仿自然鱼道水力及过鱼性能物理模型试验

2019-06-20李广宁孙双科郭子琪柳海涛郑铁刚

农业工程学报 2019年9期

李广宁，孙双科※，郭子琪,2，柳海涛，郑铁刚，王岑,3

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2. 河北农业大学，保定 071001； 3. 三峡大学，宜昌 443002）

0 引言

鱼道是帮助鱼类顺利通过闸坝等障碍物的专用设施，在维系河流连续性与生物种群交流方面具有不可替代的作用。鱼道可分为技术型鱼道和仿自然鱼道，传统的技术型鱼道的结构与流态相对单一，一般仅适合特定过鱼对象，而在实际河流中需要保护的鱼类种类往往是多样的[1-2]。Katopodis等[3]于上世纪70年代首次提出了仿自然鱼道的概念，与传统技术型鱼道相比，仿自然鱼道构建的水流流态更接近于鱼类熟悉的天然状态，对鱼类往往具有更广的适用性和更高的过鱼效率[4]，已成为中低水头水利工程过鱼设施的发展方向之一。

仿自然鱼道的相关研究，既包括鱼道水力学问题研究，也涉及针对鱼类生理特点与生活习性的研究，同时还要考虑建筑材料的天然、生态、可循环，其建筑外观应与自然融为一体。

从工程建设角度看，水力学问题是仿自然鱼道设计中首先需要研究的关键技术问题。文献检索表明，国内外针对仿自然鱼道进行了大量的室内试验与数值模拟研究，确定了鱼道内部水流流态优化的基本原则，探讨了仿自然鱼道的设计方法，对于仿自然鱼道的改建与建设起到了技术指导作用。

模型试验方法历来是水力学问题研究的重要手段之一。在仿自然鱼道的研究方面，国外学者比较重视单个块体障碍物对水流结构的影响，如Acharya等[5]针对球状障碍物、圆柱体和方柱体对水流结构的影响进行了模型试验，提出了相似水流条件（弗洛德数 Fr）下，球体的排列应该比方柱体的排列略微紧密一些，但球体障碍物尾流区水面连接相对更加平顺。Komura等[6]研究了仿生态鱼道中漂石的布置方法对水流特性的影响。加拿大Alberta大学的Bretón等[7]通过室内模型试验研究了蛮石斜坡型鱼道中，蛮石间流速与紊动强度等参数的变化规律，认为蛮石布置间距应该足够小，以遏制水流的加速，Baki等[8-9]开展的试验研究也得出了类似结论。Lacey等[10]对蛮石周围紊流结构进行了试验研究，并实测了自然河流中蛮石周边的水流流场及紊动能等水力参数，发现在天然河道中蛮石后的尾流区内往往会形成较强烈的紊动[11]。为了确保不同的水生生物通过，仿生态型鱼道的坡度一般应控制在 1%～5%[12]。国内学者王猛等[13]通过物理模型试验，提出仿生态型鱼道在较大工作水头的水利枢纽中布置时，应合理安排电站的运行方式和鱼道的进出口位置。于广年等[14]通过整体物理模型试验，提出了适合国内鱼类的低水头发电枢纽仿生态型鱼道平面布置方案。谭均军等[15]选取上溯性鱼类鳙鱼和草鱼为研究对象，认为鳙鱼和草鱼在不同水力区域内的上溯时间与紊动能、流速相关性较大，水流流速矢量决定了鱼的上溯方向。郄志红等[16]提出一种通过太极圆盘和八卦爻条消减水流能量，形成多态流速场以适应多种鱼类洄游的太极式新型鱼道。胡晓等[17]在分析国外涵洞式鱼道相关试验数据的基础上，对偏移式、槽堰式和堰式 3种典型挡板的水力特性及流场分布特征进行了归纳，得到了无量纲流量、水深、坡度与流速的关系表达式，为国内涵洞式鱼道的水力设计提供理论依据与参考。

