竖缝式双池室鱼道与传统VSF水力特性对比

鱼道是为保障鱼类的生存繁衍,保护洄游性水生生物通过水坝、水闸等障碍物的重要通道。采用RNG k-ε模型对竖缝式双池室鱼道和传统竖缝式鱼道(VSF)进行数值模拟计算,对比分析各项水力特性。结果表明:与传统VSF相比,竖缝式双池室鱼道流场的主流区数量更多、回流区更稳定;鱼道具有丰富的流速信息,且各竖缝处的最大流速和平均流速均小于传统VSF的50%;鱼道3条主流区位置分布均匀,流速综合衰减率较传统VSF高3%左右。竖缝式双池室鱼道作为一种新型VSF,其水力特性达到了传统VSF结构优化设计的目的,相关成果可为鱼道工程建设提供参考。

异侧竖缝式鱼道在实际工程中的设计与模拟分析

竖缝式鱼道具有水流条件好,回流区位置明确,适应上下游水位变化能力强的特点,是目前过鱼效率高、应用广泛的过鱼工程设施。为增加研究区内鱼类洄游的效果,根据规范要求,初步设计3种鱼道池室隔板型式,利用数值模拟的方法,在上下游2 m等水深的条件下,探究隔板型式变化对池室水流结构的影响。通过分析池室内的水流流态、竖缝处流速分布以及消能效果等对隔板型式进行优化。通过改变第2种隔板型式尺寸,竖缝宽度由0.6 m降低到0.5 m,在池室水流流态以及竖缝处流速较好的前提下,使竖缝附近最大流速小于设计流速1.2 m/s;并对优化体型进行不同等水深条件下的过流能力计算,在水深变化0.5~2.0 m区间时,鱼道过流能力在0.236~0.951 m^(3)/s之间。池室内良好的水流流态以及竖缝处流速分布的合理性为研究区内大部分鱼类的上溯提供了良好的通道,不同水深的过流能力为鱼道运行调度起到了参考作用。

竖缝式鱼道桩柱结构过鱼效果探究

为优化鱼道池室结构,提升鱼类洄游效果,以常规竖缝式鱼道为原型,以齐口裂腹鱼(Schizothorax prenanti)为试验对象,通过数值模拟和对照性过鱼试验,比较分析了4种池室内部增加与未增加桩柱的水流结构。结果表明,在鱼道主流中间增设桩柱结构,可以有效减小回流区面积,减幅达49%,并可减小竖缝处的紊动能,最大减少18%;增加鱼类上溯路线分布,提高了池室空间利用率。2种结构的上溯轨迹分析发现,齐口裂腹鱼多选择回流区外侧上溯,避免进入回流区中心,即选择较高的水力应变与紊动能区域作为上溯方向,且上溯路线中偏好较低水力因子区域,上溯偏好流速为0.01~0.09 m/s,紊动能为0.001~0.008 m^(2)/s^(2),水力应变为0.2~3.0/s。体型Ⅱ鱼道通过在主流位置增加桩柱结构,形成了多股水流,有效减小回流区的占比,提高了鱼道池室空间利用率,为鱼类的上溯路径提供了更多选择。

竖缝式鱼道90°~180°转弯段水力特性及优化研究

受鱼道进出口位置、工程地质、枢纽布置等因素限制,鱼道工程需要布置不同角度的转弯段池室,以适应复杂多变工程环境。采用数值模拟的方法,研究了同侧竖缝式鱼道不同转角α(90°≤α≤180°)的转弯段池室流场分布规律,并对不同转角池室提出了系统的优化措施。结果表明,当转弯角度α大于90°时,均出现主流冲击外侧边壁,池室中部伴有大尺度回流区的现象,并随着转弯段角度α增大,主流冲击程度加剧,回流区尺度也进一步扩大。针对上述流场问题,采用加设整流导板的措施进行优化,提出转弯角度α介于90°~140°之间时,整流较好的导板位置α_(0)/α值由1/4.0增加至1/2.8,当α介于140°~180°之间时,α_(0)/α值基本稳定于1/2.8~1/3.0之间,即随着转弯角度α的逐渐增加,较优的α_(0)/α值呈现先增加后趋于稳定的变化趋势,可为转弯段结构相似布置鱼道优化设计提供参考。

