流速可控式新型生态鱼道的概念设计与数值模拟

陈嘉玉，张鹏，张万达，李怡，杨忠超，何文

（1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074；2.重庆交通大学河海学院，重庆400074；3.中交四航局第二工程有限公司，广州510300；4.中交一航局第五工程有限公司，秦皇岛066000；5.AECOM，重庆400000）

流速可控式新型生态鱼道的概念设计与数值模拟

陈嘉玉1,2，张鹏3，张万达4，李怡2，杨忠超1,2，何文5

（1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074；2.重庆交通大学河海学院，重庆400074；3.中交四航局第二工程有限公司，广州510300；4.中交一航局第五工程有限公司，秦皇岛066000；5.AECOM，重庆400000）

摘要：鉴于传统鱼道适用范围窄、引鱼措施不完善、过鱼种类单一以及鱼道淤沙问题严重等缺陷，提出了一种流速可控式新型生态鱼道的概念设计模型，并结合大型通用流体力学计算软件Fluent对该新型生态鱼道进行数值模拟仿真研究。结果表明：通过调整鱼道中可旋转式隔板与边壁的夹角角度，从而改变鱼道中水流的流速大小，进而满足不同洄游鱼类对不同水流流速的适应要求。

关键词：流速可控式；新型生态鱼道；概念设计；数值模拟

鱼类洄游是鱼类对环境的一种长期适应，它可使得种群能够获得更有利的生存条件，进而更好地繁衍后代。随着河流梯级开发的不断进行，河道中闸、坝等水工建筑物的修筑对不同鱼类的洄游造成了一定程度的影响。纵观国内外现已建成的过鱼设施，其效果都不甚理想。

1　国内外鱼道建设概况

1.1国外鱼道概况

国外早期已开始高度重视对水生态的保护与修复，各国针对鱼类洄游问题建设了大量结构形式各异的鱼道，但其过鱼对象主要针对一些具有较高经济价值的鱼类，如鲑鱼、鳟鱼等。如表1所示，为世界各国的鱼道建设情况［1］。

从表1中可以看出，世界上各国中的鱼道形式多以池式、堰式为主。据不完全统计［2］，至20世纪60年代初期，美国和加拿大已建成有效过鱼建筑物数量超过200座，西欧各国在100座以上，这些过鱼设施大多数为鱼道。

1.2国内鱼道概况

相对而言，我国的过鱼建筑物的研究和建设起步较晚，大致可分为三个阶段［3］：

（1）初步发展期。自1958年富春江七里垅水电站建设过程中首次将鱼道的设计提上日程，这标示着我国过鱼设施的建设进入初步发展期。据不完全统计，在这一阶段，我国共建过鱼设施建筑物约40座以上，主要为结构型鱼道，且其大多位于东部沿海、长江下游沿江平原地区的低水头闸坝。

表1　世界各国的鱼道建设情况Tab.1Constructions of fishway in the world

（2）停滞期。自20世纪80年代初期采用繁殖放流方式来取代过鱼建筑物之后的20 a期间，除在绥芬河下游三岔口渠首拦河坝增设鱼道外，几乎从未再修建相关的过鱼建筑物。这导致对鱼道的研究停滞，而在这之前已建的过鱼设施也被停用或废弃。

（3）二次发展期。自21世纪以来，随着我国水利水电工程的快速发展以及对生态环境的保护程度日益受到重视，这也使得对过鱼建筑物鱼道的研究和建设工作得以恢复并获得高速发展。

1.3目前所存在的问题

纵观国内外现已建成的过鱼设施，其过鱼效果主要存在以下几个方面的问题：

（1）鱼道适用范围受到限制；鱼道按其结构形式主要分为池式鱼道、槽式鱼道两类，但无论是哪一种结构形式，主要都是针对于某一种或某一类鱼，故其适用范围都在一定程度上受到限制。

（2）引鱼措施不完善，过鱼效果不明显；经研究表明［5］，绝大多数鱼类对水流因素的敏感程度较光、声音等因素要高。由于对鱼道中的水流无法进行控制，使其引鱼效果不甚理想，正因为难以将鱼引入鱼道，故而导致大多数鱼道在建成后不久就处于废弃状态。

（3）过鱼种类单一；现有鱼道的设计大多针对河流中数量较多的某类鱼群，但天然河流存在着不同的洄游时期，并且在每个洄游时期里相应洄游鱼类所适应的流速不同，这便使得传统鱼道的设计具有很大的局限性，导致过鱼种类单一。