在鱼类聚集和诱鱼方面，李芳等[18]使用观测仪器探测坝下四大家鱼分布规律，分析集群行为特点及其相关性。郑铁刚等[19-20]为了合理布置鱼道进口，基于生态学与水力学理论和数值模拟方法，计算了某大型水电站下游河道流场分布情况，结合过鱼对象的游泳能力和生活习性，划分了适宜布置鱼道进口的河道区域。廖伯文等[21]以某高坝工程为例，根据相关调查结果，确定了 7种过鱼对象，提出了集诱鱼进口所需要满足的水力学件。谢春航[22]提出 2种鱼道进口布置方式，分别布置于闸墩旁和集诱鱼通道旁。

进入21世纪，一些学者开始应用数值模拟技术研究仿自然鱼道内的水流特征[23-24]。Tran等[25]利用浅水方程对蛮石斜坡型鱼道的水流特性进行了模拟，并进行试验验证。何雨艨[26]采用三维湍流模型对不同水流条件下蛮石斜坡型鱼道进行研究，认为蛮石坎对缝排列比错缝排列具有更加合理的水力学特性。朱世洪等[27]认为通过在仿自然通道或鱼道内部采用收缩段、侧壁设置消能墩、底部辅以条形消能墩的新型结构可使池室内部流场实现纵向分层和横向分区，可供不同游泳能力的鱼类通过。李广宁等[28]定量分析透水性卵石墙对鱼道水力特性的改善效果，采用卵石墙构建的仿自然鱼道，池室内流态丰富，过鱼口处流速分布差异明显多种鱼类上溯提供了可能。上述研究为进一步细化研究仿自然鱼道内流场特性奠定了基础。

利用水生植物构建新型仿自然鱼道，需要对其物理特性和生物特性进行研究。在水力学层面，王忖[29]对含有挺水植物和沉水植物明渠水流特性进行了研究；赵芳等[30]对双层刚性植被对明渠水流特性的影响进行了试验研究；孙菊英等[31]对不同高度柔性植被对坡面流水动力特性的影响进行了研究，表明相关水生植物通过不同布置方式，可以对管道内的水流结构产生显着的影响。在植物学层面，邓春暖等[32]研究了不同淹水周期对芦苇光合生理的影响机理；李广云等[33]对不同水深对芦苇光合生理特性的影响。研究结果均表明相关水生植物具有较好的生物特性和适应性，可以用于浅水区的种植和培育。上述研究成果，为构造植物型仿自然鱼道的水生植物选择以及布局设计奠定了基础。

目前仿自然鱼道主要利用漂石与天然河道床质进行构建，缺乏生态系统中的植物元素，生态结构较为简单。随着中国河流治理和小水电的快速发展，对于小型河流生态环境的保护越来越受到重视，亟需一种即可保护鱼类资源又可同时改善河流生态环境的，具有综合生态功能的鱼道。本文提出了一种利用挺水植物构建仿自然鱼道，在实现鱼类洄游、栖息、繁殖的同时，其外观与自然环境融为一体。

1 挺水植物选择

挺水植物的选择是依据过鱼对象的游泳能力和洄游季节，选取具有相应生物特性和生长周期的目标植物种类。

1.1 过鱼对象

四大家鱼（青、草、鲢、鳙）是中国常见鱼类，而且中国近期设计的过鱼设施都会将四大家鱼作为过鱼对象进行考虑。国内对于四大家鱼游泳能力的研究相对详细。如水利水电工程鱼道设计导则（SL609-2013）[34]中指出：青鱼体长0.4～0.58 m，喜好流速为1.25～1.3 m/s；草鱼体长0.24～0.5 m，喜好流速为1.02～1.27 m/s；鲢鱼体长0.4～0.5 m，喜好流速为0.9～1.0 m/s；鳙鱼体长0.4～0.5 m，喜好流速为＜0.8 m/s。综合而言，四大家鱼的体长范围0.2～0.9 m，感应流速普遍在0.1～0.2 m/s，喜好流速为0.8～1.3 m/s，极限流速＞1.3 m/s。结合目前中国鱼道目前设计实际情况，鱼道内控制断面（过鱼口）的流速控制在约1.1 m/s。

