鱼道水沙特性的数值模拟

薛海, 许国

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)



鱼道水沙特性的数值模拟

薛海, 许国

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

鱼道是一种重要的生态补偿工程,以往研究的重点主要集中在水力学要素对鱼类通过效果及鱼类适应度的影响方面。针对泥沙在池室中可能造成的水流含沙量增高及淤积面积扩大进而影响过鱼效率和鱼道运行寿命这一关键问题,通过数值模拟方法,对不同泥沙粒径和来流流量组合情况下的池室水流含沙量变化及池底泥沙淤积分布进行了模拟计算,并在此基础上给出了解决上述问题的途径。可为在具有一定含沙特征的河流上建设更为长效的鱼道设施提供数据支撑。

鱼道;泥沙;淤积;数值模拟

自从世界上第一个鱼道——“丹尼尔鱼道”问世之后,世界各国纷纷将鱼道作为水利工程重要的组成部分，并应用于规模较大的坝工工程以及水利枢纽建设中。实践证明，鱼道能够有效地补偿大坝对河流形成的阻断效应,提高河流连通性,一定程度上可恢复鱼类的自然洄游通道,是一种行之有效的生态补偿工程。然而，鱼道与其他水利工程相比又有其特殊性:鱼道的作用对象是鱼类,鱼类的生物学特征对鱼道的设计提出了更高的要求。例如鱼道的流速场和水流紊动特性对于诱鱼效果、鱼的体能消耗以及对鱼体的伤害(水流剪切力)等至关重要,而涡量的尺度和强度与鱼类正确的方向感密切相关。一些学者通过模型试验对鱼道的水力学问题进行了试验研究[1-3]。在一些高含沙量河流中所建的鱼道,其含沙的水流以及可能产生的局部泥沙淤积,不仅会对鱼类洄游过程造成不利影响,而且还可能导致鱼道淤废。湖南洋塘鱼道自1987年至今一直淤塞停运就是一个典型案例[4]。然而，关于含沙水流对鱼道效果的影响却研究较少：Kyong等[5]对韩国汉江含沙情况下的引导鱼道入口的最佳位置选取进行了研究；Chang等[6]在大涡紊流模型基础上建立了鱼道三维水沙两相流模型。本研究运用数值模拟的方法,对鱼道的有关水力学要素,特别是泥沙对鱼道工程的潜在影响进行模拟及分析,以期为设计更加科学长效的鱼道提供基本数据支持和规律性参考。

1 计算模型

1.1 控制方程

本研究包含鱼道的水力学要素模拟和泥沙输运模拟两方面,控制方程也包括了水流及泥沙输移两部分。

1)水流连续方程(将水流视为不可压缩流体)，即：

div(ρv)=0。

(1)

式中：ρ为流体密度；kg/m3；v为流速矢量，m/s。

2)水流动量方程:

(2)

3)泥沙输运方程：

(3)

式中:C为泥沙浓度,kg/m3;vs为泥沙沉速,m/s;kv、kh分别为泥沙在垂向及水平方向的输运扩散系数。

对于泥沙模型而言,在水面应满足零通量边界条件,同时在床面应满足泥沙交换边界条件[7-8]:

(4)

(5)

式中:α为恢复饱和系数;Cb为近底泥沙浓度, kg/m3;Sb*为近底附近的水流挟沙力,kg/m3;ρ′为泥沙颗粒的水下密度，kg/m3;zb为床面高程，m;δ一般取2D50,m。

此外,式(5)第一个等号构成床面附近泥沙交换边界条件,第二个等号则构成与之对应的床面变形方程。

4)紊流模型：在竖缝式鱼道中,水流流经竖缝过程中流线会发生较为显著的弯曲;水流过缝后又将在隔板间突然扩大的水池空间内产生较强的扩散作用。因此，在对现有各类紊流模型进行对比分析的基础上,选择对流体运动各向异性适应较好(特别是流线曲率较大的情形)的RNG (Renormalization Group)κ-ε紊流模型。限于篇幅,有关模型方程及系数采用文献[11]中所给出的公式及经验值。

1.2 计算区域及网格

本研究以其他研究者[12]所进行的异侧竖缝式鱼道物理模型试验为参照,着重对几种不同工况下的流速场泥沙输运与冲淤进行模拟分析。鱼道计算区域如图1所示。

图1 鱼道计算区域

鱼道计算区域分为入口段、鱼道段及出口段3部分,鱼道段又分为5个鱼道池室,相邻隔板呈长、短，短、长交错布置,各段长度标识如图1所示。参照文献[10]中的有关尺寸值可知,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。由于鱼道计算区域较为平直,因此计算采用正交矩形网格,网格以小于隔板宽度的尺度为基准。模拟时间间隔在计算时根据柯朗条件进行实时调整。

