模型邊界條件包括入口段進口邊界條件、床面及壁面邊界條件、出口邊界條件。進口邊界條件為流量邊界條件；床面及壁面邊界條件中，對床面及側(cè)壁采用標準壁面函數(shù)法[9]計算；出口邊界條件中，由于本模型出口段設(shè)置較長,水沙在通過魚道段后,可有足夠的距離進行調(diào)整,因此出口處的邊界條件設(shè)置為流場各量沿縱向一階導(dǎo)數(shù)為0的狀態(tài),即接近均勻流狀態(tài)。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 計算工況

因此他決定和他的團隊一起進行一次實驗?！爱斢涗涢_始時，他們緊張地屏住呼吸，”科恩說，“接著實驗成功了，他們開始慶祝，繞著屋子邊跑邊跳?！?/p>

為研究實際魚道工程中不同水流強度及不同來流含沙情形下魚道內(nèi)部可能產(chǎn)生的流場及淤積狀況,本研究設(shè)置了6種流量級別及4種泥沙顆粒粒徑,并對其交叉組合,構(gòu)成24種計算工況,以便對其規(guī)律進行分析和比較。相應(yīng)組合及所構(gòu)成的工況序列見表1。

表1 計算工況

注：糙率取0.014。

2.2 有、無泥沙情形下的池室流場分析

魚道池室中流速場的分布及大小是決定水流特性的主要因素,魚種對這些因素極為敏感。來流中有、無泥沙情形,對河道的流場及流速也會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。為避免魚道進、出口水流不穩(wěn)定的影響,本文選取第3個池室作為分析對象。在平行于底坡方向距離底壁0.4倍水深處截取平面,水流在有、無泥沙情形下的流速場分布如圖2所示。

圖2 魚道池室水流流速場

由圖2可以看出：魚道池室中形成了3個區(qū)域,1個流速比較集中的主流區(qū)和2個大小不等的回流區(qū)；其中較大的回流區(qū)位于上游長擋板與下游短擋板之間,較小的回流區(qū)位于主流的另一側(cè)。

相同流量下,魚道池室中有、無來沙對流速場的影響主要表現(xiàn)在如下3個方面:①由于主流區(qū)的左側(cè)受到在較大回流區(qū)形成的淤積體的擠壓,因此主流區(qū)較無泥沙情況將向池室右下側(cè)偏移；②隨著淤積體厚度及平面范圍的增加,水流回流區(qū)的范圍也相應(yīng)增加,但回流區(qū)的總體流速有所降低；③水流回流區(qū)范圍的增大和流速的降低使得水流能量進一步向主流集中,從而導(dǎo)致主流區(qū)平均流速較無泥沙情形下顯著增加。

在池室中選取一點K,K點位于池室上游左側(cè),相對于池室長度、寬度的1/4處,垂向位置為0.4倍水深處,如圖2(a)所示。有、無泥沙情形下K點的流速如圖3所示。

圖3 各泥沙顆粒粒徑情形下K點流速對比

在各級進口流量、挾帶不同粒徑泥沙的情形下，K點的水流速度均比無泥沙情形有所減小。其中，挾帶d=2.0、1.5、1.0 mm粒徑泥沙的水流速度的減小量隨著入流流量級別的增大而顯著減小(減小均值為6.40 cm/s),而挾帶d=0.5 mm粒徑泥沙的水流在小流量情形下，其流速相比無泥沙水流的減小量已十分有限(減小均值為1.33 cm/s),并且隨著流量級別的增大,其減小幅度基本不變。

上述規(guī)律表明，在實際魚道池室的設(shè)計中,需要對較小設(shè)計入流流量與較粗粒徑泥沙顆粒的組合進行專門研究。因為這類組合對水流流速的影響較為顯著,可導(dǎo)致水流流速明顯下降,甚至低于魚類對水流流向感知所需的流速,從而嚴重影響過魚能力。而含小粒徑泥沙的水流在各級流量下的影響均不明顯,同時對魚類通過魚道的影響也不明顯。從淤積過程來看,對于不同粒徑的泥沙情形,流速減小的主要原因是:隨著淤積厚度的增加,導(dǎo)致淤積區(qū)的水深減??；而同時，水流下墊面由之前較為光滑的池室底板逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄆ鸱叨鹊乃履嗌车匦?由此形成的底部附加摩阻將進一步導(dǎo)致水流阻力的相對增加。這兩部分原因的累計效應(yīng)將使水流動能逐漸衰減。而隨著流量的增加,水流挾沙能力增強,淤積程度有所減弱,最終導(dǎo)致有泥沙水流與無泥沙水流的流速差別不大。