墩头角度对竖缝式鱼道水力特性的影响

竖缝式鱼道隔板、导板的墩头角度是影响其池室水流结构的因素之一。采用数值模拟方法,依据RNGk-ε方程,主要通过改变隔板与导板墩头在迎水面与背水面角度的方式,来研究竖缝式鱼道的水力特性。在不同墩头角度情况下,通过对比相应鱼道池室内的水流流态、流速、紊动能等数据,获得较为适宜的鱼道隔板设计型式。试验结果表明:隔板和导板迎水面墩头角度逐渐增大时,均会导致池室主流逐渐靠近池室一侧边壁;在主流未受到池室边壁的影响时,水流流速整体呈下降趋势;导板迎水面墩头角度变化对池室水流结构影响更大。研究成果可为鱼道优化设计提供数据支撑。

异侧竖缝式鱼道的数值模拟及试验研究

竖缝式鱼道具有隔板型式简单、水流条件好、主流位置明确等特点,适宜喜爱不同水层鱼类洄游,是目前应用最为广泛的过鱼工程。参考规范要求,以实际工程为例,初步设计3种鱼道池室隔板型式,利用数值模拟的方法,以第1种鱼道池室结构搭建数学模型计算出的竖缝位置流速和池室表层水流流态,与物理模型试验结果进行对比,验证数学模型隔板型式尺寸优化的合理性。根据池室内的水力特性优化隔板型式,对确定的优化隔板型式以比尺为1∶5的局部物理模型试验对不同竖缝处不同水深进行流速测量,以尺为1∶20的整体物理模型试验对竖缝处流速以及沿程水深进行测量。试验结果表明,当鱼道出口水深不小于进口水深时,即运行工况1和运行工况4,各隔板竖缝附近流速均小于设计流速1.2 m/s,当鱼道出口水深小于进口水深时,即运行工况2和运行工况3,鱼道进口处隔板竖缝附近流速较大,运行工况2时,最大流速为1.319 m/s;运行工况3时,最大流速为1.561 m/s,均超过设计流速1.2 m/s。建议鱼道在工况1和工况4条件下运行。同时对始水状态下鱼道的水力特性进行分析,建议采用流速为4 m/s的冲击流速值加强对鱼道首部数级水池隔板与导板的结构设计。

大渡河安谷竖缝式鱼道过鱼效果监测与评估研究

过鱼效果监测与评估可为鱼道设计优化、功能完善及运行管理提供参考依据。2020年6-9月采用陷阱法、张网法和水声学等方法对安谷竖缝式鱼道过鱼效果进行监测,以评估鱼道出口高程改进后的过鱼效果,保护大渡河鱼类资源。结果显示:(1)鱼道下游河段分布鱼类34种,包括过鱼种类蛇鮈、唇䱻、泉水鱼、瓦氏黄颡鱼、鲇5种和优势种光泽黄颡鱼、蛇鮈、唇䱻、凹尾拟鲿、鲫5种;月均单位捕捞努力量(CPUE)为13.39 g/(net·h);(2)有24种鱼进入鱼道进口,占鱼道下游种类数的70.59%;鱼道进口时均净上行数量为0.44尾/h,呈递减趋势;相较于白昼,鱼类更喜欢夜晚通过鱼道进口断面;(3)有19种183尾鱼通过鱼道,占鱼道进口鱼类种数的79.17%;其中包含目标鱼6种114尾,占过鱼总数的62.30%;鱼道出口时均过鱼数量为0.11尾/h,呈现先减小后增加的趋势,鱼道过鱼效率为25%;(4)监测期间,鱼道流量在(0.11±0.03)m^(3)/s和竖缝流速在0.50~0.58 m/s有利于鱼类通过鱼道。研究表明,安谷竖缝式鱼道有效可用,具有一定的集鱼和过鱼功能;相较于改进前,鱼道集鱼和过鱼效果明显提升。

