鱼道进口补水消能数值模拟研究

2022-06-30贺新娟孙万光苏文亮李广一

水资源与水工程学报 2022年3期

贺新娟，白冰，孙万光，苏文亮，李广一

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林长春 130061)

1 研究背景

现有过鱼设施的调研结果表明大部分鱼道的运行情况并不理想，鱼类洄游通道和生境恢复技术的水平仍然不高[1]。从河流生态环境复苏、水电能源绿色可持续、水利高质量发展等长远角度出发，对现有的鱼道设计和建设水平提出改进方法和措施，对大幅提高过鱼设施的有效性具有重大意义。利用不同诱鱼技术提高鱼道进口集诱鱼效果是近年来过鱼设施研究的热点[2]，常见的诱鱼技术有水流、声、光、气泡幕等，其中水流诱鱼措施在目前实际工程中仍然应用最多。很多研究和设计侧重于鱼道内部结构和水流条件等方面[3]，而鱼道设计成败的关键是鱼道进口能否吸引鱼类较快地发觉和顺利进入[2,4]，若鱼道进口水流条件不佳，仅对其内部过鱼条件进行优化是无效的。

过鱼设施相对于河流而言流量很小[5]，鱼道进口设计的一个重要任务是强化其诱鱼、导鱼、集鱼的效应，以提高进鱼能力[6]，鱼道进口宽度越大，河道中鱼类越容易发现并进入鱼道，而进口越宽，其断面流速越小。国内外研究表明，过鱼设施可通过性受多种因素影响，进口吸引水流显然是影响过鱼设施效果的关键因素[7-10]，为使鱼道进口达到较好的吸引效果，鱼道进口的吸引流量应高于自然状态下流量的3%～5%，而鱼道本身的设计流量仅为1 m3/s左右，诱鱼流量远远不能满足要求[8]，造成鱼道进口流速低于鱼类感应流速，对诱鱼极为不利，因此需要设置补水系统，向鱼道进口及集鱼槽内补水[11-13]。如何选用合适的补水方案改善鱼道进口水流形态以及不同补水形式如何改变鱼的游动行为从而吸引其进入鱼道进口、提升过鱼效率是国内外鱼道研究关注的热点[8-9,11,14]。实际设计中，常采用在鱼道进口矩形渠道段的底部开挖补水消能池，利用补水钢管引流至消力池，以获得相对分散、稳定、均匀的补水水流，从而提高鱼道进口水流流速。实际运行中，钢管补水水体与消能池中的水体互相掺混，对鱼道内水体会产生明显扰动，导致鱼道内(消能池部位)流态紊乱，不利于鱼类的洄游。

目前国内外学者对鱼道进口的水流结构、水流流态、流速分布等水力特性开展了大量研究[3,15-19]，但对补水消能池方案的优化研究较少，针对补水消能段如何获得适合鱼类洄游的紊动流场分布的研究仍不成熟。鱼道进口补水消能段水流流态紊乱，三维结构复杂，且紊流流场尺度较小、变化复杂，通过实测手段很难捕捉到完整的流场结构，且已有研究表明[14,20-23]，鱼类洄游对水流紊动能因子的要求也较高，而通过现有观测手段难以获取水流的紊动能。本文以国内某电站鱼道进口为研究对象，首次提出了在消能池顶部设置盖板的鱼道进口补水消能方式，通过三维数值模拟手段对鱼道补水消能池复杂流场结构进行分析，对紊动能参数进行求解，优化补水消能方案，以获得适合鱼类上溯的流场和紊动能分布，对解决此类工程过鱼设施进口补水消能池的布置以及鱼类对水流条件的响应问题具有一定参考意义。

2 数学模型建立及验证

2.1 基本方程

通过三维数值模拟方法计算分析鱼道和补水消能池内水流特性。紊流模型选择k-ε双方程模型。基本方程表示如下：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

(5)

(6)

式中：ρ为水的密度，kg/m3；ui、uj为速度矢量，m/s；t为时间，s；μ为分子黏性系数，kg/(m·s)；k为紊动能，m2/s2；ε为紊动耗散率，m2/s3；μt为紊动黏滞系数，kg/(m·s)，由k和ε值根据公式(5)求出；Cμ为经验常数，一般取值为0.09；σk为k的紊动普朗特数，取值为1；σε为ε的紊动普朗特数，取值为 1.3；C1ε、C2ε均为ε方程的经验常数，取值分别为1.44和1.92；G为由平均速度梯度引起的紊动能产生项，由公式(6)定义。

表1 观测断面各测点流速数值计算结果的误差统计 m/s

自由表面采用VOF(volume of fluid)方法，在空间上定义函数F来实现对计算域内相间界面的追踪，表示流体的体积占所在网格体积的比值，当全含水时，F=1;当不含水时，F=0，当为自由表面时，0