由圖4可知，池室中的回流區(qū)面積在各級流量下,均存在有泥沙情形大于無泥沙情形的規(guī)律。其原因主要是泥沙淤積厚度及范圍的增加改變了池室中回流區(qū)底部的水下地形邊界條件,特別是淤積邊緣處的泥沙淤積厚度形成了指向回流區(qū)外法線方向的地形梯度,改變了水流流速的矢量方向,使回流區(qū)進一步壓縮主流區(qū)的平面空間,從而導(dǎo)致回流區(qū)范圍不斷擴張。

圖4 有、無泥沙情形下回流場面積對比

2.3 相同流量不同來沙情形下的池室淤積分析

泥沙粒徑是泥沙運動特性的重要指標。在天然河流中,不同泥沙顆粒的起動、沉積和分布均有較大的差別,而在魚道池室中更具有特殊性：首先,魚道池室是一個相對封閉的空間,主流區(qū)僅局限在一個較小的范圍內(nèi),其攜帶的泥沙進入池室后,一部分泥沙隨即進入回流區(qū),而如果回流區(qū)的水流強度不足以將泥沙顆粒再次帶入主流,則經(jīng)過長時間的累積,將會有大量泥沙顆粒淤積在回流區(qū)內(nèi)；其次,隨著泥沙顆粒粒徑的增加,無論在淤積程度還是累積時間上很可能對上述過程均產(chǎn)生更為不利的影響,因此，對不同粒徑情況下池室淤積特性的研究就變得尤為重要。由于篇幅所限,僅給出流量為12.23 L/s、泥沙顆粒粒徑分別為d=0.5、1.0、2.0 mm情形下的魚道池室底部泥沙含沙量分布,結(jié)果如圖5所示。

圖5 Q=12.23 L/s時魚道池室淤積情況

在池室中選取A、B、C3點(如圖5(a)所示),A點位于池室下游相對于池室長度、寬度1/4處的右下側(cè)回流區(qū)內(nèi);B點位于池室中心位置;C點位于相對于中心B點且與A點對稱的上游左上角的回流區(qū)內(nèi);A、C兩點距B點的垂向位置均為0.4倍水深。A、B、C3點的含沙量統(tǒng)計見表2。

表2 Q=12.23 L/s時 A、B、C點的含沙量統(tǒng)計 kg/m3

由圖5和表2可以看出，相同來流流量下,隨著來流挾帶泥沙粒徑的增大,池室各位置的含沙濃度均有所增加,但不同流區(qū)的差異較大。對以點B所代表的主流區(qū),由于受其兩側(cè)回流區(qū)的擠壓，可形成較高的流速,其含沙量與點A所在區(qū)域含沙量的比值介于11.4%～27.3%范圍內(nèi),因此主流區(qū)在各泥沙粒徑級別均能保持較低的含沙量,從而能夠使魚類通過主流區(qū)時受到較小的含沙水流的影響。對代表上、下游回流區(qū)的C點和A點含沙量的模擬結(jié)果來看,此兩區(qū)域含沙量隨著來流含沙粒徑的增大而快速增大,含沙量增加約2.5～3.0倍,且下游回流區(qū)(A點所在區(qū)域)的含沙量在各粒徑情形下均明顯高于上游回流區(qū)(C點所在區(qū)域)。因此從魚類通過魚道過程中對休息區(qū)域的選擇角度看,上游回流區(qū)較為適合,可適當在該區(qū)域投放營養(yǎng)物質(zhì),以便引誘魚類游至該區(qū)域休息,同時也可使魚類在該區(qū)域補充能量從而完成整個穿越魚道的過程。

2.4 不同流量的淤積分析

在實際工程應(yīng)用中,同一年份及不同年份的各水文時期,庫區(qū)來流流量及泄流流量可能存在較大的差別。而對于來流挾帶泥沙粒徑較大的情形,不同來流流量與其組合所造成的不同池室水流含沙量及淤積面積將會對魚類穿越池室過程產(chǎn)生不同影響。因此，本研究對不同流量下池室中的水流含沙量分布及池室內(nèi)的淤積面積進行了模擬計算。

2.4.1 泥沙含沙量的模擬

選取泥沙顆粒粒徑d=2.0 mm分別與流量Q=5.61、9.31、12.23 L/s對魚道池室的水流含沙量進行模擬，選取魚道池室中A、B兩點分別作為主流區(qū)和下游回流區(qū)的代表點，A、B兩處觀測點的水流含沙量見表3,不同流量下魚道池室淤積的模擬結(jié)果如圖6所示。