竖缝堵塞对竖缝式鱼道运行的影响研究

竖缝式鱼道在实际运行中,经常出现竖缝堵塞的现象。针对竖缝式鱼道在实际运行中的竖缝堵塞问题,通过数值模拟,还原了竖缝式鱼道在运行期间出现的竖缝堵塞情况。以老口航运枢纽鱼道为案例,分析了竖缝式鱼道在不同堵塞情况下的沿程流速、水流流态和紊动能,得出如下结论:竖缝堵塞时,影响上游5~6个池室的流速及下游3~4个池室;当竖缝堵塞0.8 h以上时流速减小,堵塞0.8 h以下时流速增大,堵塞程度为0.4 h时流速最大,为1.77m/s。对于老口航运枢纽鱼道的主要过鱼目标中“四大家鱼”来说,当竖缝处堵塞0.4 h要及时清理和修复,以保证鱼道的正常运行。

竖缝式鱼道进口段水位变化规律研究

在我国已建鱼道中竖缝式鱼道较多,但对竖缝式鱼道沿程水位变化规律的研究较少,且缺乏原型观测数据。鱼道进口段是影响鱼道功能发挥的关键区段,其水力特性研究具有重要意义。为了给类似工程提供借鉴和参考,依托四川省黑水河松新鱼道监测数据,对鱼道进口段沿程水位变化规律及其与上下游水位的关系进行了分析。研究表明:1)鱼道竖缝水位与下游水位相关性较强、与上游水位相关性较弱,原因主要是鱼道进口段位于电站下游、受下游水位影响较为明显,而上游水位距离鱼道进口段较远,其影响经多个鱼道池室隔板消减后,在鱼道进口段表现不明显;2)鱼道进口段水位变化不是均匀下降,而是在末段发生水位陡降,易造成流速增大、流态紊乱现象,而该段是鱼类上溯的关键区段,因此对鱼道过鱼效率有关键影响,同时,随着上下游水位差的缩小,鱼道进口段中段水面线出现平台;3)上下游水位差越大,鱼道沿程水位下降幅度越大,上下游水位差主要由鱼道进口段的末段承担。

渠-隧结合型竖缝式鱼道结构及应用研究

鱼道是水利水电工程建设中发挥河流生态系统保护功能的重要设施。文章针对西南山区河道水库上下游水位落差大、岸坡陡峻、空间狭窄等问题,创新性地提出渠-隧结合型竖缝式鱼道结构,并应用于某水库工程鱼道设计,相关设计成果经数值模拟和模型试验进行研究优化后,鱼道水力学特性满足过鱼对象要求。

竖缝式鱼道180°转弯段水力特性与结构优化研究

针对目前鱼道180°转弯段存在水流条件差、影响鱼类上溯的问题,通过延长转弯段上下游长度并增设整流导板来改善水流条件。结合国内某竖缝式鱼道工程设计,采用数值模拟的方法研究了四种转弯段结构水流流态、流速、紊动能和紊动耗散率分布问题。结果表明,延长转弯段上下游长度的同时增设整流导板可有效引导主流居中,维持主流稳定,避免转弯段内产生大尺度回流区,具有良好的上溯条件。研究结果可为鱼道工程改造和设计提供参考。

异侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟

竖缝式鱼道因其能够适应不同水位变化、消能效果明显、水流流态稳定等特点而逐渐引起水利工程界的重视。通过数值模拟的方法探究了池室长宽比对异侧式竖缝鱼道水力特性的影响,结果表明,池室长宽比的变化对单位体积耗散率影响较小;主流区沿程衰减率先随池室长宽比的增大而增大,后保持不变。池室长宽比越大,池室内最大流速越靠近竖缝处;不同池室长宽比,池室主流流速与池室最大流速(主流流速沿程变化最大值)比值在一定范围内。池室长宽比L/B在1.00~1.13之间,可在鱼道主流区内获得较好的水流流态、较大的回流区及较好的消能效果,有利于研究区内鱼类的洄游。