(7)

由方程式(1)～(4)、(7)建立方程组，为了求解出全部计算域的未知变量，采用有限差分方法进行离散求解。将上式写成如下的通用形式：

(8)

式中：φ为通用变量，如速度、紊动能等；Γφ为变量φ的扩散系数；Sφ为方程的源项。

2.2 模型求解

模型上边界条件为流量，下边界条件为鱼道水深；鱼道顶面边界设置为压力进口，相对压强值设置为0，以便空气可自由出入；固体边界采用无滑移条件；进出口的紊动能k和耗散率ε由下列经验公式得出：

k=0.00375u2

(9)

(10)

式中：L为紊流特征长度，m。

2.3 三维模型建立

模拟范围主要为补水消能池，消能池上下游与鱼道池室连接，不模拟隔板和导板。三维实体概化模型如图1所示。网格划分采用结构化有限差分网格，网格尺寸为0.1和0.05 m，局部进行加密，采用FAVOR (fractional areas/volumes) 方法处理网格与模型边界的拟合，网格划分示意如图2所示。

图1 鱼道补水消能池三维实体概化模型

图2 模型网格划分与边界拟合方法示意图

2.4 物理模型试验验证

运用某电站补水消能池顶局部加盖板方案的物理模型试验成果对数学模型进行验证，选取补水管补水流量接近上限补水能力同时鱼道运行水深为相对较小的最不利组合工况优化鱼道补水消能方案。受试验场地限制，局部物理模型比尺确定为1∶8，消能池、上方盖板及鱼道进口采用有机玻璃制作，以便观察消能池内消能效果及流态，水位量测采用水位测针和NA2型水准仪，流量采用三角形量水堰及超声波流量计(UFLO2000PAM-Z3)量测，流速采用NKY02-1型旋桨式流速仪量测。物理模型及试验验证观测断面布置见图3。

图3中1#、2#、3#、4#、5#为垂线上流速测量的测点编号。因为旋浆式流速仪测得的流速仅为顺水流方向的分量，这里称其为vu，0+01.10 m、0+02.80 m、0+04.90 m、0+07.00 m等4个流态比较紊乱断面的顺水流方向流速数值计算结果(断面中间位置)与物理模型实测值的对比见图4，数值计算的误差统计见表1。

图3 物理模型及试验验证观测断面布置

图4 各观测断面中间位置流速数值计算结果与物理模型实测值对比

从图4和表1中可以看出，同一条垂线上的顺水流方向流速差别是非常大的，但是数值模型与物理模型流速沿垂向分布的趋势基本一致，特别是对回流的模拟相对比较准确；因消能池流场结构复杂，部分断面垂线流速分布计算结果与实测值有一定误差也是可以接受的。总体来看，建立的三维模型可以较准确地刻画消能池流场结构，可作为补水消能方案优化研究的技术手段。

3 鱼道进口补水消能数值模拟研究

3.1 数模计算工况选取及方案优选依据

罗凯强等[14]通过提取目标鱼成功上溯路径上对应的水流速度场和紊动场发现，齐口裂腹鱼上溯偏好流速为0.6～0.8 m/s，优先选择低紊动区(0.01 m2/s2)，且明显逃离高紊动区(紊动能k>0.04 m2/s2) 进行上溯，验证了紊动能和流速是影响鱼类上溯的重要水力因子。谭均军等[21]将放鱼试验实测的竖缝式鱼道池室内鱼类运动轨迹与水力因子的空间分布进行叠加，水力因子主要有流速、紊动能、紊动耗散率和应变率等，定量分析了特定水力因子对鱼类洄游上溯的运动特性、水力偏好以及鱼类运动轨迹等影响程度，获得了竖缝式鱼道内鳙鱼和草鱼洄游上溯喜好的水力范围。研究结果表明：竖缝式鱼道池室内，流量为0.135 m3/s时，鳙鱼、草鱼上溯喜好的紊动能范围为0.02～0.035 m2/s2，喜好的水流流速范围为0.16～0.4 m/s，喜好的紊动耗散率范围为0.02～0.04 m2/s3，喜好的应变率范围为2～3.5 s-1。水力因子流速和紊动能与两种鱼洄游上溯时间的相关性最大；流速因子仍然是决定鱼类洄游上溯方向的关键因素，但是对于局部空间内的鱼类运动行为，紊动能因子可能具有更直接的影响。紊动能因子表示流体紊动所携带的动能量，反映了流体紊动的强弱。紊动能k的表达式如下：

(11)

(12)

