竖缝相对位置对鱼道池室水力特性影响研究

戎贵文,杨绪婷,薄 飞,郭鲁楠,贺 甜

(1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001;2.安徽省引江济淮集团有限公司淮南建管处,安徽 淮南 232001)

水电开发在促进社会发展的同时也对水生态环境产生不利影响,河流筑坝导致河流纵向连通性降低,鱼类洄游受阻引发洄游性鱼类的数量减少,甚至种群灭绝[1]。为减轻水利水电工程建设对鱼类洄游的不利影响,通常在河流上修建过鱼设施,辅助鱼类完成生命周期。过鱼设施对于有效恢复水生生物多样性以及推进生态文明建设具有现实意义。

鱼道是一种供鱼类洄游的过鱼设施,竖缝式鱼道因其能够更好适应水位变化、符合多类型鱼的上溯需求,在国内外被广泛应用。鱼道流速是影响鱼类通过效率的主要水力学指标,通过对竖缝式鱼道结构体型的研究,可以优化鱼道内部的流速场分布。许多学者对竖缝式鱼道作了大量研究,通过观察鱼道水流,发现过鱼效率较高的鱼道都具有满足鱼类轻松上溯的流态特征[2],而且主流位于中心位置、回流区面积接近的鱼道水流对鱼类洄游更为友好,使得鱼类上溯消耗能量较少[3];鱼道池室长宽比为1.25时,鱼道池室具有较为稳定的流态和可供鱼类休息的回流区[4];鱼道低坡度条件下,池室宽度与竖缝宽度之比为7时,鱼道池室会出现主流撞壁的不利流态现象[5];鱼道内出现回流区过于靠近下游竖缝的流态,将会增加鱼类被冲刷至下游的风险[6]。竖缝式鱼道隔板型式对鱼道水力特性影响十分显著,在鱼道池室水位差较大的情况下,能够通过调整鱼道隔板改变流速[7];竖缝式鱼道池室采用流线型墩头能够减小主流偏转角度,有利于主流流速沿程衰减[8];竖缝式鱼道中的竖缝宽度明显影响池室场,竖缝宽度与池室宽度的比值在0.15～0.20范围内,鱼道内纵向流速更加均匀且横向流速值较小、流速条件较好[9]。水流的湍流特性对鱼类上溯影响较大,过大的湍流动能(Turbulent Kinetic Energy,TKE)会增加上溯阻力,影响鱼类洄游的成功率[10-11]。竖缝宽度及位置变化对鱼道流场和湍流动能影响显著,对鱼道水力特性(流态、流速、紊动能等)的影响机理仍有待进一步研究。本文以江济淮某工程鱼道为研究对象,研究竖缝位置变化对鱼道湍流动能、流场和回流区的影响,探讨池室水流结构最佳时的鱼道竖缝相对位置,以期为同类型鱼道工程设计提供参考。

1 数学模型

1.1 控制方程

RNGk-ε双方程紊流模型应用于鱼道水流模拟已经较为成熟,该模型既能提供水流的时均特性,又能更好地模拟弯曲流线和高应变率的流动。本文采用RNGk-ε双方程紊流模型研究鱼道水力特性,采用VOF(Volume of fluid)方法捕捉自由液面,控制方程如下:

连续方程

(1)

动量方程

(2)

k方程

(3)

ɛ方程

(4)

对自由表面的捕捉采用VOF方法

(5)

式中,ui为各方向速度分量,m·s-1;F为水或空气所占体积百分比。若F=1,表示水充满了整个计算区域;若F=0,表示计算区域内是空气,水与空气各自所占百分比的总和为1;函数F是空间和时间的函数,即F=F(x,y,z,t)。

1.2 数值方法及边界条件

1)数值方法 采用有限体积法离散控制方程,空间离散采用基于单元体的最小二乘法,动量方程、湍流动能、湍流耗散率均采用二阶迎风格式,速度-压力耦合计算采用压力隐式算子分割法(PISO算法)[12]。

2)边界条件 模型进口和出口边界条件分别设置为压力入口和压力出口边界,并给定水深条件,以模拟鱼道池室水流。其他壁面设置为无滑移边界条件,模型与空气交界面均采用压力入口边界。

2 计算区域及网格划分

本文以引江济淮某工程鱼道为研究对象,按照1∶1比例进行建模,模型共包含15个鱼道普通池室、1个休息池。图1为鱼道池室平面图,池室长L为3m、宽度B为2.5m,休息池长度是鱼道池室长度的两倍,竖缝宽度为0.4m,竖缝法线与鱼道中心线的夹角为45°,鱼道内部设同侧隔板,隔板厚0.3m、长隔板长1.7m、短隔板长P=0.65m。

图1 鱼道池室平面结构图(单位mm)