基于竖缝隔板的大底坡鱼道水力优化数值模拟

为了优化大底坡竖缝式鱼道池室水力特性,在验证物理模型的基础上,构建三维水动力数学模型,考虑5种大底坡坡度对竖缝有无隔板及竖缝隔板不同安装高度的池室水力分布进行了数值模拟分析。结果表明,竖缝设置隔板能有效减小池室最大流速和平均湍动能;当底坡为1/20时,池室最大流速下降率为10.16%~14.84%,平均湍动能下降率为21.88%~42.19%,主流最大流速衰减率为61.24%~61.82%,池室内形成了小流速、低湍动的Ω形连续性水流;改变竖缝隔板安装高度会影响隔板上下水深处的竖缝流速大小,但对隔板上下水深处的流速、湍动能、应变率的分布规律无显著影响。

大底坡下“H”型竖缝式鱼道池室水力特性数值研究

竖缝式鱼道作为一种生态补偿工程可有效缓解水利工程对鱼类洄游造成的不利影响,研究合理参数下竖缝式鱼道水力特性对建设经济有效型鱼道具有重要意义。基于物理模型试验与三维数值模拟相结合的方法,在大底坡1∶20情况下,系统分析了9种池室长宽比的“H”型竖缝式鱼道流场分布及水力特性。结果表明:不同池室长宽比下主流均呈“S”型,主流流速最大衰减率为46.4%~61.3%;池室长宽比L∶B=10∶8为大底坡“H”型竖缝式鱼道最佳池室长宽比,该方案池室内水流流态较好,主流向右侧弯曲且曲率最大,存在较大范围的低紊流区,且满足鱼道单位体积消能率的要求,有利于鱼类洄游上溯。研究结果可为大底坡下“H”型竖缝式鱼道参数选取与水力优化设计提供参考依据。

竖缝相对位置对鱼道池室水力特性影响研究

为探究竖缝相对位置变化对竖缝式鱼道池室水力特性的影响,以引江济淮某工程鱼道为研究对象,采用RNG k-ε紊流模型和VOF方法对鱼道水力特性进行模拟计算。通过竖缝式鱼道短隔板与鱼道宽(P/B)之比为0.18、0.26、0.34、0.42、0.5和0.58的6种不同工况,对比分析竖缝位置变化对鱼道池室流场、流速云图和湍流动能等水力要素的影响。结果表明,竖缝位置变化会显著影响鱼道池室主流区形状和回流区分布,当P/B≥0.42时,池室主流曲率和回流区面积都较大,容易使鱼类迷失方向;竖缝位置变化对池室流速影响较小,最大流速未发生明显变化,但对湍流动能、回流区流速分布有明显影响;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;当P/B为0.34时,池室内的水流流态更有利于鱼类洄游。研究结果对竖缝式鱼道优化设计具有重要意义。

竖缝式鱼道180°转弯段隔板布置与水力特性

受枢纽布置与地形条件限制,很多鱼道工程都需要设置180°转弯段。前人研究发现180°转弯段容易出现较大的回流区并影响上溯效率,为改善转弯段水流结构,目前常用的做法是沿转弯段边墙增设垂向导板。与以往研究不同,本研究提出了一种在转弯段内增设顺水流方向导鱼隔板的布置方案。采用数值模拟对转弯段水流流场进行计算研究,结果表明隔板布置可以使主流区基本居中,回流区减小,回流区长宽比增加,转弯段内形成不同流速量值的流区,是一种可供借鉴的优化布置方式。

竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼洄游行为模拟

鱼道是帮助洄游鱼类跨越河道内物理障碍的主要过鱼设施之一。针对鱼道结构优化试验耗时长、成本高的问题。该研究在物理试验基础上建立模拟鱼类运动的数值模型,基于竖缝式鱼道内齐口裂腹鱼的行为数据,结合机器学习和欧拉-拉格朗日智能体方法(Eulerian-Lagrangian-agent method,ELAM)建立了鱼类洄游路线预测模型。首先,将齐口裂腹鱼的游泳行为数据划分为3个数据集(顺流而下、侧向运动和逆流而上);然后,根据不同机器学习算法(XGBoost、K-近邻、梯度提升决策树、随机森林)分别构建游泳行为分类模型和游泳速度回归模型,并通过试验结果对比,筛选出最优模型;最后,结合ELAM的框架,构建鱼类洄游数学模型,模拟了齐口裂腹鱼在3种体型的竖缝式鱼道中的洄游路线。结果表明:基于随机森林建立的游泳行为分类模型和游泳速度回归模型预测效果最佳,游泳行为分类精度为0.804,召回率为0.794,F1得分为0.798,3个数据集的游泳速度回归的R2均大于0.75。研究所建立的鱼类洄游数学模型能够较好的预测齐口裂腹鱼的洄游路线,可为相关鱼类保护措施的设计和优化提供参考。

进鱼口水深超高时竖缝式鱼道允许水位差

若鱼道设计不当,进鱼口水深超高会影响诱鱼效果,从而降低鱼类上溯率。依托某实例工程建立鱼道整体数学模型,对鱼道流速、流态、水面线等进行研究,探究进鱼口水深超高时鱼道上下游允许水位差。研究发现,壅水工况,上游段水深与出鱼口水深一致,流速稳定,下游段水深开始缓慢增加直至达到进鱼口水深,流速随之减小,出现极小值;坡度越陡,出鱼口水深对允许水位差的影响越大,坡度相同时允许水位差和出鱼口水深呈正线性相关,随出鱼口水深增加,允许水位差变大;出鱼口水深越大,坡度对允许水位差的影响越小,出鱼口水深相同时允许水位差和坡度也呈正线性相关,坡度越陡,允许水位差越大。通过多元线性回归法,将试算数据整理为以坡度和出鱼口水深为自变量的允许水位差求解公式。研究成果可为大幅提高鱼道适应水位变动的能力提供技术支持。

池室结构对竖缝式鱼道水力特性的影响

依托RNG k-ε模型,对在竖缝式鱼道池室内布置圆柱型障碍物引起的水力特性变化开展了数值模拟研究,主要是不同圆柱布置位置对鱼道池室内流态、流速、紊动能、单位体积消能率等水力特性的影响。结果表明:圆柱布置在距离竖缝中心b_(0)的x=1.5 b_(0),y=3.1 b_(0)(定义短隔板上游面与导墙的交点为原点,b_(0)为圆柱直径或竖缝宽度)位置时不能有效减小竖缝区域最大流速,同时还会减小低速回流区面积,可能会降低过鱼效率;圆柱布置在x=2.2 b_(0),y=3.1 b_(0)时最大流速较常规池室减小12%,并使流态呈“Ω”形,延长了池室内水流流线,更能满足鱼类洄游的需求;当圆柱向下游移动至x=3.0 b_(0)时,圆柱对池室内水力特性的改善效果减弱。圆柱等障碍物的布置可以有效减小紊动能,同时改善紊动能在池室内的分布;圆柱的布置位置对单位体积消能率分布有着极大的影响,不恰当的布置方式反而会使局部单位体积消能率增加,影响鱼类洄游效率。

进鱼口水深不足时竖缝式鱼道水力特性及进出口允许最大水深差

为研究竖缝式鱼道进鱼口水深不足时鱼道进出口允许最大水深差,构建了鱼道整体数学模型,对鱼道流速、流态、水面线等进行了数值模拟分析。结果表明:当进鱼口水深不足时,上游段水深与出鱼口水深一致,流速稳定;中间段水深开始缓慢下降,流速逐渐变大;下游段水深急剧下降,流速迅速变大,在进鱼口处出现跌水,流速出现最大值。当鱼道坡度相同时,出鱼口水深与进出口允许最大水深差呈线性关系,出鱼口水深越大,进出口允许最大水深差越大;当出鱼口水深相同时,鱼道坡度与进出口允许最大水深差也呈线性关系,鱼道坡度越陡,进出口允许最大水深差越小。