竖缝式鱼道水力特性研究进展

宋文定 王烈梅 宋文虎 宋雄飞

摘  要：文章介绍竖缝式鱼道池室长宽、竖缝宽度、导板长度、墩头、导角、鱼道坡度以及转弯段的结构形式对鱼道水力特性的影响，同时总结分析了同侧竖缝式鱼道和异侧竖缝式鱼道的水力特性，最后总结了未来鱼道研究的发展趋势及热点。

关键词：竖缝式鱼道;流态;水力特性;转弯段

河流上修建的闸坝等水工建筑物在为人类带来巨大经济和社会效益的同时，也破坏了河流原有的连通性，阻断了鱼类洄游通道，对鱼类资源、河流生物多样性和生态系统产生不利影响。因此鱼道作为帮助鱼类洄游的生态水利措施应运而生。鱼道内适宜的水流流态、流速、水深和紊动条件等水力特性是鱼类顺利通过鱼道完成洄游的必要条件[1]。文章着重对国内外使用最多的竖缝式鱼道的水力特性研究工作作出综述。

1 池室长宽及缝宽对流态的影响

加拿大阿尔伯特大学的徐体兵、Rajaratnam、S.Wu等通过对竖缝式鱼道的流场结构试验发现：在鱼道的池室的长宽比为L/B = 10：8时，池室的流态稳定，具有较好的消能效果，存在较大、低速的回流区供鱼类休息[2]。

我國已建鱼道的孔缝尺寸与水池尺寸的比率通常比国外大。在国外，同侧竖缝式鱼道的竖缝宽度一般是池室宽度的1/6～1/8，是水池长度的1/8～1/10，但是在国内，同侧竖缝的宽度一般分别是池室宽度、水池长度的1/5、1/5～1/6[3]。这个比例与隔板型式的消能效果有关，比例大些消能充分，因而两侧竖缝可比同侧竖缝大;此外，这个比例还与每块隔板间水位差有关，隔板水位差小时这个比例可以大些。我国的鱼道以过鲤科中小型鱼类为主，每块隔板水位差一般仅为4cm左右，孔口流速也较国外的要小，因此可以适当加大孔缝宽度。

张国强，孙双科等研究[4]显示当竖缝宽度b/B=0.1～0.25时，主流区最大流速轨迹线偏转适中，流场结构合理且主流区流速沿程衰减显著。从控制径向流速不均匀程度与横向流速大小两方面考虑，竖缝宽度宜取b/B=0.15～0.20。

2 导板长度及墩头对流态的影响

罗小凤，李嘉[5]就导板长度对鱼道水流流态的影响做了研究得出图1，由图1可知，当导板长度为10cm和30cm时，主流上最大流速值均较大;当导板长度达到50cm以后，最大流速曲线基本趋于一致。沿程最大流速曲线在导板长度0.05～0.1m的范围内基本一致，导板长度对主流流态影响微弱，但对其两侧回流位置及流速分布的影响不可忽略。

徐体兵[2]通过对设墩头和未设墩头的情况进行研究分析，得出对竖缝式鱼道而言，隔板设置墩头与否对水流流态的影响主要是在邻近竖缝的部分范围，但是对整个池室的水流结构并没有特别明显的影响，当改变墩头的长度时，对竖缝附近的区域内的水流流态也没有特别明显的影响。所以，在实际的鱼道工程中，可以不设墩头，使鱼道的体型布置更简洁，便于施工，而且也可以避免漂浮物滞留在鱼道内。

3 导角对流态的影响

竖缝的射流方向是由导角的大小决定的，同时也决定了池室内水流的掺混强度。导角越大主流弯曲程度也越大，由于受边壁的制约，当导角增大到主流沿边壁流动时将无法掺混。在设计竖缝隔板时，为了避免主流冲向边壁导致大面积区域得不到有效利用，可以通过改变水池长宽比来调节因角度过大导致消能效果不佳的问题，以此利用大角度衰减效率高的优势来消能[6]。

4 鱼道底坡对流态的影响

统计国内外已建知名鱼道的底坡，发现国外鱼道多布置在高坝上，坡度较陡，约为1/25～1/16，提升高度约为16～57.5m，而我国已经建成的鱼道多数布置在沿海沿江平原地区的低水头闸坝上，鱼道底坡较缓，一般约为1/332～1/25，而且提升的高度不大，一般都在10m左右[7]。当底坡小于5%时，水流流态呈现二维特性，底坡在10%～20%间时，流态上下层出现差异，水流表现为三维特性。

5 鱼道转弯段对流态的影响

包莉等[8]对转弯段的研究得出：圆弧形结构水流轨迹平顺，流速整体偏大;而设置矩形结构的弯道可以有效降低主流区和竖缝处的流速，可以提供更多的低流速区给鱼类休息，更利于鱼类洄游;而且，相关的物理模型试验结果[9]也证明了布置矩形弯道的好处。边永欢等[10]采用数值模拟的方法，分别对竖缝式鱼道180°转弯段和90°转弯段的水流流场进行研究[11]，得出：180°和90°的转弯段内会出现主流区紧贴边墙的水流结构，而且主流区两侧回流区尺度过大，回流区的流速也大于常规池室水流流速;增设整流导板后，180°转弯段内主流流速衰减效果显著，回流区数量增加，影响域减小;而90°转弯段内主流区大致居中，主流衰减效果显著，回流区尺度合理，回流区内流速甚小。