四大家鱼的过鱼季节也较为一致，以湖北碾盘山过鱼对象为例，其主要过鱼季节为4－8月份（表1）。

表1 过鱼月份（汉江碾盘山）Table 1 Fish passing months (Nianpanshan, Hanjiang)

1.2 挺水植物

图1 芦苇各构件生物量的动态变化（河北白洋淀）Fig.1 Dynamic changes of biomass of reed components(Baiyangdian, Hebei)

挺水植物生长周期应与鱼类洄游季节相匹配。即在鱼类的洄游季节，所选择的挺水植物应该能够保有一定的生物体量，从而达到降低水流速度，形成过鱼通道的效果。挺水植物应具有较强的生命力，并且分布广泛、简单易得，从而保证植物模块在意外受损等情况下能得到及时补充。芦苇作为中国常见的挺水植物种类[35-36]，其分布广泛，生命力强，成长周期能够与过鱼季节相匹配。以河北白洋淀的芦苇的生长周期为例，其生物量在6月份就可以维持在较高水平[37]，如图 1所示。成年芦苇植株的统计平均直径约为1.2 cm，其平均高度可达2.4 m，生长密度可达156株/m2，是构建仿自然鱼道的理想材料。

2 物理模型试验

物理模型试验按照重力相似准则进行设计，试验比尺为 1∶5。首先将原型芦苇按长度比尺进行缩小得到模型芦苇的尺寸，将模型芦苇进行植株排列得到植物模块；然后开展植物满铺方案的试验，检验该植株排列方式的阻水特性，为构建植物模块交错布置方案建立基础；最后针对植物模块交错布置方案进行试验，对该方案的水流结构进行分析，从水力学角度判断其是否满足过鱼要求。

2.1 芦苇植株设计

模型中需要首先将芦苇植株进行简化处理，再将植株个体进行不同的排列，形成不同的植株组合结构。常用的简化方式有3种（图2）。第1种是不考虑单个植株的相似性，而是综合考虑糙率 n的相似，（糙率式中A为过流面积，m2；Q为流量，m3/s；R为水力半径，m；J为底坡坡度。长度比尺λl=5时，糙率比尺利用漫铺的人工塑料植物代替实际植物边界，该种方法最简单和经济，但是只能粗略的反映整体植物边界对水流的阻挡作用；第2种是将芦苇简化为具有相似叶状结构的塑料植株，该方法最为相似和准确，但是造价较高，宜适用于植株较少的试验；第3种是将芦苇简化为去除叶片的单个杆径，该方法能够反映植株的整体组合和植株组合内部的个体对水利特性的影响。

图2 芦苇植株常用简化方式Fig.2 Common simplifications of reed plants

顾峰峰和倪汉根[38-39]采用第 2种方法对芦苇进行了简化，进行了物理模型试验，实测了模型芦苇的阻水特性，对模型芦苇与原型芦苇等效阻水特性的相似关系进行了推导，验证了该种简化方法的可行性。

本文将采用第 3种简化方法，对具有一定密度的芦苇模块组合进行创新应用，构建新型植物鱼道。但是，将芦苇简化为去除叶片的单个杆径，一定程度上弱化了植株的阻水特性，故所获得的方案在水力学指标上是偏于保守的。

2.2 植株排列方式

芦苇原型杆直径1.2 cm，平均高2.4 m，大于原型鱼道设计水深80 cm的要求。按照长度比尺λl=5缩小，相应的模型芦苇直径为0.24 cm，高度满足模型鱼道水深要求即可，取 16 cm。模型芦苇以相应尺寸的竹签代替。

模型芦苇以模块形式在水槽内交错分布，每组芦苇模块内芦苇以梅花桩型式均匀布置，如图3所示。x方向芦苇交错分布，y方向规则的平行分布，x方向固定间距1.6 cm，y方向1.6 cm，在水槽内20 cm×20 cm的范围内，均匀布置了156株，相当于原型中1 m×1 m的范围内均匀布置了156株，即156株/m2。