本研究以国内某电站鱼道进口为对象，采用三维数值模拟手段对鱼道补水消能池流场结构进行分析，从而优化补水消能方案，优选的依据主要为适宜鱼类洄游上溯的流场分布和紊动能分布区域(紊动能k<0.035 m2/s2)。对补水消能池盖板位置、缝隙宽度与间距布置等方面做了系统的研究，因篇幅有限，文中仅对部分工况成果进行对比展示，典型工况设计见表2，补水消能池盖板布置示意见图5。

表2 数值模拟计算工况设计

图5 鱼道补水消能池盖板布置示意图(单位：cm)

3.2 鱼道进口补水消能段三维流场分析

3.2.1 无盖板方案流场分析补水消能池顶无盖板方案主要模拟了补水管出水角度为90°和45°两种工况，不同工况鱼道纵剖面流场和水平流场分布对比如图6、7所示(0.1H、0.5H、0.9H分别为鱼道近底层、中部和近表层，H为鱼道池室水深，下同)。

由图6可知，补水管补水流量进入消能池冲击消能池底板后，一部分水流沿着补水管外侧贴近边壁做垂向向上运动，大部分水流顺水流方向向下游运动，受消能池升坎的影响，水流贴升坎做垂向向上运动。水流沿2个方向的垂向向上运动形成了2个方向的回流，即补水管外侧贴近边壁向上运动的水流形成比较明显的垂向向下运动的回流，且回流影响范围较大；贴升坎做向上运动的水流沿水流方向形成垂向向下运动的回流。

图6 无盖板方案不同工况纵剖面流场对比

由图7可知，在补水消能池首、尾附近分别存在一个水流对冲区和水流分离区。消能池首部补水管下游附近断面的水流对冲区是因鱼道水流遭遇贴升坎上升水流所产生的回流而引起的；消能池尾部附近的水流分离区是因升坎上升流及其产生的回流分离所产生的。不同水深处平面流场均比较紊乱，不利于鱼类洄游。

图7 无盖板方案不同工况垂向0.1H、0.5H及0.9H处平面流场对比(补水消能池范围为x∈[5,14])

3.2.2 盖板等间距布置流场分析补水消能池顶盖板等间距布置方案主要模拟了缝宽分别为0.4、0.3、0.2 m的3种工况，不同工况流场分布基本一致，部分工况的鱼道纵剖面及平面流场如图8所示。

图8 盖板等间距布置方案不同工况流场对比(补水消能池范围为x∈[5,14])

与无盖板方案流场进行对比分析可知，在鱼道纵剖面流场方面，受到消能补水池顶部盖板的影响，补水水流在消能池内做逆时针旋转流动，遇出水缝则向上部鱼道流动，消能补水池尾部附近的出水缝流速相对较大，而首部出水缝流速相对较小；在鱼道平面流场方面，3种工况下水平流场分布基本一致，鱼道近底部因受出水缝出流影响，流场相对比较紊乱，但在近边壁附近流场比较规律，随着水深的增加，鱼道上部平面流场受出水缝出流影响较弱，流态相对平顺。

3.2.3 盖板不等间距布置流场分析补水消能池顶盖板不等间距布置主要模拟了缝宽首宽尾窄布置和首尾窄、中间宽布置两种方案共计4种工况，部分工况的鱼道纵剖面及平面流场如图9所示。

图9 盖板不等间距布置方案不同工况流场对比(补水消能池范围为x∈[5,14])

与方案A和方案B流场对比分析可知，补水消能池尾部盖板的出水缝变窄甚至取消，迫使各出水缝出流流速相对均匀；两种方案下各水深水平流场分布基本一致，鱼道近底部因受出水缝出流影响，流场相对比较紊乱，但在近边壁附近流场比较规律，随着水深的增加，鱼道上部平面流场受出水缝出流影响较弱，流态平顺。D-2工况盖板缝宽首尾窄、中间宽布置方案的流态相对更加平顺。

3.3 鱼道进口补水消能段紊动能分析

3.3.1 无盖板方案紊动能分析补水消能池顶无盖板方案不同工况下，鱼道不同水深平面紊动能分布对比如图10所示。

图10 无盖板方案不同工况紊动能对比(补水消能池范围为x∈[5,14])

对不同工况鱼道平面紊动能的分析可知，从鱼道近底层至近表层，补水管下游绝大部分面积的紊动能均超过0.035 m2/s2，无适合鱼类洄游的区域。

3.3.2 盖板等间距布置紊动能分析补水消能池顶盖板等间距布置方案不同缝宽工况下，鱼道不同水深平面紊动能分布对比如图11所示。

图11 盖板等间距布置方案不同工况紊动能对比(补水消能池范围为x∈[5,14])