本文通过改变竖缝在池室中的相对位置,研究短隔板与鱼道宽(P/B)之比为0.18、0.26、0.34、0.42、0.5和0.58的6种工况(见表1)不同竖缝位置对鱼道池室水力特性的影响。

表1 研究工况

模型采用六面体网格进行划分,网格数为692 090,节点为754 344,如图2所示。模拟过程迭代计算的残差值为10-5,时间步长为0.01s。

图2 网格划分图

3 模型验证

利用物理模型试验结果对本文的数学模型进行验证。物理模型试验中,在中间鱼道池室内选取7个横断面,每个横断面间隔为0.5m;每个断面纵向设9个测点,测点间隔为0.25m。池室共布置测点63个,如图3所示。

图3 测点分布图(单位mm)

选取主要断面Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ的流速实测值与数值模拟结果进行验证(见图4)。从图4中可以看出,所有测点中实测值的最大流速为0.68m/s,最小流速为0.03m/s,模拟结果的最大流速为0.74m/s,最小流速为0.04m/s,表明数值模拟的流速值与试验结果基本吻合。因此,本文所构建的数学模型是合理的。

(a)断面Ⅰ (b)断面Ⅲ (c)断面Ⅵ

4 讨论

采用所建立的数学模拟对6种工况分别进行模拟计算,得到鱼道池室的流场和湍流动能,对不同工况下池室内的水力特性进行分析。

4.1 池室流场特性

竖缝位置的改变对鱼道池室流场有直接影响[13]。图5为6种工况水深h=0.8 m剖面流场。

(a)工况1 (b)工况2

从图5可知,主流从竖缝以射流形式流入池室,射流沿断面呈现先扩散后收缩的趋势,流速也随之先降低后增高,两侧都有流速较低的回流区。主流区的流速分布和衰减率与鱼类在上游过程中的体能消耗、上溯时间和洄游成功率密切相关[14]。对比发现,6种工况的主流距池室左壁面渐远,横向扩散趋势更明显,弯曲程度加大。其中,工况1主流较为顺直,偏转角度小,主流靠近池室左侧;工况2、3主流弯曲角度比工况1大,主流呈“S”形;工况4、5、6的主流经过上一个竖缝后向右侧偏转的角度较大,横向宽度扩大,到达下一竖缝处收缩,部分水流贴近池壁冲击下一池室挡板,工况6水流贴壁现象更加明显。由此可见,改变挡板的长度会对主流轨迹产生影响。这与文献[15]洄游鱼类通常沿着主流向上游游动相一致。工况3中主流位于池室中央,这种流态对于鱼类上溯有利,而工况5、6出现主流贴壁现象,在鱼类上溯过程中可能会对鱼体造成损伤,降低鱼类存活能力。

根据以往的研究,洄游鱼类需要以爆发泳速连续通过鱼道竖缝,因此会消耗大量体能,需要适当休息后继续上溯[16]。回流区能够为鱼类提供低流速休息环境,因此鱼道回流区面积分布对鱼类持续上溯十分重要。工况1中池室右侧回流区面积较大,约为左侧回流区的3倍;工况2、3左侧回流区面积增加,工况3主流两侧回流区面积接近,分布较合理;工况4、5、6属于同类型流场,两侧的回流区分布与工况1相反,主流左侧有大面积回流区,且随着竖缝位置右移,左侧回流区面积依次增加,主流右侧回流区面积被主流压缩。由此可见,竖缝位置距池室边壁的距离应该控制在一定范围内,否则会导致两边回流区面积分布差异很大,鱼类容易在大面积回流区中迷失方向,降低鱼类的通过效率。因此,P/B的取值范围控制在0.26～0.34之间时,池室流态分布更适宜。

4.2 池室流速云图

流速是鱼道水力特性的重要参数之一,若池室流速大于鱼类的爆发游速,鱼类难以成功上溯。图6展示的是6种工况下h=0.8m剖面的流速等值线云图,6种工况均有明显的流速分区现象。水流呈现多样性,但流速分布差异不大,中层流速范围0.10～1.0m/s,受主流偏转影响,最大流速都出现在竖缝处及隔板前后;最大流速为0.9～1.0m/s左右,其中工况2～4主流流速峰值区面积较其他工况小。一般情况下,鱼类上溯过程中会优先选择低流速区域通过[17]。故工况2～4的流速分布符合鱼类洄游偏好。

