竖缝宽度对鱼道100°转弯处水流特性的影响研究

韩 雷，狄高健，刘发智，田振华

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

水利工程的建设阻隔了原本连通的河道，影响了河流生态系统的完整性和连续性，同时也中断了具有洄游习性的鱼类的上溯与繁殖。从保护河流生态系统多样性角度，减轻水利工程阻隔的影响，一般需要修建鱼道、升鱼机等过鱼建筑物，为鱼类等洄游生物的上溯提供通道。因此，鱼道的修建逐渐受到重视，而竖缝式鱼道因其结构简单、主流明晰且过鱼效果佳等特点，在实际工程中被广泛使用[1]。由于水利枢纽大多上下游水位差较大，鱼道较长，受枢纽布置型式及场地条件限制，很难将鱼道布置成直线型式，往往会随地形地质的变化被布置成各种角度，形成弯道段。而在鱼道转弯段内，随着水流方向发生变化，很容易出现主流不明确或主流贴壁等现象，并伴随大尺度回流区的出现，若鱼类进入此回流区域则无法感知水流方向，影响其上溯洄游，严重情况下会导致大量鱼类在转弯段滞留，鱼道的过鱼效率便会降低[2]。因此，鱼道转弯段水流特性的研究至关重要。本文以某工程中涉及到的100°鱼道转弯段为研究对象，采用数值模拟的方法，进一步研究了竖缝宽度对100°转弯段鱼道水池内水流结构的影响。

1 工程概况

某水库是一座以灌溉、防洪为主，兼顾发电等综合利用的大(2)型水利枢纽。枢纽建成后，将会阻隔保护鱼类洄游通道，因此修建竖缝式鱼道作为过鱼通道，保护洄游鱼类如细鳞鱼、哲罗鱼、雷氏七鳃鳗、江鳕等珍贵冷水性鱼，以及鲢、鳙、鲤等温水性鱼。此水库鱼道采用同侧横隔板竖缝式鱼道型式，全长2000余米。鱼道各标准池室底板纵坡比采用1∶78。鱼道标准池室长度4.0 m，净宽3.0 m[3]。池室结构尺寸如图1。

图1 某工程鱼道池室结构尺寸图(单位：cm)

2 数学模型的建立

本研究采用标准k-ε紊流模型，其主要控制方程为：

连续方程

(1)

动量方程

(2)

K方程

(3)

ε方程

(4)

自由表面采用VOF(The Volume of Fluid)方法，在空间上定义函数F，全含水为1，不含水为0，当为自由表面时，0

(5)

网格划分：鱼道池室内采用四边形网格与三角形网格相结合的方式划分网格。

边界条件：鱼道上游边界为流速进口，下游边界为自由出流，残差的绝对标准值为1 ×10-5，时间步长为0.01 s。

3 不同竖缝宽度下鱼道100°转弯段的水流结构分析

图2 竖缝式鱼道100°转弯示意图

由于竖缝宽度的不同，水流通过竖缝进入弯道段池室时，水流在池室内的横向扩散、混掺也不同，主流流态与两侧回流区的差异也较大，六种工况计算结果如下。

(1) 当α1=0.4时，水流进入池室后发生的偏转角度微小，主流成直顺态，无典型的竖缝式水流流动结构“S型”流向，主流右侧无回流，而左侧出现大尺度的不利回流，会造成鱼类迷失方向。流场图见图3。

(2) 当α2=0.5时，水流进入池室后发生的偏转角度较α1=0.4时略有增大，主流偏转弧度增大，但整体仍较直顺，“S型”流向不明显，主流左侧有大尺度不利回流，右侧基本无回流。流场图见图4。

(3)当α3=0.6时，水流进入池室后发生的偏转角度适中，主流基本位于池室中央，主流明晰，水流流向明确，呈“S型”流向，在隔板下游主流两侧形成局部回流，左右两侧回流较对称，强度不大。未出现主流临近两侧边墙的不利流态。流场图见图5。

(4) 当α4=0.7时，水流进入池室后发生的偏转角度适中，主流位于池室中央，主流非常明晰顺畅，水流流向明确，呈现“S型”流向，水流在水池内扩散较好，未出现主流临近两侧边墙的不利流态。主流两侧均出现明显回流，但左右两侧回流对称且大小相当。流场图见图6。

(5) 当α5=0.8时，水流进入池室后偏转弧度略大，水流在水池内扩散较大，可以看出主流临近右侧边墙出现一些不利流态。左侧回流较大，右侧基本无回流，主流左右两侧水流不对称。流场图见图7。

(6)当α6=0.9时，主流明确但偏转角度过大，水流扩散较大，左侧回流较大，右侧基本无回流，主流左右两侧水流不对称。主流临近右侧边墙出现不利流态。流场图见图8。

图3 α1=0.4流场图

图4 α2=0.5流场图

图5 α3=0.6流场图

图6 α4=0.7流场图

图7 α5=0.8流场图

图8 α6=0.9流场图

4 计算结果分析与讨论

通过六个工况下100°转弯处的水流结构数值模拟可知，流场结构大致可以分为以下三类。

第一类：0<α≤0.5时，主流直顺，水流进入池室后基本不发生偏转，主流左侧有较小回流，右侧无回流。

第二类：0.5<α≤0.7时，水流进入池室后发生的偏转角度适中，主流基本位于池室中央，主流明晰顺畅，水流流向明确，呈现“S型”流向，水流在水池内扩散较好，未出现主流临近两侧边墙的不利流态。在隔板下游主流两侧形成局部回流，左右两侧回流对称，大小相当且强度不大，为鱼类提供了有效的休息场所。

第三类：0.7<α≤0.9时，主流明确但偏转角度过大，左侧回流较大，右侧基本无回流，主流左右两侧水流不对称。

经过对六个工况下100°转弯处的水流结构数值模拟可见，竖缝宽度的变化会影响水流在池室内的横向扩散、混掺，进而影响主流区内沿程的流速变化。当0<α≤0.5时，竖缝宽度较小，水流的横向扩散、混掺程度较弱。当0.7<α≤0.9时，主流明确但偏转角度过大，左侧回流较大，右侧基本无回流，主流左右两侧水流不对称。而当0.5<α≤0.7时，竖缝宽度逐渐增大，水流在池室内的横向扩散增强，主流愈来愈趋向池室中央，左右两侧区域回流明显且趋于对称，流场结构合理。可见，对于固定长宽比、导板长度、导向角度、墩头型式及隔板长度等影响值下，100°转弯处的水流结构在此竖缝范围内相对较合理。

5 结 论

本文通过数值模型计算，对某工程中六种工况下的竖缝式鱼道100°转弯段的水流结构进行了研究，研究表明竖缝宽度对鱼道弯道处池式内水流流场有一定的影响。计算结果分为三类阐述，在此工程鱼道结构下，分析出更适合鱼类上溯的池式竖缝宽度下的水流结构特征。当0.5<α≤0.7时，水流进入池室后发生的偏转角度适中，主流基本位于池室中央，主流明晰顺畅，水流流向明确，呈现“S型”流向，水流在水池内扩散较好，未出现主流临近两侧边墙的不利流态。