1.3 边界条件

本模型边界条件包括入口段进口边界条件、床面及壁面边界条件、出口边界条件。进口边界条件为流量边界条件；床面及壁面边界条件中，对床面及侧壁采用标准壁面函数法[9]计算；出口边界条件中，由于本模型出口段设置较长,水沙在通过鱼道段后,可有足够的距离进行调整,因此出口处的边界条件设置为流场各量沿纵向一阶导数为0的状态,即接近均匀流状态。

2 计算结果及分析

2.1 计算工况

因此他决定和他的团队一起进行一次实验。“当记录开始时，他们紧张地屏住呼吸，”科恩说，“接着实验成功了，他们开始庆祝，绕着屋子边跑边跳。”

为研究实际鱼道工程中不同水流强度及不同来流含沙情形下鱼道内部可能产生的流场及淤积状况,本研究设置了6种流量级别及4种泥沙颗粒粒径,并对其交叉组合,构成24种计算工况,以便对其规律进行分析和比较。相应组合及所构成的工况序列见表1。

表1 计算工况

注：糙率取0.014。

2.2 有、无泥沙情形下的池室流场分析

鱼道池室中流速场的分布及大小是决定水流特性的主要因素,鱼种对这些因素极为敏感。来流中有、无泥沙情形,对河道的流场及流速也会产生相应的影响。为避免鱼道进、出口水流不稳定的影响,本文选取第3个池室作为分析对象。在平行于底坡方向距离底壁0.4倍水深处截取平面,水流在有、无泥沙情形下的流速场分布如图2所示。

图2 鱼道池室水流流速场

由图2可以看出：鱼道池室中形成了3个区域,1个流速比较集中的主流区和2个大小不等的回流区；其中较大的回流区位于上游长挡板与下游短挡板之间,较小的回流区位于主流的另一侧。

相同流量下,鱼道池室中有、无来沙对流速场的影响主要表现在如下3个方面:①由于主流区的左侧受到在较大回流区形成的淤积体的挤压,因此主流区较无泥沙情况将向池室右下侧偏移；②随着淤积体厚度及平面范围的增加,水流回流区的范围也相应增加,但回流区的总体流速有所降低；③水流回流区范围的增大和流速的降低使得水流能量进一步向主流集中,从而导致主流区平均流速较无泥沙情形下显著增加。

在池室中选取一点K,K点位于池室上游左侧,相对于池室长度、宽度的1/4处,垂向位置为0.4倍水深处,如图2(a)所示。有、无泥沙情形下K点的流速如图3所示。

图3 各泥沙颗粒粒径情形下K点流速对比

在各级进口流量、挟带不同粒径泥沙的情形下，K点的水流速度均比无泥沙情形有所减小。其中，挟带d=2.0、1.5、1.0 mm粒径泥沙的水流速度的减小量随着入流流量级别的增大而显著减小(减小均值为6.40 cm/s),而挟带d=0.5 mm粒径泥沙的水流在小流量情形下，其流速相比无泥沙水流的减小量已十分有限(减小均值为1.33 cm/s),并且随着流量级别的增大,其减小幅度基本不变。

上述规律表明，在实际鱼道池室的设计中,需要对较小设计入流流量与较粗粒径泥沙颗粒的组合进行专门研究。因为这类组合对水流流速的影响较为显著,可导致水流流速明显下降,甚至低于鱼类对水流流向感知所需的流速,从而严重影响过鱼能力。而含小粒径泥沙的水流在各级流量下的影响均不明显,同时对鱼类通过鱼道的影响也不明显。从淤积过程来看,对于不同粒径的泥沙情形,流速减小的主要原因是:随着淤积厚度的增加,导致淤积区的水深减小；而同时，水流下垫面由之前较为光滑的池室底板逐渐转变为具有一定起伏高度的水下泥沙地形,由此形成的底部附加摩阻将进一步导致水流阻力的相对增加。这两部分原因的累计效应将使水流动能逐渐衰减。而随着流量的增加,水流挟沙能力增强,淤积程度有所减弱,最终导致有泥沙水流与无泥沙水流的流速差别不大。

由图4可知，池室中的回流区面积在各级流量下,均存在有泥沙情形大于无泥沙情形的规律。其原因主要是泥沙淤积厚度及范围的增加改变了池室中回流区底部的水下地形边界条件,特别是淤积边缘处的泥沙淤积厚度形成了指向回流区外法线方向的地形梯度,改变了水流流速的矢量方向,使回流区进一步压缩主流区的平面空间,从而导致回流区范围不断扩张。