6 同侧竖缝式鱼道中水力特性研究进展

加拿大学者Rajaratnam N等[12]1986年最早通过对7种不同设计形式的同侧竖缝式鱼道流场进行了试验研究，发现了鱼道的尾水深度会对鱼道内的水流流态有较大的影响，得出无量纲流量与相对水深的关系，1992年做了18种不同尺寸的竖缝式鱼道设计[13]，发现长为10b0、宽为8b0（b0为竖缝宽度）的鱼道尺寸具有较好的消能效果，且存在较大、低速的回流区供鱼类休息。

Sanagiotto D G（2006）[14]对同侧竖缝式鱼道内的流场、紊动能进行试验测量分析，得出池室内的流场主要取决于缝宽以及池室的长宽比，而紊动能则更多的与长宽比及流速有关。

Laurent Tarrade L（2008）[15]对同侧竖缝式鱼道进行模型试验，研究了3个底坡（I=5%，10%，15%）、3个流量（Q=576，736，864L/s）和4个池宽（B=1.7，2，2.3，2.7m）的鱼道内时均流速和紊流特征，分析得出池室中的紊流模型与流速取决于池室的长宽比，体积散耗动能与流速之间有密切的关系。

7 异侧竖缝式鱼道中水力特性研究进展

董志勇等[16]通过对异侧竖缝式鱼道水力特性的研究，得出异側竖缝式鱼道的最大速度轨迹线为S形曲线，可以用四次曲线来表示;最大速度的沿程变化为，前半池室的最大速度逐渐减小，后半池室的最大速度逐渐增加，而在池室中间则会有一个流速低于0.2m/s的低速区，最大速度的沿程变化可以用一条抛物线来表示;池室横向流速分布在前半部分近似为壁面射流分布，在后半部分近似为高斯分布;而横向流速分布特征基本上不随着流量而变化。

8 结论与展望

总体来看，目前国内外的研究主要集中在鱼道的结构布置形式以及鱼道池室内的水流流速、水深、消能率、紊动能、紊流强度等水力特性，而且基本上考虑的是非转弯段鱼道的研究。今后的一段时间内，鱼道的研究重心会慢慢转移到鱼道转弯段的研究，因为鱼道转弯段的研究具有较强的工程实践意义。此外，鱼道结构布置形式的创新也会成为未来研究的热点之一。

参考文献

[1]闫滨，王铁良，刘桐渤.鱼道水力特性研究进展[J].长江科学院院报，2013，6.

[2]徐体兵，孙双科.竖缝式鱼道水流结构的数值模拟[J].水利学报，2009（11）：1386-1391.

[3]Puertas J，Pena L，Teijeiro T. Experimental approach to the hydraulics of vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering， 2004，130（1）：10-23.

[4]张国强，孙双科.竖缝宽度对竖缝式鱼道水流结构的影响[J].水力发电学报，2012（1）：151-156.

[5]罗小凤，李嘉.竖缝式鱼道结构及水力特性研究[J].长江科学院院报，2010（10）：50-54.

[6]Cao QL， Yang  WJ， Chen H. Experimental study on hydraulic characteristics of vertical slot fishway from side to side[J]. Journal of Hohai University（Natural Sciences）， 2010，38（6）：698-703.

[7]郭坚，芮建良.以洋塘水闸鱼道为例浅议我国鱼道的有关问题[J]. 水力发电，2010（4）：8-10+19.

[8]包莉，安瑞冬.竖缝式鱼道的弯道布置与结构形式研究[J].水电站设计，2012.

[9]王兴勇，郭军.国内外鱼道研究与建设[J].中国水利水电科学研究院学报，2005.

[10]边永欢，孙双科，郑铁刚，等.竖缝式鱼道180°转弯段的水力特性与改进研究[J].四川大学学报，2015.

[11]边永欢，孙双科，等.竖缝式鱼道90°转弯段水力特性的数值模拟[J].水生态学杂志，2015.

[12]Nallamuthu Rajaratnam， Gary Van der Vinne， Christos Katopodis. Hydraulics of vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering， 1986，112（10）：909-927.

[13]Rajaratnam， N.， Katopodis， C.， and Solanki， S. New designs for vertical slot fishways[J].Journal of Hydraulic Engineering， 1992，118（3）：402-414.

[14]Sanagiotto D G， Coletti J Z， Marquesm G. Velocity And Hydraulic Turbulence On A Vertical Slot Fishway[C].Hydropower 2006 International Conference .p1056-1064

[15]Tarrade L.， Texier A.， David L.， and Larinier M. Topologies and measurements of turbulent flow in vertical slot fishways. Hydrobiologia 609，2008，177-188.

[16]董志勇，冯玉平，Alan Ervine.异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究[J].水力发电学报，2008，12.