（4）鱼道淤沙问题严重。鱼道投入使用后常会出现泥沙的淤塞现象，若不及时清淤，将会给鱼道后续的持续使用和过鱼效果带来十分不利的影响。

鉴于上述分析，本文提出了一种流速可控式新型生态鱼道的概念设计，可在一定程度上改善由于河流梯级开发，河道中闸、坝等水工建筑物的修筑对不同洄游鱼类造成的不利影响，为恢复原有河流的连续性，保护河流的原始生态环境以及可持续发展提供有效的技术支撑。

2　流速可控式新型生态鱼道

2.1新型生态鱼道的概念性设计

流速可控式新型生态鱼道（后简称新型生态鱼道）的整体结构主要是采用“双渠道”的设计形式。“双渠道”中其中一条为具有高速水流的引鱼渠，另一条则为水流流速可控式的生态鱼道。其整体布置示意图如图1所示（本图仅为概念设计，如需用于实际工程，还有待研究），其整体结构的三维模型图如图2所示。

由于鱼类的最敏感的感官系统位于其躯体的侧线，该部位对水流和水压的敏感程度最佳［4］。因此，采用引鱼渠产生的高速水流来作为引鱼措施的效果将较为理想。如图3所示，引鱼渠主要由上游进口装置、水力蜗杆发电机以及槽身三部分组成［5］。与下游具有一定水头差的水流由上游进口进入引鱼渠渠道后带动水力蜗杆发电机发电，流过发电机的水流继续下行至引水渠的水流出口处，水流的势能将转换为电能以及部分动能，该部分动能将形成高速水流，进而吸引鱼类经新型生态鱼道洄游至上游河道。同时，可将水力蜗杆发电机产生的电能用于控制旁边新型生态鱼道中的水流流速。

图1　整体布局示意图Fig.1Sketch of overall layout

图2　流速可控式新型生态鱼道整体结构三维模型示意图Fig.2Overall structure of new eco⁃fishway by controllingflow velocity

如图4所示，流速可控式新型生态鱼道主要是由入鱼口、槽身、可旋转式隔板、固定式隔板及出鱼口等部分组成。新型生态鱼道的槽身中，每隔一定距离设置有可旋转式隔板，隔板形式为竖缝式，与槽身之间通过多个活动铰相连。在新型生态鱼道正常运行过程中，应打开入鱼口处的启闭式闸门，并通过调整可旋转式隔板与槽身侧壁之间的夹角角度，从而改变水流的过水断面面积，以达到控制鱼道中的水流流速大小的目的，进而满足不同洄游鱼类对不同水流流速的适应要求。

在非鱼类洄游期间，可通过调节可旋转式隔板与槽身侧壁保持平行位置，通过此时鱼道中的高速水流疏浚淤塞泥沙。在新型生态鱼道的整套系统运行过程中所需的电力能源均是由以上所述引鱼渠中的水力蜗杆发电装置提供，以上系统在引鱼过坝的同时也利用上下游之间的水头差进行发电，可使自然资源得以充分利用。此外，可通过出鱼口附近的启闭式闸门可对新型生态鱼道中的水流流量进行控制，在非鱼类洄游期间，应关闭该闸门以避免水流下泄而造成的资源浪费。

在对流速可控式新型生态鱼道进行设计过程中，应充分掌握工程所在地多年的鱼类洄游时间、洄游鱼群的种类以及各洄游鱼类最适应的水流流速数值大小等重要因素，对相关的水文地质资料进行详细勘察，整合各方面的设计资料来对整个新型生态鱼道的底板坡度、纵向坡度、槽身的厚度、可旋转式隔板的大小、间距以及与槽身侧壁的最不利夹角进行综合计算分析。

2.2流速可控式新型生态鱼道的特点

2.2.1可扩大鱼道的适用范围

本文所提出的流速可控式新型生态鱼道由于其槽身内部水流流速可控制，从而使得该鱼道的适用范围得以扩大。不同于传统意义上的槽式鱼道只适宜修建在水头较低的工程项目当中，该新型生态鱼道也可适用于中、高水头的挡水建筑物。若将该新型生态鱼道应用到中、高水头的带有发电建筑物的大型水利枢纽中时，可省去引鱼渠部分，直接利用水利枢纽中的发电建筑物产生的高流速的尾水来吸引洄游鱼类［6］。