图4 有、无泥沙情形下回流场面积对比

2.3 相同流量不同来沙情形下的池室淤积分析

泥沙粒径是泥沙运动特性的重要指标。在天然河流中,不同泥沙颗粒的起动、沉积和分布均有较大的差别,而在鱼道池室中更具有特殊性：首先,鱼道池室是一个相对封闭的空间,主流区仅局限在一个较小的范围内,其携带的泥沙进入池室后,一部分泥沙随即进入回流区,而如果回流区的水流强度不足以将泥沙颗粒再次带入主流,则经过长时间的累积,将会有大量泥沙颗粒淤积在回流区内；其次,随着泥沙颗粒粒径的增加,无论在淤积程度还是累积时间上很可能对上述过程均产生更为不利的影响,因此，对不同粒径情况下池室淤积特性的研究就变得尤为重要。由于篇幅所限,仅给出流量为12.23 L/s、泥沙颗粒粒径分别为d=0.5、1.0、2.0 mm情形下的鱼道池室底部泥沙含沙量分布,结果如图5所示。

图5 Q=12.23 L/s时鱼道池室淤积情况

在池室中选取A、B、C3点(如图5(a)所示),A点位于池室下游相对于池室长度、宽度1/4处的右下侧回流区内;B点位于池室中心位置;C点位于相对于中心B点且与A点对称的上游左上角的回流区内;A、C两点距B点的垂向位置均为0.4倍水深。A、B、C3点的含沙量统计见表2。

表2 Q=12.23 L/s时 A、B、C点的含沙量统计 kg/m3

由图5和表2可以看出，相同来流流量下,随着来流挟带泥沙粒径的增大,池室各位置的含沙浓度均有所增加,但不同流区的差异较大。对以点B所代表的主流区,由于受其两侧回流区的挤压，可形成较高的流速,其含沙量与点A所在区域含沙量的比值介于11.4%～27.3%范围内,因此主流区在各泥沙粒径级别均能保持较低的含沙量,从而能够使鱼类通过主流区时受到较小的含沙水流的影响。对代表上、下游回流区的C点和A点含沙量的模拟结果来看,此两区域含沙量随着来流含沙粒径的增大而快速增大,含沙量增加约2.5～3.0倍,且下游回流区(A点所在区域)的含沙量在各粒径情形下均明显高于上游回流区(C点所在区域)。因此从鱼类通过鱼道过程中对休息区域的选择角度看,上游回流区较为适合,可适当在该区域投放营养物质,以便引诱鱼类游至该区域休息,同时也可使鱼类在该区域补充能量从而完成整个穿越鱼道的过程。

2.4 不同流量的淤积分析

在实际工程应用中,同一年份及不同年份的各水文时期,库区来流流量及泄流流量可能存在较大的差别。而对于来流挟带泥沙粒径较大的情形,不同来流流量与其组合所造成的不同池室水流含沙量及淤积面积将会对鱼类穿越池室过程产生不同影响。因此，本研究对不同流量下池室中的水流含沙量分布及池室内的淤积面积进行了模拟计算。

2.4.1 泥沙含沙量的模拟

选取泥沙颗粒粒径d=2.0 mm分别与流量Q=5.61、9.31、12.23 L/s对鱼道池室的水流含沙量进行模拟，选取鱼道池室中A、B两点分别作为主流区和下游回流区的代表点，A、B两处观测点的水流含沙量见表3,不同流量下鱼道池室淤积的模拟结果如图6所示。

表3 泥沙颗粒粒径d=2.0 mm时点A、B的含沙量 kg/m3

由表3可知,来流所含泥沙颗粒粒径较粗(d=2.0 mm)的情况下,当来流流量较小时(Q=5.61 L/s),主流区(以B点为代表)与下游回流区(以A点为代表)的含沙量均最大，但随着来流流量的增大,主流区的水流含沙量迅速降低,减小值的比率达到73.00%；而下游回流区的含沙量随着流量的增大，其减小值的比率仅为0.48%,含沙量变化十分有限。

图6 泥沙颗粒粒径d=2.0 mm 时不同流量下鱼道池室的淤积情况

从图6中可以看出,当来流流量较小时(Q=5.61 L/s),池室主流区方向(图中虚线所示)的中部部分区域已经被较高的含沙量所覆盖,而随着流量增至Q=9.31 L/s及Q=12.23 L/s时,主流通道上低含沙量区域迅速向两侧扩展,主流流路变得清晰可见。这一模拟结果表明,要维持鱼类穿越鱼道的主要通道保持畅通而不受水流的含沙影响,可以利用该区含沙量对流量较为敏感的特性,针对不同来流泥沙粒径值,保证一定的过流流量值。