图3 植株排列方式Fig.3 Arrangement of plants

2.3 模型布置

试验水槽长10 m，宽0.4 m，高0.2 m，底坡J=1%，采用循环泵供水系统供水，通过调节阀调整水槽内流量，具体布置如图 4所示。试验方案分为植物满铺方案和植物模块交错布置方案。当植物按照图 3所示的植株排列方式铺满整个水槽时，即为植物满铺方案，该试验的主要目的是检验该植株排列方式的阻水特性，并对等效糙率进行定量判断。待该植株排列方式的阻水特性得到检验后，将其组合成不同几何尺寸的植物模块并在水槽内交错布置，形成植物模块交错布置方案。本文中植物模块按照几何尺寸分为2种，一种长40 cm，宽20 cm，称为植物模块A；另一种长40 cm，宽10 cm，称为植物模块B。植物模块A布置在水槽中间位置，两侧留出10 cm宽的过鱼通道，植物模块B布置在鱼道的两侧，中间留出20 cm宽的过鱼通道。植物模块A与植物模块B之间相距40 cm。

模型采用电磁流量计控制流量，采用水位测针测量水位，采用多普勒电磁流速仪（acoustic doppler velocimeter，ADV）在1/2水深处测量时均流速[40-41]。测点主要布置在过鱼通道内，植物模块A两侧水流为对称结构，故只在其左侧的过鱼通道内布置了测点。试验时，通过测点 1～47观测流速沿程分布，分析该流速指标下目标鱼类能否通过；通过所有偶数标号的测点观测水深沿程分布，其中位于水槽起始端的测点 0和位于末端的测点48分别用来监测水槽内上、下游水位。具体测点布置参见图4a。

2.4 试验设计

在实际工程中总是存在着鱼道上、下游水位变动的情况，从而导致鱼道的上、下游水深不一致，从而造成鱼道内水流速度的变化。由于本文是探索性将植物模块作为阻水特性单元构建新型的鱼道形式，尚处于研究的初步阶段，在设计试验时仅考虑了水深沿程不变的均匀流工况，见表2。

图4 植物模块交错布置方案模型布置图Fig.4 Layout of staggered arrangement of plant modules scheme

表2 试验工况Table 2 Test conditions

3 结果与分析

3.1 植物模块阻水效果

通过对植物满铺方案进行试验，对该体型的沿程水面线分布、流速分布进行测量，对该密度的植物模块的阻水效果进行分析，结果见表3。

表3 植物满铺方案水流试验结果Table 3 Flow test results of plants full arrangement scheme

本次试验所用水槽为水泥抹面，在加入植株之前，对应原型等效糙率为0.014，植物满铺方案所测得的原型等效糙率为0.2左右（表3），糙率值增加幅度较大。由此可知，本试验所测试的密度156株/m2的芦苇植株模块能够起到较好的阻水效果。

3.2 植物模块交错布置方案

对植物模块交错布置方案进行试验，分别对模型运行水深约为11和15 cm，（长度比尺λl=5，对应原型运行水深约为55和80 cm）2种工况进行试验研究。结果表明：位于鱼道中央的植物模块A将来流分成2股对称水流，位于鱼道两侧的植物模块B起到阻水作用，迫使2股水流重新汇合，从位于2个植物模块B之间的过鱼通道通过，然后再次进入植物模块A两侧的过鱼通道。由此可知，植物模块能够起到较为明显的阻水效果，鱼道内水流走向蜿蜒曲折，经历“分流-汇合-分流”的重复过程，流态丰富，水面线平稳（图5a）。

图5 植物模块交错布置鱼道水深及流速沿程分布Fig.5 Distribution of water depth and velocity along fishway in staggered arrangement of plant modules scheme