(a)工况1 (b)工况2

随着竖缝位置变化,流速较大的面积呈现先下降后增加的趋势,表明竖缝位置改变对主流最大流速分布有一定影响,但影响较小。文献[18]对竖缝鱼道体型作了相关研究,发现竖缝位置对主流流速的衰减及竖缝处流速分布影响不大,与本文的研究结果一致。竖缝位置靠近池壁时,最大流速面积增大。同时6种工况的主流高流速区面积较小,仅占单个池室面积的1/4左右,低速区分布在主流区两侧,与回流区重合,为鱼类提供了一个休息空间。低流速区分布有所不同,工况1～3池室左侧的低流速区最大值均为0.2m/s,主流右侧回流区流速全部低于0.1m/s;工况4左侧回流区最大流速为0.3m/s,且最大流速区域面积增加,右侧回流区面积较小,最大流速为0.2m/s;工况5左侧回流区最大流速为0.2m/s,右侧回流区最大流速为0.1m/s,主流左侧低流速区面积较大;工况6左侧回流区最大流速为0.3m/s,右侧回流区最大流速为0.2m/s。相比前3种工况,后3种工况回流区流速大于0.2m/s的区域增加。当P/B的取值范围控制在0.26～0.34之间时,池室流速分布更有利于鱼类上溯。对比不同工况下鱼道池室内的流速分布,发现存在友好流态时,池室内最大流速出现一定程度的降低,流态与流速之间的变化关系对于鱼道设计具有参考价值。

4.3 池室湍流动能(TKE)

研究表明,鱼类在上溯中都偏好利用低湍流动能区作为休息区,然后再尝试穿越更高流速和湍流区域,研究鱼道池室TKE分布对提高鱼道过鱼效率具有重要意义[19-20]。6种工况h=0.8m剖面的TKE等值线云图如图7所示。

(a)工况1 (b)工况2

由7图可知,整个池室的TKE的范围在0～0.05m2/s2,隔板导角周围的TKE值最大,并且沿射流方向衰减。主流区两侧的回流区TKE较小,回流区TKE范围在0～0.02m2/s2的面积区域较大,流速与湍流动能成正相关,意味着在低速区域也应提供低TKE值,主流流态的分布也存在很强的关联。

随着竖缝位置向池室中央靠近,湍流动能大于0.02m2/s2的范围缩小。其中,工况1、2的湍流动能分布相似,靠近左侧隔板的水流出现TKE的最大值0.05m2/s2,工况1中TKE≥0.02m2/s2区域的面积更大,沿竖缝前后延伸,两种工况中TKE≥0.02m2/s2的面积占整个池室的1/4左右;工况3中湍流动能最大值为0.03m2/s2,对比前两种工况,TKE最大值下降约40%,除了挡板两侧分布有大于0.02m2/s2的区域,池室中其他区域TKE值均在0.01m2/s2左右;工况4的TKE整体低于0.02m2/s2,TKE是所有工况中最小的,其TKE极值区靠池室右侧分布,可能是由于主流与右侧池壁和挡板产生摩擦;工况5、6的TKE最大值为0.05m2/s2,相比前两种工况有所增加,湍流动能最大值位置出现在短挡板导角处,与工况1、2最大值出现位置基本一致,工况6的TKE变化更加剧烈。出现这种状况是由于竖缝位置改变导致主流偏转角增加,部分水流碰撞短挡板后导致紊流增大。综上所述,竖缝位置改变对鱼道池室TKE影响显著,不仅改变了TKE分布的面积和位置,还影响其大小,竖缝位置位于池室偏中央处,TKE呈下降趋势;当P/B取值范围为0.34～0.42时,挡板对池室TKE减弱效果更好。我国鱼类大部分游泳能力较弱,会避开鱼道高流速和紊动能的区域,对鳙鱼和草鱼的上溯行为研究发现,它们偏好的TKE范围为0.02～0.043m2/s2[21],而幼年草鱼在上溯时会避开TKE大于0.012m2/s2的区域[22]。本文研究认为,P/B取值范围为0.34～0.42时能够减弱鱼道内湍流动能,将鱼道内TKE最大值减小至0.02m2/s2,该结论对于鱼道挡板设计有一定借鉴意义。

5 结论与展望

(1)竖缝相对位置改变对主流有明显影响,P/B越大,主流弯曲程度越大。当P/B≥0.42时,主流出现贴壁现象,左侧的回流区面积过大,不适宜鱼类上溯;当P/B在0.26～0.34范围时,池室内流态分布较好。

(2)竖缝位置变化导致鱼道池室的湍流动能、回流区流速分布产生显著变化,改变了鱼道池室湍流的分布位置和区域;当0.34≤P/B≤0.42时,湍流动能相对较小,能够减少鱼类上溯阻力。从湍流动能、流速场分布综合来看,当P/B为0.34时,池室内的水流流态更有利于鱼类洄游,能够为鱼道优化设计和修复鱼类生境提供参考。

(3)在鱼道的宽度和长度确定的情况下,改变P/B比值是调节鱼道主要水力学参数的一种最经济有效的方法,营造适宜的水流环境对提高竖缝式鱼道的运行效果和生态效益非常重要。

对鱼道水力特性造成影响的因素有很多,本研究立足竖缝相对位置变化对水力特性的影响,而实际天然水流环境更加复杂,流量的变化对鱼道流场和湍流强度影响更大,未来可通过原型长期观察试验进一步揭示鱼道水力特性的影响机理。