2.4.2 淤积面积的模拟

池室淤积面积是制约鱼道过鱼效能的重要参量,它可通过改变池室尺寸、形状,进而改变水流的流态、流速和水深等水力条件。因此,需对模拟得到的不同泥沙粒径与不同流量组合情况下池室内的淤积面积进行计算统计,结果如图7所示。

由图7可以看出:对于各粒径级别的含沙水流,其在池室中造成的池底淤积面积均随着来流流量的增大而呈现近似线性的减小趋势；4种泥沙粒径在最大来流流量和最小来流流量情形下,淤积面积的比值分别为0.13、0.28、0.38、0.49,即对于小粒径颗粒,过流流量的增大可使泥沙淤积的影响迅速减少到较低的程度,而对于较大颗粒,流量的增加也可使淤积面积减少50%左右。因此,在实际应用中,为解决含沙水流通过鱼道池室所引起的泥沙淤积问题,在来流含沙特性一定的情况下,适当增大鱼道过流量即可以取得较为显著的效果。

图7 相同泥沙粒径不同流量的鱼道池室淤积面积

此外,从图2和图6中还可发现,水流回流区的范围和泥沙淤积范围具有较高的重合性,即水流所携带的高含沙量泥沙及其分布范围均位于上、下游两个回流区中。从这一规律出发,可在两回流区外侧接近底部的位置修建排沙孔,在非过鱼季节,可从鱼道进口处释放适当流量的水流并打开外侧排沙孔,利用环流将池室内淤积的泥沙自动排出池室外,保持和增加池室的非淤积空间,以增加鱼道的使用寿命和过鱼效能。关于这一问题中排沙孔的布设及排沙效率的评估将在本研究所得规律的基础上进一步展开。

3 结语

本研究针对含沙河流上修建鱼道时,在有限的池室空间中可能产生的泥沙淤积及水流含沙量增大对鱼类通过鱼道产生不利影响的工程问题,通过数值模拟的方法,对6种流量级别及4种泥沙颗粒粒径组合情况下池室的流速分布、含沙量分布、泥沙淤积面积等进行了模拟计算,通过对模拟结果的分析得到如下规律性结论:

1)水流在池室中将形成主流区、上游及下游回流区3个界限明显的流动区域；3个流区中,主流区受到两回流区的挤压从而保持较高的流速,而两回流区流速随着挟带泥沙粒径的增加显著降低,而且其降低幅度也随泥沙粒径的增加而增加，回流区流速的降低是由于水流能量传递给泥沙颗粒,自身能量得到消耗,而较大颗粒的落淤还将进一步使回流区池底地形发生变化,增加池底摩阻力,反过来又使水流流速进一步降低,形成了泥沙淤积与水流流速之间较强的负反馈；实际上,这一特性总体上对鱼类在穿越池室过程中的暂时休息和补充体力是有利的,但需要注意较小入流流量与较粗粒径的组合,因为这一组合可导致回流区流速过小,可对鱼类的流向感知及游动能力产生不良影响。

2)从池室3个流区在各情形下的水流含沙量模拟结果来看,在较大来流情况下,主流区在保持较高流速的同时，其水流含沙量对来流泥沙粒径的大小并不敏感,能持续保持较低的含沙量,可使鱼类快速通过池室并避免水流含沙的影响；上、下两流区中水流含沙量则随泥沙粒径的增加而显著增加,且下游回流区含沙量在各情形下均高于上游回流区；在实际应用时,上游回流区较适合作为鱼类的休息区,建议在上游回流区投放营养物质,以引诱鱼类至该区域休息和补充能量。

3)对不同流量下来流含有大颗粒粒径时所产生的池室含沙量和淤积分布的研究来看,小流量情况下主流区也可能出现含沙量增高的问题,但其随着来流流量的增大而迅速衰减,因此，为保证主流区这一过鱼主要通道的畅通,需要在可能情况下保持较高的过流流量；从淤积面积的角度也可以看出,随着过流流量的增大,即使对于较大粒径的泥沙,其淤积面积的减少也能够接近50%,同样印证了过流流量这一水力学参数对于减少池室淤积面积的重要性。

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(责任编辑：张陵)

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

华北水利水电大学教学名师培育资助项目；河南省高等学校青年骨干教师资助计划。

薛海(1974—),男,河南郑州人,副教授,博士,主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail：xuehai@ncwu. edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.012

TV133

A

1002-5634(2017)03-0076-06