2.2.2可有效的提高引鱼效果

目前传统鱼道中常用的引鱼措施是采用光、超声波、震动、甚至直接用打捞船强行驱赶鱼类过坝洄游等方法。但上述措施均存在一定的局限性。洄游鱼类主要靠其侧线系统感知音频大小、水流流速情况来躲避障碍以及分辨敌我。其中不同的种类的鱼群对音频都有不同的要求，采用音频引鱼的形式较为单一，且受到的多种因素的影响。相比较而言，利用水流流速的方式则是最为有效的引鱼方法，高流速水流对鱼类侧线系统的刺激效果最为明显。

新型生态鱼道的整套系统在运行过程中，引鱼渠内的引鱼装置能够有效的利用河道水工建筑物上、下游之间的水头差，将水流的势能一部分转化为电能，另一部分转化为动能，该部分电能所形成的高流速尾水能够有效地吸引洄游鱼群，在一定程度上解决了小型堰、坝中过鱼建筑物中存在的引鱼问题，使得引鱼效果更佳。

2.2.3可实现流速控制的自动化

传统鱼道所能调节的范围相对有限，对于流速可控式新型生态鱼道而言，由于其槽身内部的水流流速是可通过隔板与侧壁的夹角大小来进行控制的，因此，该鱼道能够保证在不同的季节中极大程度上模仿天然河道情况。同时，当洄游鱼类的类型不一时，可综合不同类型鱼类最适应的水流流速来综合调试隔板与侧壁的夹角，尽可能达到满足各洄游鱼类通行要求的最佳水流流速环境。

图3　引鱼渠三维模型示意图Fig.3Channel of attracting fish

图4　流速可控式新型生态鱼道三维模型示意图Fig.4New eco⁃fishway by controlling flow velocity

2.2.4可解决鱼道内的泥沙淤塞问题

对于泥沙淤积比较严重处挡水建筑物中的鱼道而言，大部分传统鱼道的泥沙疏浚措施都无法有效地解决该河段处的泥沙淤积问题。类似于洋河鱼道［7］中，曾经由于泥沙的淤积问题而导致该鱼道停止运行。泥沙的淤积必将对槽式鱼道中隔板的正常工作和过鱼的效果都会产生不良的影响。因此，本文中所提出的流速可控式新型生态鱼道不必像传统鱼道那样设置疏沙孔，当隔板淤沙到一定程度时，可通过调节可旋转式隔板与槽身侧壁保持平行位置，通过此时鱼道中由于上、下游水头差所形成的高速水流来疏浚淤塞泥沙。

2.2.5可维持河流生态系统的可持续发展

整套新型生态鱼道装置在运行过程中所需的电力能源是由引鱼渠中的水力蜗杆发电装置提供，在引鱼过坝的同时也利用上、下游之间的水头差进行发电，使自然资源得以充分利用。同时，该新型生态鱼道的提出可在一定程度上改善由于河流梯级开发，河道中闸、坝等水工建筑物的修筑对不同洄游鱼类造成的不利影响，恢复原有河流的连续性，维持河流生态系统的可持续发展。

3　新型生态鱼道的数值模拟

为验证上述流速可控式新型生态鱼道概念设计的可行性，本文结合某实际工程所在地的水文气象条件、生态环境因素等资料，运用大型通用流体力学计算软件Fluent辅助建模，对本文所提出的新型生态鱼道在不同工况条件下，其内过鱼水域范围内的流速分布情况进行数值模拟仿真分析。

3.1工程概况

本文采用某水利枢纽工程鱼道［8］的实例。该水利枢纽位于某河中下游区域，是以防洪、防水为主结合灌溉兼顾发电的综合利用工程，该河中的主要洄游鱼类主要为马苏大麻哈鱼、大麻哈鱼、驼背大麻哈鱼以及日本七思鳗等，其中各大麻哈鱼主要集中在每年的8～10月份洄游，而日本七思鳗则主要集中在每年的4～6月份洄游。

该水利枢纽的库内最高正常水位为109.0 m，最低水位为102.0 m；下游处最高尾水位为82.0 m，最低尾水位为81.0 m。参照该水利枢纽所在地的其余各基本资料，将本文所提出的流速可控式新型生态鱼道的概念设计应用于其中。新型生态鱼道拟按20 a一遇的洪水进行设计，布置于溢洪道内侧，鱼道总体长度为332.8 m，净宽2.5 m，净高3.5 m，鱼道内的正常工作水深为0.8～3 m；可旋转式隔板间距为3 m，即鱼道的每级长度为3 m；当可旋转式隔板旋转至与槽身侧壁呈90°时，其隔板的竖缝宽度为0.35 m；鱼道纵向坡度设置为1：10。