通过对不同方案鱼道平面紊动能的分析可知，与无盖板方案A相比，方案B不同工况紊动能显著降低，主要是因为补水水流自盖板间缝隙进入鱼道，强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团，涡团尺度变小后，黏性切应力易将紊动能转化成内能而耗散掉，使鱼道内紊动能降低；工况B-1鱼道垂向中部、近表层以及工况B-2的近表层均存在较大范围的紊动能大于0.035 m2/s2的区域，不适合鱼道洄游；工况B-3不同水深平面大部分区域紊动能小于0.003 m2/s2，低紊动能因子也不利于鱼类感应上溯，故不具备适合鱼类洄游的条件。

3.3.3 盖板不等间距布置紊动能分析补水消能池顶盖板不等间距布置主要模拟了缝宽首宽尾窄布置和首尾窄、中间宽布置两种方案，不同工况鱼道不同水深平面紊动能分布对比如图12所示。

图12 盖板不等间距布置方案不同工况紊动能对比(补水消能池范围为X∈[5,14])

通过对不同方案鱼道平面紊动能的分析可知，工况C-1和D-1在鱼道近底层均存在一个平面紊动能超过0.035 m2/s2的区域，但近边壁附近仍有较大范围的紊动能小于0.035 m2/s2的区域，鱼类洄游可以通过；工况C-2和D-2大部分区域紊动能小于0.02 m2/s2，均具有适合鱼类洄游的通道，但工况D-2流态更加平顺，缝宽首尾窄、中间宽的布置型式使各缝垂向流速比较均匀。综合来看，工况D-2的水流条件更利于鱼类洄游。

4 讨论

鱼道进口流速受鱼道内部流量和出口尺寸的限制，使诱鱼水流影响范围有限。通过在鱼道进口段设置补水消能池的方式，可以增大鱼道进口的吸引流流量，从而提高鱼道进口的水流流速。但补水水体与消能池水体掺混，会对鱼道内水体产生明显扰动，导致鱼道内(消能池部位)流态紊乱，其紊动流场尺度小、变化复杂。补水消能池压力管道集中出流会带来消能问题，出流断面流速分布极不均匀，易生成涡团，并且涡团尺度大，紊动能不易耗散，会导致局部紊动能偏大，不利于鱼类洄游。

已有研究[14,20-23]表明，鱼类洄游对水流紊动能因子要求也较高。谭均军等[21]采用将实测鱼的运动轨迹与不同水力因子分布进行叠加的方法，获得了竖缝式鱼道内鳙鱼和草鱼洄游运动的水力偏好范围，结果表明大部分试验鱼倾向于沿较短的上溯路径运动，且试验鱼大部分运动路径均避开了高紊动能区，但并未避开高流速区；罗凯强等[14]通过分析鱼类对水力因子的偏好，构建了鱼类上溯行为与水力因子间的关联，得到了鱼类在鱼道进口区域上溯的偏好流速和紊动区域，结果表明鱼类在进入鱼道进口趋向选择较为平稳的急流进行上溯，会明显地避开紊动能超过0.04 m2/s2的区域；廖伯文等[16]对某高坝过鱼设施集诱鱼进口水力学条件进行数值模拟与模型试验研究，提出了鱼道进口集诱鱼所需要满足的水力学条件，研究表明目标鱼类喜好沿着紊动能较低的区域上溯。本文首次提出了在消能池顶部设置盖板的鱼道进口补水消能方式，在消能池顶部设置盖板并且调整盖板间缝宽，强制将紊流涡团尺度变小，获得了紊动能区域不大于0.02 m2/s2的盖板不等间距布置方案。

本次研究表明，在消能池顶部加盖板会起到消能作用，但同时也减小了流速，陈海燕等[3]通过试验研究得出诱鱼补水装置安装后流速降低了近50%也验证了这一点，然而一定大小的流速也是吸引鱼进入鱼道的关键，如何解决消除大尺度紊动与减小流速之间的矛盾是必须关注的问题。后续工作将进一步通过原型观测进行实证研究，对本文数值模拟提出的鱼道进口补水消能方案进行验证，保证鱼道进口吸引水流流速既满足目标鱼类的感应流速，又不超过诱鱼流速的极限值。下一步研究可以根据实际过鱼对象的习性，通过物理模型和活鱼试验进一步验证优化补水消能池布置方案，解决消除大尺度紊动与减小流速的矛盾，分析总结不同鱼类上溯偏好选择的流速分布区域和紊动能分布区域。

此外，关于鱼道进口已有的相关研究表明[14,20-21]，除了流速和紊动能外，水流的紊动强度、雷诺剪切应力、涡径及溶解气体等因素均会影响鱼类运动行为，还需要从鱼类生理学的角度对鱼类的游动能力和上溯行为进行研究。尽管关于鱼道进口辅助补水系统对进口过鱼效果影响的研究已经很多，但是如何建立进口补水消能系统水流特征与鱼类游动行为之间的响应机制以及不同补水形式的差异化对鱼道进口过鱼效果影响机理仍需进一步明晰。