表3 泥沙顆粒粒徑d=2.0 mm時點A、B的含沙量 kg/m3

由表3可知,來流所含泥沙顆粒粒徑較粗(d=2.0 mm)的情況下,當來流流量較小時(Q=5.61 L/s),主流區(qū)(以B點為代表)與下游回流區(qū)(以A點為代表)的含沙量均最大，但隨著來流流量的增大,主流區(qū)的水流含沙量迅速降低,減小值的比率達到73.00%；而下游回流區(qū)的含沙量隨著流量的增大，其減小值的比率僅為0.48%,含沙量變化十分有限。

圖6 泥沙顆粒粒徑d=2.0 mm 時不同流量下魚道池室的淤積情況

從圖6中可以看出,當來流流量較小時(Q=5.61 L/s),池室主流區(qū)方向(圖中虛線所示)的中部部分區(qū)域已經(jīng)被較高的含沙量所覆蓋,而隨著流量增至Q=9.31 L/s及Q=12.23 L/s時,主流通道上低含沙量區(qū)域迅速向兩側(cè)擴展,主流流路變得清晰可見。這一模擬結(jié)果表明,要維持魚類穿越魚道的主要通道保持暢通而不受水流的含沙影響,可以利用該區(qū)含沙量對流量較為敏感的特性,針對不同來流泥沙粒徑值,保證一定的過流流量值。

2.4.2 淤積面積的模擬

池室淤積面積是制約魚道過魚效能的重要參量,它可通過改變池室尺寸、形狀,進而改變水流的流態(tài)、流速和水深等水力條件。因此,需對模擬得到的不同泥沙粒徑與不同流量組合情況下池室內(nèi)的淤積面積進行計算統(tǒng)計,結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出:對于各粒徑級別的含沙水流,其在池室中造成的池底淤積面積均隨著來流流量的增大而呈現(xiàn)近似線性的減小趨勢；4種泥沙粒徑在最大來流流量和最小來流流量情形下,淤積面積的比值分別為0.13、0.28、0.38、0.49,即對于小粒徑顆粒,過流流量的增大可使泥沙淤積的影響迅速減少到較低的程度,而對于較大顆粒,流量的增加也可使淤積面積減少50%左右。因此,在實際應(yīng)用中,為解決含沙水流通過魚道池室所引起的泥沙淤積問題,在來流含沙特性一定的情況下,適當增大魚道過流量即可以取得較為顯著的效果。

圖7 相同泥沙粒徑不同流量的魚道池室淤積面積

此外,從圖2和圖6中還可發(fā)現(xiàn),水流回流區(qū)的范圍和泥沙淤積范圍具有較高的重合性,即水流所攜帶的高含沙量泥沙及其分布范圍均位于上、下游兩個回流區(qū)中。從這一規(guī)律出發(fā),可在兩回流區(qū)外側(cè)接近底部的位置修建排沙孔,在非過魚季節(jié),可從魚道進口處釋放適當流量的水流并打開外側(cè)排沙孔,利用環(huán)流將池室內(nèi)淤積的泥沙自動排出池室外,保持和增加池室的非淤積空間,以增加魚道的使用壽命和過魚效能。關(guān)于這一問題中排沙孔的布設(shè)及排沙效率的評估將在本研究所得規(guī)律的基礎(chǔ)上進一步展開。

3 結(jié)語

本研究針對含沙河流上修建魚道時,在有限的池室空間中可能產(chǎn)生的泥沙淤積及水流含沙量增大對魚類通過魚道產(chǎn)生不利影響的工程問題,通過數(shù)值模擬的方法,對6種流量級別及4種泥沙顆粒粒徑組合情況下池室的流速分布、含沙量分布、泥沙淤積面積等進行了模擬計算,通過對模擬結(jié)果的分析得到如下規(guī)律性結(jié)論:

1)水流在池室中將形成主流區(qū)、上游及下游回流區(qū)3個界限明顯的流動區(qū)域；3個流區(qū)中,主流區(qū)受到兩回流區(qū)的擠壓從而保持較高的流速,而兩回流區(qū)流速隨著挾帶泥沙粒徑的增加顯著降低,而且其降低幅度也隨泥沙粒徑的增加而增加，回流區(qū)流速的降低是由于水流能量傳遞給泥沙顆粒,自身能量得到消耗,而較大顆粒的落淤還將進一步使回流區(qū)池底地形發(fā)生變化,增加池底摩阻力,反過來又使水流流速進一步降低,形成了泥沙淤積與水流流速之間較強的負反饋；實際上,這一特性總體上對魚類在穿越池室過程中的暫時休息和補充體力是有利的,但需要注意較小入流流量與較粗粒徑的組合,因為這一組合可導(dǎo)致回流區(qū)流速過小,可對魚類的流向感知及游動能力產(chǎn)生不良影響。