3.2控制方程

不可压缩粘性流体的运动可采用Navier⁃Stokes方程［9］来描述，其连续方程、动量方程如下

式中：p为压力；ρ为流体的密度；（ν+νt）为流体的动力黏性系数；ui为速度分量；xi为各个方向，其中i=1、2、3，即{xi=x,y,z}，{ui=u,v,w}；j为求和下标。

针对于本文工程实例中新型生态鱼道中的实际水流情况，拟采用流体力学中RNG k⁃ε模型［10］进行仿真分析。RNG k⁃ε模型中，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除。其中，k、ε方程表达式如下

式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；νt为紊流粘性系数，它可由紊动能k和紊动耗散率ε求出，νt=ρCμk2/ε。模型中的各经验常数Cμ=0.084 5，C2ε=1.68，σk=σε=0.72。

3.3计算区域界定及有限元建模

在进行数值模拟仿真分析时，取距离大坝处至下游方向共4道隔板范围（共5级鱼道长度）作为本工程实例的数值计算区域，并对每一道隔板所在的断面分别进行编号，如图5所示，将计算区域界定为2.5×5 L（单位：m），其中L为鱼道每级净长。其中上游来流区域长度为L，下游尾流区域长度为L，流体自左向右流动。本工程实例当中L=3 m。同时，在建模过程中，运用大型通用流体力学计算软件Fluent［11］建立三维空间有限元模型辅助计算。如图6所示，对计算区域进行网格划分，隔板表面网格需要加密处理，其他区域网格相对稀疏。

图5　新型生态鱼道计算区域图示Fig.5Computing areas in new eco⁃fishway

图6　新型生态鱼道模型网格划分Fig.6Model meshing for numerical simulation

3.4边界条件及计算工况

入流边界条件：初始流速V=1.0 m/s；出流边界条件：自由出流；壁面条件：考虑鱼道槽身及隔板表面的粗糙系数μ=0.005。

在对该新型生态鱼道进行仿真分析过程中，共建立了5种不同工况条件下的数值计算模型，分别探讨其内水流流速的分布情况。所述5种不同的工况按照可旋转式隔板与槽身侧壁之间所形成的不同夹角情况来划分。分别为：工况1：可旋转式隔板与槽身侧壁之间呈30°夹角；工况2：可旋转式隔板与槽身侧壁之间呈60°夹角；工况3：可旋转式隔板与槽身侧壁之间呈90°夹角；工况4：可旋转式隔板与槽身侧壁之间呈120°夹角；工况5：可旋转式隔板与槽身侧壁之间呈150°夹角。

3.5计算结果分析

经计算可得在本工程实例中，5种不同工况条件下流速可控式新型生态鱼道过鱼水域范围内的水流流速分布情况，如图7～图11所示。

根据文献资料表明［8-11］，经由本工程实例中新型生态鱼道洄游产卵的大麻哈鱼、马苏大麻哈鱼和驼背大麻哈鱼在其洄游产卵季节的喜爱流速范围为0.3～1.8 m/s，而冲刺流速则可达到2.4～5.0 m/s。从图7～图11可以看出：

（1）可旋转式隔板与槽身侧壁的夹角为30°或150°时（工况1或工况5），鱼道中过鱼水域范围内的平均流速为0.7～1.8 m/s，流速分布均匀，水流条件稳定，满足以上3类大麻哈鱼的喜爱流速；

图7　工况1条件下鱼道内水流流速分布Fig.7Distribution about velocity of flow under the first condition

图8　工况2条件下鱼道内水流流速分布Fig.8Distribution about velocity of flow under the second condition

图9　工况3条件下鱼道内水流流速分布Fig.9Distribution about velocity of flow under the third condition

图10　工况4条件下鱼道内水流流速分布Fig.10Distribution about velocity of flow under the fourth condition

图11　工况5条件下鱼道内水流流速分布Fig.11Distribution about velocity of flow under the fifth condition

图12　各断面处的平均流速变化图示Fig.12Changes of average velocity at each section

（2）可旋转式隔板与槽身侧壁的夹角为60°或120°时（工况2或工况4），鱼道中过鱼水域范围内的平均流速为1.2～2.4 m/s，超过了大麻哈鱼的喜爱流速，但仍满足其冲刺流速；

（3）可旋转式隔板与槽身侧壁的夹角为90°（工况3），鱼道中过鱼水域范围内的平均流速为1.8～2.5 m/s，并且其最大流速与该水利枢纽工程原始鱼道中的最大水流流速十分接近。结合文献［12］所述，新型生态鱼道在该工况条件下与传统意义上的横隔板竖缝式鱼道的结构形式相似，根据以上分析可明显看出，该处原始鱼道的结构形式并非最优设计方案。

