豎縫堵塞對豎縫式魚道運(yùn)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(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023；2.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yōu)點(diǎn)，例如良好的消能效果，適應(yīng)不同種類的魚類和上下游水位的變化，同時(shí)能夠持續(xù)地保持上下游的連通性[3-5]。因此，魚道被認(rèn)為是一種高效且可持續(xù)的過魚設(shè)施，為魚類提供了重要的遷徙通道，在水利工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

進(jìn)入21 世紀(jì)以后，魚道在國內(nèi)迎來了二次發(fā)展，魚道的建設(shè)也早已超過了100座，相關(guān)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(jìn)出口布置[6-8]、結(jié)構(gòu)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(yīng)用較為廣泛，豎縫式魚道在實(shí)際運(yùn)行中，特別是洪水來臨時(shí)，上游河道垃圾往往會越過攔污柵進(jìn)入魚道，造成豎縫堵塞。豎縫堵塞會使豎縫式魚道出現(xiàn)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(yùn)行中是常見的現(xiàn)象，然而相關(guān)的研究卻比較少。本文通過數(shù)值模擬的方法，以老口航運(yùn)樞紐魚道工程為例，建立數(shù)學(xué)模型，研究豎縫式魚道單個(gè)豎縫不同堵塞程度對魚道水力特性的影響，可為魚道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供建議和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 物理模型

物理模型根據(jù)老口航運(yùn)樞紐魚道工程的實(shí)際尺寸，采用三維建模軟件繪制。為了完整地展現(xiàn)出豎縫堵塞后水力特性的變化，減少轉(zhuǎn)彎段、休息室等的影響，選擇直線段20個(gè)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(gè)池室長3.6 m、寬3 m，不考慮底坡。模型和具體參數(shù)如圖1（a）所示，橫隔板及導(dǎo)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(shù)學(xué)模型

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

連續(xù)性方程：

動量方程：

紊動能k方程：

1.3 工況選擇

根據(jù)老口航運(yùn)樞紐魚道工程在實(shí)際運(yùn)行過程中的出現(xiàn)堵塞情況，選取6個(gè)工況（見表1），在設(shè)計(jì)運(yùn)行水深h=2 m 時(shí)，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(wǎng)格劃分

物理模型導(dǎo)入模擬軟件后，新建網(wǎng)格塊將模型的整個(gè)流體區(qū)域覆蓋，每個(gè)網(wǎng)格單元的尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。網(wǎng)格劃分后可以查看網(wǎng)格劃分后的物理模型，外形有缺陷的部分需要進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.5 邊界條件

物理模型Xmin為水流進(jìn)口、Xmax為水流出口，均設(shè)置為壓力邊界，壓力為靜水壓力，根據(jù)老口航運(yùn)樞紐魚道設(shè)計(jì)運(yùn)行水深，物理模型進(jìn)口水位設(shè)置為2 m，出口水位設(shè)置為1.6 m。Ymin及Ymax為魚道邊墻，Zmin為魚道底板，均設(shè)置為墻邊界。Zmax為魚道上方空氣，設(shè)置為壓力邊界，壓力為靜水壓力，為空氣時(shí)流體分?jǐn)?shù)設(shè)置為0。模型計(jì)算總時(shí)間設(shè)置為300 s，最大時(shí)間步長設(shè)置為0.001，最小步長設(shè)置為1×10-10。邊界條件設(shè)置結(jié)果如圖3所示。

圖3 邊界條件

2 結(jié)果與分析

2.1 沿程流速分析

魚道沿程流速是指在魚道內(nèi)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(diǎn)建立二維坐標(biāo)系（見圖4），沿程流速分布見圖5。

圖4 二維坐標(biāo)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(shí)，影響上游5～6個(gè)池室的流速及下游3～4個(gè)池室；當(dāng)豎縫堵塞0.8h以上時(shí)，流速減??；當(dāng)豎縫堵塞0.8h以下時(shí)，流速增大，堵塞程度為0.4h時(shí)流速最大，為1.77 m/s。對于老口魚道的主要過魚目標(biāo)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(dāng)豎縫處堵塞0.4h要及時(shí)清理和修復(fù)，以保證魚道的正常運(yùn)行。

2.2 水流流態(tài)分析

水流流態(tài)描述水在流動過程中的狀態(tài)和形態(tài)，是水力學(xué)中的重要特性之一。水流流態(tài)的轉(zhuǎn)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(tài)有助于魚道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并提供有效的水力控制和管理。

本次分析水流流態(tài)選擇工況5，在單個(gè)豎縫堵塞0.8h時(shí)，對模擬的水流流態(tài)結(jié)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(tài)分布圖

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

2.3 紊動能分析

紊動能是水流中由于湍流運(yùn)動而產(chǎn)生的能量，它與魚類洄游有著密切的關(guān)系。豎縫堵塞會引起水流的擾動和湍流現(xiàn)象，增加魚類游泳的能量消耗，遇到阻力較大的區(qū)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(gè)豎縫堵塞0.8h時(shí)，對模擬的紊動能結(jié)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(shí)僅對下游1 個(gè)池室產(chǎn)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(qū)和回流區(qū)；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(gè)池室（16號池室）主流區(qū)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(chǎn)生較大阻礙。

3 結(jié)語

根據(jù)老口魚道原型，對豎縫式魚道不同堵塞工況進(jìn)行了水力特性模擬計(jì)算，分析了不同工況下的沿程流速，水流流態(tài)和紊動能，結(jié)果表明：豎縫堵塞時(shí)，影響上游5～6個(gè)池室的流速及下游3～4個(gè)池室；當(dāng)豎縫堵塞0.8h以上時(shí)，流速減??；當(dāng)豎縫堵塞0.8h以下時(shí)，流速增大，堵塞程度為0.4h時(shí)流速最大，為1.77 m/s。流速增大，超過了主要過魚目標(biāo)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(dāng)豎縫處堵塞0.4h時(shí)要及時(shí)清理和修復(fù)，以保證魚道的正常運(yùn)行。

此外，豎縫堵塞的位置和數(shù)量也會對水流分布和速度產(chǎn)生影響，下一步可以結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)地觀測，對豎縫堵塞的位置和數(shù)量開展水力特性研究，以獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和信息。