2种运行水深工况下，其水流流态和流速指标较为接近（图5b），水流流速能够得到有效控制。测点3位于植物模块A左侧过鱼通道的下游断面；测点7位于2个植物模块B中间过鱼通道的下游断面，这2个断面分别为各自过鱼通道内流速最高断面，即为决定鱼类能否成功上溯的控制断面。对这2类断面的流速结果进行统计，并按照流速比尺进行换算，这2类断面处对应的原型流速值范围均为 0.87～1.08 m/s，均小于1.1 m/s，能够满足过鱼需求。另外，试验发现在各植物模块下游一定范围内存在低流速区，对应原型流速值范围为0.2～0.6 m/s，可为鱼类提供休息场所。

为了更好的反映对植物模块交错布置方案流速控制断面的流速分布，分别对测点19和23的流速垂向分布进行研究，如图6所示。结果表明：测点19的流速在垂向上存在较大差异，表层和底层的流速相对较小，最大流速出现在水流的中间层，流速的差异分布为具备不同游泳能力的鱼类个体的通过提供了可能。测点23的流速垂向分布较为均匀。

图6 典型测点处的流速垂向分布（水深80 cm）Fig.6 Vertical distribution of velocity at typical measuring points(Water depth 80 cm)

综上所述，交错布置的植物型鱼道可以形成蜿蜒的水流，控制流速在合理范围内，同时流态丰富，柔性的边界贴近自然。

4 过鱼试验

为验证本文所设计鱼道的可行性，进一步开展了过鱼试验研究，判断所设计鱼道水流结构的合理性与有效性。

4.1 试验样本

草鱼是半洄游鱼类[15]，其幼鱼的半洄游习性也非常显著和有规律性，容易获取和养殖，十分适合作为试验用鱼，故本次试验选择草鱼幼鱼为过鱼对象。综合考虑鱼道尺寸、流速等因素，选择体长范围为(10±2) cm的草鱼幼鱼，如图7所示。

图7 试验用草鱼幼鱼Fig.7 Juvenile grass carp for experiment

龚丽等[42]于2015年测定了5～15 cm草鱼幼鱼的临界游泳速度，并得到拟合关系式

式中Ucrit为临界游泳速度，cm/s，BL为试验鱼体长，cm。

曹平[43]于2017年测定了6～15cm草鱼幼鱼的突进游泳速度，并得到拟合关系式

式中Uburst为突进游泳速度，cm/s。

经上式计算，本次试验中所用草鱼幼鱼临界游泳速度约为0.95 m/s，突进游泳速度约为1.17 m/s。

4.2 过鱼试验

将试验用鱼放置于1 m×1 m×1 m的矩形水池中暂养2周。暂养水循环深井水，水温维持在17 ℃左右，暂养池中采用曝气处理，溶解氧浓度维持在7 mg/L以上，光照为室内自然光，试验前2 d停止喂食。

试验在植物模块交错布置方案鱼道模型中开展。试验包括2种工况，每种工况分别放鱼10次，每次放鱼一条。工况1为原型运行水深80 cm，工况2为原型运行水深55 cm。试验开始前，先将试验鱼放置于鱼道进口下游水池适应10 min，随后撤去拦鱼栅。当试验用鱼通过第一个过鱼口时开始计时，到达模型终点时结束计时，并记录上溯时间。若上溯历时超过10 min试验鱼未抵达模型终点，则视为上溯失败。

4.3 过鱼效果

过鱼试验中发现大部分草鱼幼鱼在水池内趋流行为具体表现为顶流向前，草鱼通过调整身体运动姿态以某种特定的运动节奏摆动尾鳍向前推进。

过鱼对象体力充沛时，沿鱼道内预留过鱼口上溯，水流流速未对上溯行为形成阻碍，鱼类在通过中间水流通道后，可在两侧水流通道中自由选择，整体而言上溯过程顺利，如图8a所示。当鱼类需要休息时，可以在植物模块下游侧的低流速区休息，中间的植物模块A和两侧的植物模块B均可以在下游侧为过鱼对象提供休息区，如图8b和图8c所示。