2)從池室3個流區(qū)在各情形下的水流含沙量模擬結(jié)果來看,在較大來流情況下,主流區(qū)在保持較高流速的同時，其水流含沙量對來流泥沙粒徑的大小并不敏感,能持續(xù)保持較低的含沙量,可使魚類快速通過池室并避免水流含沙的影響；上、下兩流區(qū)中水流含沙量則隨泥沙粒徑的增加而顯著增加,且下游回流區(qū)含沙量在各情形下均高于上游回流區(qū)；在實際應(yīng)用時,上游回流區(qū)較適合作為魚類的休息區(qū),建議在上游回流區(qū)投放營養(yǎng)物質(zhì),以引誘魚類至該區(qū)域休息和補充能量。

3)對不同流量下來流含有大顆粒粒徑時所產(chǎn)生的池室含沙量和淤積分布的研究來看,小流量情況下主流區(qū)也可能出現(xiàn)含沙量增高的問題,但其隨著來流流量的增大而迅速衰減,因此，為保證主流區(qū)這一過魚主要通道的暢通,需要在可能情況下保持較高的過流流量；從淤積面積的角度也可以看出,隨著過流流量的增大,即使對于較大粒徑的泥沙,其淤積面積的減少也能夠接近50%,同樣印證了過流流量這一水力學參數(shù)對于減少池室淤積面積的重要性。

[1]孫雙科,鄧明玉，李英勇.北京市上莊新閘豎縫式魚道的水力設(shè)計研究[C]∥中國水利學會中國水力發(fā)電工程學會中國大壩委員會.水電2006國際研討會論文集.北京:中國水利水電出版社,2006：951-957.

[2]董志勇,馮玉平,ALAN Ervine.異側(cè)豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發(fā)電學報,2008,27(6):126-130.

[3]董志勇,馮玉平,ALAN Ervine.同側(cè)豎縫式魚道水力特性及放魚試驗研究[J].水力發(fā)電學報,2008,27(6):121-125.

[4]郭堅,芮建良.以洋塘水閘魚道為例淺議我國魚道的有關(guān)問題[J].水力發(fā)電,2010,36(4):8-10.

[5]KYONG Oh Baeka,YOUNG Do Kimb.A case study for optimal position of fishway at low-head obstructionsin tributaries of Han River in Korea[J].Ecological Engineering.2014,64(64):222-230

[6]CHANG W Y,LIEN H C,LEE L C,et al.Simulations of 3D flow and sediment transport in a fishway[C]∥Anon.Iasted International Conference on Modelling and Simulation.2008:187-192.

[7]WU W M,RODI W,WENKA T.3D numerical model for suspended sediment transport in channels[J].Journal of Hydraulic Engineering-ASCE,2000,126(1):4-15.

[8]韓其為,何明民.論非均勻懸移質(zhì)二維不平衡輸沙方程及其邊界條件[J].水利學報,1997(1):1-10.

[9]陸永軍,竇國仁,韓龍喜,等.三維紊流懸沙數(shù)學模型及應(yīng)用[J].中國科學E輯,2003,34(3):311-328.

[10]張瑞瑾.河流動力學[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[11]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004.

[12]曹慶磊,楊文俊,陳輝.異側(cè)豎縫式魚道水力特性試驗研究[J].河海大學學報(自然科學版),2010,38(6):698-703.

(責任編輯：張陵)

Numerical Simulation of the Characteristics of Water and Sediment in Fishway

XUE Hai, XU Guo

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Fishway is an important ecological compensation project. Previous studies have focused on the impact of hydraulics on fish-passing effects and fish fitness. In this study, for the key problems that the raise of sediment concentration and the enlargement of sedimentation area affect fish-passing efficiency and service life of fishway in ponds, based on the numerical simulation method, the variation of sediment concentration and the sedimentation distribution of sediment at the bottom of the pond were analyzed under the combined conditions of different diameter of sediment particle and inflow. On this basis, the way to solve the above problems was given. The result will provide data support for the construction of more efficient fish-passing facilities on rivers with sediment concentration.

fishway; sediment; sedimentation; numerical simulation

2017-02-17

華北水利水電大學教學名師培育資助項目；河南省高等學校青年骨干教師資助計劃。

薛海(1974—),男,河南鄭州人,副教授,博士,主要從事水力學及河流動力學方面的研究。E-mail：xuehai@ncwu. edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.012

TV133

A

1002-5634(2017)03-0076-06