同时，可统计得出在5种不同工况条件下，数值模型计算区域范围内的4道隔板所在断面处的平均流速变化情况，如图12所示。从图12中可以看出：

（1）在每一种工况条件下，从①号断面到④号断面处的平均流速逐渐增加，这与I吻合；

（2）随着可旋转式隔板与槽身侧壁之间夹角角度的增加，各断面处的平均流速呈现“先增后减”的变化趋势，其中在工况3条件中位于鱼道③、④号断面处的平均流速达到最大，同时还在槽孔后方伴随有涡流的出现。

综上所述，从该工程实例的数值模拟计算结果上看，能够满足该河段内洄游鱼类的喜爱流速条件，并且通过调整可旋转式隔板与鱼道槽身侧壁之间的夹角大小，实现鱼道内水流流速多样化，从而达到各类鱼群的最适应洄游水流流速，使该新型生态鱼道的理论过鱼数量得以提高。

4　结论及展望

鉴于传统鱼道适用范围窄、引鱼措施不完善、过鱼种类单一以及鱼道淤沙问题严重等缺陷，本文提出了一种流速可控式新型生态鱼道的概念设计模型，通过调整鱼道中可旋转式隔板与边壁的夹角角度，改变鱼道中水流的流速大小，满足不同洄游鱼类对不同水流流速的适应要求。该新型生态鱼道一改以往的设计思路，可实行对鱼道内的水流流速实现人为可调控的管理模式，在一定程度上扩大了该鱼道在实际工程中的普遍应用范围。

当流速可控式新型生态鱼道应用于不同工程中时，宜根据工程所在地河段中不同洄游鱼类的最喜爱流速范围，并结合各类鱼群的洄游时间等因素，借鉴图11中各曲线的变化特征，来调整鱼道中可旋转式隔板与槽身侧壁之间的夹角。为了满足鱼道中过鱼水域范围内的平均水流流速与洄游鱼群的最喜爱流速相一致，可使鱼道中每个隔板与侧壁之间的夹角角度不相同。对于一些重要工程项目，建议应采用模型试验或数值模拟等仿真手段验证在不同工况条件下该鱼道过鱼水域范围内的水流流速分布情况，保证其内水流条件能够满足各类鱼群的最适应流速，从而使得该新型生态鱼道得以正常运行。流速可控式新型生态鱼道的提出可在一定程度上改善由于河流梯级开发，河道中闸、坝等水工建筑物的修筑对不同洄游鱼类造成的不利影响，为恢复原有河流的连续性，保护河流的原始生态环境以及可持续发展提供有效的技术支撑。

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biography：CHEN Jia⁃yu（1992-），female，master student.

中图分类号：U 65；O 242.1

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0532-07

收稿日期：2014-03-26；修回日期：2014-05-12

基金项目：国家人力资源和社会保障部留学人员科技活动项目择优资助项目（2011年度）；教育部留学回国人员科研启动基金项目（2013年度）；重庆交通大学研究生教育创新基金项目（20130119）

作者简介：陈嘉玉（1992-），女，重庆市人，硕士研究生，主要从事水工建筑物设计理论及健康诊断技术方面的研究。

Conceptual design and numerical simulation of new controllable flow velocity eco⁃fishway

CHEN Jia⁃yu1,2，ZHANG Peng3，ZHANG Wan⁃da4，LI Yi2，YANG Zhong⁃chao1,2，HE Wen5
（1.National Inland Waterway Regulation Engineering Research Center，Key Laboratory of Hydraulic&Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2.School of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；3.The Second Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.Ltd.，Guangzhou 510300，China；4.The Fifth Engineering Company of CCCC First Harbor Engineering Co.Ltd.，Qinhuangdao 066000，China；5.AECOM，Chongqing 400000，China）

Abstract:In order to improve the defects of traditional fishway，such as the narrow scope，inadequate mea⁃sures on attracting fish，single fish species，serious siltation problems and so on，a conceptual design about eco⁃fish⁃way by controlling velocity of flow was proposed in this paper.The numerical simulation was carried out with a gen⁃eral CFD software Fluent.The results show that the flow velocity in the fishway can be changed to meet the require⁃ments of different migratory fish by adjusting the angle between rotatable clapboards and side walls in fishway.

Key words:controllable flow velocity；new eco⁃fishway；conceptual design；numerical simulation